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超高液壓下Ｏ形環(huán)角密封的實(shí)驗(yàn)研究
崔玉濤 杜存臣
摘 要:
采用丁腈橡膠Ｏ形環(huán)實(shí)現(xiàn)超高壓容器端部角密封,對(duì)容器施加超高液壓做系列密封實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,采用角密封結(jié)構(gòu),并對(duì)Ｏ形環(huán)壓縮率、截面直徑、密封間隙、橡膠硬度、密封面的粗糙度和密封件的形
位公差等相關(guān)因素進(jìn)行合理匹配,嚴(yán)格控制,使用普通Ｏ形環(huán)可以實(shí)現(xiàn)138ＭＰａ超高液壓的靜密封。
關(guān)鍵詞: 超高壓 Ｏ形環(huán) 靜密封
隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展,超高壓越來(lái)越廣泛地運(yùn)用到超高壓殺茵、超高速冷凍、食品膨化工業(yè)、超臨界流體萃取、低鹽化處理、室溫高壓膨化以及加壓發(fā)酵等典型應(yīng)用場(chǎng)合。這類(lèi)設(shè)備所生產(chǎn)的產(chǎn)品具有眾多優(yōu)越性,日益引起人們的普遍關(guān)注。如超高壓食品的生產(chǎn)具有瞬間加壓、作用均勻、操作安全和耗能低能很好地保持食物天然的色、香、味和營(yíng)養(yǎng)成分的特點(diǎn),符合21世紀(jì)新型食品簡(jiǎn)便、安全、天然、營(yíng)養(yǎng)、衛(wèi)生、環(huán)保的消費(fèi)需求。因而有著顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益,具有巨大的潛在市場(chǎng)和廣闊的發(fā)展前景。
但是,現(xiàn)今我國(guó)的超高壓食品的生產(chǎn)存在亟待提高工業(yè)裝備水平的問(wèn)題,能否制造出經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、安全、高效的處理設(shè)備成為制約超高壓食品處理技術(shù)市場(chǎng)推廣的主要瓶頸。其中,如何經(jīng)濟(jì)地制造超高壓容器并保證容器的超高壓密封尤為難點(diǎn)之所在。超高壓設(shè)備能否正常運(yùn)行在很大程度上取決于密封結(jié)構(gòu)的完善性。高壓密封裝置的重量約占容器總重的10%～30%,而成本卻占總成本的15%～40%,因此密封設(shè)計(jì)工作是高壓容器設(shè)計(jì)的重要組成部分。由于許多超高壓設(shè)備為間隙操作,操作時(shí)不但要求物料能快裝快卸,且要求在開(kāi)啟頻繁的情況下仍能實(shí)現(xiàn)多次可靠密封,一般使用快開(kāi)式自緊密封結(jié)構(gòu)才能解決這一難題。普通Ｏ形橡膠密封環(huán)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、價(jià)格便宜、安裝緊湊、使用方便和具有自緊密封作用等優(yōu)點(diǎn),被各行業(yè)廣泛使用。因此實(shí)驗(yàn)采用丁腈橡膠(ＮＢＲ)Ｏ形環(huán)(規(guī)格為32.5×3.55Ｇ,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ＧＢ3452.1—92)進(jìn)行角密封實(shí)驗(yàn)研究。
1 Ｏ形環(huán)的自緊密封原理
1)預(yù)緊狀態(tài)
