典型橡胶O形圈密封结构实验装置的设计与应用*

瞿金秀 石长全 郭金柱 曹 蔚

(1.西安工业大学机电工程学院 陕西西安 710021；2.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室 陕西西安 710049)

橡胶具有优异的弹性性能和抗压变性能，可以有效阻止压力介质的泄漏；另外橡胶O形圈易于生产、价格低廉、密封性能良好，因此橡胶O形圈密封结构被广泛应用于航空、航天、航海、能源与交通等领域的机械设备中[1-3]。橡胶O形圈属于高分子材料，在机械设备的长期储存和使用过程中，由于受温度、湿度、腐蚀等环境因素及其变化的影响，橡胶O形圈不可避免地发生发黏、发硬、龟裂或微裂纹等老化现象，致使橡胶O形圈密封结构的密封性能退化，进而影响整个机械设备的运行安全[4-8]。因此，开展橡胶O形圈密封结构的老化状态检测研究，对橡胶O形圈老化程度进行辨识，对于保障机械设备的运行安全具有重要意义。

对于橡胶O形圈密封结构，目前研究主要集中在模拟密封过程和分析密封性能等方面，鲜有老化状态检测方面的研究[9-15]。开展橡胶O形圈密封结构的老化状态检测研究，需要典型橡胶O形圈密封结构的实验装置。但是，现有橡胶O形圈密封结构的形式单一，结构中的橡胶O形圈和衬套不易更换；橡胶O形圈的压缩量不易调整，介质压力无法模拟，衬套沟槽形状和大小不易调整；不方便传感器的布置，不能保持衬套轴向位置的稳定而不会影响其相对缸筒组件的转动，不方便开展自由条件和约束条件下的激励实验。目前尚没有一种实验装置可为典型橡胶O形圈密封结构的老化状态检测研究提供实验基础。

基于上述讨论，本文作者设计了一种典型橡胶O形圈密封结构的实验装置，并给出了应用实例。该实验装置为橡胶O形圈密封结构的老化状态检测研究提供了实验基础。

1 实验装置的设计

在工程实际中，典型橡胶O形圈密封结构的示意图如图1所示，主要包括缸筒、衬套和橡胶O形圈。

图1 典型橡胶O形圈密封结构示意

在研究过程中，要求实验装置不仅方便开展自由条件和约束条件下的激励实验，而且方便实现衬套沟槽形状和大小、橡胶O形圈压缩量的不同；方便衬套和橡胶O形圈的更换，方便传感器的布置；可以通过空气增压模拟介质压力，可以通过更换不同老化时间的橡胶O形圈模拟结构的不同老化状态，可以保持衬套轴向位置的稳定而不会影响其相对缸筒组件的转动。

结合工程实际，根据研究需求，设计了一种典型橡胶O形圈密封结构的实验装置。实验装置的二维图如图2所示，三维图如图3所示。

图2 实验装置的二维图

图3 实验装置的三维图

从图2和图3看出，该实验装置包括底座1、缸筒组件(2和3)、衬套4、橡胶O形圈5、轴向限位组件(6、7和18)和螺纹连接件(8-17和19-23)。

缸筒组件结构如图4所示，由缸筒下件2和缸筒上件3组成，中心为圆形空腔，外表呈六边形以方便传感器的布置以及方便对底座的支撑与连接；六边形的一相对边上一体设置有2个连接耳，通过平垫圈三14、弹簧垫圈三15、内六角螺栓三16、六角螺母17将缸筒下件2和缸筒上件3上连接起来，以方便橡胶O形圈和衬套的更换；缸筒上件上设置有进气口和排气口，可以和空气增压装置连接，通过对空气加压模拟介质对橡胶O形圈的压力。

图4 缸筒组件结构示意

衬套结构如图5所示，中心设置为圆形空腔以减轻装置质量，外表面设置有对称分布的两条沟槽，同轴心安装在缸筒组件的圆形空腔内。

图5 衬套结构示意

衬套的沟槽，形状可为V形或矩形，如图6所示，大小(槽深和槽宽)也可以调整。根据需要设计加工出有不同形状和大小沟槽的衬套，应用时只需更换相应的衬套即可实现衬套沟槽形状和大小的不同。

