CN116735084A - 一种高压氢气环境下密封圈动态和静态密封性能测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压氢气环境下密封圈动态和静态密封性能测试装置，包括底座、压盖、压片、端盖、径向试样夹持架和密封环，端盖与底座之间为密封间隙配合，并在内部形成试验腔体；底座内侧嵌装被测密封圈二；端盖下方依次安装有压片、压盖和径向试样夹持架；径向试样夹持架内部设有轴向通孔，其上表面于嵌装被测密封圈。本发明可通过密封环以及压片的简单装配实现检测环境压缩率的改变，通过密封环的旋转可实现动态密封和静态密封环境下的检测，且实现了径向密封的轴向密封环境下的同时检测，解决了现有技术应用场景和功能单一的问题，提高了试验效率，降低了装置成本，简化了试验操作。
Description
技术领域
本发明属于氢能装备安全性能测试装置/领域，具体涉及一种高压氢气环境下密封圈动态和静态密封性能测试装置。
背景技术
随着能源短缺和生态环境持续恶化，开发和利用清洁可再生能源迫在眉睫。氢气作为清洁高效的二次能源，其具有来源广泛、灵活高效的特点，目前备受各国的广泛支持与关注。目前，高压储氢系统广泛应用于氢气的储运环节中，非金属密封件是高压储氢系统中极其重要的组成部分。其中橡胶密封圈作为非金属密封件的常见形式，其具有结构简单、紧凑密封的特点，是高压储氢系统中常用的密封元件。
由于橡胶密封圈长期在高压氢气环境中工作，氢极易对橡胶材料造成吸附、侵入、溶解和扩散，溶解在橡胶中的氢会造成吸氢膨胀等现象，损伤橡胶的机械和力学性能，发生挤压、断裂或其他失效行为，造成密封性能失效，严重危害系统安全。因此，为保证橡胶密封圈/非金属密封件长期安全、稳定地运行，对高压氢气环境下非金属密封件的密封性能进行测试和评估是十分有必要的。
国内学者已展开对高压氢气环境下非金属密封件密封性能测试的试验装置的研发，但此类装置的研发仍然处于起步阶段。现有的测试设备缺乏对被测密封圈压缩率的调节功能，或检测功能低下，应用场景单一，仅能实现静态密封环境下的检测，无法在动态密封环境下对密封圈进行检测。目前已研发的该类装置如专利CN201811392420.3公开了一种用于高压氢气环境下密封圈密封特性检测装置，尽管其解决了调整检测压缩率的问题，但该装置仅能实现径向密封环境下的检测，检测应用场景单一，且其调整压缩率方式需通过装置组件螺纹段进行配装，整个装置的操作和结构都较为复杂，同时无法进行动态密封环境下的检测。另有装置如专利CN202210000275.X公开了一种用于高压氢气环境下非金属密封件性能测试的试验装置，以克服现有的测试设备无法调整被测非金属密封件压缩率、只能针对单一应用场景下非金属密封件的问题。但其检测效果极其受制于固定变径管的密封件，无法保证检测环境的密封性问题，且其同样仅能在静态密封环境下对被测密封圈进行检测，无法实现动态密封环境下的检测。
因此，如何在实现可调节检测压缩率、满足轴向检测和径向检测等多应用场景的条件下，实现对静态密封和动态密封两个不同环境下的密封圈密封性能检测，同时简化装置、减少成本、提高效率、保证安全性和密封性是目前亟待解决的问题。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种可调整被测密封圈检测压缩率、可实现静态和动态密封环境下的检测、操作简单、安全性能良好的高压氢气环境下非金属密封件密封性能测试的试验装置。
为实现本发明目的，本发明提供的一种高压氢气环境下密封圈动态和静态密封性能测试装置，包括底座、压盖、压片、端盖、径向试样夹持架和密封环；
