CN106768709B - 相同压差下抽气与充气对应密封件气体泄漏量的实验方法 - Google Patents
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Abstract
一种相同压差下抽气与充气对应密封件气体泄漏量的实验方法，属于气体密封泄漏测量领域。该方法利用气体泄漏量测试系统对密封件气体泄漏量进行测量。通过该装置可以测量密封件受到气体压差作用时，抽气实验和充气实验所对应的气体泄漏量，并且根据微通道内的气体流动，得到相同压差作用下，抽气实验和充气实验所对应的气体泄漏量以及两种气体泄漏量的相互关系。利用此关系，可以通过抽气实验测得的气体泄漏量得到充气实验对应的气体泄漏量，反之亦然。本方法操作简单，抽气实验和充气实验所对应的气体泄漏量的相互关系准确可靠。
Description
技术领域
本发明涉及密封件接触界面气体泄漏量测试系统、测试系统的使用步骤以及测试结果相互关系，属于气体密封测量技术领域。
背景技术
密封件因其具有密封、防尘防水、减振、隔音等重要作用广泛应用于航空航天、高铁、大型水利工程、高端机床等关系到国计民生的重要工业领域。密封件工作环境严酷(高低温、高压力、耐腐蚀、防火阻燃)，所以不仅要求其具有优良的性能，还要求其具有高可靠性以及耐久性。密封作为密封件的一个重要作用，保证密封件拥有一个良好的密封性能尤为关键。在密封件整个工作过程中，如何检测密封件泄漏的质量流量以及找到相同压差情况下，不同测试方法得到的气体泄漏量之间的相互关系，是评价密封件密封性能的重要因素。
目前大多数密封产品表面附有一层纤维织物，其能起到降低磨损，延长使用寿命以及减小与接触面的摩擦系数的作用。但是纤维织物相对于橡胶材料模量较大，不易发生变形，且纤维织物表面存在一定的结构与缝隙，使得密封件与其他结构接触密封时产生较大的泄漏率。传统的理论模型对气体在深宽比小的通道中流动计算较为准确，但不能很好地计算气体在深宽比较大的微通道中流动的质量流量。并且传统的理论模型仅考虑了压差对气体泄漏量的影响，没有考虑气体压强因素对气体泄漏量的影响。本专利所用到的方法不仅适用于微通道气体泄漏量的计算，同时考虑了压差以及气体压强对气体泄漏量的影响，并且得到了不同泄漏实验所对应的气体泄漏量之间的相互关系。
发明内容
本发明的目的是提供了在一种相同压差下，抽气与充气对应密封件气体泄漏量的实验方法，用于获取相同气体压差情况下，抽气实验与充气实验所对应的气体泄漏量之间的相互关系。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种相同压差下抽气与充气对应密封件气体泄漏量的实验方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)搭建实验系统：该系统包括充气装置、密封装置以及抽气装置；所述充气装置包括储气罐、充气端压力控制阀、充气端流量计及充气端压力传感器；所述密封装置包括密封件、密封箱底座、密封箱加载板以及固定底座，所述密封件为异形密封件，且表面附有纤维织物；密封箱加载板与密封件相互挤压接触将密封箱加载板和密封箱底座组合体分隔成一个高压腔和一个低压腔；所述抽气装置包括真空泵、抽气端压力控制阀、抽气端流量计及抽气端压力传感器；
2)密封箱加载板压缩密封件时形成一系列的气体泄漏微通道，气体在压差的作用下经过这些微通道，由气压高的一侧流向气压低的一侧；通过这些微通道的气体流量之和即为密封件的气体泄漏量；
3)对于微通道内的气体流动，根据下式求得微通道气体泄漏量为：
对于一整段长度的密封件的气体泄漏量，即从密封箱加载板与密封件接触区域的气体泄漏量为：
式中，f(a,b,c,μvic,T)是关于微通道(17)的形状参数、气体运动粘度系数以及气体温度的函数，μvic为气体运动粘度系数，T为气体温度，N为微通道数目，c为微通道截面高度的一半，a为微通道截面宽度的一半，b为微通道截面长度，ph为高压腔气体压强，pl为低压腔气体压强；