图6 衬套沟槽形状示意

橡胶O形圈，置于缸筒组件和衬套沟槽之间，压缩量可以通过改变衬套外径来实现。缸筒组件和衬套同轴心安装后保持一定的间隙，衬套沟槽深度一定，当在沟槽中放入线径大于沟槽底面到缸筒组件内表面的距离时，橡胶O形圈即被压缩。改变衬套的外径，可改变缸筒组件和衬套间的间隙，橡胶O形圈可产生不同大小的压缩量。

当橡胶O形圈以一定的压缩量安装于缸筒组件和衬套沟槽之间时，缸筒组件内表面、衬套外表面以及橡胶O形圈之间形成一个密闭的空间。采用空气增压装置，通过缸筒上件上的进气口和排气口可以对密闭空间的气体进行加压，从而达到模拟介质压力的目的。

底座结构如图7所示，包括圆形件和设置于圆形件上的“Y”形支架。圆形件的圆周上设置有6个圆周分布的螺栓孔，通过平垫圈一8、弹簧垫圈一9、内六角螺栓一10与振动台或地基连接，以进行约束条件下的激励实验。“Y”形支架用以实现对缸筒组件的支撑与连接，缸筒组件通过平垫圈二11、弹簧垫圈二12、内六角螺栓二13固设于“Y”形支架上。

图7 底座结构示意

轴向限位组件结构如图8所示，由连杆6、支撑杆7和滚动轴承18组成。支撑杆7的一端通过平垫圈四21、弹簧垫圈四22、内六角螺栓四23固设于缸筒上件3的顶部，另一端悬空。连杆6与支撑杆7的悬空端垂直连接，连杆6的下端连接有滚动轴承18，并通过对顶六角螺母19进行轴向紧固，连杆6和支撑杆7通过锁紧薄螺母20实现连接和防松。滚动轴承18距离衬套侧面较近，当衬套相对缸筒组件轴向移动而与两端的滚动轴承接触时，滚动轴承可使其保持轴向位置的稳定而不会影响其相对缸筒组件的转动。轴向限位组件设置于缸筒上件3的顶部两侧呈“7”型，方便结构的悬挂，以开展自由条件下的激励实验。

图8 轴向限位组件结构示意

综上所述，该实验装置方便实现自由条件和约束条件下的激励实验，方便实现衬套沟槽形状和大小的不同，方便改变橡胶O形圈的压缩量，方便介质压力的模拟，方便更换橡胶O形圈以模拟橡胶O形圈密封结构的不同老化状态，方便传感器的布置，结构简单，容易操作。

2 实验装置的应用

设计的典型橡胶O形圈密封结构实验装置中，底座下部分设置有6个沿圆周分布的螺栓孔，通过平垫圈一8、弹簧垫圈一9、内六角螺栓一10与振动台或地基连接，进行约束条件下的激励实验。轴向限位组件呈“7”字形设置于缸筒上件3的顶部两侧，可以通过尼龙绳将结构悬挂起来，进行自由条件下的激励实验。例如将滚动轴承与衬套侧面的距离设置为1 mm，当衬套4对缸筒组件轴向移动使得其与两端的滚动轴承18接触时，滚动轴承18可以保持其轴向位置的稳定，而且不会影响其相对缸筒组件的转动。缸筒组件外表面呈六边形，可以根据需要将传感器布置在相应的表面上。缸筒上下件通过平垫圈三14、弹簧垫圈三15、内六角螺栓三16、六角螺母17连接，只需要拆装螺纹连接即可实现衬套和橡胶O形圈的更换。

根据需要设计加工出有不同形状和大小沟槽的衬套，应用时只需更换相应的衬套即可实现衬套沟槽形状和大小的不同。

橡胶O形圈的压缩量，通过改变衬套外径来实现。例如，缸筒组件的内径为125 mm，缸筒组件和衬套4同轴心安装后的间隙为1 mm，衬套沟槽深度为3 mm，当在沟槽中放入外径为125 mm、线径为5 mm的橡胶O形圈时，橡胶O形圈被压缩1 mm，在保证衬套沟槽尺寸不变的前提下改变衬套外径，橡胶O形圈可产生不同大小的压缩量。

