典型橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

瞿金秀 石長(zhǎng)全 郭金柱 曹 蔚

(1.西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 陜西西安 710021；2.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西西安 710049)

橡膠具有優(yōu)異的彈性性能和抗壓變性能，可以有效阻止壓力介質(zhì)的泄漏；另外橡膠O形圈易于生產(chǎn)、價(jià)格低廉、密封性能良好，因此橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、能源與交通等領(lǐng)域的機(jī)械設(shè)備中[1-3]。橡膠O形圈屬于高分子材料，在機(jī)械設(shè)備的長(zhǎng)期儲(chǔ)存和使用過(guò)程中，由于受溫度、濕度、腐蝕等環(huán)境因素及其變化的影響，橡膠O形圈不可避免地發(fā)生發(fā)黏、發(fā)硬、龜裂或微裂紋等老化現(xiàn)象，致使橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)的密封性能退化，進(jìn)而影響整個(gè)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行安全[4-8]。因此，開展橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)的老化狀態(tài)檢測(cè)研究，對(duì)橡膠O形圈老化程度進(jìn)行辨識(shí)，對(duì)于保障機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行安全具有重要意義。

對(duì)于橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)，目前研究主要集中在模擬密封過(guò)程和分析密封性能等方面，鮮有老化狀態(tài)檢測(cè)方面的研究[9-15]。開展橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)的老化狀態(tài)檢測(cè)研究，需要典型橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)裝置。但是，現(xiàn)有橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)的形式單一，結(jié)構(gòu)中的橡膠O形圈和襯套不易更換；橡膠O形圈的壓縮量不易調(diào)整，介質(zhì)壓力無(wú)法模擬，襯套溝槽形狀和大小不易調(diào)整；不方便傳感器的布置，不能保持襯套軸向位置的穩(wěn)定而不會(huì)影響其相對(duì)缸筒組件的轉(zhuǎn)動(dòng)，不方便開展自由條件和約束條件下的激勵(lì)實(shí)驗(yàn)。目前尚沒有一種實(shí)驗(yàn)裝置可為典型橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)的老化狀態(tài)檢測(cè)研究提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

基于上述討論，本文作者設(shè)計(jì)了一種典型橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)裝置，并給出了應(yīng)用實(shí)例。該實(shí)驗(yàn)裝置為橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)的老化狀態(tài)檢測(cè)研究提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

在工程實(shí)際中，典型橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)的示意圖如圖1所示，主要包括缸筒、襯套和橡膠O形圈。

圖1 典型橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)示意

在研究過(guò)程中，要求實(shí)驗(yàn)裝置不僅方便開展自由條件和約束條件下的激勵(lì)實(shí)驗(yàn)，而且方便實(shí)現(xiàn)襯套溝槽形狀和大小、橡膠O形圈壓縮量的不同；方便襯套和橡膠O形圈的更換，方便傳感器的布置；可以通過(guò)空氣增壓模擬介質(zhì)壓力，可以通過(guò)更換不同老化時(shí)間的橡膠O形圈模擬結(jié)構(gòu)的不同老化狀態(tài)，可以保持襯套軸向位置的穩(wěn)定而不會(huì)影響其相對(duì)缸筒組件的轉(zhuǎn)動(dòng)。

結(jié)合工程實(shí)際，根據(jù)研究需求，設(shè)計(jì)了一種典型橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)裝置。實(shí)驗(yàn)裝置的二維圖如圖2所示，三維圖如圖3所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置的二維圖

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置的三維圖

從圖2和圖3看出，該實(shí)驗(yàn)裝置包括底座1、缸筒組件(2和3)、襯套4、橡膠O形圈5、軸向限位組件(6、7和18)和螺紋連接件(8-17和19-23)。

缸筒組件結(jié)構(gòu)如圖4所示，由缸筒下件2和缸筒上件3組成，中心為圓形空腔，外表呈六邊形以方便傳感器的布置以及方便對(duì)底座的支撐與連接；六邊形的一相對(duì)邊上一體設(shè)置有2個(gè)連接耳，通過(guò)平墊圈三14、彈簧墊圈三15、內(nèi)六角螺栓三16、六角螺母17將缸筒下件2和缸筒上件3上連接起來(lái)，以方便橡膠O形圈和襯套的更換；缸筒上件上設(shè)置有進(jìn)氣口和排氣口，可以和空氣增壓裝置連接，通過(guò)對(duì)空氣加壓模擬介質(zhì)對(duì)橡膠O形圈的壓力。

