CN106706220B - 高压氢环境下橡胶o形圈密封性能测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压氢环境下橡胶O形圈密封性能测试装置，主要包括待测橡胶O形圈、压盖、信号处理器、保护壳、螺钉、泄放口、悬臂梁式压力传感器、氢传感器、传力杆、密封O形圈、压环、底座、进/排气口、垫圈、内螺钉和外螺钉；所述压环为中空的圆环结构，所述压盖与底座之间构成试验腔体，并通过待测橡胶O形圈实现密封；所述底座为上部敞开、下部封闭的圆筒，底座的底端中心开有进/排气口用于试验气体的进气和泄放。本发明可实现橡胶O形圈在高压氢气环境下的密封接触应力以及氢气泄漏量的测量，并可进行不同压缩率的O形圈密封性能测试，具有操作简便、经济可靠的优点。

Description

高压氢环境下橡胶O形圈密封性能测试装置

技术领域

本发明属于机械结构密封性能测试设备开发领域，特别涉及一种高压氢环境下橡胶O形圈密封性能测试装置。

背景技术

氢能是新世纪重要的二次能源，高压储氢系统已成为世界各国氢能产业化推进的重点。橡胶密封件是高压氢系统不可缺少的重要组成部分，但其长期工作在高压高纯氢气环境下极易发生氢致损伤而引起泄漏失效，严重危及系统安全甚至引发灾难。为确保高压氢系统橡胶密封结构的长久、可靠运行，必须对橡胶O形圈密封在高压氢气环境下的密封性能进行测试和评估。

目前普遍接受的橡胶O形圈密封理论指出，橡胶O形圈密封的基本工作原理为：通过使橡胶O形圈发生弹性变形，使得密封接触面上产生接触应力，使其紧贴在被密封面上并挤入密封面所有微观凹陷，形成封闭的阻断密封带；密封面上的最大接触应力大于被密封介质的压力，则泄漏就不能形成，反之流体则会进入密封件和密封面之间的间隙并导致因表面分离引起的泄漏。因此最大接触应力和泄漏量是橡胶O形圈密封性能测试关注的重点。

然而，现有的测试设备试样安装繁琐费时，并且缺乏经济、可靠的接触应力测量结构，甚至接触应力测量点极易成为泄漏点导致测试失败；同时缺乏对橡胶O形圈压缩率的调节功能，导致同一设备仅能针对固定的密封沟槽参数。橡胶O形圈密封件在高压氢环境下工作时，氢气密度小易泄漏，对接触应力测量结构有较高要求。此外，氢气还会溶解到橡胶O形圈内引起橡胶膨胀，因此需要开发一套以氢气为试验介质的密封性能测试装置，该装置需能实现对接触应力和泄漏量两大关键参数的测量，并且具备压缩率可调节功能以测试橡胶吸氢膨胀对密封性能的影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提出一种安装简易、经济可靠的高压氢环境下橡胶O形圈密封性能测试装置，既能实现密封接触应力和泄漏量的有效测定；又能调整密封沟槽参数，实现不同压缩率的橡胶O形圈密封性能的测试以考察吸氢膨胀的影响。

为解决上述技术问题，本发明的解决方案如下。

一种高压氢环境下橡胶O形圈密封性能测试装置，其包括待测橡胶O形圈、压盖、保护壳、螺钉、泄放口、悬臂梁式压力传感器、氢传感器、传力杆、密封O形圈、压环、底座、进/排气口、垫圈、内螺钉和外螺钉，其中：

所述压环为中空的圆环结构，其内侧由光滑段和内螺纹段组成，光滑段与内螺纹段相接处为扩大状台阶结构；

所述底座为上部敞开、下部封闭的圆筒，底座的底端中心开有进/排气口用于试验气体的进气和泄放；

所述压盖依次包括上端的凸台段、中间的光滑圆柱段和下端的外螺纹段三个部位：凸台段、光滑圆柱段与所述底座和所述压环四者之间构成密封沟槽用于安装待测橡胶O形圈；凸台段的上表面设有螺纹孔，外缘部位开有一个通孔与所述密封沟槽的上侧中心位置相接；光滑圆柱段与外螺纹段相接处为内缩状台阶结构，该内缩状台阶结构与压环的扩大状台阶结构相配合用于安装垫圈；外螺纹段与所述压环的内螺纹段相配合构成螺纹连接；所述垫圈为中空的圆环体，与压环相配合用于控制上述待测橡胶O形圈所处的密封沟槽的轴向深度；

所述压盖与底座之间构成试验腔体，并通过待测橡胶O形圈实现密封，以及通过内螺钉实现连接固定；所述悬臂梁式压力传感器固定在压盖上；所述传力杆用于将待测橡胶O形圈受到挤压后产生的力传递给悬臂梁式压力传感器；所述保护壳与底座构成密封的防护腔体，保护壳设有氢传感器用于实时监测从试验腔体泄漏到防护腔体的气体含量，保护壳还开有用于泄放保护腔体里气体的泄放口。