O形環(huán)裝入密封部位后,其截面一般受到一定量的壓縮,由于Ｏ形環(huán)有良好的彈性,對(duì)接觸面會(huì)產(chǎn)生一定的接觸壓力,從而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊狀態(tài)下的密封。
2)工作狀態(tài)
當(dāng)密封腔充入液壓介質(zhì)后,在介質(zhì)壓力的作用下,Ｏ形環(huán)移向低壓一側(cè),封閉住密封間隙。隨著介質(zhì)壓力的增加,接觸壓力亦隨之增加,其峰值總是大于流體介質(zhì)壓力。這就保證了Ｏ形密封環(huán)的密封功能,也反映了Ｏ形密封環(huán)的自動(dòng)密封能力。經(jīng)驗(yàn)表明,對(duì)于普通橡膠材料,一般以13×105Ｐａ為標(biāo)準(zhǔn)比壓。
2主要密封參數(shù)的確定
Ｏ形環(huán)的密封效果與壓縮率、截面直徑、密封間隙、橡膠硬度、密封面的粗糙度和密封件的形位公差等因素密切相關(guān)。在影響Ｏ形環(huán)密封性能的諸因素中,只要有1個(gè)參數(shù)的設(shè)計(jì)不合理就會(huì)降低其密封效果,甚至導(dǎo)致密封失效。因此下面就討論一下各影響因素具體數(shù)值的確定。
1)壓縮率
形環(huán)密封是典型的壓縮型密封。Ｏ形環(huán)截面直徑的壓縮率是影響密封效果和使用壽命的重要參數(shù)。大多數(shù)情況下的泄漏與壓縮量不足有關(guān),但是過(guò)量壓縮又會(huì)造成裝拆困難和產(chǎn)生過(guò)大的殘余變形,而這將嚴(yán)重縮短其使用壽命。因此應(yīng)合理確定Ｏ形環(huán)的壓縮率。壓縮率Ｗ用下式表示:Ｗ=ｄ0/ｈｄ0100%式中ｄ0為Ｏ形環(huán)的截面直徑(ｍｍ),ｈ為Ｏ形環(huán)壓縮后的截面尺寸。對(duì)于靜密封壓縮率Ｗ一般取10%～22%,本實(shí)驗(yàn)取為15%。
2)截面直徑
對(duì)于相同的壓縮量,截面直徑大的Ｏ形環(huán)的接觸寬度大,相應(yīng)的最大接觸應(yīng)力小,因此在橡膠Ｏ形環(huán)滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)工藝等其他要求的情況下,盡可能選擇大截面的橡膠Ｏ形環(huán)。本實(shí)驗(yàn)容器密封面內(nèi)孔直徑為3
9ｍｍ,Ｏ形環(huán)截面直徑取3.55ｍｍ。
3)密封間隙
Ｏ形環(huán)在高壓力下很容易變形,容易被擠入密封間隙中去,造成損壞,因此必須對(duì)Ｏ形環(huán)的密封間隙加以嚴(yán)格控制。為了防止Ｏ形環(huán)發(fā)生擠出現(xiàn)象,并考慮到裝拆的難易程度,本實(shí)驗(yàn)的密封間隙取為0.1ｍｍ。
4)硬度
彈性模量小的Ｏ形環(huán),則最大接觸壓應(yīng)力小,擠出量大,易破壞。所以當(dāng)內(nèi)壓很高時(shí),應(yīng)選用硬度較高的Ｏ形環(huán)。本實(shí)驗(yàn)采用的Ｏ形環(huán)硬度為ＩＲＨＤ(國(guó)際橡膠硬度等級(jí))80±5。5)密封面的粗糙度密封面的粗糙度是密封技術(shù)中的一個(gè)重要衡量指標(biāo)。如果密封面處有制造缺陷或縱向劃痕,則密封介質(zhì)很容易泄漏?！冻邏喝萜靼踩夹g(shù)監(jiān)察規(guī)程》中規(guī)定超高壓容器密封面的粗糙度Ｒａ應(yīng)當(dāng)小于或等于0。8μｍ。本實(shí)驗(yàn)密封面的粗糙Ｒａ取0.4μｍ。
5)密封件的形位公差密
封圓柱面的圓度、圓柱度公差按8級(jí)精度選取,端面對(duì)內(nèi)孔軸線的垂直度公差按7級(jí)精度選取。
3實(shí)驗(yàn)裝置與密封結(jié)構(gòu)
（1）實(shí)驗(yàn)裝置
