CN112345234A - 一种可在线分析高压密封用o型圈线径变化的测试装置 - Google Patents

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Abstract

一种可在线分析高压密封用O型圈线径变化的测试装置，包括连通有进气管和出气管的高压筒体，中空活动盖中下部伸入至高压筒体内与高压筒体连接，中空活动盖下部为锥形结构，高压筒体相应内侧壁为与该锥形结构匹配的锥面结构，测试用O型圈设置于该锥形结构外侧壁的环形密封槽中，中空活动盖通过中部外侧壁上凸起的螺旋块与高压筒体内侧壁的螺旋槽配合实现旋转。高压筒体内部密封介质压力作用使测试用O型圈不断受到挤压而导致其线径发生变化，密封槽和高压筒体锥面配合间隙发生改变，通过中空活动盖升降和旋转，利用角度片进行旋转角度的记录，获得中空活动盖旋转角度和测试用O型圈线径变化的对应关系，实现高压密封用O型圈线径变化的在线分析。

Description

一种可在线分析高压密封用O型圈线径变化的测试装置
技术领域
本发明属于高压气体密封技术领域，特别涉及一种可在线分析高压密封用O型圈线径变化的测试装置。
背景技术
氢能以其来源多种多样、能量转化率高、无污染、零排放、可储存、可再生等优点，已成为重要的能源载体，同时也是连接传统化石能源向可再生能源或者未来能源过渡的重要桥梁，被誉为新世纪最具发展前景的二次能源。氢能的应用形式灵活多样，比如氢燃料电池轿车/公交车、固体式发电、或者基站备用电源等典型的氢能应用产品已逐渐迈向商业化的进程，为解决全球能源紧缺和环境污染问题提供重要途径。然而，氢能的利用是一个庞大的系统工程，包括氢的制取、输运、储存、最终应用、氢安全等众多环节，其中氢的储存是至关重要的一环，如何经济、安全、高效地储存氢气是氢能利用走向实用化、产业化的关键。
目前常用的储氢方式有高压气态储氢、低温液态储氢、金属氢化物储氢等。其中，高压气态储氢因储氢罐结构简单、充装速度快、能耗低等优点，成为氢能应用产品中占据主导地位的储氢方式。而密封部件是高压储氢容器不可缺少的重要组成部分，考虑高压储氢介质压力高、储存氢气易燃易爆的特点，以及环境温度波动、压力波动、氢气快速泄放等因素可导致容器超压、疲劳破坏、静电等情况，密封部件往往又是最薄弱环节，一旦密封部件失效，产生泄漏，将造成火灾甚至爆炸等无法估量的严重后果。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。使用时，通过橡胶O型圈的弹性变形，填充密封间隙，并在密封副表面产生足够大的接触应力以抵抗密封介质的压力，形成密封。随着密封介质压力的增大/波动，橡胶O型圈压力侧不断受到挤压而导致其线径发生变化，并在环境温度变化以及工作时间增加的影响下，橡胶O型圈线径变化的程度更为明显。考虑高压氢气环境下，橡胶O形圈会发生吸氢膨胀和鼓泡现象，且挤压过大存在挤出失效或应力集中裂纹衍生的情况，故其使用过程中线径大小的变化将影响到密封性能的评价和产品特征尺寸的制定。需要分析高压环境下分析橡胶O型圈线径大小的变化，并以此为基础实现密封圈参数的优化和密封性能的提高。而目前针对高压环境下橡胶O型圈线径大小变化分析的测试装置不够成熟，难以通过线径大小变化的分析以进行完整的密封性能评价。
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在线分析高压密封用O型圈线径变化的测试装置，可以分析高压环境下橡胶O型圈线径大小的变化。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种可在线分析高压密封用O型圈线径变化的测试装置，包括连通有进气管14和出气管9的高压筒体4，中空活动盖3中下部伸入至高压筒体4内与高压筒体4连接，中空活动盖3下部为锥形结构，高压筒体4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6设置于该锥形结构外侧壁的环形密封槽中，中空活动盖3通过中部外侧壁上凸起的螺旋块与高压筒体4内侧壁的螺旋槽配合实现旋转，所述螺旋块连接有中空活动盖角度片，所述螺旋槽连接有高压筒体角度片。
