基于LabVIEW的O形圈性能試驗(yàn)裝置研制

　　針對(duì)目前O 形圈性能試驗(yàn)裝置測(cè)試的單一性，難能在同一裝置中完成O形圈的多項(xiàng)性能測(cè)試，該文的試驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)O 形圈的摩擦性能、應(yīng)力松弛性能以及密封性能的多性能分析，同時(shí)采用差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)精確控制壓柱的位移和上下移動(dòng)速度，使得載荷加載更加平穩(wěn)。利用LabVIEW 軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)采集結(jié)果對(duì)O 形圈的泄漏特性進(jìn)行了分析。試驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的裝置結(jié)構(gòu)完善，控制系統(tǒng)準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)性能較好，為今后對(duì)其他軸徑、不同工況下O 形圈性能研究提供良好的借鑒。

引言

　　機(jī)器設(shè)備密封性能的好壞， 是衡量設(shè)備質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。而機(jī)械密封的失效，又多由橡膠O 形圈引起。近年來(lái)隨著材料技術(shù)的發(fā)展，彈性體材料如PU、PTFE、UHMWPE等制成的O 形圈可以實(shí)現(xiàn)在苛刻的環(huán)境和更高壓力的密封， 但是由于O 形密封圈本身的特性， 在長(zhǎng)時(shí)間工作下，O 形圈會(huì)發(fā)生應(yīng)力松弛現(xiàn)象，使得其壓縮載荷隨時(shí)間的增長(zhǎng)而變小， 最終導(dǎo)致密封失效，危害環(huán)境，甚至造成人員的傷亡。“挑戰(zhàn)者”號(hào)失事的主要原因是左側(cè)火箭助推器連接處O 形圈失效引起的泄漏。因此，有必要對(duì)O 形圈的密封性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者對(duì)O 形圈的密封、摩擦、老化、應(yīng)力松弛等性能進(jìn)行了深入研究，并設(shè)計(jì)制造了O 形圈性能試驗(yàn)裝置。Ralph 則從O 形圈在長(zhǎng)期壓縮下發(fā)生永久變形的角度對(duì)O 形圈的密封壽命進(jìn)行了試驗(yàn)研究;王廣振等人通過(guò)載荷衰減試驗(yàn)設(shè)備對(duì)不同硅橡膠材料O 形圈的載荷衰減規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究;李雙喜等設(shè)計(jì)了一套用于測(cè)定機(jī)械密封補(bǔ)償機(jī)構(gòu)中輔助O 形圈摩擦力的測(cè)試系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)了O 形圈在密封腔中的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并獲得了水潤(rùn)滑下橡膠O 形圈的摩擦力;吳瓊等設(shè)計(jì)往復(fù)密封標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)不同工況的O 形圈摩擦性能進(jìn)行研究。上述這些試驗(yàn)裝置主要對(duì)常見雙面受壓密封O 形圈進(jìn)行密封或摩擦性能研究， 未能實(shí)現(xiàn)O 形圈多性能分析。本文則針對(duì)機(jī)械密封用O 形圈進(jìn)行性能研究，特別是靜環(huán)用O 形圈，其為四面受壓，研制了一臺(tái)O 形圈性能試驗(yàn)裝置，同時(shí)結(jié)合ANSYS 有限元軟件對(duì)O 形圈的摩擦性能、應(yīng)力松弛及泄漏特性同時(shí)進(jìn)行了深入分析。

1、試驗(yàn)裝置

　　O 形圈性能測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以靜環(huán)與靜環(huán)座的密封結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，該裝置主要組成如圖1 所示。被測(cè)O形圈在不進(jìn)行軸向加載時(shí)，通過(guò)改變壓柱及端蓋的尺寸，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同壓縮率的O 形圈進(jìn)行試驗(yàn)，可模擬常用溝槽O 形圈密封;利用心軸進(jìn)行軸向加載實(shí)現(xiàn)被測(cè)O 形圈四面受壓(見圖2)，模擬靜環(huán)與靜環(huán)座O 形圈密封。

