一种橡胶圈极端条件下高压动密封试验装置

摘要

一种橡胶圈极端条件下高压动密封试验装置，属于航空航天和机械工程技术领域。包含往复运动试验机、高压充气机、气体流量计、升温装置、制冷装置和试验实施主体。能够在极端温度条件橡胶圈密封高压动态往复运动下同步测量出摩擦力、位移、温度以及气体泄漏量，本发明的效果和益处是能够实现不同极端条件(高压、高温、低温)下橡胶圈动密封性能的测试，该装置具有组装简便，灵活易用的特点。

说明书

技术领域

本发明属于航空航天技术和机械工程领域，涉及一种橡胶圈极端条件下高 压动密封试验装置。

背景技术

橡胶圈密封结构简单，密封性能好，在航空航天和机械工程领域有着重要 应用，可作为静密封或动密封的密封件使用，常被应用于飞行器油路或气路的 密封上，从而需要承受复杂的载荷条件和压力状况，因此，研究橡胶圈密封件 在高压、高温、低温、往复运动工况下的密封性能变得至关重要，尤其在极端 条件下对于摩擦力和泄漏量的同步测量，对高性能橡胶圈密封件的设计意义重 大，目前缺少这种试验装置，能够直接在高温高压或低温高压的往复运动工况 下同步测量出橡胶圈密封件的力—位移曲线和泄漏量，本发明旨在解决此类相 关问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种橡胶圈极端条件下高压动密封试验装 置。

本发明的技术方案为：

一种橡胶圈极端条件下高压动密封试验装置，主要包括往复运动试验机、 高压充气机、气体流量计和实施主体；高压充气机对实施主体进行高压充气， 实现高压环境；气体流量计实现对泄漏气体量的测量；实施主体实现极端温度 条件下的高压动密封测试。

所述的往复运动试验机上夹头与往复运动杆1上端连接，往复运动试验机 的下夹头与实施主体下端连接，往复运动杆1上下往复运动时，实施主体不动； 往复运动试验机带动往复运动杆1在内衬33内上下往复运动，记录往复运动杆 1相对内衬33的位移、往复运动杆1与内衬33内壁发生相对滑动时的作用力。 根据往复运动试验机产生不同波形、不同频率、不同振幅的往复运动，实时记 录循环周期内的力、位移曲线，实现动态下的力、位移曲线的测量。

所述的实施主体部分包括往复运动杆1、上密封盖22、下密封盖35、柱体 34、内衬33、泄气管路7、进气管路11、升温装置和制冷装置；

上密封盖22和柱体34中心在相对应位置开有不同尺寸贯穿的圆柱形孔洞， 下密封盖35通过下紧固螺栓与柱体34底部固定连接，上密封盖22、下密封盖 35和柱体34盖合后形成圆柱形空腔；内衬33放入圆柱形空腔内，内衬33外径 尺寸与圆柱形空腔直径相同，内衬为具有一定厚度的钢管，厚度范围为0.5—5mm；

往复运动杆1为变径不锈钢杆，插入内衬33中，上密封盖22穿过往复运 动杆1盖在柱体34上，往复运动杆1顶端露出上密封盖22，与往复运动试验机 固定连接，往复运动杆1底端是外径略小于内衬内径的圆柱体，圆柱体开有凹 槽，下测试橡胶圈27水平套凹槽中；往复运动杆1中间部位是外径略小于内衬 内径圆柱体，圆柱体开有凹槽，上测试橡胶圈25水平套在凹槽中；

上、下测试橡胶圈将圆柱形空腔隔离出三部分：上泄漏空间24、高压腔28 和下泄漏空间29；在柱体34和内衬33开有相对应的上、中、下三个通透的孔 洞；泄气管路7依次穿过柱体34和内衬33的上、下孔洞，进气管路11依次穿 过柱体34和内衬33的中间孔洞；进气管路7通过快接头12依次连接压力表10 和进气阀13，再通过进气管路接头14连入高压充气机；泄气管路7连接泄气阀 8，通过泄气管路接头9与气体流量计连通。

上密封盖22通过上紧固螺栓21与柱体34固定连接，下密封盖35通过下 紧固螺栓36与柱体34固定连接；

柱体34上表面开有凹槽，放置上盖密封圈23，上密封盖22中间圆柱形孔 洞上开有凹槽，放置上盖密封圈38；在柱体34的中间孔洞的上下位置开有凹槽， 放置上、下内衬密封圈26；柱体34下表面开有凹槽，放置下盖密封圈30。

所述的升温装置包括升温控制仪6、炉体绝热层19、温度测量仪15、热电 偶32和电阻丝20；

电阻丝20均匀排布在圆柱形加热装置的炉体37内部，通过导线与升温控 制仪6连接，形成回路；电阻丝20外侧包裹圆柱形的炉体绝热层19；整个加热 装置采用开合式设计，加热装置右侧开有三个与内部保温层相对应的孔洞。