4)分别通过抽气实验与充气实验两种实验方式测得高压腔与低压腔压强之差Δp＝ph-pl所对应的气体泄漏量；
4-1)对于抽气实验，实验操作如下：
a.搭建好实验系统后，将充气端压力控制阀完全打开，高压腔完全与大气连通，此时高压腔的气体压强phe通过充气端压力传感器读出，再打开真空泵，调节抽气端压力控制阀，使得抽气端压力传感器显示的低压腔气体压强ple＝phe-Δp；
b.当充气端压力传感器与抽气端压力传感器的示数保持稳定后，这时充气端流量计与抽气端流量计示数相等，然后读取并记录流量计示数Me，Me即为抽气实验气体泄漏量；
c.实验结束，关闭真空泵，整理好实验设备供下次实验使用；
4-2)对于充气实验，实验操作如下：
a.搭建好实验系统后，将抽气端压力控制阀完全打开，低压腔完全与大气连通，此时低压腔的气体压强pla通过抽气端压力传感器读出，再打开储气罐，调节充气端压力控制阀，使得充气端压力传感器显示的高压腔气体压强pha＝pla+Δp；
b.当充气端压力传感器与抽气端压力传感器的示数保持稳定后，这时充气端流量计与抽气端流量计示数相等，然后读取并记录流量计示数Ma，Ma即为充气实验气体泄漏量；
c.实验结束，关闭储气罐，整理好实验设备供下次实验使用；
5)高压腔与低压腔压强之差Δp＝ph-pl所对应的抽气实验气体泄漏量为Me，充气实验气体泄漏量为Ma，根据公式(2)得到：
公式(3)，(4)中，fe(a,b,c,μvic,T)与fa(a,b,c,μvic,T)分别是抽气实验与充气实验关于微通道(17)形状参数、气体运动粘度系数以及气体温度的函数，N为密封件的微通道数目；
6)抽气试验和充气实验中，a,b,c,μvic,T保持不变，所以fe(a,b,c,μvic,T)＝fa(a,b,c,μvic,T)，并且相同长度密封件的微通道数目N不变；
7)联立公式(3)与公式(4)，得到相同压差的情况下，抽气实验与充气实验所对应的气体泄漏量之间的相互换算关系：
本发明具有以下优点及突出性的技术效果：本发明所用到的实验方法能够测得微通道气体泄漏量，同时考虑了压差以及气体压强对质量流量的影响，得到了相同气体压差情况下，抽气实验与充气实验所对应的气体泄漏量之间的相互关系。利用此关系，可以通过抽气实验测得的气体泄漏量得到充气实验对应的气体泄漏量，反之亦然。该方法操作简单，两种气体泄漏量相互关系准确可靠。
附图说明
图1为密封件气体泄漏量测试系统的结构示意图。
图2为密封件与密封箱加载板的接触区域结构示意图。
图3为气体泄漏微通道几何结构示意图。
图中：1-储气罐；2-管道；3-充气端压力控制阀；4-充气端流量计；5-充气端压力传感器；6-密封箱加载板；7-密封箱底座；8-密封件；9-固定底座；10-密封件放置槽；11-抽气端压力传感器；12-抽气端流量计；13-抽气端压力控制阀；14-真空泵；15-高压舱；16-低压舱；17-微通道；18-纤维织物。
具体实施方式
下面结合附图及实施案例对本发明作进一步描述。
1)搭建实验系统：图1为密封件气体泄漏量测试系统。该系统包括充气装置、密封装置以及抽气装置；所述充气装置包括储气罐、充气端压力控制阀、充气端流量计及充气端压力传感器，并通过管道、接头相连；所述密封装置包括密封件、密封箱底座、密封箱加载板以及固定底座，所述密封件为异形密封件，且表面附有纤维织物；密封箱加载板与密封件相互挤压接触将密封箱加载板和密封箱底座组合体分隔成一个高压腔和一个低压腔；所述抽气装置包括真空泵、抽气端压力控制阀、抽气端流量计及抽气端压力传感器；
2)参见图1，密封箱加载板下端长度为l1，密封箱底座内腔高度为l2，固定底座下端厚度为l3，密封件未受到压缩载荷时的高度为l4，那么密封件所对应的压缩量l4-(l2-l1-l3),压缩比例为
