摘 要:采用丁腈橡胶o形环实现超高压容器端部角密封,对容器施加超高液压做系列密封实验。结果表明, 采用角密封结构,并对o形环压缩率、截面直径、密封间隙、橡胶硬度、密封面的粗糙度和密封件的形位公差等相关因素进行合理匹配,严格控制,使用普通o形环 可以实现138 mpa超高液压的静密封。
随着现代工业的快速发展,超高压越来越广泛地运用到超高压杀茵、超高速冷冻、食品膨化工业、超临界流体萃取、低盐化处理、室温高压膨化以及加压发酵等 典型应用场合[1~2]。这类设备所生产的产品具有众多优越性,日益引起人们的普遍关注。如超高压食品的生产具有瞬间加压、作用均匀、操作安全和耗能低, 能很好地保持食物天然的色、香、味和营养成分的特点,符合21世纪新型食品简便、安全、天然、营养、卫生、环保的消费需求。因而有着显著的社会效益和经济 效益,具有巨大的潜在市场和广阔的发展前景[3]。
但是,现今我国的超高压食品的生产存在亟待提高工业装备水平的问题,能否制造出经济、节能、安全、高效的处理设备成为制约超高压食品处理技术市场推广的主要瓶颈。其中,如何经济地制造超高压容器并保证容器的超高压密封尤为难点之所在[4]。
超高压设备能否正常运行在很大程度上取决于密封结构的完善性。高压密封装置的重量约占容器总重的10%~30%,而成本却占总成本的15%~40%,因此密封设计工作是高压容器设计的重要组成部分[5]。
由于许多超高压设备为间隙操作,操作时不但要求物料能快装快卸,且要求在开启频繁的情况下仍能实现多次可靠密封,一般使用快开式自紧密封结构才能解决这一难题。
普通o形橡胶密封环具有结构简单、制造方便、价格便宜、安装紧凑、使用方便和具有自紧密封作用等优点,被各行业广泛使用。因此实验采用丁腈橡胶(nbr)o形环(规格为32.5@3.55g ,执行标准为gb3452.1)92)进行角密封实验研究。
1.o形环的自紧密封原理[6]
1)预紧状态
o形环装入密封部位后,其截面一般受到一定量的压缩,由于o形环具有良好的弹性,对接触面会产生一定的接触压力,从而实现预紧状态下的密封。
2)工作状态
当密封腔充入液压介质后,在介质压力的作用下,o形环移向低压一侧,封闭住密封间隙。随着介质压力的增加,接触压力亦随之增加,其峰值总是大于流体介质压力。这就保证了o形密封环的密封功能,也反映了o形密封环的自动密封能力[6]。
经验表明,对于普通橡胶材料,一般以13@105 pa为标准比压[7]。
2.主要密封参数的确定
o形环的密封效果与压缩率、截面直径、密封间隙、橡胶硬度、密封面的粗糙度和密封件的形位公差等因素密切相关。在影响o形环密封性能的诸因素中,只要有1个参数的设计不合理就会降低其密封效果,甚至导致密封失效。因此下面就讨论一下各影响因素具体数值的确定。
1)压缩率
o形环密封是典型的压缩型密封。o形环截面直径的压缩率是影响密封效果和使用寿命的重要参数。大多数情况下的泄漏与压缩量不足有关,但是过量压缩又会造成 装拆困难和产生过大的残余变形,而这将严重缩短其使用寿命。因此应合理确定o形环的压缩率。压缩率w用下式表示:
式中d0为o形环的截面直径(mm),h为o形环压缩后的截面尺寸。对于静密封压缩率w一般取10%~22%[8],本实验取为15%。
2)截面直径
对于相同的压缩量,截面直径大的o形环的接触宽度大,相应的最大接触应力小,因此在橡胶o形环满足结构工艺等其他要求的情况下,尽可能选择大截面的橡胶o形环[9]。本实验容器密封面内孔直径为39 mm,o形环截面直径取3.55 mm。
3)密封间隙
o形环在高压力下很容易变形,容易被挤入密封间隙中去,造成损坏,因此必须对o形环的密封间隙加以严格控制。为了防止o形环发生挤出现象,并考虑到装拆的难易程度,本实验的密封间隙取为0.1mm。
4)硬度
弹性模量小的o形环,则最大接触压应力小,挤出量大,易破坏。所以当内压很高时,应选用硬度较高的o形环。本实验采用的o形环硬度为irhd(国际橡胶硬度等级)80?5。
5)密封面的粗糙度