进一步地，所述悬臂梁式压力传感器的左侧设有光滑通孔，右侧设有螺纹孔；所述螺钉穿过悬臂梁式压力传感器的光滑通孔并伸入压盖的凸台段的螺纹孔内用于固定悬臂梁式压力传感器。

进一步地，所述测试装置还包括信号处理器，所述信号处理器通过信号线与悬臂梁式压力传感器相连实现接触应力信号的采集处理。

进一步地，所述传力杆依次包括凸出部、螺纹段和光滑段三个部位：凸出部为六角凸台作为安装该部件的夹持部位，螺纹段与悬臂梁式压力传感器的螺纹孔相配合，光滑段穿过压盖的凸台段的通孔伸入到待测橡胶O形圈的上表面，并与密封沟槽上表面持平。

进一步地，所述保护壳为上部封闭、下部敞开的圆筒，并与底座构成防护腔体，通过密封O形圈实现密封，以及通过外螺钉实现连接固定；保护壳的右侧设有氢传感器用于实时监测从试验腔体泄漏到防护腔体的气体含量，保护壳的上端中心处则开有泄放口用于泄放保护腔体里的气体，保护壳的下表面设有矩形凹槽用于安装密封O形圈。

进一步地，所述压盖的凸台段的通孔的直径为1mm，并且该通孔的中心线穿过待测橡胶O形圈的截面圆心。

进一步地，所述传力杆的光滑段的直径为不大于0.6mm。

进一步地，所述底座的上表面在压盖与保护壳相邻处设有凸台用于底座与压盖、底座与保护壳之间的安装定位。

进一步地，所述悬臂梁式压力传感器采用抗氢应变片作为应变测量元件。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1. 本发明提供了一种简易、经济、可靠的接触应力测量结构，并且该结构设在密封沟槽的非主密封面上（即O形圈受气体挤压作用侧的对侧），避免了对主密封面（即O形圈受气体挤压作用侧的相邻侧）的损坏，有效避免了试验气体从接触应力测量结构处泄漏导致的试验失效。

2.本发明有效降低待测橡胶O形圈安装难度及损坏的可能性。传统的密封沟槽为一体式矩形凹槽结构（即把本发明中的压环与压盖固定为一体），安装更换O形圈时需将O形圈的内径胀开到比压环外径更大的尺寸方可把O形圈套入密封沟槽，此过程O形圈将会同时发生较大的拉伸变形和翻转变形或下移刮擦，极易造成O形圈的损坏。本发明将构成密封沟槽结构的压盖和压环两个部件设置为可拆卸结构，无需胀大O形圈即可轻松实现安装，降低了O形圈安装过程的难度也减少了安装过程中发生橡胶损坏的可能性。

3.本发明通过更换不同厚度的垫圈即可方便地调节密封沟槽的轴向深度，或者通过调整压环与压盖之间的螺纹旋合度还可实现密封沟槽轴向深度的非阶梯式的连续调节，可进行不同压缩率的O形圈测试，实现待测橡胶O形圈压缩率的简易调控。

附图说明

图1为本发明实例中的高压氢环境下橡胶O形圈密封性能测试装置总体结构示意图。

图中各部分说明如下：待测橡胶O形圈1、压盖2、信号处理器3、保护壳4、螺钉5、泄放口6、悬臂梁式压力传感器7、氢传感器8、传力杆9、密封O形圈10、压环11、底座12、进/排气口13、垫圈14、内螺钉15和外螺钉16。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式加以阐述，但本发明的实施和保护不限于此。