所述底座设置有进出气口以及多个用于抽真空口和监测口的贯通通道，所述底座的内侧由上而下设有环向台阶，台阶下部径向尺寸小于上部，且台阶下部设有用于嵌装被测密封圈二的环向凹槽；
所述端盖位于底座顶部，端盖与底座之间为密封间隙配合，并通过两侧螺栓紧定，并在内部形成试验腔体；
压盖位于底座和端盖之间，径向试样夹持架位于试验腔体内，且压片设置在压盖和径向试样夹持架之间，所述径向试样夹持架是内部设有轴向通孔的一体式结构，径向试样夹持架由上至下依次为径向尺寸逐渐减小的第一层圆柱段、第二层圆柱段和第三层圆台段，第一层圆柱段上表面设有用于嵌装被测密封圈一的环向凹槽，且第一层圆柱段与压盖之间呈间隙配合，第二层圆柱段外径与底座的环向台阶相配合；
所述密封环转动位于径向试样夹持架下方，且径向试样夹持架的第三层圆台段装套在密封环内，所述密封环为环状结构，其外表面具有径向尺寸由上至下依次减小的多个变径节段，通过密封环上不同变径节段对测密封圈二的压缩来调整测密封圈二的压缩率。
进一步地，所述径向试样夹持架内设的轴向通孔数量为两个及以上，且压片的径向尺寸小于轴向通孔间的距离，为氢气通过轴向通孔进入被测密封圈的环向凹槽处预留通道。
进一步地，压片可替换使用不同厚度的压片。
进一步地，所述径向试样夹持架的第一层圆柱段下表面、第二层圆柱段外径和第三层圆台段下端均开有环向凹槽，用于嵌装O形圈。
进一步地，所述压盖的外径与底座的台阶上部内表面之间为带密封的间隙配合。
进一步地，所述底座上设置有抽真空口和用于对密封件密封性能进行监测的监测口，端盖上设有用于监测试验腔体内氢气泄漏情况的监测口。
进一步地，所述底座左侧以及底座底部设有三处真空口用于抽真空，右侧设有两处监测口以对密封件密封性能进行检测；底座台阶下部设环向凹槽装嵌被测密封圈一。
进一步地，还包括旋转运动装置，所述旋转运动装置包括无磁管、铜转子、磁力耦合控制器和永磁转子，无磁管设置在底座的底部，铜转子设置在无磁管的外壁且与磁力耦合控制器连接，回转轴位于无磁管内且与密封环驱动连接，永磁转子设置在无磁管内且与铜转子相对。磁力耦合控制器用于控制铜转子绕无磁管的转速，回转管连接轴承，用于带动法兰盘、支撑杆、密封环等结构进行旋转运动。
进一步地，还包括支撑杆，旋转运动装置与支撑杆驱动连接，密封环内设置有盲孔，盲孔内表面设有凸形方榫，支撑杆上开设有轴向凹槽，轴向凹槽上在不同轴向高度设有径向卡位节点，用于与凸形方榫相互配合实现固定，以对密封环在被测密封圈二处的径向宽度发生变化。
进一步地，所述支撑杆与盲孔的数量为两个及以上，且设置位置互相匹配。
进一步地，所述支撑杆的轴向凹槽上不同轴向高度的卡位节点与密封环上不同外径尺寸的变径节段位置相对应。
与现有技术相比，本发明至少能够实现的有益效果是：
1.本发明中设有旋转运动装置，可驱动密封环在被测密封圈处进行旋转运动。通过密封环的运动实现动态密封下对密封圈密封性能的检测，关闭旋转运动装置后可实现静态密封下对密封圈密封性能的检测。
2.本发明中密封环外表面具有径向尺寸由上至下依次减小的多个变径节段，盲孔内径壁设有凸形方榫，可通过支撑杆轴向凹槽上不同高度的卡位节点调整轴向安装位置，互相配合进行固定，实现被测橡胶密封圈压缩率的简单调控，在无需更换其他试验装置的条件下即可进行不同压缩率下的密封圈轴向密封性能测试。
3.本发明通过更换压盖下方不同厚度的压片即可方便地实现被测橡胶密封圈压缩率的简易调控，进行不同压缩率的密封圈径向密封性能测试。
