CN112304530A - 一种可分析o型圈截面直径对高压密封性能影响的内倾斜角测试装置 - Google Patents
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Abstract
一种可分析O型圈截面直径对高压密封性能影响的内倾斜角测试装置，包括筒体，活动盖的中下部伸入筒体与筒体连接，活动盖的下部为锥形结构，测试用O型圈设置于该锥形结构外侧壁的环形密封槽中，活动盖通过中部外侧壁上凸起的螺旋块与筒体内侧壁的螺旋槽配合实现旋转，筒体底部连通进气管路和出气管路，活动盖的中部为环形凸起，螺旋块设置在环形凸起外的底侧位置，螺旋面带有内倾斜角，相应地，筒体内部均布有螺旋槽，且螺旋槽特征角与螺旋块相关特征角匹配。本发明通过活动盖底部密封槽和筒体锥面配合间隙的改变，实现测试用O型圈截面直径的控制，通过压力检测表以及阀门配合实现测试装置的气体回收、超压溢流和压力波动下卸荷。
Description
技术领域
本发明属于高压气体密封技术领域，特别涉及一种可分析O型圈截面直径对高压密封性能影响的内倾斜角测试装置。
背景技术
密封部件是高压储氢容器不可缺少的重要组成部分，其往往又是最薄弱环节，尤其在高压氢气环境下，其使用条件更加苛刻。高压氢气密封技术是确保高压储氢容器安全可靠使用必不可少的关键技术，密封效果的好坏，直接影响到高压储氢容器能否维持所需的内部压力以及发生氢气泄漏的可能性，进而影响到相关操作人员的生命安全和设备的财产安全。因此，有必要对高压氢气密封部件进行研究。
高压储氢容器用密封部件中使用最普遍的是橡胶O型圈，其工作原理在于：通过装配时过盈预紧使O型圈发生形变产生接触应力；工作状态时，高压介质进入密封沟槽产生压力，将O型圈挤入沟槽一侧，表面接触应力进一步增大；当O型圈表面接触应力大于介质压力时，O型圈起到应有的密封作用；此外，还需避免O型圈在工作过程中发生挤出失效或者因应力集中过大而产生裂纹引起失效。
在密封圈截面形状不变(“O”型)的情况下，密封接触应力和应力分布将与密封圈截面直径密切相关，特别是密封圈截面直径亦直接关乎密封沟槽处应力集中对其整体的影响程度，选取合适的密封圈截面直径可在保证橡胶O型圈密封性能的同时有效地避免其挤出失效。需要分析橡胶O型圈截面直径对高压密封性能影响，比较不同截面直径橡胶O型圈所能达到的最高密封介质压力，并以此为基础实现密封圈参数的优化和密封性能的提高。而目前的测试装置主要实现了不同橡胶O形圈线径变化影响的分析，针对O型圈截面直径对高压密封性能影响的测试装置不够成熟，导致对于不同截面直径橡胶O型圈所能达到的最高密封介质压力的分析难以进行，为高压氢气用橡胶O形圈截面直径的选取增加了困难。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可分析O型圈截面直径对高压密封性能影响的内倾斜角测试装置，可以分析不同截面直径橡胶O型圈所能达到的最高密封介质压力，且测量更为准确。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种可分析O型圈截面直径对高压密封性能影响的内倾斜角测试装置，其特征在于，包括筒体5，活动盖4的中下部伸入筒体5与筒体5连接，活动盖4的下部为锥形结构，筒体5相应内侧壁为与该锥形结构匹配的锥面结构，测试用O型圈7设置于该锥形结构外侧壁的环形密封槽中，活动盖4通过中部外侧壁上凸起的螺旋块与筒体5内侧壁的螺旋槽配合实现旋转，所述筒体5的底部通过气管13连通进气管路和出气管路，所述进气管路上沿进气方向依次设置有气瓶24、增压箱23、进气管路控制阀22和压力检测表21，所述出气管路上并联设置有出气管路溢流阀17、出气管路控制阀18和出气管路电磁阀20，出气管路末端连接气体回收瓶19，其中，所述活动盖4的中部为环形凸起，螺旋块设置在环形凸起外的底侧位置，螺旋角为θ，螺旋面带有内倾斜角α，相应地，筒体5内部设置有与螺旋块数量一致的螺旋槽，且螺旋槽特征角与螺旋块相关特征角匹配。