如图1所示，高压氢环境下橡胶O形圈密封性能测试装置，包括待测橡胶O形圈1、压盖2、信号处理器3、保护壳4、螺钉5、泄放口6、悬臂梁式压力传感器7、氢传感器8、传力杆9、密封O形圈10、压环11、底座12、进/排气口13、垫圈14、内螺钉15和外螺钉16。所述压环11为中空的圆环结构，其内侧由光滑段和内螺纹段组成，光滑段与内螺纹段相接处为扩大状台阶结构；所述底座12为上部敞开、下部封闭的圆筒，底座12的底端中心开有进/排气口13用于试验气体（氢气）的进气和泄放；所述压盖2依次包括上端的凸台段、中间的光滑圆柱段和下端的外螺纹段三个部位：凸台段、光滑圆柱段与所述底座12和所述压环11四者之间构成密封沟槽用于安装待测橡胶O形圈1，凸台段的上表面设有螺纹孔，凸台段的外缘部位开有一个通孔与所述密封沟槽的上侧中心位置相接，光滑圆柱段与外螺纹段相接处为内缩状台阶结构，该内缩状台阶结构与压环11的扩大状台阶结构相配合用于安装垫圈14，外螺纹段与所述压环11的内螺纹段相配合构成螺纹连接；所述垫圈14为中空的圆环体，与压环11配合用于控制上述待测橡胶O形圈1所处的密封沟槽的轴向深度；所述压盖2与底座12之间构成试验腔体，并通过待测橡胶O形圈1实现密封，以及通过内螺钉15实现连接固定；所述悬臂梁式压力传感器7的左侧设有光滑通孔，右侧设有螺纹孔；所述螺钉5穿过悬臂梁式压力传感器7的光滑通孔并伸入压盖2的凸台段的螺纹孔内用于固定悬臂梁式压力传感器7；所述信号处理器3通过信号线与悬臂梁式压力传感器7相连实现接触应力信号的采集处理；所述传力杆9依次包括凸出部、螺纹段和光滑段三个部位：凸出部为六角凸台作为安装该部件的夹持部位，螺纹段与悬臂梁式压力传感器7的螺纹孔相配合，光滑段穿过压盖2的凸台段的通孔伸入到待测橡胶O形圈1的上表面，并与密封沟槽上表面持平；所述保护壳4为上部封闭、下部敞开的圆筒，并与底座2构成防护腔体，通过密封O形圈10实现密封，以及通过外螺钉16实现连接固定；保护壳4的右侧设有氢传感器8用于实时监测从试验腔体泄漏到防护腔体的气体含量，保护壳4的上端中心处则开有泄放口6用于泄放保护腔体里的气体，保护壳4的下表面设有矩形凹槽用于安装密封O形圈10。

所述压盖2的凸台段的通孔的直径为1mm，并且该通孔的中心线穿过待测橡胶O形圈1的截面圆心。

所述传力杆9的光滑段的直径为不大于0.6mm。

所述底座12的上表面在压盖2与保护壳4相邻处设有凸台用于底座12与压盖2、底座12与保护壳4之间的安装定位。

所述悬臂梁式压力传感器7采用抗氢应变片作为应变测量元件。

本实例的具体应用步骤如下：

首先将待测橡胶O形圈1套入压盖2，并确保待测橡胶O形圈1的上表面与压盖2的凸台段的下表面相接；然后根据测试所需的压缩率把相应厚度的垫圈14套入压盖2的台阶结构处，跟着把压环11旋进压盖2的外螺纹段，继而安装内螺钉15实现压盖2与底座12之间的连接固定，此时待测橡胶O形圈被安装在由压盖2的凸台段、光滑圆柱段与压环11、底座12构成的密封沟槽内。将螺钉5穿过悬臂梁式压力传感器7的左侧光滑通孔并伸入到压盖2上表面的中心螺纹孔内，实现悬臂梁式压力传感器7的固定；再把传力杆9依次穿入悬臂梁式压力传感器7的右侧螺纹孔、压盖2的凸台段的外缘部位设置的通孔，并伸入到待测橡胶O形圈1的上表面，并保持与密封沟槽上表面持平。继而，把密封O形圈10套入保护壳4设置的矩形凹槽内，然后安装外螺钉16实现保护壳4与底座12之间的连接固定。接着，往进/排气口13通入试验气体—高压氢气，当高压氢气填充到试验腔体后，高压氢气将待测橡胶O形圈1挤压到密封沟槽的上侧，此时传力杆9的光滑段的端面受到待测橡胶O形圈1的挤压，并将力传递到悬臂梁式压力传感器7上，经信号处理器3获得该压力值后，将其除以传力杆9的光滑段的端面面积即可得到该测点的平均接触应力。由于传力杆9的光滑段的直径较小（不大于0.6mm），因此所获得的平均接触应力接近于该点的实际接触应力。当待测橡胶O形圈1不能实现密封时，试验腔体里的高压氢气将泄漏到防护腔体内，此时氢传感器8可实时监测泄漏到防护腔体里的氢气含量。试验结束后，通过进/排气口13把试验腔体内的氢气往外泄放，并通过泄放口6把防护腔体内含有的泄漏气体往外排出，然后拆卸试样。

上述应用步骤中，只需更换垫圈14的厚度，或者调整压环11与压盖2之间的螺纹旋合度，即可实现不同压缩率的O形圈密封性能测试。

在本实例中，接触应力测量结构开设在密封沟槽的非主密封面上（O形圈受气体挤压作用侧的对侧），避免了对主密封面（O形圈受气体挤压作用侧的相邻侧）的损坏，有效避免了试验气体从接触应力测量结构处泄漏导致的试验失效。