3)参见图2，密封箱加载板压缩密封件时形成一系列的气体泄漏微通道，气体在压差的作用下经过这些微通道，由气压高的一侧流向气压低的一侧。通过这些微通道的气体流量之和即为密封件的气体泄漏量；
4)微通道内的气体流动为定常流动，假定流体运动速度u只有沿轴x方向的一个分量，但它是两个坐标y和z的函数，则描述该问题的N-S方程为：
再根据连续流无滑移边界条件：
则气体速度分布为：
对速度在横截面(yz面)内积分，可得通道的体积流量Qv，可以表示为：
考虑空气的可压缩性，可知微通道气体泄漏量为：
对于一段长度的密封件，可以得到整段密封件的气体泄漏量，即从密封箱加载板与密封件接触区域泄漏的气体泄漏量为：
式中，f(a,b,c,μvic,T)是关于微通道的形状参数、气体运动粘度系数以及气体温度的函数，μvic为气体运动粘度系数，ρ为气体密度，T为气体温度，R为普适气体常数，N为微通道数目，为气体压强梯度；
参见图3，c为微通道截面高度的一半，a为微通道截面宽度的一半，b为微通道截面长度，ph为高压腔气体压强，pl为低压腔气体压强，所以微通道入口气压为ph，出口气压为pl；
5)分别通过抽气实验与充气实验两种实验方式测得高压腔与低压腔压强之差Δp＝ph-pl所对应的气体泄漏量，两种实验测得的气体泄漏量不相等，分别对抽气实验与充气实验的实验操作进行介绍；
5-1)对于抽气实验，实验操作如下：
a.将密封件装配在固定底座9上，固定底座与密封箱底座7通过螺栓连接，密封箱加载板6下端压缩密封件8实现接触密封，在密封箱底座7的密封件放置槽10内放入密封件，再将密封箱加载板放在密封箱底座的上面，密封箱加载板与密封箱底座通过螺栓连接，两者通过挤压密封件来实现密封，通过上述操作完成密封装置的装配；
b.将充气端压力控制阀3、充气端流量计4、充气端压力传感器5、密封装置、抽气端压力传感器11、抽气端流量计12、抽气端压力控制阀13及真空泵14依次通过管道相连，充气端压力控制阀另外一段接大气；
c.检查并确定实验系统气密性良好后，将充气端压力控制阀完全打开，高压腔完全与大气连通，此时高压腔的气体压强phe可以通过充气端压力传感器读出，再打开真空泵，调节抽气端压力控制阀，使得抽气端压力传感器显示的低压腔气体压强ple＝phe-Δp；
d.当充气端压力传感器与抽气端压力传感器的示数保持稳定后，这时充气端流量计与抽气端流量计示数相等，然后读取并记录流量计示数Me，Me即为抽气实验气体泄漏量；
e.实验结束，关闭真空泵，整理好实验设备供下次实验使用；
5-2)对于充气实验，实验操作如下：
a.将密封件装配在固定底座上，固定底座与密封箱底座通过螺栓连接，密封箱加载板下端压缩密封件实现接触密封，在密封箱底座的密封件放置槽内放入密封件，再将密封箱加载板放在密封箱底座的上面，密封箱加载板与密封箱底座通过螺栓连接，两者通过挤压密封件来实现密封。通过上述操作完成密封装置的装配；
b.将储气罐1、充气端压力控制阀3、充气端流量计4、充气端压力传感器5、密封装置、抽气端压力传感器11、抽气端流量计12及抽气端压力控制阀13依次通过管道相连，抽气端压力控制阀另外一段接大气；
c.检查并确定实验系统气密性良好后，将抽气端压力控制阀完全打开，低压腔完全与大气连通，此时低压腔的气体压强pla可以通过抽气端压力传感器读出，再打开储气罐，调节充气端压力控制阀，使得充气端压力传感器显示的高压腔气体压强pha＝pla+Δp；
d.当充气端压力传感器与抽气端压力传感器的示数保持稳定后，这时充气端流量计与抽气端流量计示数相等，然后读取并记录流量计示数Ma，Ma即为充气实验气体泄漏量；
e.实验结束，关闭储气罐，整理好实验设备供下次实验使用；
6)高压腔与低压腔压强之差Δp＝ph-pl所对应的抽气实验气体泄漏量为Me，充气实验气体泄漏量为Ma，根据公式(6)得到：
公式(7)，(8)中，fe(a,b,c,μvic,T)与fa(a,b,c,μvic,T)分别是抽气实验与充气实验关于微通道形状参数、气体运动粘度系数以及气体温度的函数，N为密封件的微通道数目；
