本發(fā)明屬于機械結構密封性能測試設備開發(fā)領域，特別涉及一種高壓氫環(huán)境下橡膠O形圈密封性能測試裝置。
背景技術：
氫能是新世紀重要的二次能源，高壓儲氫系統(tǒng)已成為世界各國氫能產業(yè)化推進的重點。橡膠密封件是高壓氫系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分，但其長期工作在高壓高純氫氣環(huán)境下極易發(fā)生氫致?lián)p傷而引起泄漏失效，嚴重危及系統(tǒng)安全甚至引發(fā)災難。為確保高壓氫系統(tǒng)橡膠密封結構的長久、可靠運行，必須對橡膠O形圈密封在高壓氫氣環(huán)境下的密封性能進行測試和評估。
目前普遍接受的橡膠O形圈密封理論指出，橡膠O形圈密封的基本工作原理為：通過使橡膠O形圈發(fā)生彈性變形，使得密封接觸面上產生接觸應力，使其緊貼在被密封面上并擠入密封面所有微觀凹陷，形成封閉的阻斷密封帶；密封面上的最大接觸應力大于被密封介質的壓力，則泄漏就不能形成，反之流體則會進入密封件和密封面之間的間隙并導致因表面分離引起的泄漏。因此最大接觸應力和泄漏量是橡膠O形圈密封性能測試關注的重點。
然而，現(xiàn)有的測試設備試樣安裝繁瑣費時，并且缺乏經(jīng)濟、可靠的接觸應力測量結構，甚至接觸應力測量點極易成為泄漏點導致測試失??；同時缺乏對橡膠O形圈壓縮率的調節(jié)功能，導致同一設備僅能針對固定的密封溝槽參數(shù)。橡膠O形圈密封件在高壓氫環(huán)境下工作時，氫氣密度小易泄漏，對接觸應力測量結構有較高要求。此外，氫氣還會溶解到橡膠O形圈內引起橡膠膨脹，因此需要開發(fā)一套以氫氣為試驗介質的密封性能測試裝置，該裝置需能實現(xiàn)對接觸應力和泄漏量兩大關鍵參數(shù)的測量，并且具備壓縮率可調節(jié)功能以測試橡膠吸氫膨脹對密封性能的影響。
技術實現(xiàn)要素：
本發(fā)明要解決的技術問題是，克服現(xiàn)有技術的不足，提出一種安裝簡易、經(jīng)濟可靠的高壓氫環(huán)境下橡膠O形圈密封性能測試裝置，既能實現(xiàn)密封接觸應力和泄漏量的有效測定；又能調整密封溝槽參數(shù)，實現(xiàn)不同壓縮率的橡膠O形圈密封性能的測試以考察吸氫膨脹的影響。
為解決上述技術問題，本發(fā)明的解決方案如下。
一種高壓氫環(huán)境下橡膠O形圈密封性能測試裝置，其包括待測橡膠O形圈、壓蓋、保護殼、螺釘、泄放口、懸臂梁式壓力傳感器、氫傳感器、傳力桿、密封O形圈、壓環(huán)、底座、進/排氣口、墊圈、內螺釘和外螺釘，其中：
所述壓環(huán)為中空的圓環(huán)結構，其內側由光滑段和內螺紋段組成，光滑段與內螺紋段相接處為擴大狀臺階結構；
所述底座為上部敞開、下部封閉的圓筒，底座的底端中心開有進/排氣口用于試驗氣體的進氣和泄放；
所述壓蓋依次包括上端的凸臺段、中間的光滑圓柱段和下端的外螺紋段三個部位：凸臺段、光滑圓柱段與所述底座和所述壓環(huán)四者之間構成密封溝槽用于安裝待測橡膠O形圈；凸臺段的上表面設有螺紋孔，外緣部位開有一個通孔與所述密封溝槽的上側中心位置相接；光滑圓柱段與外螺紋段相接處為內縮狀臺階結構，該內縮狀臺階結構與壓環(huán)的擴大狀臺階結構相配合用于安裝墊圈；外螺紋段與所述壓環(huán)的內螺紋段相配合構成螺紋連接；所述墊圈為中空的圓環(huán)體，與壓環(huán)相配合用于控制上述待測橡膠O形圈所處的密封溝槽的軸向深度；