所述螺旋块为两块，呈中心对称分布，高压筒体4内部相应地均布有两个螺旋槽，两块螺旋块上分别连接有外侧螺旋块一16和中空活动盖角度片二18，两个螺旋槽上分别连接有高压筒体角度片一17和高压筒体角度片二19，其中外侧螺旋块一16和高压筒体角度片一17相对，中空活动盖角度片二18和高压筒体角度片二19相对，中空活动盖角度片一16和高压筒体角度片一17记录中空活动盖3旋转角度ε，中空活动盖角度片二18和高压筒体角度片二19记录中空活动盖3旋转角度σ，变形后测试用O型圈6线径d2与中空活动盖3旋转角度的对应关系为d2＝d1+[(ε+σ)πD盖tanα]/(360tanθ)，其中d1为变形前测试用O型圈6线径，D盖为中空活动盖3含螺旋块在内的外径，α为螺旋块的螺旋角，也为螺旋槽对应的螺旋面螺旋角，θ为所述环形密封槽和高压筒体4配合锥面的锥面角。
所述螺旋槽的特征角与螺旋块的特征角匹配。
所述螺旋块外侧与螺旋槽内侧具有3～5mm间隙，所述螺旋块的螺旋面加工有0.5～1mm涂层。
所述螺旋槽加工有止位凸起，所述止位凸起加工有线路布置孔，所述中空活动盖3底部加工有线路布置孔槽。
所述中空活动盖3加工有环形的活动导轨，所述高压筒体4底部左右两侧均加工有带螺纹凸起，所述出气管9、进气管14外侧加工有螺纹。
所述中空活动盖3和高压筒体4之间布有轴向的压缩弹簧5，高压筒体4加工有环形槽，环形槽用于固定压缩弹簧5，压缩弹簧5在工作时为压缩状态。
所述中空活动盖3的顶部通过连接螺钉2安装有蝴蝶扭1，中空活动盖3的上部位于高压筒体4外，且连接中空活动盖支撑架15，所述中空活动盖支撑架15包括顶部环和底部环以及若干连接支腿，其中顶部环内壁有软薄膜，套接在中空活动盖3外侧，底部环位于工作台面上。
所述出气管9通过出气管螺纹连接套10连接在高压筒体4底部的右侧，高压筒体4与出气管9之间有出气管O型圈7和出气管平行圈8，所述进气管14通过进气管螺纹连接套13连接在高压筒体4底部的左侧，高压筒体4与进气管14之间有进气管O型圈11和进气管平行圈12
所述测试用O型圈6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。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
对于中空活动盖3底部密封槽的测试用O型圈6，测试装置装配后，在高压筒体4内部密封介质压力作用使测试用O型圈6不断受到挤压而导致其线径发生变化下，中空活动盖3底部密封槽和高压筒体4锥面配合间隙发生改变，通过中空活动盖3垂直方向(轴向)的升降以及中空活动盖3外侧螺旋块和高压筒体4内部螺旋槽对应螺旋面的配合，实现中空活动盖3的旋转，并通过中空活动盖角度片高压筒体角度片进行旋转角度的记录，从而获得中空活动盖3旋转角度和测试用O型圈6线径变化的对应关系，实现高压密封用O型圈线径变化的在线分析。
附图说明
图1为本发明内部结构示意图。
图2为本发明整体结构外观示意图。
图3为角度片结构示意图。
图4为中空活动盖和高压筒体配合截面示意图。
图5为中空活动盖线路布置孔槽截面示意图。
图6为中空活动盖结构示意图。
图7为中空活动盖和高压筒体配合角度测试原理示意图。
图8为中空活动盖和高压筒体调节原理示意图。
图9为橡胶O型圈线径变化原理示意图。
图10为活动盖闭合原理示意图。
图11为压缩弹簧配合部分结构示意图。
图12为出气管路部分结构示意图。
图13为进气管路部分结构示意图。
图14为中空活动盖支撑架结构示意图。
