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超高液壓下Ｏ形環(huán)角密封的實驗研究 崔玉濤 杜存臣 摘　要: 采用丁腈橡膠Ｏ形環(huán)實現(xiàn)超高壓容器端部角密封,對容器施加超高液壓做系列密封實驗。結(jié)果表明,采用角密封結(jié)構(gòu),并對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)因素進行合理匹配,嚴(yán)格控制,使用普通Ｏ形環(huán)可以實現(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,超高壓越來越廣泛地運用到超高壓殺茵、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)用場合。這類設(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、味和營養(yǎng)成分的特點,符合21世紀(jì)新型食品簡便、安全、天然、營養(yǎng)、衛(wèi)生、環(huán)保的消費需求。因而有著顯著的社會效益和經(jīng)濟效益,具有巨大的潛在市場和廣闊的發(fā)展前景。 但是,現(xiàn)今我國的超高壓食品的生產(chǎn)存在亟待提高工業(yè)裝備水平的問題,能否制造出經(jīng)濟、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)市場推廣的主要瓶頸。其中,如何經(jīng)濟地制造超高壓容器并保證容器的超高壓密封尤為難點之所在。超高壓設(shè)備能否正常運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)計工作是高壓容器設(shè)計的重要組成部分。由于許多超高壓設(shè)備為間隙操作,操作時不但要求物料能快裝快卸,且要求在開啟頻繁的情況下仍能實現(xiàn)多次可靠密封,一般使用快開式自緊密封結(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)簡單、制造方便、價格便宜、安裝緊湊、使用方便和具有自緊密封作用等優(yōu)點,被各行業(yè)廣泛使用。因此實驗采用丁腈橡膠(ＮＢＲ)Ｏ形環(huán)(規(guī)格為32.5×3.55Ｇ,執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ＧＢ3452.1—92)進行角密封實驗研究。 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,對接觸面會產(chǎn)生一定的接觸壓力,從而實現(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)的自動密封能力。經(jīng)驗表明,對于普通橡膠材料,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個參數(shù)的設(shè)計不合理就會降低其密封效果,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),但是過量壓縮又會造成裝拆困難和產(chǎn)生過大的殘余變形,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。對于靜密封壓縮率Ｗ一般取10%～22%,本實驗取為15%。 2)截面直徑 對于相同的壓縮量,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)。本實驗容器密封面內(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,本實驗的密封間隙取為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,應(yīng)選用硬度較高的Ｏ形環(huán)。本實驗采用的Ｏ形環(huán)硬度為ＩＲＨＤ(國際橡膠硬度等級)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。《超高壓容器安全技術(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。本實驗密封面的粗糙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級精度選取,端面對內(nèi)孔軸線的垂直度公差按7級精度選取。 3實驗裝置與密封結(jié)構(gòu) （1）實驗裝置 實驗裝置由壓力源(ＹＺＧ Ｂ型液袋式液壓脹管機)、高壓連接管路、設(shè)計壓力為200ＭＰａ的超高壓實驗容器和軸向力平衡裝置(250ｋＮ的壓力機)組成。實驗裝置見圖1。 1. 壓力機下平板　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,將帶動托板向上移動壓緊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)(本實驗加壓介質(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,從而實現(xiàn)可靠密封。 4實驗過程 (1)將Ｏ形環(huán)表面均勻涂覆少量潤滑脂。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的級差加壓,每級保壓5ｍｉｎ,觀察有無泄漏; (5)記錄脹管機上的壓力顯示儀的液壓數(shù)值和液體泄漏情況。 5實驗數(shù)據(jù)加載順序的實驗記錄見表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)多次實驗表明,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,單獨使用普通Ｏ形環(huán)錐面密封結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)138ＭＰａ的可靠密封; (2) 由于實驗設(shè)備的限制,本實驗只做到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,值得進一步進行實驗研究。 (3) Ｏ形環(huán)錐面密封結(jié)構(gòu)對Ｏ形環(huán)和相應(yīng)的密封面的制造偏差有一定的補償作用,這就降低了對制造精度的要求,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。