圖4 缸筒組件結(jié)構(gòu)示意

襯套結(jié)構(gòu)如圖5所示，中心設(shè)置為圓形空腔以減輕裝置質(zhì)量，外表面設(shè)置有對(duì)稱分布的兩條溝槽，同軸心安裝在缸筒組件的圓形空腔內(nèi)。

圖5 襯套結(jié)構(gòu)示意

襯套的溝槽，形狀可為V形或矩形，如圖6所示，大小(槽深和槽寬)也可以調(diào)整。根據(jù)需要設(shè)計(jì)加工出有不同形狀和大小溝槽的襯套，應(yīng)用時(shí)只需更換相應(yīng)的襯套即可實(shí)現(xiàn)襯套溝槽形狀和大小的不同。

圖6 襯套溝槽形狀示意

橡膠O形圈，置于缸筒組件和襯套溝槽之間，壓縮量可以通過(guò)改變襯套外徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。缸筒組件和襯套同軸心安裝后保持一定的間隙，襯套溝槽深度一定，當(dāng)在溝槽中放入線徑大于溝槽底面到缸筒組件內(nèi)表面的距離時(shí)，橡膠O形圈即被壓縮。改變襯套的外徑，可改變缸筒組件和襯套間的間隙，橡膠O形圈可產(chǎn)生不同大小的壓縮量。

當(dāng)橡膠O形圈以一定的壓縮量安裝于缸筒組件和襯套溝槽之間時(shí)，缸筒組件內(nèi)表面、襯套外表面以及橡膠O形圈之間形成一個(gè)密閉的空間。采用空氣增壓裝置，通過(guò)缸筒上件上的進(jìn)氣口和排氣口可以對(duì)密閉空間的氣體進(jìn)行加壓，從而達(dá)到模擬介質(zhì)壓力的目的。

底座結(jié)構(gòu)如圖7所示，包括圓形件和設(shè)置于圓形件上的“Y”形支架。圓形件的圓周上設(shè)置有6個(gè)圓周分布的螺栓孔，通過(guò)平墊圈一8、彈簧墊圈一9、內(nèi)六角螺栓一10與振動(dòng)臺(tái)或地基連接，以進(jìn)行約束條件下的激勵(lì)實(shí)驗(yàn)?！癥”形支架用以實(shí)現(xiàn)對(duì)缸筒組件的支撐與連接，缸筒組件通過(guò)平墊圈二11、彈簧墊圈二12、內(nèi)六角螺栓二13固設(shè)于“Y”形支架上。

圖7 底座結(jié)構(gòu)示意

軸向限位組件結(jié)構(gòu)如圖8所示，由連桿6、支撐桿7和滾動(dòng)軸承18組成。支撐桿7的一端通過(guò)平墊圈四21、彈簧墊圈四22、內(nèi)六角螺栓四23固設(shè)于缸筒上件3的頂部，另一端懸空。連桿6與支撐桿7的懸空端垂直連接，連桿6的下端連接有滾動(dòng)軸承18，并通過(guò)對(duì)頂六角螺母19進(jìn)行軸向緊固，連桿6和支撐桿7通過(guò)鎖緊薄螺母20實(shí)現(xiàn)連接和防松。滾動(dòng)軸承18距離襯套側(cè)面較近，當(dāng)襯套相對(duì)缸筒組件軸向移動(dòng)而與兩端的滾動(dòng)軸承接觸時(shí)，滾動(dòng)軸承可使其保持軸向位置的穩(wěn)定而不會(huì)影響其相對(duì)缸筒組件的轉(zhuǎn)動(dòng)。軸向限位組件設(shè)置于缸筒上件3的頂部?jī)蓚?cè)呈“7”型，方便結(jié)構(gòu)的懸掛，以開展自由條件下的激勵(lì)實(shí)驗(yàn)。