4.本发明中径向试样夹持架第一层圆柱段上表面及底座环向台阶下部均设有环向凹槽，用于嵌装被测橡胶密封圈并分别实现径向密封和轴向密封(被测密封圈一用来进行径向环境下的密封测试，被测密封圈二用来进行轴向环境下的密封测试；径向环境下氢气到被测密封圈的泄漏间隙是径向间隙，轴向环境下氢气到被测密封圈二的泄漏间隙是轴向间隙)下的密封圈密封性能测试，解决了现有非金属密封材料测试性能功能单一的问题，可实现多个应用场景下密封圈性能测试。
5.本发明不仅功能多样、应用场景丰富，且旋转运动装置采用磁力耦合结构，避免电机等强电元件直接与高压氢气接触，在驱动密封环进行旋转运动的同时可保证试验装置的安全性，更加适用于高压氢气环境下的使用；同时内设有多处O形圈以作密封，确保了气体无法从其他地方逸出影响监测口检测结果，保证了检测的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例提供额的一种高压氢气环境下密封圈动态和静态密封性能测试装置的结构示意图。
图2为本发明实施例中密封环结构示意图。
图3为本发明实施例中密封环结构仰视图。
图4为图1中A处的局部结构放大示意图。
图5为本发明实施例中支撑杆结构示意图。
图中的附图标记为：1-螺栓一；2-监测口一；3-压盖；4-压片；5-端盖；6-O形圈一；7-O形圈二；8-抽真空口一；9-被测密封圈一；10-O形圈三；11-O形圈四；12-抽真空口二；13-被测密封圈二；14-底座；15-抽真空口三；16-轴承；17-无磁管；18-铜转子；19-永磁转子；20-磁力耦合控制器；21-回转轴；22-法兰盘；23-支撑杆；24-进出气口；25-密封环；26-O形圈四；27-O形圈五；28-监测口二；29-径向试样夹持架；30-轴向通孔；31-监测口三；32-凸形方榫；33-轴向凹槽；34-盲孔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。需指出的是，以下实施例中提到的方向用语，顺序用语，如“上”，“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
本发明提供的一种高压氢气环境下密封圈动态和静态密封性能测试装置，其可以在不同压缩率下同时对轴向和径向密封环境内的橡胶密封圈进行检测，请参阅图1，所述装置包括底座14、压盖3、压片4、端盖5、密封环25、径向试样夹持架29和旋转运动装置。
如图1所示，在本发明的其中一些实施例中，端盖5与底座14之间为密封间隙配合，并通过两侧的螺栓1紧定，在内部形成试验腔体；底座14上设有进出气口24以及多个用于抽真空口和监测口的贯通通道；底座14下方与无磁管17连接，无磁管17外壁设有铜转子18，且铜转子18连接磁力耦合控制器20，无磁管17内装有永磁转子19，且无磁管17通过回转轴21、轴承16、法兰盘22、支撑杆23连接密封环25；底座14内侧由上而下设有环向台阶，台阶下部径向尺寸小于上部，且台阶下部设有环向凹槽，用于嵌装被测密封圈二13；端盖5上设有用于监测试验腔体内氢气泄漏情况的监测口一2；端盖5的内侧依次安装有压盖3、压片4和径向试样夹持架29。
在本发明的其中一些实施例中，径向试样夹持架29是内部设有轴向通孔30的一体式结构，由上至下依次为径向尺寸逐渐减小的第一层圆柱段、第二层圆柱段和第三层圆台段；第一层圆柱段的上表面设有环向的凹槽，用于嵌装被测密封圈一9，并与压盖3之间呈间隙配合；第二层圆柱段的外径与所述底座14的环向台阶相配合；第三层圆台段装套在密封环25内。
在本发明的其中一些实施例中，请参阅图2，密封环25为环状结构，其外表面具有径向尺寸由上至下依次减小的多个变径节段；密封环25内设有两个盲孔34，盲孔34内表面设有凸形方榫32。