實(shí)驗(yàn)裝置由壓力源(ＹＺＧ Ｂ型液袋式液壓脹管機(jī))、高壓連接管路、設(shè)計(jì)壓力為200ＭＰａ的超高壓實(shí)驗(yàn)容器和軸向力平衡裝置(250ｋＮ的壓力機(jī))組成。實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。
1. 壓力機(jī)下平板 2.下墊板 3.超高壓容器 4.托板5.Ｏ形環(huán)32.5×3.55 6.Ｏ形環(huán)65×5.3 7.端蓋8.上墊板 9.壓力機(jī)上平板 10.螺柱 11.芯軸12.螺栓 13.高壓管 14.接頭螺母 15.螺母
(2)密封原理
當(dāng)旋緊螺栓時(shí),將帶動(dòng)托板向上移動(dòng)壓緊Ｏ形環(huán),Ｏ形環(huán)將貼緊芯軸的錐面和容器器壁,與錐面和軸之間分別形成環(huán)密封帶,形成預(yù)緊密封。在操作狀態(tài),隨著介質(zhì)(本實(shí)驗(yàn)加壓介質(zhì)為水)壓力的增加,Ｏ形環(huán)的壓縮量也隨之增大,接觸壓力亦相應(yīng)增加,從而實(shí)現(xiàn)可靠密封。
4實(shí)驗(yàn)過(guò)程
(1)將Ｏ形環(huán)表面均勻涂覆少量潤(rùn)滑脂。將端蓋和芯軸用雙頭螺柱連接,把Ｏ形環(huán)安裝到芯軸上,用螺栓將托板連接到芯軸上以壓緊Ｏ形環(huán);
(2)裝配高壓管、接頭螺母和小螺母,將接頭螺母與液壓介質(zhì)入口的螺紋連接;
(3)將下墊板、容器、端蓋與上墊板按圖1位置放置。接通壓力機(jī)電源,使兩平板壓緊上下兩墊板;
(4)接通電源,預(yù)熱5ｍｉｎ,旋轉(zhuǎn)溢流閥加壓。以10ＭＰａ的級(jí)差加壓,每級(jí)保壓5ｍｉｎ,觀察有無(wú)泄漏;
(5)記錄脹管機(jī)上的壓力顯示儀的液壓數(shù)值和液體泄漏情況。
5實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加載順序的實(shí)驗(yàn)記錄見(jiàn)表1。
液壓
值(MPa)
10
21
33
41
52
62
72
85
93
102
130
138
6結(jié)果與討論
(1) 經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)表明,只要合理選擇并嚴(yán)格控制影響密封性能的各主要因素的數(shù)值,單獨(dú)使用普通Ｏ形環(huán)錐面密封結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)138ＭＰａ的可靠密封;
(2) 由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的限制,本實(shí)驗(yàn)只做到138ＭＰａ的液壓密封,Ｏ形環(huán)仍有一定的密封潛力可以挖掘。這突破了傳統(tǒng)資料認(rèn)為的Ｏ形環(huán)靜密封最高壓力為70ＭＰａ和當(dāng)工作壓力高于32ＭＰａ需要加擋圈以防止間隙擠出的限定,值得進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
(3) Ｏ形環(huán)錐面密封結(jié)構(gòu)對(duì)Ｏ形環(huán)和相應(yīng)的密封面的制造偏差有一定的補(bǔ)償作用,這就降低了對(duì)制造精度的要求,因此這種密封結(jié)構(gòu)值得加以推廣使用;
(4) Ｏ形環(huán)在完成多次超高壓密封后,發(fā)現(xiàn)其外觀有輕微間隙擠出現(xiàn)象。這表明Ｏ形環(huán)雖可實(shí)現(xiàn)138ＭＰａ左右的超高壓密封,但若介質(zhì)壓力繼續(xù)升高則需考慮使用Ｏ形環(huán)與三角墊的組合密封結(jié)構(gòu)或利用其他密封途徑加以解決,但本文所探討的影響密封性能的主要參數(shù)的確定方法仍有一定的參考意義。