7)抽气试验和充气实验中，a,b,c,μvic,T保持不变，所以fe(a,b,c,μvic,T)＝fa(a,b,c,μvic,T)，并且相同长度密封件的微通道数目N不变；
8)联立公式(7)与公式(8)，得到相同压差的情况下，抽气实验与充气实验所对应的气体泄漏量之间的相互换算关系：
实施例：
1)参见图1，密封箱加载板下端长度为l1＝58mm，密封箱底座内腔高度为l2＝80mm，固定底座下端厚度为l3＝3mm，密封件未受到压缩载荷时的高度为l4＝27.5mm，那么密封件所对应的压缩量l4-(l2-l1-l3)＝8.5mm,压缩比例为
2)参见图2，密封件表面存在纤维织物结构，在密封箱加载板压缩密封件时形成一系列的气体泄漏微通道，气体在压差的作用下经过这些微通道，由气压高的一侧流向气压低的一侧。通过这些微通道的气体流量之和即为密封件的气体泄漏量。参见图3，微通道截面为2c×2a＝0.02×0.39mm，深度为b＝0.6mm。实验时，设置Δp＝ph-pl＝50Kpa。
3)高压腔与低压腔压强之差Δp＝ph-pl＝50Kpa所对应的气体泄漏量，可以通过抽气实验与充气实验两种实验方式达到，两种实验得到的气体泄漏量不相等，分别对抽气实验与充气实验的实验操作进行介绍。
3-1)对于抽气实验，实验操作如下：
a.将密封件装配在固定底座上，固定底座与密封箱底座通过螺栓连接，密封箱加载板下端压缩密封件实现接触密封，在密封箱底座的密封件放置槽内放入密封件，再将密封箱加载板放在密封箱底座的上面，密封箱加载板与密封箱底座通过螺栓连接，两者通过挤压密封件来实现密封。通过上述操作完成密封装置的装配；
b.将充气端压力控制阀、充气端流量计、充气端压力传感器、密封装置、抽气端压力传感器、抽气端流量计、抽气端压力控制阀及真空泵依次通过管道、接头相连，充气端压力控制阀另外一段接大气；
c.检查并确定实验系统气密性良好后，将充气端压力控制阀完全打开，高压腔完全与大气连通，此时通过充气端压力传感器读出高压腔的气体压强phe＝101.1Kpa，再打开真空泵，调节抽气端压力控制阀，使得抽气端压力传感器显示的低压腔气体压强ple＝phe-Δp＝51.1Kpa；
d.当充气端压力传感器与抽气端压力传感器的示数保持稳定后，这时充气端流量计与抽气端流量计示数相等，然后读取并记录流量计示数，得到抽气实验气体泄漏量Me＝0.0446Kg/min；
e.实验结束，关闭真空泵，整理好实验设备供下次实验使用。
3-2)对于充气实验，实验操作如下：
a.将密封件装配在固定底座上，固定底座与密封箱底座通过螺栓连接，密封箱加载板下端压缩密封件实现接触密封，在密封箱底座的密封件放置槽内放入密封件，再将密封箱加载板放在密封箱底座的上面，密封箱加载板与密封箱底座通过螺栓连接，两者通过挤压密封件来实现密封。通过上述操作完成密封装置的装配；
b.将储气罐、充气端压力控制阀、充气端流量计、充气端压力传感器、密封装置、抽气端压力传感器、抽气端流量计及抽气端压力控制阀依次通过管道、接头相连，抽气端压力控制阀另外一段接大气；
c.检查并确定实验系统气密性良好后，将抽气端压力控制阀完全打开，低压腔完全与大气连通，此时通过抽气端压力传感器读出低压腔的气体压强pla＝101.5Kpa，再打开储气罐，调节充气端压力控制阀，使得充气端压力传感器显示的高压腔气体压强pha＝pla+Δp＝151.5Kpa；
d.当充气端压力传感器与抽气端压力传感器的示数保持稳定后，这时充气端流量计与抽气端流量计示数相等，然后读取并记录流量计示数，得到充气实验气体泄漏量Ma＝0.0752Kg/min；
e.实验结束，关闭储气罐，整理好实验设备供下次实验使用。
根据公式(9)以及抽气试验和充气试验测得的流量值，可以得到：
所以可以通过公式(9)得到密封件在相同压差作用下，抽气实验和充气试验测得的泄漏量的换算关系。
Claims (1)
1.一种相同压差下抽气与充气对应密封件气体泄漏量的实验方法，其特征在于该方法包括如下步骤：