其中，将密封环25沿支撑杆23进行轴向运动以调整变径节段的位置时，密封环25在被测密封圈二13处的径向宽度发生变化，可根据变径节段的设置实现对被测密封圈二13不同压缩率条件下的测试。
请参阅图5，支撑杆23外表面开有轴向凹槽33，轴向凹槽33的边缘在不同轴向高度设有径向卡位节点，用于与密封环25中盲孔34处的凸形方榫32相互配合实现固定。
其中，所述支撑杆23的轴向凹槽33上不同轴向高度的卡位节点与密封环25不同外径尺寸的变径节段位置相对应。
在本发明的其中一些实施例中，所述支撑杆23与盲孔34的数量为两个及以上，且设置位置互相匹配；支撑杆23的上缘通过轴向凹槽33连接密封环25，下缘连接法兰盘22。
在本发明的其中一些实施例中，所述压盖3外径与底座14的台阶上部内表面之间为带密封的间隙配合，位于其下方的压片4的径向尺寸小于径向试样夹持架29内的轴向通孔30间的距离，为氢气通过轴向通孔30进入被测密封圈一9的环向凹槽处预留通道。
其中，不同厚度的压片可替换使用，通过替换不同厚度的压片4实现压缩率的改变，可根据需求设置不同厚度等级的压片4以实现更多数值的压缩率调整。
在本发明的其中一些实施例中，所述径向试样夹持架29内部设有小直径的轴向通孔30，轴向通孔30数量为两个及以上。
其中，所述径向试样夹持架29的第一层圆柱段下表面、第二层圆柱段外径和第三层圆台段的下端均分别开有环向凹槽，用于嵌装O形圈，在本发明的其中一些实施例中，O形圈三10设置在第一层圆柱段下表面的环向凹槽内，O形圈四11设置在第二层圆柱段外径的环向凹槽内，第三层圆台段的下端开设有两个环向凹槽，两个环向凹槽内分别设置有O形圈四26和O形圈五27。
在本发明的其中一些实施例中，所述底座14的左侧以及底座14底部设有三处真空口用于抽真空，左侧的为抽真空口一8和抽真空口二12，抽真空口一8和抽真空口二12位于底座14的不同高度位置上，底部的为抽真空口三15，右侧设有两处监测口以对密封件密封性能进行检测，包括监测口二28和监测口三31，监测口二28和监测口三31位于不同的高度位置上，且分别靠近被测密封圈二13和被测密封圈一9设置；底座14的台阶下部设环向凹槽装嵌被测密封圈二13。
在本发明的其中一些实施例中，所述旋转运动装置包括磁力耦合控制器20、无磁管17、铜转子18、永磁转子19和回转轴21，无磁管17的外壁设有铜转子18，且铜转子18连接磁力耦合控制器20，无磁管17内装有永磁转子19，永磁转子19与铜转子18位置相对，且永磁转子19固定在回转轴21的外周壁，磁力耦合控制器20用于控制铜转子18绕无磁管17的转速，回转轴21连接轴承16，用于带动法兰盘22、支撑杆23、密封环25等结构进行旋转运动。
本发明的具体应用步骤如下：
S1:安装轴向检测试样：首先取下螺栓1，分别移除端盖5、压盖3与压片4，紧接着分离底座14、径向试样夹持架29与密封环25等结构；将被测密封圈二13放置于底座14台阶下部处的环向凹槽中。
S2:调整密封环25高度以调整轴向检测试样的压缩率：校准密封环25的盲孔34处的凸形方榫32与支撑杆23上轴向凹槽33的位置，使其位置相对应；紧接着将凸形方榫32与轴向凹槽33互相铆合并沿轴向凹槽33的轴向移动，带动密封环25在支撑杆23上进行轴向移动并移动至轴向凹槽33的边缘卡位节点处；根据不同高度卡位节点所对应的不同变径节段以调整至理想检测压缩率，选定卡位节点后逆时针旋转密封环25，将密封环25固定在支撑杆23上。