热电偶32预埋在靠近圆柱形空腔的柱体34内部，通过导线与温度测试仪 15连接。

所述的制冷装置包括内部保温层5、液氮套31、液氮套前管路39、液氮套 后管路40、进液阀门18、前存储装置17、前存储装置上盖16、液氮排气管2、 后存储装置14和后存储装置上盖3；制冷装置对柱体34进行降温处理；

内部保温层5为上下封底的圆柱形保温材料，采用开合式设计，内部保温 层5上侧两端开有供液氮套前管路39和液氮套后管路40通过的孔洞，右侧开 有上、中、下三个孔洞，其中上、下两个孔洞供泄气管路7通过，中部的孔洞 供进气管路11通过。

液氮套31为中空C型圆套体，两侧上端有液氮套前管路39和液氮套后管 路40，液氮套31围绕在柱体34外围，液氮套前管路39通过进液阀门18穿过 内部保温层5与前存储装置17连接，前存储装置17为圆柱形液氮存储容器， 前存储装置上盖16带有一个液氮排气管2，盖在前存储装置16上，前存储装置 16对液氮套添加液氮；液氮套后管路40穿过内部保温层5与后存储装置14连 接，后存储装置14为漏斗形液氮存储容器，后存储装置上盖3带有一个液氮排 气管2，盖在后存储装置上。

在高压环境下，由于上、下测试橡胶圈25、27将圆柱形空腔隔离出三部分： 上泄漏空间24、高压腔28和下泄漏空间29。通过高压充气机往高压腔28内充 入气体，承受0-60MPa高压，达到需要的压力时关闭进气阀13和高压充气机， 此时，高压腔28完全由测试橡胶圈25、27密封保持高压环境。上、下泄漏空 间24、29通过泄气管路7连通流量计，这样的结构保证上、下泄漏空间24、29 的压强与外界一致，当往复运动杆1在往复运动试验机的促使下往复运动时， 如果高压腔28中的气体泄漏，只能发生在上、下测试橡胶圈25、27密封处， 且气体将充入上、下泄漏空间24、29，这时，上、下泄漏空间24、29的压强将 增加，多余的气体将通过流量计排出，从而获得泄漏的气体量，从而实现了橡 胶圈高压动态密封下泄漏量的测试。与此同时，往复运动试验机精确地记录下 往复运动下力、位移曲线记录，此力与橡胶圈所受摩擦力在数值上相等，从而 间接实现橡胶圈高压动态密封下摩擦力的测量。

在进行低温高压条件测试时，由于液氮套31围绕在柱体34外围，这保证 了液氮最大限度的发挥制冷效果。当注入液氮时，柱体34温度逐渐降低，可以 根据液氮的用量调节温度的下降程度，利用热电偶32对柱体34内部温度进行 测量，当温度值相对稳定时，可进行试验。根据液氮的性质，本装置设定能够 达到的温度下限值为-100℃。在添加液氮时，需打开前存储装置17上盖16，添 加完液氮后，盖好上盖16，液氮在液氮套31中发挥降温作用，并发生气化，产 生的氮气通过前、后存储装置17、4的液氮排气管2排除，此设计目的在于防 止液氮溅出，隔绝外部环境，保证安全操作。内部保温层5围绕着液氮套31， 可对液氮套31与外界进行隔离保温，保证液氮制冷效果。泄气量通过泄气管路 7处接头处的流量计测得，橡胶圈的摩擦力由往复运动试验机测得。

在进行高温高压条件测试时，首先需拆下内部保温层5，保留炉体37加热 部分。本实验加热装置原理采用电阻丝20的电热效应，炉体37呈圆柱形围绕 在柱体34周围，炉体37外围安置有绝热层19，一方面为了隔离内部试验装置 和外部环境，保证升温效果，另一方面为了避免内部热量对试验操作人员造成 危险。在炉体37内部均匀排布有电阻丝20，电阻丝20通过导线与外部的升温 控制仪6连接，通过升温控制仪6依照温度测量仪15所测得的温度值调节对电 阻丝20的输入功率，达到控温效果。为了保证所需测试条件，根据实际要求， 升温装置可达到的最高温度值为300℃。泄气量通过泄气管路7处接头处的流量 计测得，橡胶圈的摩擦力由往复运动试验机测得。

本发明的效果和益处是，在测量橡胶圈在低温高压或者高温高压动密封下 摩擦力的同时，测量出气体泄漏量，实现对极端温度条件下高压动态往复运动 状态下橡胶圈密封性能的全面同步测试；能够针对不同设计参数(压缩量、挡 圈等)加工往复运动杆的凹槽，实现对不同设计参数下橡胶圈高压动密封的测 试；能够在-100℃到300摄氏度的温度范围内进行测试；该装置采用组合式和关 键部件的分体式设计，组装简便，灵活易用。

附图说明

图1是本发明装置的示意图；

图2是往复运动杆的示意图；

图3是液氮套的示意图；

图中：1往复运动杆；2液氮排气管；3后存储装置上盖；4后存储装置；5 内部保温层；6升温控制仪；7泄气管路；8泄气阀；9泄漏管路接头；10压力 表；11进气管路；12快接头；13进气阀；14进气管路接头；15温度测量仪； 16前存储装置上盖；17前存储装置；18进液阀门；19炉体绝热层；20电阻丝； 21上紧固螺栓；22上密封盖；23上盖密封圈；24上泄漏空间；25上测试橡胶 圈；26内衬密封圈；27下测试橡胶圈；28高压腔；29下泄漏空间；30下盖密 封圈；31液氮套；32热电偶；33内衬；34柱体；35下密封盖；36下紧固螺栓； 37炉体；38上盖密封圈；39液氮套前管路；40液氮套后管路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