1)搭建实验系统：该系统包括充气装置、密封装置以及抽气装置；所述充气装置包括储气罐(1)、充气端压力控制阀(3)、充气端流量计(4)及充气端压力传感器(5)；所述密封装置包括密封件(8)、密封箱底座(7)、密封箱加载板(6)以及固定底座(9)，所述密封件(8)为异形密封件，且表面附有纤维织物(18)；密封箱加载板(6)与密封件(8)相互挤压接触将密封箱加载板(6)和密封箱底座(7)组合体分隔成一个高压腔(15)和一个低压腔(16)；所述抽气装置包括真空泵(14)、抽气端压力控制阀(13)、抽气端流量计(12)及抽气端压力传感器(11)；
2)密封箱加载板(6)压缩密封件(8)时形成一系列的气体泄漏微通道(17)，气体在压差的作用下经过这些微通道(17)，由气压高的一侧流向气压低的一侧；通过这些微通道(17)的气体流量之和即为密封件(8)的气体泄漏量；
3)对于微通道(17)内的气体流动，根据下式求得微通道(17)气体泄漏量为：
对于一段长度的密封件(8)，得到整段密封件(8)的气体泄漏量，即从密封箱加载板(6)与密封件(8)接触区域的气体泄漏量为：
式中，f(a,b,c,μvic,T)是关于微通道(17)的形状参数、气体运动粘度系数以及气体温度的函数，μvic为气体运动粘度系数，T为气体温度，N为微通道(17)数目，c为微通道(17)截面高度的一半，a为微通道(17)截面宽度的一半，b为微通道(17)截面长度，ph为高压腔(15)气体压强，pl为低压腔(16)气体压强；
4)分别通过抽气实验与充气实验两种实验方式测得高压腔(15)与低压腔(16)压强之差Δp＝ph-pl所对应的气体泄漏量；
4-1)对于抽气实验，实验操作如下：
a.搭建好实验系统后，将充气端压力控制阀(3)完全打开，高压腔(15)完全与大气连通，此时高压腔(15)的气体压强phe通过充气端压力传感器(5)读出，再打开真空泵(14)，调节抽气端压力控制阀(13)，使得抽气端压力传感器(11)显示的低压腔(16)气体压强ple＝phe-Δp；
b.当充气端压力传感器(5)与抽气端压力传感器(11)的示数保持稳定后，这时充气端流量计(4)与抽气端流量计(12)示数相等，然后读取并记录流量计示数Me，Me即为抽气实验气体泄漏量；
c.实验结束，关闭真空泵(14)，整理好实验设备供下次实验使用；
4-2)对于充气实验，实验操作如下：
a.搭建好实验系统后，将抽气端压力控制阀(13)完全打开，低压腔(16)完全与大气连通，此时低压腔(16)的气体压强pla通过抽气端压力传感器(11)读出，再打开储气罐(1)，调节充气端压力控制阀(3)，使得充气端压力传感器(5)显示的高压腔(15)气体压强pha＝pla+Δp；
b.当充气端压力传感器(5)与抽气端压力传感器(11)的示数保持稳定后，这时充气端流量计(4)与抽气端流量计(12)示数相等，然后读取并记录流量计示数Ma，Ma即为充气实验气体泄漏量；
c.实验结束，关闭储气罐(1)，整理好实验设备供下次实验使用；
5)高压腔(15)与低压腔(16)压强之差Δp＝ph-pl所对应的抽气实验气体泄漏量为Me，充气实验气体泄漏量为Ma，根据公式(2)得到：
公式(3)，(4)中，fe(a,b,c,μvic,T)与fa(a,b,c,μvic,T)分别是抽气实验与充气实验关于微通道(17)形状参数、气体运动粘度系数以及气体温度的函数，N为密封件的微通道(17)数目；
6)抽气实验 和充气实验中，a,b,c,μvic,T保持不变，所以fe(a,b,c,μvic,T)＝fa(a,b,c,μvic,T)，并且相同长度密封件的微通道数目N不变；
7)联立公式(3)与公式(4)，得到相同压差的情况下，抽气实验与充气实验所对应的气体泄漏量之间的相互换算关系：
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