S3：安装径向检测试样并调整压缩率：将径向试样夹持架29装配进底座14中，(注意装配时使径向试样夹持架29装套在密封环25内部)；将被测密封圈一9放置于径向试样夹持架29的第一层圆柱段上表面的环向凹槽中，对不同厚度的压片4进行选择以达到理想检测压缩率，将选择好的压片4放在径向试样夹持架29第一层圆柱段上表面中央，注意不要遮挡住轴向通孔30，紧接着盖上压盖3，盖上端盖5，调整螺栓1至端盖5与底座14的连接固定。
S4：抽真空并通入氢气：通过抽真空口一8、抽真空口二12、抽真空口三15对试验腔体进行抽真空。抽真空完毕后通过进出气口24通入高压氢气，使高压氢气填充到试验腔体内形成高压氢气环境。
S5：调节密封状态并进行测试：
(1)静态密封：不驱动旋转运动装置，使密封环25固定在被测密封圈二13处，实现静态密封环25境下对密封圈的检测。
(2)动态密封：驱动旋转运动装置，启动磁力耦合控制器20驱动铜转子18进行旋转运动，带动回转轴21转动，进而带动轴承16、法兰盘22、支撑杆23、密封环25进行旋转运动，实现动态密封环境下对密封圈的检测。
进行检测时，可通过监测口一2监测检测试验腔体内氢气泄漏情况；在进行密封性能测试时，可通过监测口二28、监测口三31对密封件密封性能进行检测。
S6：泄压、回温：试验结束后，打开进出气口24把试验腔体内的氢气往外泄放；通过抽真空口一8、抽真空口二12、抽真空口三15对试验腔体进行抽真空，确认试验腔体内无残余氢气，且腔体内外大气压达到平衡。
S7：卸样：取下螺栓1，移除端盖5、压片4与压盖3，取出被测密封圈一9；从底座14内分离出径向试样夹持架29和密封环25等结构，取出被测密封圈二13。
在本发明实施例中，通过调节密封环25在支撑杆23上的装配高度与更换不同厚度的压片4，可实现不同压缩率下对橡胶密封圈的密封性能测试；通过简单的变装配方式调整压缩率，相比现有其他技术更加简易高效，降低了调整压缩率的操作难度。
压缩率W＝(d0-h)/d0×100％，d0为密封圈自由状态下的横截面直径，h为密封圈凹槽底部与被密封表面的距离，即密封圈压缩后的截面高度；通过调整h(更换压片或变径节段使密封圈底部与被密封表面的距离增大)，实现压缩率的改变；如变径节段分为了大、中、小三个节段，对应其对被测密封圈的压缩率也是大、中、小。
在本发明实施例中，通过旋转运动装置，带动密封环25进行旋转运动，可实现静态密封、动态密封环境下对橡胶密封圈的检测，弥补了现有技术检测功能单一的问题。
在本发明实施例中，可实现多应用场景下对橡胶密封圈的密封性能检测，同时对轴向密封和径向密封环境下的橡胶密封圈进行检测，且可通过简单装配调整轴向密封环境下检测的压缩率，解决了现有技术检测应用场景单一、压缩率调整操作困难等问题。
在本发明实施例中，可实现不同压缩率时动态密封和静态密封环境下的检测，功能多样，应用场景丰富，且旋转运动装置为磁力耦合结构，在驱动密封环25进行旋转运动的同时可保证试验腔体内部的安全性，其性能相比传统电机更加适用于高压氢气环境下的检测；同时在多个位置设置了O形圈以保证氢气不会从其他位置逸出影响监测口检测，保证了检测的准确性。
以上例子，仅为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做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种高压氢气环境下密封圈动态和静态密封性能测试装置，其特征在于，包括底座(14)、压盖(3)、压片(4)、端盖(5)、径向试样夹持架(29)和密封环(25)；
所述底座(14)设置有进出气口(24)，所述底座(14)的内侧由上而下设有环向台阶，台阶下部径向尺寸小于上部，且台阶下部设有用于嵌装被测密封圈二(13)的环向凹槽；
