基于超高液壓下o形環(huán)角密封的實(shí)驗(yàn)研究
2016-04-12
823
0
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)138 mpa超高液壓的靜密封。
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[1~2]。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[3]。
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[4]。
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[5]。
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[6]
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)具有良好的彈性,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[6]。
經(jīng)驗(yàn)表明,對(duì)于普通橡膠材料,一般以13@105 pa為標(biāo)準(zhǔn)比壓[7]。
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
o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:
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%[8],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)[9]。本實(shí)驗(yàn)容器密封面內(nèi)孔直徑為39 mm,o形環(huán)截面直徑取3.55 mm。
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。5超高壓容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程6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018lm。本實(shí)驗(yàn)密封面的粗糙ra取0.4lm。
6)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)
3.1 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200 mpa的超高壓實(shí)驗(yàn)容器和軸向力平衡裝置(250 kn的壓力機(jī))組成。實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。
3.2 密封結(jié)構(gòu)
(1)本實(shí)驗(yàn)采用錐面o形密封結(jié)構(gòu),它特別適合于密封高壓力、低泄漏、需要快開(kāi)快拆的間歇操作場(chǎng)合。具體的密封結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。
(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5 min,旋轉(zhuǎn)溢流閥加壓。以10 mpa的級(jí)差加壓,每級(jí)保壓5 min,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。
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)138 mpa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138 mpa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70 mpa和當(dāng)工作壓力高于32 mpa需要加擋圈以防止間隙擠出的限定[10],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。
參考文獻(xiàn):
[1] 鄭津洋,侯燦明.壓力容器在食品加工中的應(yīng)用(一)[j].化工裝備技術(shù),1996,17(4):39-40.
[2] 鄭津洋,侯燦明.壓力容器在食品加工中的應(yīng)用(二)[j].化工裝備技術(shù),1996,17(5):37-42.
[3] 潘見(jiàn),張文成,等.超高壓食品殺菌工藝及設(shè)備的設(shè)計(jì)[j].食品與機(jī)械,1999(5):32-33.
[4] 勵(lì)建榮,夏道宗.超高壓技術(shù)在食品工業(yè)中的應(yīng)用[j].食品工業(yè)科技,2002(7):80-81.
[5] 鄭津洋,董其伍,桑芝富.過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)[m].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2001:174.
[6] 陳國(guó)定.o形密封圈的有限元力學(xué)分析[j].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2000,19(5):740-741.
[7] 顧伯勤,李新華,田爭(zhēng).靜密封設(shè)計(jì)技術(shù)[m].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2004:134.
[8] 楊昭明.角密封的設(shè)計(jì)方法[j].潤(rùn)滑與密封,2005(9):218-219.
[9] 胡殿印,王榮橋.橡膠o形圈密封結(jié)構(gòu)的有限元分析[j].北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),2005,31(2):258.
[10]夏廷棟.液壓傳動(dòng)的密封與密封裝置[m].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社,1982:7-8.
成功提示
錯(cuò)誤提示
警告提示
評(píng)論 （0）