采用空气增压装置，通过缸筒上件上的进气口和排气口可以对缸筒组件内表面、衬套外表面以及橡胶O形圈之间密闭空间的气体进行加压，从而达到模拟介质压力的目的。

实验装置的应用过程：(1)底座1通过平垫圈二11、弹簧垫圈二12、内六角螺栓二13与缸筒下件2连接；(2)橡胶O形圈5放置于衬套沟槽内，然后将衬套放置于缸筒下件2的空腔内并保持前后端面对齐；(3)将缸筒上件3通过平垫圈三14、弹簧垫圈三15、内六角螺栓三16、六角螺母17与缸筒下件2连接；(4)支撑杆7的一端通过平垫圈四21、弹簧垫圈四22、内六角螺栓四23固设于缸筒上件3的顶部，另一端悬空；(5)连杆6与支撑杆7的悬空端通过锁紧薄螺母20连接，滚动轴承18安装在连杆6上并通过对顶六角螺母19进行轴向紧固；(6)采用空气增压装置，通过缸筒上件上的进气口和排气口对空气加压模拟介质对橡胶O形圈的压力；(7)通过尼龙绳将结构悬挂，或通过平垫圈一8、弹簧垫圈一9、内六角螺栓一10将结构与振动台或地基连接，进行自由条件或约束条件下的激励实验，并通过布置在六边形缸筒组件外表面的传感器采集响应信号。

为了模拟橡胶O形圈密封结构的不同老化状态，对丁腈橡胶O形圈试样以及丁腈橡胶拉伸和压缩试样进行了加速老化实验。老化温度为115 ℃，分别在老化进行了0、1、2、3、4、5、6、7、8、9天时取出一组试样，并进行力学性能测试，获得了不同老化时间下的性能指标。测试的拉伸和压缩弹性模量分别如图9和图10所示。

图9 不同老化时间试样拉伸弹性模量

图10 不同老化时间试样压缩弹性模量

从图9和图10可以看出，随着老化时间的增加，丁腈橡胶的拉伸和压缩弹性模量均逐渐增大，这表明其老化程度随老化时间的延长逐渐加深。通过更换不同老化程度的橡胶O形圈即可模拟橡胶O形圈密封结构的不同老化状态。

根据设计的实验装置，采用三维建模-导入-前处理的方法完成了有限元模型的构建。利用输入橡胶O形圈不同压缩弹性模量的方式，完成了等效模拟不同老化状态的目的。对无介质压力时，0.5 mm压缩量矩形沟槽、1 mm压缩量矩形沟槽和V形沟槽下10种老化状态的模态进行分析。其中，10种老化状态下的一阶固有频率如图11所示。

图11 橡胶O形圈密封结构的一阶固有频率

可以看出，当压缩量和沟槽形状相同时，各老化状态下的结构各阶模态振型并未发生较大改变，但其各阶固有频率随着橡胶O形圈老化程度的加深不断增大；当沟槽形状发生改变时，不仅模态振型会发生改变，而且V形沟槽下的各阶固有频率比矩形沟槽下的高，当沟槽形状与老化状态相同时，不同压缩量下结构的各阶模态振型并未发生较大改变，但其各阶固有频率随着压缩量的增大而增大。

以上力学测试与模态分析结果，良好地反映了橡胶O形圈密封结构老化状态特性的变化情况，从而验证了采用文中设计的实验装置模拟橡胶O形圈密封结构不同老化状态的有效性。可以为后续的随机激励响应与谐响应分析、动态响应实验以及基于动态响应信号的橡胶O形圈密封结构老化状态检测提供实验基础。

3 结论

为了给研究橡胶O形圈密封结构的老化状态检测提供实验基础，设计一种典型橡胶O形圈密封结构的实验装置，并说明了该实验装置的应用。与现有实验装置相比，该实验装置不仅方便开展自由条件和约束条件下的激励实验，而且方便实现衬套沟槽形状和大小、橡胶O形圈压缩量的不同，方便衬套和橡胶O形圈的更换，方便传感器的布置；可以通过更换不同老化程度的橡胶O形圈模拟结构的不同老化状态，可以通过空气增压模拟介质压力，可通过轴向限位组件保持衬套轴向位置的稳定而不会影响其相对缸筒组件的转动。