所述端盖(5)位于底座(14)顶部，并在内部形成试验腔体；
压盖(3)位于底座(14)和端盖(5)之间，径向试样夹持架(29)位于试验腔体内，且压片(4)设置在压盖(3)和径向试样夹持架(29)之间，径向试样夹持架(29)内设置有轴向通孔(30)，径向试样夹持架(29)由上至下依次为径向尺寸逐渐减小的第一层圆柱段、第二层圆柱段和第三层圆台段，第一层圆柱段上表面设有用于嵌装被测密封圈一(9)的环向凹槽，第二层圆柱段外径与底座(14)的环向台阶相配合；
所述密封环(25)转动位于径向试样夹持架(29)下方，且径向试样夹持架(29)的第三层圆台段装套在密封环(25)内，所述密封环(25)为环状结构，其外表面具有径向尺寸由上至下依次减小的多个变径节段，通过密封环(25)上不同变径节段对测密封圈二(13)的压缩来调整测密封圈二(13)的压缩率。
2.根据权利要求1所述的一种高压氢气环境下密封圈动态和静态密封性能测试装置，其特征在于，所述径向试样夹持架(29)内设的轴向通孔(30)数量为两个及以上，且压片(4)的径向尺寸小于轴向通孔(30)间的距离。
3.根据权利要求1所述的一种高压氢气环境下密封圈动态和静态密封性能测试装置，其特征在于，压片(4)可替换使用不同厚度的压片。
4.根据权利要求1所述的一种高压氢气环境下密封圈动态和静态密封性能测试装置，其特征在于，所述径向试样夹持架(29)的第一层圆柱段下表面、第二层圆柱段外径和第三层圆台段下端均开有环向凹槽，用于嵌装O形圈。
5.根据权利要求1所述的一种高压氢气环境下密封圈动态和静态密封性能测试装置，其特征在于，所述压盖(3)的外径与底座(14)的台阶上部内表面之间为带密封的间隙配合。
6.根据权利要求1所述的一种高压氢气环境下密封圈动态和静态密封性能测试装置，其特征在于，所述底座(14)上设置有抽真空口和用于对密封件密封性能进行监测的监测口，端盖(5)上设有用于监测试验腔体内氢气泄漏情况的监测口。
7.根据权利要求1-6任一所述的一种高压氢气环境下密封圈动态和静态密封性能测试装置，其特征在于，还包括旋转运动装置，所述旋转运动装置包括无磁管(17)、铜转子(18)、磁力耦合控制器(20)和永磁转子(19)，无磁管(17)设置在底座(14)的底部，铜转子(18)设置在无磁管(17)的外壁且与磁力耦合控制器(20)连接，回转轴(21)位于无磁管(17)内且与密封环(25)驱动连接，永磁转子(19)设置在无磁管(17)内且与铜转子(18)相对。
8.根据权利要求7所述的一种高压氢气环境下密封圈动态和静态密封性能测试装置，其特征在于，还包括支撑杆(23)，旋转运动装置与支撑杆(23)驱动连接，密封环(25)内设置有盲孔(34)，盲孔(34)内表面设有凸形方榫(32)，支撑杆(23)上开设有轴向凹槽(33)，轴向凹槽(33)上在不同轴向高度设有径向卡位节点，用于与凸形方榫(32)相互配合实现使密封环(25)在被测密封圈二(13)处的径向宽度发生变化。
9.根据权利要求8所述的一种高压氢气环境下密封圈动态和静态密封性能测试装置，其特征在于，所述支撑杆(23)与盲孔(34)的数量为两个及以上，且设置位置互相匹配。
10.根据权利要求8所述的一种高压氢气环境下密封圈动态和静态密封性能测试装置，其特征在于，所述支撑杆(23)的轴向凹槽(33)上不同轴向高度的卡位节点与密封环(25)上不同外径尺寸的变径节段位置相对应。
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