所述活动盖4的顶部通过压紧螺钉1安装有压顶环2和启闭杆3，利用启闭杆3逆时针或顺时针的旋转，带动活动盖4逆时针或顺时针的旋转，通过螺旋块和螺旋槽对应螺旋面的配合实现活动盖4垂直方向即轴向的升降，进而通过环形密封槽和筒体5锥面配合间隙的改变，实现测试用O型圈7截面直径的控制。
所述活动盖4旋动后对活动盖4沿垂直方向升降及测试用O型圈7截面直径增减的控制根据活动盖4、筒体5的螺旋面螺旋方向进行调整。
所述活动盖4和筒体5之间布有轴向的压紧弹簧6，压紧弹簧6布于筒体5非螺旋槽位置，在工作时为压缩状态。
环绕所述气管13通过管路压紧螺钉11自上而下安装有密封垫8、压紧垫12和压紧盘14，所述筒体5内侧壁与密封垫8外侧壁之间有管路密封外O型圈9和管路密封外凹型圈10，密封垫8内侧壁和气管13外侧壁之间有管路密封内凹型圈15和管路密封内O型圈16，管路密封外O型圈9位于管路密封外凹型圈10的上方，管路密封内O型圈16位于管路密封内凹型圈15的上方。
所述管路密封外O型圈9、管路密封内O型圈16、压紧垫12为硅橡胶；所述管路密封外凹型圈10、管路密封内凹型圈15为黄铜。
所述螺旋块表面加工有0.5～1mm厚的涂层，所述螺旋槽有止位凸起，螺旋块外侧与螺旋槽内侧具有3～5mm的间隙，所述活动盖4加工有环形的活动导轨。
所述压力检测表21用于检测筒体5内部气体测试时压力可达到最大值、测试时压力波动以及测试结束后是否排空；所述出气管路溢流阀17用于超压溢流；所述出气管路电磁阀20由压力检测表21控制，在压力检测表21检测到筒体5内部气体压力波动时进行卸荷。
所述测试用O型圈7为橡胶材料或金属材料，测试的高压气体为氢气、氦气或空气。
所述螺旋块和螺旋槽的数量均为三个，分别均布设置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、利用启闭杆3逆时针或顺时针的旋转，带动活动盖4逆时针或顺时针的旋转，通过螺旋块和螺旋槽对应螺旋面的配合实现活动盖4垂直方向(轴向)的升降，进而通过活动盖4底部密封槽和筒体5锥面配合间隙的改变，实现测试用O型圈截面直径的控制。
2、对螺旋块和螺旋槽的螺旋面增设内倾斜角α，解决了活动盖4底部密封槽安装测试用O型圈7后与筒体5锥面配合的对中问题。
3、通过活动盖4环形活动导轨的加工和压紧弹簧6的布置，在保证活动盖4逆时针或顺时针旋转稳定性的同时，实现螺旋块和螺旋槽的对应螺旋面的有效配合。
4、通过压力检测表21的压力检测分析不同截面直径橡胶O型圈所能达到的最高密封介质压力，并通过压力检测表21与出气管路溢流阀17、出气管路控制阀18、出气管路电磁阀20的配合使用，实现测试装置的气体回收、超压溢流和压力波动下卸荷。
附图说明
图1为橡胶O型圈测试部分结构示意图。
图2为气路控制示意图。
图3为橡胶O型圈测试部分的整体外观示意图。
图4为活动盖结构示意图。
图5为活动盖与筒体调节原理示意图。
图6为橡胶O型圈截面直径调节原理示意图。
图7为活动盖启闭原理示意图。
图8为压紧弹簧活动导轨结构示意图。
图9为活动盖与筒体配合示意图。
图10为活动盖与筒体配合示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