本实例中，将构成密封沟槽结构的压盖和压环两个部件设置为可拆卸结构，无需胀大O形圈即可轻松实现安装，因此，试样安装过程简单方便，降低了待测橡胶O形圈安装过程的难度也减少了安装过程中发生橡胶损坏的可能性。

以上所述，仅是本发明的具体实施案例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出某些更动或修改而成为等同变化的等效实施案例。例如，本发明并不限定只用于以氢气为试验介质，同样适用于硫化氢气体、天然气与氢气混合气体等试验介质。但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围内。

Claims (9)

1.高压氢环境下橡胶O形圈密封性能测试装置，其特征在于包括待测橡胶O形圈、压盖、保护壳、螺钉、泄放口、悬臂梁式压力传感器、氢传感器、传力杆、密封O形圈、压环、底座、进/排气口、垫圈、内螺钉和外螺钉，其中：

所述压环为中空的圆环结构，其内侧由光滑段和内螺纹段组成，光滑段与内螺纹段相接处为扩大状台阶结构；所述底座为上部敞开、下部封闭的圆筒，底座的底端中心开有进/排气口用于试验气体的进气和泄放；

所述压盖依次包括上端的凸台段、中间的光滑圆柱段和下端的外螺纹段三个部位：凸台段、光滑圆柱段与所述底座和所述压环四者之间构成密封沟槽用于安装待测橡胶O形圈；凸台段的上表面设有螺纹孔，外缘部位开有一个通孔与所述密封沟槽的上侧中心位置相接；光滑圆柱段与外螺纹段相接处为内缩状台阶结构，该内缩状台阶结构与压环的扩大状台阶结构相配合用于安装垫圈；外螺纹段与所述压环的内螺纹段相配合构成螺纹连接；所述垫圈为中空的圆环体，与压环相配合用于控制上述待测橡胶O形圈所处的密封沟槽的轴向深度；

所述压盖与底座之间构成试验腔体，并通过待测橡胶O形圈实现密封，以及通过内螺钉实现连接固定；所述悬臂梁式压力传感器固定在压盖上；所述传力杆用于将待测橡胶O形圈受到挤压后产生的力传递给悬臂梁式压力传感器；所述保护壳与底座构成密封的防护腔体，保护壳设有氢传感器用于实时监测从试验腔体泄漏到防护腔体的气体含量，保护壳还开有用于泄放保护腔体里气体的泄放口。

2.根据权利要求1所述的高压氢环境下橡胶O形圈密封性能测试装置，其特征在于所述悬臂梁式压力传感器的左侧设有光滑通孔，右侧设有螺纹孔；所述螺钉穿过悬臂梁式压力传感器的光滑通孔并伸入压盖的凸台段的螺纹孔内用于固定悬臂梁式压力传感器。

3.根据权利要求1所述的高压氢环境下橡胶O形圈密封性能测试装置，其特征在于还包括信号处理器，所述信号处理器通过信号线与悬臂梁式压力传感器相连实现接触应力信号的采集处理。

4.根据权利要求1所述的高压氢环境下橡胶O形圈密封性能测试装置，其特征在于所述传力杆依次包括凸出部、螺纹段和光滑段三个部位：凸出部为六角凸台作为安装该部件的夹持部位，螺纹段与悬臂梁式压力传感器的螺纹孔相配合，光滑段穿过压盖的凸台段的通孔伸入到待测橡胶O形圈的上表面，并与密封沟槽上表面持平。

5.根据权利要求1所述的高压氢环境下橡胶O形圈密封性能测试装置，其特征在于所述保护壳为上部封闭、下部敞开的圆筒，并与底座构成防护腔体，通过密封O形圈实现密封，以及通过外螺钉实现连接固定；保护壳的右侧设有氢传感器用于实时监测从试验腔体泄漏到防护腔体的气体含量，保护壳的上端中心处则开有泄放口用于泄放保护腔体里的气体，保护壳的下表面设有矩形凹槽用于安装密封O形圈。

6.根据权利要求1所述的高压氢环境下橡胶O形圈密封性能测试装置，其特征在于所述压盖的凸台段的通孔的直径为1mm，并且该通孔的中心线穿过待测橡胶O形圈的截面圆心。

7.根据权利要求1所述的高压氢环境下橡胶O形圈密封性能测试装置，其特征在于所述传力杆的光滑段的直径为不大于0.6mm。

8.根据权利要求1所述的高压氢环境下橡胶O形圈密封性能测试装置，其特征在于，所述底座的上表面在压盖与保护壳相邻处设有凸台用于底座与压盖、底座与保护壳之间的安装定位。

9.根据权利要求1所述的高压氢环境下橡胶O形圈密封性能测试装置，其特征在于，所述悬臂梁式压力传感器采用抗氢应变片作为应变测量元件。

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