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和图4，本发明一种可在线分析高压密封用O型圈线径变化的测试装置，包括高压筒体4及其中空活动盖3，其中高压筒体4连通有进气管14和出气管9。蝴蝶扭1通过连接螺钉2安装在中空活动盖3顶部，中空活动盖3中下部伸入至高压筒体4内与高压筒体4连接，中空活动盖3下部为锥形结构，高压筒体4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6设置于该锥形结构外侧壁的环形密封槽中，中空活动盖3通过中部外侧壁上凸起的螺旋块与高压筒体4内侧壁的螺旋槽配合实现旋转，螺旋块连接有中空活动盖角度片，螺旋槽连接有高压筒体角度片。
参照图3、图4，本实施例中，螺旋块为两块，呈中心对称分布，高压筒体4内部相应地均布有两个螺旋槽，两块螺旋块上分别连接有外侧螺旋块一16和中空活动盖角度片二18，两个螺旋槽上分别连接有高压筒体角度片一17和高压筒体角度片二19，其中外侧螺旋块一16和高压筒体角度片一17相对，中空活动盖角度片二18和高压筒体角度片二19相对。
其中，螺旋槽加工有止位凸起，用于中空活动盖3旋动的终止位，起到保护装置过旋的作用。止位凸起加工有线路布置孔，用于对贴合在螺旋槽的高压筒体角度片一17和高压筒体角度片二19进行线路的连接，以实现远程在线的角度变化读取。
螺旋块外侧与螺旋槽内侧具有3～5mm间隙(Δd)，装配时使螺旋块更好地进入螺旋槽，测试时避免中空活动盖3旋动过程中螺旋块外侧与螺旋槽内侧的摩擦，起到保护装置的作用。
参照图5，中空活动盖3底部加工有线路布置孔槽，用于对贴合在螺旋块的中空活动盖角度片一16和中空活动盖角度片二18进行线路的连接，以实现远程在线的角度变化读取。
参照图6、图7、图8和图9，两个螺旋块的螺旋角为α。螺旋块的螺旋面加工有0.5～1mm涂层，涂层材料为聚四氟乙烯，但不限于聚四氟乙烯，也可以为耐磨性较高的其他材料。两个螺旋槽的特征角与两个螺旋块的特征角匹配，
参照图10，中空活动盖3和高压筒体4之间布有轴向的压缩弹簧5，测试前，对于中空活动盖3和高压筒体4的配合动作，将螺旋块沿高压筒体4非螺旋槽位置(图10虚线箭头①所示)放入，压入压缩弹簧5后，以顺时针方向(图10实线箭头②所示)旋动中空活动盖3使其与高压筒体4完全配合。压缩弹簧5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。压缩弹簧5在工作时为压缩状态。
参照图11，中空活动盖3加工有环形的活动导轨。中空活动盖3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。高压筒体4加工有环形槽。高压筒体4环形槽用于固定压缩弹簧5。中空活动盖3压入压缩弹簧5，使压缩弹簧5受压，通过中空活动盖3环形活动导轨进行旋动，保证中空活动盖3旋动的稳定性。
参照图12、图13，出气管9通过出气管螺纹连接套10连接在高压筒体4底部的右侧，高压筒体4、出气管9之间有出气管O型圈7、出气管平行圈8，进气管14通过进气管螺纹连接套13连接在高压筒体4底部的左侧，高压筒体4、进气管14之间有进气管O型圈11、进气管平行圈12。
出气管O型圈7、进气管O型圈11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。出气管平行圈8、进气管平行圈12为黄铜，但不限于黄铜，也可以为硬度较高的其他金属材料。高压筒体4、出气管9之间以及高压筒体4、进气管14之间采用组合密封的方式使其密封效果更好，出气管平行圈8和进气管平行圈12可分别防止出气管O型圈7和进气管O型圈11因内部介质压力过高发生挤出失效，且出气管平行圈8和进气管平行圈12锥面配合具有自紧密封作用。
高压筒体4底部左右两侧均加工有带螺纹凸起。出气管9、进气管14外侧加工有螺纹。出气管9、进气管14分别由出气管螺纹连接套10和进气管螺纹连接套13通过螺纹连接到高压筒体4，既保证连接的稳定性又实现连接的可拆性。