圖8 軸向限位組件結(jié)構(gòu)示意

綜上所述，該實(shí)驗(yàn)裝置方便實(shí)現(xiàn)自由條件和約束條件下的激勵(lì)實(shí)驗(yàn)，方便實(shí)現(xiàn)襯套溝槽形狀和大小的不同，方便改變橡膠O形圈的壓縮量，方便介質(zhì)壓力的模擬，方便更換橡膠O形圈以模擬橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)的不同老化狀態(tài)，方便傳感器的布置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易操作。

2 實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用

設(shè)計(jì)的典型橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)裝置中，底座下部分設(shè)置有6個(gè)沿圓周分布的螺栓孔，通過(guò)平墊圈一8、彈簧墊圈一9、內(nèi)六角螺栓一10與振動(dòng)臺(tái)或地基連接，進(jìn)行約束條件下的激勵(lì)實(shí)驗(yàn)。軸向限位組件呈“7”字形設(shè)置于缸筒上件3的頂部?jī)蓚?cè)，可以通過(guò)尼龍繩將結(jié)構(gòu)懸掛起來(lái)，進(jìn)行自由條件下的激勵(lì)實(shí)驗(yàn)。例如將滾動(dòng)軸承與襯套側(cè)面的距離設(shè)置為1 mm，當(dāng)襯套4對(duì)缸筒組件軸向移動(dòng)使得其與兩端的滾動(dòng)軸承18接觸時(shí)，滾動(dòng)軸承18可以保持其軸向位置的穩(wěn)定，而且不會(huì)影響其相對(duì)缸筒組件的轉(zhuǎn)動(dòng)。缸筒組件外表面呈六邊形，可以根據(jù)需要將傳感器布置在相應(yīng)的表面上。缸筒上下件通過(guò)平墊圈三14、彈簧墊圈三15、內(nèi)六角螺栓三16、六角螺母17連接，只需要拆裝螺紋連接即可實(shí)現(xiàn)襯套和橡膠O形圈的更換。

根據(jù)需要設(shè)計(jì)加工出有不同形狀和大小溝槽的襯套，應(yīng)用時(shí)只需更換相應(yīng)的襯套即可實(shí)現(xiàn)襯套溝槽形狀和大小的不同。

橡膠O形圈的壓縮量，通過(guò)改變襯套外徑來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，缸筒組件的內(nèi)徑為125 mm，缸筒組件和襯套4同軸心安裝后的間隙為1 mm，襯套溝槽深度為3 mm，當(dāng)在溝槽中放入外徑為125 mm、線徑為5 mm的橡膠O形圈時(shí)，橡膠O形圈被壓縮1 mm，在保證襯套溝槽尺寸不變的前提下改變襯套外徑，橡膠O形圈可產(chǎn)生不同大小的壓縮量。

采用空氣增壓裝置，通過(guò)缸筒上件上的進(jìn)氣口和排氣口可以對(duì)缸筒組件內(nèi)表面、襯套外表面以及橡膠O形圈之間密閉空間的氣體進(jìn)行加壓，從而達(dá)到模擬介質(zhì)壓力的目的。

實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用過(guò)程：(1)底座1通過(guò)平墊圈二11、彈簧墊圈二12、內(nèi)六角螺栓二13與缸筒下件2連接；(2)橡膠O形圈5放置于襯套溝槽內(nèi)，然后將襯套放置于缸筒下件2的空腔內(nèi)并保持前后端面對(duì)齊；(3)將缸筒上件3通過(guò)平墊圈三14、彈簧墊圈三15、內(nèi)六角螺栓三16、六角螺母17與缸筒下件2連接；(4)支撐桿7的一端通過(guò)平墊圈四21、彈簧墊圈四22、內(nèi)六角螺栓四23固設(shè)于缸筒上件3的頂部，另一端懸空；(5)連桿6與支撐桿7的懸空端通過(guò)鎖緊薄螺母20連接，滾動(dòng)軸承18安裝在連桿6上并通過(guò)對(duì)頂六角螺母19進(jìn)行軸向緊固；(6)采用空氣增壓裝置，通過(guò)缸筒上件上的進(jìn)氣口和排氣口對(duì)空氣加壓模擬介質(zhì)對(duì)橡膠O形圈的壓力；(7)通過(guò)尼龍繩將結(jié)構(gòu)懸掛，或通過(guò)平墊圈一8、彈簧墊圈一9、內(nèi)六角螺栓一10將結(jié)構(gòu)與振動(dòng)臺(tái)或地基連接，進(jìn)行自由條件或約束條件下的激勵(lì)實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)布置在六邊形缸筒組件外表面的傳感器采集響應(yīng)信號(hào)。