参照图1、图2、图3，一种可分析O型圈截面直径对高压密封性能影响的内倾斜角测试装置，包括筒体5及其活动盖4，活动盖4的中下部伸入筒体5与筒体5连接，活动盖4的下部为锥形结构，筒体5相应内侧壁为与该锥形结构匹配的锥面结构，测试用O型圈7设置于该锥形结构外侧壁的环形密封槽中，活动盖4通过中部外侧壁上凸起的螺旋块与筒体5内侧壁的螺旋槽配合实现旋转，筒体5的底部通过气管13连通进气管路和出气管路。
活动盖4的顶部通过压紧螺钉1安装有压顶环2和启闭杆3，利用启闭杆3逆时针或顺时针的旋转，带动活动盖4逆时针或顺时针的旋转，通过螺旋块和螺旋槽对应螺旋面的配合实现活动盖4垂直方向即轴向的升降，进而通过环形密封槽和筒体5锥面配合间隙的改变，实现测试用O型圈7截面直径的控制。
环绕气管13通过管路压紧螺钉11自上而下安装有密封垫8、压紧垫12和压紧盘14，筒体5内侧壁与密封垫8外侧壁之间有管路密封外O型圈9和管路密封外凹型圈10，密封垫8内侧壁和气管13外侧壁之间有管路密封内凹型圈15和管路密封内O型圈16，管路密封外O型圈9位于管路密封外凹型圈10的上方，管路密封内O型圈16位于管路密封内凹型圈15的上方。
筒体5、密封垫8之间以及密封垫8、气管13之间采用组合密封的方式使其密封效果更好，缸盖管路密封外凹型圈10和管路密封内凹型圈15为可分别防止管路密封外O型圈9和管路密封内O型圈16因内部介质压力过高发生挤出失效，且缸盖管路密封外凹型圈10和管路密封内凹型圈15具有自紧密封作用。压紧垫12用于弥补密封垫8和压紧盘14的轴向配合间隙，使密封垫8在轴向受到固定。其中管路密封外O型圈9、管路密封内O型圈16、压紧垫12为硅橡胶，但不限于硅橡胶，也可以为弹性较高的其他橡胶材料。管路密封外凹型圈10、管路密封内凹型圈15为黄铜，但不限于黄铜，也可以为硬度较高的其他金属材料。
参照图2，进气管路上沿进气方向依次设置有气瓶24、增压箱23、进气管路控制阀22和压力检测表21，出气管路上并联设置有出气管路溢流阀17、出气管路控制阀18和出气管路电磁阀20，出气管路末端连接气体回收瓶19，压力检测表21用于检测筒体5内部气体测试时压力可达到最大值、测试时压力波动(产生泄漏)以及测试结束后是否排空；出气管路溢流阀17用于超压溢流；出气管路电磁阀20由压力检测表21控制，在压力检测表21检测到筒体5内部气体压力波动时进行卸荷。
本发明的工作原理为：利用启闭杆3逆时针或顺时针的旋转，带动活动盖4逆时针或顺时针的旋转，通过螺旋块和螺旋槽对应螺旋面的配合实现活动盖4垂直方向(轴向)的升降，进而通过活动盖4底部密封槽和筒体5锥面配合间隙的改变，实现测试用O型圈截面直径的控制。通过压力检测表21的压力检测分析不同截面直径橡胶O型圈所能达到的最高密封介质压力，并通过压力检测表21与出气管路溢流阀17、出气管路控制阀18、出气管路电磁阀20的配合使用，实现测试装置的气体回收、超压溢流和压力波动下卸荷。
以测试140MPa介质压力为例进行说明：测试前，将测试用O型圈7装入密封槽，使活动盖4和筒体5进行配合，并关闭出气管路控制阀18。测试时，打开进气管路控制阀22，通过增压箱23对气瓶24输出的气体加压，设置20MPa、40MPa、60MPa、80MPa、100MPa、120MPa、140MPa的压力检测梯度，压力检测表21检测筒体5内部气体压力到达第一梯度压力(20MPa)时，关闭进气管路控制阀22，保压15～30min，通过压力检测表21检测筒体5内部气体压力的波动以判断是否产生泄漏。如压力检测表21检测到压力波动，控制出气管路电磁阀20的动作进行卸荷，则此压力为待测密封圈所能达到的最高密封介质压力；如压力检测表21未检测到压力波动，则进行下一梯度压力检测。测试结束后，打开出气管路控制阀18，通过气体回收瓶19进行气体回收。