参照图14，中空活动盖3的上部位于高压筒体4外，中空活动盖支撑架15连接在中空活动盖3上半部分。中空活动盖支撑架15包括顶部环和底部环以及若干连接支腿，其中顶部环内壁有软薄膜，套接在中空活动盖3外侧，底部环位于工作台面上。软薄膜的材料选择，以软薄膜与中空活动盖3之间的摩擦系数尽可能减小中空活动盖支撑架15环形面对中空活动盖3的约束为目标，即软薄膜与中空活动盖3之间有较小的摩擦系数以减小中空活动盖支撑架15环形面对中空活动盖3的约束。中空活动盖支撑架15用于中空活动盖3旋转的辅助支撑。
本发明测试用O型圈6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。
测试的高压气体不限于氢气，也可以为氦气、空气等气体。
本发明的原理如下：
对于中空活动盖3底部密封槽的测试用O型圈6，测试装置装配后，在高压筒体4内部密封介质压力作用使测试用O型圈6不断受到挤压而导致其线径发生变化下，中空活动盖3底部的环形密封槽和高压筒体4锥面配合间隙发生改变，通过中空活动盖3垂直方向(轴向)的升降以及中空活动盖3外侧螺旋块和高压筒体4内部螺旋槽对应螺旋面的配合，实现中空活动盖3的旋转，并通过中空活动盖角度片高压筒体角度片进行旋转角度的记录，从而获得中空活动盖3旋转角度和测试用O型圈6线径变化的对应关系，实现高压密封用O型圈线径变化的在线分析。
本发明的测试过程如下：
测试前，将待测密封圈(测试用O型圈6)装入密封槽，并使中空活动盖3和高压筒体4进行配合。测试时，通过进气管14通入氢气并进行增压，达到测试压力后开启密封圈测试；随着测试时间的增加，测试用O型圈6持续受到高压筒体4内部密封介质的挤压而导致其线径发生变化，中空活动盖3底部密封槽和高压筒体4锥面配合间隙发生改变，通过中空活动盖3垂直方向(轴向)的升降(变化量为Δh)以及中空活动盖3外侧螺旋块和高压筒体4内部螺旋槽对应螺旋面(螺旋角为α)的配合，实现中空活动盖3的旋转，并通过中空活动盖角度片高压筒体角度片进行旋转角度的记录，从而获得中空活动盖3旋转角度和测试用O型圈6线径变化的对应关系，实现高压密封用O型圈线径变化的在线分析。测试结束后，通过出气管9进行气体回收或排放。
以测试用O型圈6变形前线径d1为例进行数值计算说明：
由中空活动盖3底部密封槽和高压筒体4配合锥面的锥面角θ，在中空活动盖3于垂直方向(轴向)变化Δh后，变形后的测试用O型圈6线径为d2＝d1+2Δh/tanθ；
进一步地，中空活动盖3垂直方向(轴向)的变化量Δh对应了中空活动盖3外侧螺旋块和高压筒体4内部螺旋槽对应螺旋面(螺旋角为α)的配合，根据螺旋关系有tanα＝Δh/ΔL盖(ΔL盖为中空活动盖3旋转前后的弧长变化量)；
进一步地，中空活动盖3的旋转通过中空活动盖角度片高压筒体角度片进行旋转角度的记录，为了减小误差，“对称”地设置了中空活动盖角度片一16和高压筒体角度片一17记录旋转角度ε，中空活动盖角度片二18和高压筒体角度片二19记录旋转角度σ，则实际测得的旋转角度为(ε+σ)/2；
进一步地，根据中空活动盖3直径(含螺旋块在内的外径)D盖和中空活动盖3旋转前后的弧长变化量ΔL盖可得弧长变化量和旋转角度的关系为ΔL盖＝[(ε+σ)/2]·π·(D盖/2)/180；
从而获得变形后测试用O型圈6线径与中空活动盖3旋转角度的对应关系为d2＝d1+[(ε+σ)πD盖tanα]/(360tanθ)。
中空活动盖3外侧螺旋块和高压筒体4内部螺旋槽对应的螺旋面螺旋角α，中空活动盖3直径D盖，以及中空活动盖3底部密封槽和高压筒体4配合锥面的锥面角θ可根据需求进行设计。

Claims (10)

