研制一種靜環(huán)用O形圈性能試驗裝置，該裝置利用步進電機通過螺旋差動機構(gòu)對芯軸施加軸向載荷，實現(xiàn)被測O形圈的四面受壓，進而可模擬靜環(huán)與靜環(huán)座O 形圈的密封。基于該裝置在不同工況下對丁晴橡膠O形密封圈密封面之間的接觸應(yīng)力和泄漏量進行實驗測量。結(jié)果表明：O形密封圈在預(yù)壓縮率一定的情況下，接觸應(yīng)力隨著工作介質(zhì)壓力的增大而增大；在工作介質(zhì)壓力一定的情況下，接觸應(yīng)力隨著預(yù)壓縮率的增大而減小，但減少的幅度并不大；O形密封圈的內(nèi)徑對其在不同工況下的接觸應(yīng)力有一定的影響，但影響不大。

　　O形圈因其結(jié)構(gòu)簡單、裝拆方便，材料品種多、成本低廉，動摩擦阻力較小，尺寸和溝槽均已標(biāo)準(zhǔn)化，互換性強，常被用于各種機械設(shè)備的靜態(tài)密封或動態(tài)密封，防止設(shè)備內(nèi)、外具有一定溫度和壓力的液體或氣體介質(zhì)的泄漏、侵入。目前，在機床、化工機械、工程機械以及各類儀器儀表上，尤其是在液壓與氣動系統(tǒng)、機械密封中，廣泛使用著各種類型的O形密封圈。隨著生產(chǎn)裝備技術(shù)的發(fā)展，人們對O形圈的應(yīng)用參數(shù)和質(zhì)量提出了新的要求。一方面，高參數(shù)裝備的投入使用，需要高性能長周期運行的O形圈作為密封保證; 另一方面，O形圈的失效或損壞，往往導(dǎo)致裝置泄漏而無法正常工作，造成能源浪費、環(huán)境污染，甚至?xí)�釀成火�?zāi)、爆炸，危及人身安全。最典型的如1986 年1 月28 日，美國“挑戰(zhàn)者”號航天飛機因左側(cè)火箭助推器連接處的一個O形圈密封失效引起泄漏，導(dǎo)致航天飛機升空后不久爆炸，7 名宇航員全部遇難，造成航天史上最大的悲劇。因此，對O形圈的密封性能進行實驗研究十分必要。涉及O形圈的文獻有很多，國內(nèi)文獻側(cè)重于O形圈靜密封性能的有限元模擬，研究的主要內(nèi)容包括：選取O 形圈溝槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)、討論失效準(zhǔn)則、分析受壓狀態(tài)下的變形情況、研究接觸應(yīng)力的分布、探討有限元分析的準(zhǔn)確性。國外的一些文獻用密封理論和經(jīng)驗公式進行了數(shù)值計算，得到了一些具有參考意義的結(jié)果。

　　相比于理論研究，國內(nèi)外學(xué)者針對O 形圈的實驗研究相對較少。王廣振等通過載荷衰減試驗設(shè)備研究了不同硅橡膠材料制成的O 形圈的載荷衰減規(guī)律；李雙喜等為實現(xiàn)O 形圈在密封腔內(nèi)的往復(fù)運動，設(shè)計出一種能測量機械密封補償機構(gòu)中輔助O形圈摩擦力的測試系統(tǒng)，并由此測出橡膠O 形圈在水潤滑下的摩擦力；劉瑩等人研究了EPDM 橡膠在不同工況條件下的摩擦性能，但受限于實驗設(shè)備，實驗僅選用了15 mm 的片段，而非整圈，導(dǎo)致邊界效應(yīng)產(chǎn)生，而且實驗中用到的SRV 摩擦磨損試驗機只能在徑向施加載荷，不能實現(xiàn)軸向加壓下的模擬實驗，因而最終的實驗結(jié)果存有部分局限性; 吳瓊等人設(shè)計了往復(fù)密封標(biāo)準(zhǔn)試驗臺，同時研究了不同工況下O 形圈的摩擦性能，但其試驗裝置未能實現(xiàn)O形圈四面受壓，無法實現(xiàn)多性能的測量分析；楊森等人設(shè)計了一種能實現(xiàn)O 形圈多性能測試的試驗裝置，并通過實驗分析了O 形圈軸向載荷隨時間的衰減變化規(guī)律，但實驗中沒有涉及密封端面間接觸應(yīng)力的測量，而且介質(zhì)壓力和O 形圈預(yù)壓縮率的取值均為定值，缺少一定的對比性。

　　本文作者基于研制的能對靜環(huán)用O形圈實現(xiàn)四面受壓的性能試驗裝置，并通過薄膜壓力傳感器測力系統(tǒng)和量杯分別對丁晴橡膠O形圈在不同工況下密封面間的接觸應(yīng)力和泄漏量進行實驗測量，同時對接觸應(yīng)力和泄漏量與介質(zhì)壓力和預(yù)壓縮率間的關(guān)系進行分析。

　　1、試驗裝置

　　1.1、總體結(jié)構(gòu)

　　研制的O 形圈性能試驗裝置，以靜環(huán)與靜環(huán)座的密封結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，其構(gòu)成如圖1 所示。

圖1 試驗裝置主要構(gòu)成

　　被測O 形圈在不進行軸向加載時，通過改變壓柱4 及端蓋3 的尺寸，可實現(xiàn)對不同壓縮率的O 形圈進行試驗；利用步進電機14 通過螺旋差動機構(gòu)8、10、11 對芯軸1 施加軸向載荷，實現(xiàn)被測O 形圈的四面受壓，進而模擬靜環(huán)與靜環(huán)座O 形的密封。

　　1.2、測控系統(tǒng)

　　O 形圈測控系統(tǒng)的主要組成如圖2 所示。

圖2 采集控制流程框架圖

　　圖3 示出了O 形圈性能測控系統(tǒng)的主界面，其可以反映試驗時間、壓力以及載荷等實時數(shù)據(jù)。

圖3 O 形圈性能測控系統(tǒng)

　　2、結(jié)論

　　基于研制的能對靜環(huán)用O 形圈實現(xiàn)四面受壓的性能試驗裝置，并通過薄膜壓力傳感器測力系統(tǒng)和量杯分別對丁晴橡膠O 形圈在不同工況下密封面間的接觸應(yīng)力和泄漏量進行了實驗測量。試驗結(jié)果表明，O 形圈內(nèi)徑、介質(zhì)壓力和預(yù)壓縮率對接觸應(yīng)力均有一定的影響，具體結(jié)論如下：

　　(1) O 形圈在工作介質(zhì)壓力一定的情況下，O 形圈密封面間的接觸應(yīng)力隨預(yù)壓縮率的增大而相對減少，但減少的幅度并不大。

　　(2) O 形圈在預(yù)壓縮率一定的情況下，接觸面間的應(yīng)力大小隨工作介質(zhì)壓力的升高而升高，而且接觸應(yīng)力值一直大于介質(zhì)壓力值，O 形密封圈能實現(xiàn)自密封。值得注意的是，如果壓縮率過大，則會導(dǎo)致接觸應(yīng)力過大，從而使O 形密封圈受損失效。所以，在O 形密封圈的安裝和使用時，要注意預(yù)壓縮率的取值大小。

　　(3) O 形密封圈在特定工況的泄漏量均為0，密封性能良好; 此外，O 形密封圈的內(nèi)徑對其在不同工況下的接觸應(yīng)力有一定的影響，但影響不大。