為了模擬橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)的不同老化狀態(tài)，對(duì)丁腈橡膠O形圈試樣以及丁腈橡膠拉伸和壓縮試樣進(jìn)行了加速老化實(shí)驗(yàn)。老化溫度為115 ℃，分別在老化進(jìn)行了0、1、2、3、4、5、6、7、8、9天時(shí)取出一組試樣，并進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，獲得了不同老化時(shí)間下的性能指標(biāo)。測(cè)試的拉伸和壓縮彈性模量分別如圖9和圖10所示。

圖9 不同老化時(shí)間試樣拉伸彈性模量

圖10 不同老化時(shí)間試樣壓縮彈性模量

從圖9和圖10可以看出，隨著老化時(shí)間的增加，丁腈橡膠的拉伸和壓縮彈性模量均逐漸增大，這表明其老化程度隨老化時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸加深。通過(guò)更換不同老化程度的橡膠O形圈即可模擬橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)的不同老化狀態(tài)。

根據(jù)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置，采用三維建模-導(dǎo)入-前處理的方法完成了有限元模型的構(gòu)建。利用輸入橡膠O形圈不同壓縮彈性模量的方式，完成了等效模擬不同老化狀態(tài)的目的。對(duì)無(wú)介質(zhì)壓力時(shí)，0.5 mm壓縮量矩形溝槽、1 mm壓縮量矩形溝槽和V形溝槽下10種老化狀態(tài)的模態(tài)進(jìn)行分析。其中，10種老化狀態(tài)下的一階固有頻率如圖11所示。

圖11 橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)的一階固有頻率

可以看出，當(dāng)壓縮量和溝槽形狀相同時(shí)，各老化狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)各階模態(tài)振型并未發(fā)生較大改變，但其各階固有頻率隨著橡膠O形圈老化程度的加深不斷增大；當(dāng)溝槽形狀發(fā)生改變時(shí)，不僅模態(tài)振型會(huì)發(fā)生改變，而且V形溝槽下的各階固有頻率比矩形溝槽下的高，當(dāng)溝槽形狀與老化狀態(tài)相同時(shí)，不同壓縮量下結(jié)構(gòu)的各階模態(tài)振型并未發(fā)生較大改變，但其各階固有頻率隨著壓縮量的增大而增大。

以上力學(xué)測(cè)試與模態(tài)分析結(jié)果，良好地反映了橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)老化狀態(tài)特性的變化情況，從而驗(yàn)證了采用文中設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)裝置模擬橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)不同老化狀態(tài)的有效性?？梢詾楹罄m(xù)的隨機(jī)激勵(lì)響應(yīng)與諧響應(yīng)分析、動(dòng)態(tài)響應(yīng)實(shí)驗(yàn)以及基于動(dòng)態(tài)響應(yīng)信號(hào)的橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)老化狀態(tài)檢測(cè)提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

為了給研究橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)的老化狀態(tài)檢測(cè)提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)一種典型橡膠O形圈密封結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)裝置，并說(shuō)明了該實(shí)驗(yàn)裝置的應(yīng)用。與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置相比，該實(shí)驗(yàn)裝置不僅方便開展自由條件和約束條件下的激勵(lì)實(shí)驗(yàn)，而且方便實(shí)現(xiàn)襯套溝槽形狀和大小、橡膠O形圈壓縮量的不同，方便襯套和橡膠O形圈的更換，方便傳感器的布置；可以通過(guò)更換不同老化程度的橡膠O形圈模擬結(jié)構(gòu)的不同老化狀態(tài)，可以通過(guò)空氣增壓模擬介質(zhì)壓力，可通過(guò)軸向限位組件保持襯套軸向位置的穩(wěn)定而不會(huì)影響其相對(duì)缸筒組件的轉(zhuǎn)動(dòng)。