(1)低温高压条件下动密封试验

步骤一，试件安装：在柱体34的中间孔洞的上下位置凹槽中放置上、下内 衬密封圈26，在柱体34下表面凹槽中放置下盖密封圈30，在上密封盖22中间 圆柱形孔洞上凹槽中放置上盖密封圈38，将下密封盖35通过下紧固螺栓36固 定到柱体34上，将内衬33插入柱体34中，柱体34和内衬33相对应的上、中、 下三个通透的孔洞对齐，将上测试橡胶圈25套在往复运动杆1中间部位外径略 小于内衬内径圆柱体的凹槽中，将下测试橡胶圈27套在往复运动杆1底端外径 略小于内衬内径的圆柱体的凹槽中，将安装好上、下测试橡胶圈25、27的往复 运动杆1装入内衬33中，将上密封盖22套在往复运动杆1上，并盖在柱体34 上，装好上紧固螺栓21，安装进气管路11和泄气管路7，泄气管路7依次穿过 柱体34和内衬33的上、下孔洞，进气管路11依次穿过柱体34和内衬33的中 间空洞，进气管路11通过进气管路接头14与高压打气机相连，泄气管路7通 过泄气管路接头9与气体流量计相连，将进气阀13和泄气阀8打开；

步骤二，往复运动杆1上端连接往复运动试验机的上夹头，下密封盖35的 下端连接往复运动试验机的下夹头；

步骤三，利用高压充气机将高压腔28充至所需高压，关闭进气阀13，关闭 高压充气机，将液氮套31围绕在柱体34外围，将内部保温层5安装到液氮套 31的外围，打开前存储装置上盖16，在前存储装置17中加入液氮，盖上前存 储装置上盖16，通过温度测试仪15记录空腔附近温度，当温度值达到稳定时， 开动往复运动试验机，使用位移控制模式，产生往复运动，带动往复运动杆1 作往复运动，从而带动上测试橡胶圈25和下测试橡胶圈27作往复运动，通过 往复运动试验机记录力、位移曲线，通过气体流量计记录气体泄漏量；

步骤四，关闭往复运动试验机，使进气管路11与高压充气机分离后，打开 进气阀13，排空剩余高压气体，打开内部保温层5，待试验主体温度恢复安全 值，卸下其余部分。

(2)高温高压条件下动密封试验方法

步骤一，试件安装：在柱体34的中间孔洞的上下位置凹槽中放置上、下内 衬密封圈26，在柱体34下表面凹槽中放置下盖密封圈30，在上密封盖22中间 圆柱形孔洞上凹槽中放置上盖密封圈38，将下密封盖35通过下紧固螺栓36固 定到柱体34上，将内衬33插入柱体34中，柱体34和内衬33相对应的上、中、 下三个通透的孔洞对齐，将上测试橡胶圈25套在往复运动杆1中间部位外径略 小于内衬内径圆柱体的凹槽中，将下测试橡胶圈27套在往复运动杆1底端外径 略小于内衬内径的圆柱体的凹槽中，将安装好上、下测试橡胶圈25、27的往复 运动杆1装入内衬33中，将上密封盖22套在往复运动杆1上，并盖在柱体34 上，装好上紧固螺栓21，安装进气管路11和泄气管路7，泄气管路7依次穿过 柱体34和内衬33的上、下孔洞，进气管路11依次穿过柱体34和内衬33的中 间空洞，进气管路11通过进气管路接头14与高压打气机相连，泄气管路7通 过泄气管路接头9与气体流量计相连，将进气阀13和泄气阀8打开；

步骤二，往复运动杆1上端连接往复运动试验机的上夹头，下密封盖35的 下端连接往复运动试验机的下夹头；

步骤三，利用高压充气机将高压腔28充至所需高压，关闭进气阀13，关闭 高压充气机，将包含炉体绝热层19和电阻丝20的加热装置安装到柱体34的外 围，将电阻丝20通过导线与升温控制仪6联通，接通电源，开始对试验主体进 行加热，通过温度测试仪15记录柱体34的温度，并反馈至升温控制仪6，以调 节输出功率，当温度达到指定温度值时，并保持稳定，开动往复运动试验机， 使用位移控制模式，产生往复运动，带动往复运动杆1作往复运动，从而带动 上测试橡胶圈25和下测试橡胶圈27作往复运动，通过往复运动试验机记录力、 位移曲线，通过气体流量计记录气体泄漏量；

步骤四，关闭往复运动试验机，关闭升温控制仪6电源，使进气管路11与 高压充气机分离后，打开进气阀13，排空剩余高压气体，待试验主体充分冷却， 打开炉体37，卸下其余部分。