参照图3～图7，活动盖4的中部为环形凸起，螺旋块设置在环形凸起外的底侧位置，数量为三个，环形凸起底面与和筒体5之间布有轴向的压紧弹簧6。活动盖4螺旋块螺旋角为θ，螺旋面带有内倾斜角α，相应地，筒体5内部均布有三个螺旋槽，且螺旋槽特征角与螺旋块相关特征角匹配。
螺旋块表面加工有0.5～1mm涂层，涂层为聚四氟乙烯，但不限于聚四氟乙烯，也可以为耐磨性较高的其他材料。
测试时，利用启闭杆3逆时针或顺时针的旋转，带动活动盖4逆时针或顺时针的旋转，通过螺旋块和螺旋槽对应螺旋面的配合实现活动盖4垂直方向(轴向)的升降(变化量为Δh)，进而通过活动盖4底部密封槽和筒体5锥面配合间隙的改变，实现测试用O型圈截面直径的控制。对螺旋块和螺旋槽的螺旋面增设内倾斜角α，从而通过三个螺旋面的内倾斜角α构建“三角支撑”，解决活动盖4底部密封槽安装测试用O型圈7后与筒体5锥面配合的对中问题，提高螺旋面配合的稳定性。
对于活动盖4和筒体5的配合动作，将螺旋块沿筒体5非螺旋槽位置(图7虚线箭头①所示)放入，压入压紧弹簧6后，以顺时针方向(图7实线箭头②所示)旋动活动盖4使活动盖4下降，待测O型密封圈截面直径减小；以逆时针方向(图7实线箭头③所示)旋动活动盖4使活动盖4上升，待测O型密封圈截面直径增大。压紧弹簧6为碳素弹簧钢丝，但不限于碳素弹簧钢丝，也可以为具有低可塑性和强弹性的其他材料。压紧弹簧6布于筒体5非螺旋槽位置。压紧弹簧6在工作时为压缩状态。
活动盖4、筒体5的螺旋面的螺旋角θ和内倾斜角α可根据需求进行设计。活动盖4旋动后对活动盖4沿垂直方向(轴向)升降及待测O型密封圈截面直径增减的控制可以根据活动盖4、筒体5的螺旋面螺旋方向进行设计调整。活动盖4、筒体5锥面的高度及角度也可根据需求进行设计。
参照图8，活动盖4加工有环形的活动导轨。活动盖4活动导轨截面为梯形，但不局限于梯形，也可以为具有导向、配合能力的其他形状。活动盖4压入压紧弹簧6，使压紧弹簧6受压，通过活动盖4环形活动导轨进行旋动，保证活动盖4旋动的稳定性。活动盖4停止旋动后，压紧弹簧6对活动盖4施加弹力作用，实现螺旋块和螺旋槽的对应螺旋面的有效配合。
参照图9，螺旋槽有止位凸起，用于活动盖4旋动的终止位，起到保护装置过旋的作用。
参照图10，活动盖4螺旋块外侧与筒体5螺旋槽内侧具有3～5mm间隙(Δd)，使螺旋块更好地进入螺旋槽，并避免活动盖4旋动过程螺旋块外侧与螺旋槽内侧的摩擦，起到保护装置的作用。
本发明测试用O型圈7不局限于橡胶材料，也可以为金属材料、非金属材料等特征尺寸满足密封槽结构的O型圈。
本发明测试的高压气体不限于氢气，也可以为氦气、空气等气体。
Claims (10)
1.一种可分析O型圈截面直径对高压密封性能影响的内倾斜角测试装置，其特征在于，包括筒体(5)，活动盖(4)的中下部伸入筒体(5)与筒体(5)连接，活动盖(4)的下部为锥形结构，筒体(5)相应内侧壁为与该锥形结构匹配的锥面结构，测试用O型圈(7)设置于该锥形结构外侧壁的环形密封槽中，活动盖(4)通过中部外侧壁上凸起的螺旋块与筒体(5)内侧壁的螺旋槽配合实现旋转，所述筒体(5)的底部通过气管(13)连通进气管路和出气管路，所述进气管路上沿进气方向依次设置有气瓶(24)、增压箱(23)、进气管路控制阀(22)和压力检测表(21)，所述出气管路上并联设置有出气管路溢流阀(17)、出气管路控制阀(18)和出气管路电磁阀(20)，出气管路末端连接气体回收瓶(19)，其中，所述活动盖(4)的中部为环形凸起，螺旋块设置在环形凸起外的底侧位置，螺旋角为θ，螺旋面带有内倾斜角α，相应地，筒体(5)内部设置有与螺旋块数量一致的螺旋槽，且螺旋槽特征角与螺旋块相关特征角匹配。