1.一种可在线分析高压密封用O型圈线径变化的测试装置，其特征在于，包括连通有进气管(14)和出气管(9)的高压筒体(4)，中空活动盖(3)中下部伸入至高压筒体(4)内与高压筒体(4)连接，中空活动盖(3)下部为锥形结构，高压筒体(4)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(6)设置于该锥形结构外侧壁的环形密封槽中，中空活动盖(3)通过中部外侧壁上凸起的螺旋块与高压筒体(4)内侧壁的螺旋槽配合实现旋转，所述螺旋块连接有中空活动盖角度片，所述螺旋槽连接有高压筒体角度片。
2.根据权利要求1所述可在线分析高压密封用O型圈线径变化的测试装置，其特征在于，所述螺旋块为两块，呈中心对称分布，高压筒体(4)内部相应地均布有两个螺旋槽，两块螺旋块上分别连接有外侧螺旋块一(16)和中空活动盖角度片二(18)，两个螺旋槽上分别连接有高压筒体角度片一(17)和高压筒体角度片二(19)，其中外侧螺旋块一(16)和高压筒体角度片一(17)相对，中空活动盖角度片二(18)和高压筒体角度片二(19)相对，中空活动盖角度片一(16)和高压筒体角度片一(17)记录中空活动盖(3)旋转角度ε，中空活动盖角度片二(18)和高压筒体角度片二(19)记录中空活动盖(3)旋转角度σ，变形后测试用O型圈(6)线径d2与中空活动盖(3)旋转角度的对应关系为d2＝d1+[(ε+σ)πD盖tanα]/(360tanθ)，其中d1为变形前测试用O型圈(6)线径，D盖为中空活动盖(3)含螺旋块在内的外径，α为螺旋块的螺旋角，也为螺旋槽对应的螺旋面螺旋角，θ为所述环形密封槽和高压筒体(4)配合锥面的锥面角。
3.根据权利要求1所述可在线分析高压密封用O型圈线径变化的测试装置，其特征在于，所述螺旋槽的特征角与螺旋块的特征角匹配。
4.根据权利要求1所述可在线分析高压密封用O型圈线径变化的测试装置，其特征在于，所述螺旋块外侧与螺旋槽内侧具有3～5mm间隙，所述螺旋块的螺旋面加工有0.5～1mm涂层。
5.根据权利要求1所述可在线分析高压密封用O型圈线径变化的测试装置，其特征在于，所述螺旋槽加工有止位凸起，所述止位凸起加工有线路布置孔，所述中空活动盖(3)底部加工有线路布置孔槽。
6.根据权利要求1所述可在线分析高压密封用O型圈线径变化的测试装置，其特征在于，所述中空活动盖(3)加工有环形的活动导轨，所述高压筒体(4)底部左右两侧均加工有带螺纹凸起，所述出气管(9)、进气管(14)外侧加工有螺纹。
7.根据权利要求1所述可在线分析高压密封用O型圈线径变化的测试装置，其特征在于，所述中空活动盖(3)和高压筒体(4)之间布有轴向的压缩弹簧(5)，高压筒体(4)加工有环形槽，环形槽用于固定压缩弹簧(5)，压缩弹簧(5)在工作时为压缩状态。
8.根据权利要求1所述可在线分析高压密封用O型圈线径变化的测试装置，其特征在于，所述中空活动盖(3)的顶部通过连接螺钉(2)安装有蝴蝶扭(1)，中空活动盖(3)的上部位于高压筒体(4)外，且连接中空活动盖支撑架(15)，所述中空活动盖支撑架(15)包括顶部环和底部环以及若干连接支腿，其中顶部环内壁有软薄膜，套接在中空活动盖(3)外侧，底部环位于工作台面上。
9.根据权利要求1所述可在线分析高压密封用O型圈线径变化的测试装置，其特征在于，所述出气管(9)通过出气管螺纹连接套(10)连接在高压筒体(4)底部的右侧，高压筒体(4)与出气管(9)之间有出气管O型圈(7)和出气管平行圈(8)，所述进气管(14)通过进气管螺纹连接套(13)连接在高压筒体(4)底部的左侧，高压筒体(4)与进气管(14)之间有进气管O型圈(11)和进气管平行圈(12)。
10.根据权利要求1所述可在线分析高压密封用O型圈线径变化的测试装置，其特征在于，所述测试用O型圈(6)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。
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