　　1.1、總體結(jié)構(gòu)特征

　　本裝置試驗(yàn)部分參照機(jī)械密封腔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：將O形圈Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ安裝于端蓋和端蓋座內(nèi)，通過(guò)螺栓進(jìn)行連接以保證裝置的緊密性; 然后將被測(cè)O 形圈安裝于壓柱與端蓋座之間，形成密封腔(見圖2)。介質(zhì)通過(guò)左端介質(zhì)入口進(jìn)入，O 形圈Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ由于自密封效果，所受的介質(zhì)壓力越大，其密封越好。通過(guò)對(duì)被測(cè)O 形圈施加不同的軸向載荷來(lái)觀察被測(cè)O 形圈的衰減變化規(guī)律以及泄漏特性，同時(shí)通過(guò)泄漏口收集泄漏介質(zhì)。心軸、S型拉力傳感器、連接頭、螺母Ⅰ、螺旋拉桿、螺母Ⅱ、傳動(dòng)套以及步進(jìn)電機(jī)構(gòu)成了心軸的軸向位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)(見圖1);步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)心軸以動(dòng)、靜環(huán)磨損速度向下移動(dòng)，以此來(lái)給被測(cè)O 形圈施加軸向力，并通過(guò)拉力傳感器實(shí)時(shí)讀取載荷的變化。

1-心軸2-螺栓Ⅰ 3-端蓋4-壓柱5-端蓋座6-圓柱支承7-連接拉桿8-差動(dòng)螺母Ⅰ 9-平鍵Ⅰ 10-差動(dòng)螺旋拉桿11-差動(dòng)螺母Ⅱ 12-平鍵Ⅱ 13-步進(jìn)電機(jī)安裝支座14-步進(jìn)電機(jī)15-支架16-傳動(dòng)套17-緊定螺釘18-螺栓Ⅱ 19-螺釘20-拉力傳感器21-O 形圈Ⅰ22-O 形圈Ⅱ 23-O 形圈Ⅲ

圖1 O 形圈性能測(cè)試裝置

圖2 被測(cè)O 形圈密封原理

　　1.2、差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)

　　該軸向位移調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)采用差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)拉力的平穩(wěn)加載。如圖3 所示，螺旋拉桿上旋合有螺母Ⅰ和螺母Ⅱ，將螺母Ⅰ、螺母Ⅱ與拉桿旋合的螺紋的螺距分別加工為1.5mm 和1.75mm，旋向均為右旋;差動(dòng)螺母Ⅰ用平鍵Ⅰ進(jìn)行周向固定，使其只能做軸向移動(dòng)，螺母Ⅱ用螺釘與圓柱支承固定。步進(jìn)電機(jī)通過(guò)套筒聯(lián)軸器帶動(dòng)差動(dòng)螺桿旋轉(zhuǎn)，差動(dòng)螺桿一邊旋轉(zhuǎn)、一邊作軸向移動(dòng);當(dāng)步進(jìn)電機(jī)每逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，差動(dòng)螺桿相對(duì)螺母Ⅱ下移1.75mm， 而螺母Ⅰ則相對(duì)差動(dòng)螺桿上移了1.5mm， 由于差動(dòng)效果， 螺母Ⅰ相對(duì)螺母Ⅱ只下移了0.25mm，通過(guò)連接頭與拉力傳感器連接，并帶動(dòng)心軸及壓柱的下移0.25mm，有效的實(shí)現(xiàn)O 形圈性能測(cè)試時(shí)對(duì)壓柱位移和上下移動(dòng)速度的精確控制。介質(zhì)通過(guò)儲(chǔ)液箱加入檢測(cè)裝置， 利用氮?dú)馄繉?duì)儲(chǔ)液箱加壓來(lái)控制介質(zhì)壓力， 通過(guò)安裝在儲(chǔ)液箱上的壓力傳感器以及壓力表確定試驗(yàn)介質(zhì)壓力。

圖3 差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)

4、結(jié)語(yǔ)

　　設(shè)計(jì)的O 形圈性能檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)較完整， 實(shí)現(xiàn)了多性能的測(cè)試要求。

　　(1)動(dòng)、靜環(huán)用O 形圈作為機(jī)械密封的輔助密封，其摩擦性能體現(xiàn)著補(bǔ)償環(huán)的追隨性， 控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行使心軸以動(dòng)、靜環(huán)的磨損速度移動(dòng)，滿足了靜環(huán)用O 形圈應(yīng)力松弛下密封性能測(cè)定的需求， 差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)保證了O 形圈加載過(guò)程平穩(wěn)，載荷精確;

　　(2)采用端蓋、端蓋座、壓柱以及O 形圈構(gòu)成的密封腔，拆裝容易，便于被測(cè)O 形圈的更換，且更換不同尺寸的壓柱及端蓋座可進(jìn)行多直徑、不同壓縮率的O形圈測(cè)試;

　　(3)編程的LabVIEW 測(cè)控系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、界面清晰，加載信息準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化操作;

　　(4)四面受壓試驗(yàn)中靜環(huán)用O 形圈變載荷衰減符合客觀規(guī)律，且試驗(yàn)未出現(xiàn)泄漏。