2.根据权利要求1所述可分析O型圈截面直径对高压密封性能影响的内倾斜角测试装置，其特征在于，所述活动盖(4)的顶部通过压紧螺钉(1)安装有压顶环(2)和启闭杆(3)，利用启闭杆(3)逆时针或顺时针的旋转，带动活动盖(4)逆时针或顺时针的旋转，通过螺旋块和螺旋槽对应螺旋面的配合实现活动盖(4)垂直方向即轴向的升降，进而通过环形密封槽和筒体(5)锥面配合间隙的改变，实现测试用O型圈(7)截面直径的控制。
3.根据权利要求2所述可分析O型圈截面直径对高压密封性能影响的内倾斜角测试装置，其特征在于，所述活动盖(4)旋动后对活动盖(4)沿垂直方向升降及测试用O型圈(7)截面直径增减的控制根据活动盖(4)、筒体(5)的螺旋面螺旋方向进行调整。
4.根据权利要求1所述可分析O型圈截面直径对高压密封性能影响的内倾斜角测试装置，其特征在于，所述活动盖(4)和筒体(5)之间布有轴向的压紧弹簧(6)，压紧弹簧(6)布于筒体(5)非螺旋槽位置，在工作时为压缩状态。
5.根据权利要求1所述可分析O型圈截面直径对高压密封性能影响的内倾斜角测试装置，其特征在于，环绕所述气管(13)通过管路压紧螺钉(11)自上而下安装有密封垫(8)、压紧垫(12)和压紧盘(14)，所述筒体(5)内侧壁与密封垫(8)外侧壁之间有管路密封外O型圈(9)和管路密封外凹型圈(10)，密封垫(8)内侧壁和气管(13)外侧壁之间有管路密封内凹型圈(15)和管路密封内O型圈(16)，管路密封外O型圈(9)位于管路密封外凹型圈(10)的上方，管路密封内O型圈(16)位于管路密封内凹型圈(15)的上方。
6.根据权利要求5所述可分析O型圈截面直径对高压密封性能影响的内倾斜角测试装置，其特征在于，所述管路密封外O型圈(9)、管路密封内O型圈(16)、压紧垫(12)为硅橡胶；所述管路密封外凹型圈(10)、管路密封内凹型圈(15)为黄铜。
7.根据权利要求1所述可分析O型圈截面直径对高压密封性能影响的内倾斜角测试装置，其特征在于，所述螺旋块表面加工有0.5～1mm厚的涂层，所述螺旋槽有止位凸起，螺旋块外侧与螺旋槽内侧具有3～5mm的间隙，所述活动盖(4)加工有环形的活动导轨。
8.根据权利要求1所述可分析O型圈截面直径对高压密封性能影响的内倾斜角测试装置，其特征在于，所述压力检测表(21)用于检测筒体(5)内部气体测试时压力可达到最大值、测试时压力波动以及测试结束后是否排空；所述出气管路溢流阀(17)用于超压溢流；所述出气管路电磁阀(20)由压力检测表(21)控制，在压力检测表(21)检测到筒体(5)内部气体压力波动时进行卸荷。
9.根据权利要求1所述可分析O型圈截面直径对高压密封性能影响的内倾斜角测试装置，其特征在于，所述测试用O型圈(7)为橡胶材料或金属材料，测试的高压气体为氢气、氦气或空气。
10.根据权利要求1所述可分析O型圈截面直径对高压密封性能影响的内倾斜角测试装置，其特征在于，所述螺旋块和螺旋槽的数量均为三个，分别均布设置。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 文华斌等: "锥形滑环组合密封有限元分析", 《润滑与密封》 * |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114486092A (zh) * | 2022-01-03 | 2022-05-13 | 浙江大学 | 用于高压氢气环境下非金属密封件性能测试的试验装置 |
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|---|---|
| CN112304530B (zh) | 2021-08-17 |
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