密封面的粗糙度是密封技术中的一个重要衡量指标。如果密封面处有制造缺陷或纵向划痕,则密封介质很容易泄漏。5超高压容器安全技术监察规程6中规定超高压容器密封面的粗糙度ra应当小于或等于018lm。本实验密封面的粗糙ra取0.4lm。
6)密封件的形位公差
密封圆柱面的圆度、圆柱度公差按8级精度选取,端面对内孔轴线的垂直度公差按7级精度选取。
3.实验装置与密封结构
3.1 实验装置
实验装置由压力源(yzg-b型液袋式液压胀管机)、高压连接管路、设计压力为200 mpa的超高压实验容器和轴向力平衡装置(250 kn的压力机)组成。实验装置见图1。
3.2 密封结构
(1)本实验采用锥面o形密封结构,它特别适合于密封高压力、低泄漏、需要快开快拆的间歇操作场合。具体的密封结构见图2。
(2)密封原理。当旋紧螺栓时,将带动托板向上移动压紧o形环, o形环将贴紧芯轴的锥面和容器器壁,与锥面和轴之间分别形成环密封带,形成预紧密封。在操作状态,随着介质(本实验加压介质为水)压力的增加,o形环的压 缩量也随之增大,接触压力亦相应增加,从而实现可靠密封。
4.实验过程
(1)将o形环表面均匀涂覆少量润滑脂。将端盖和芯轴用双头螺柱连接,把o形环安装到芯轴上,用螺栓将托板连接到芯轴上以压紧o形环;
(2)装配高压管、接头螺母和小螺母,将接头螺母与液压介质入口的螺纹连接;
(3)将下垫板、容器、端盖与上垫板按图1位置放置。接通压力机电源,使两平板压紧上下两垫板;
(4)接通电源,预热5 min,旋转溢流阀加压。以10 mpa的级差加压,每级保压5 min,观察有无泄漏;
(5)记录胀管机上的压力显示仪的液压数值和液体泄漏情况。
5.实验数据
加载顺序的实验记录见表1。
6.结果与讨论
(1)经多次实验表明,只要合理选择并严格控制影响密封性能的各主要因素的数值,单独使用普通o形环锥面密封结构可以实现138 mpa的可靠密封;
(2)由于实验设备的限制,本实验只做到138 mpa的液压密封,o形环仍有一定的密封潜力可以挖掘。这突破了传统资料认为的o形环静密封最高压力为70 mpa和当工作压力高于32 mpa需要加挡圈以防止间隙挤出的限定[10],值得进一步进行实验研究;
(3) o形环锥面密封结构对o形环和相应的密封面的制造偏差有一定的补偿作用,这就降低了对制造精度的要求,因此这种密封结构值得加以推广使用;
(4) o形环在完成多次超高压密封后,发现其外观有轻微间隙挤出现象。这表明o形环虽可实现138mpa左右的超高压密封,但若介质压力继续升高则需考虑使用o 形环与三角垫的组合密封结构或利用其他密封途径加以解决,但本文所探讨的影响密封性能的主要参数的确定方法仍有一定的参考意义。
参考文献:
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[2] 郑津洋,侯灿明.压力容器在食品加工中的应用(二)[j].化工装备技术,1996,17(5):37-42.
[3] 潘见,张文成,等.超高压食品杀菌工艺及设备的设计[j].食品与机械,1999(5):32-33.
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[5] 郑津洋,董其伍,桑芝富.过程设备设计[m].北京:化学工业出版社,2001:174.
[6] 陈国定.o形密封圈的有限元力学分析[j].机械科学与技术,2000,19(5):740-741.
[7] 顾伯勤,李新华,田争.静密封设计技术[m].北京:中国标准出版社,2004:134.
[8] 杨昭明.角密封的设计方法[j].润滑与密封,2005(9):218-219.
[9] 胡殿印,王荣桥.橡胶o形圈密封结构的有限元分析[j].北京航空航天大学学报,2005,31(2):258.
[10]夏廷栋.液压传动的密封与密封装置[m].北京:中国农业出版社,1982:7-8.
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