所述壓蓋與底座之間構成試驗腔體，并通過待測橡膠O形圈實現(xiàn)密封，以及通過內螺釘實現(xiàn)連接固定；所述懸臂梁式壓力傳感器固定在壓蓋上；所述傳力桿用于將待測橡膠O形圈受到擠壓后產生的力傳遞給懸臂梁式壓力傳感器；所述保護殼與底座構成密封的防護腔體，保護殼設有氫傳感器用于實時監(jiān)測從試驗腔體泄漏到防護腔體的氣體含量，保護殼還開有用于泄放保護腔體里氣體的泄放口。
進一步地，所述懸臂梁式壓力傳感器的左側設有光滑通孔，右側設有螺紋孔；所述螺釘穿過懸臂梁式壓力傳感器的光滑通孔并伸入壓蓋的凸臺段的螺紋孔內用于固定懸臂梁式壓力傳感器。
進一步地，所述測試裝置還包括信號處理器，所述信號處理器通過信號線與懸臂梁式壓力傳感器相連實現(xiàn)接觸應力信號的采集處理。
進一步地，所述傳力桿依次包括凸出部、螺紋段和光滑段三個部位：凸出部為六角凸臺作為安裝該部件的夾持部位，螺紋段與懸臂梁式壓力傳感器的螺紋孔相配合，光滑段穿過壓蓋的凸臺段的通孔伸入到待測橡膠O形圈的上表面，并與密封溝槽上表面持平。
進一步地，所述保護殼為上部封閉、下部敞開的圓筒，并與底座構成防護腔體，通過密封O形圈實現(xiàn)密封，以及通過外螺釘實現(xiàn)連接固定；保護殼的右側設有氫傳感器用于實時監(jiān)測從試驗腔體泄漏到防護腔體的氣體含量，保護殼的上端中心處則開有泄放口用于泄放保護腔體里的氣體，保護殼的下表面設有矩形凹槽用于安裝密封O形圈。
進一步地，所述壓蓋的凸臺段的通孔的直徑為1mm，并且該通孔的中心線穿過待測橡膠O形圈的截面圓心。
進一步地，所述傳力桿的光滑段的直徑為不大于0.6mm。
進一步地，所述底座的上表面在壓蓋與保護殼相鄰處設有凸臺用于底座與壓蓋、底座與保護殼之間的安裝定位。
進一步地，所述懸臂梁式壓力傳感器采用抗氫應變片作為應變測量元件。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：
1. 本發(fā)明提供了一種簡易、經(jīng)濟、可靠的接觸應力測量結構，并且該結構設在密封溝槽的非主密封面上（即O形圈受氣體擠壓作用側的對側），避免了對主密封面（即O形圈受氣體擠壓作用側的相鄰側）的損壞，有效避免了試驗氣體從接觸應力測量結構處泄漏導致的試驗失效。
2.本發(fā)明有效降低待測橡膠O形圈安裝難度及損壞的可能性。傳統(tǒng)的密封溝槽為一體式矩形凹槽結構（即把本發(fā)明中的壓環(huán)與壓蓋固定為一體），安裝更換O形圈時需將O形圈的內徑脹開到比壓環(huán)外徑更大的尺寸方可把O形圈套入密封溝槽，此過程O形圈將會同時發(fā)生較大的拉伸變形和翻轉變形或下移刮擦，極易造成O形圈的損壞。本發(fā)明將構成密封溝槽結構的壓蓋和壓環(huán)兩個部件設置為可拆卸結構，無需脹大O形圈即可輕松實現(xiàn)安裝，降低了O形圈安裝過程的難度也減少了安裝過程中發(fā)生橡膠損壞的可能性。
3.本發(fā)明通過更換不同厚度的墊圈即可方便地調節(jié)密封溝槽的軸向深度，或者通過調整壓環(huán)與壓蓋之間的螺紋旋合度還可實現(xiàn)密封溝槽軸向深度的非階梯式的連續(xù)調節(jié)，可進行不同壓縮率的O形圈測試，實現(xiàn)待測橡膠O形圈壓縮率的簡易調控。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實例中的高壓氫環(huán)境下橡膠O形圈密封性能測試裝置總體結構示意圖。
圖中各部分說明如下：待測橡膠O形圈1、壓蓋2、信號處理器3、保護殼4、螺釘5、泄放口6、懸臂梁式壓力傳感器7、氫傳感器8、傳力桿9、密封O形圈10、壓環(huán)11、底座12、進/排氣口13、墊圈14、內螺釘15和外螺釘16。
具體實施方式
下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式加以闡述，但本發(fā)明的實施和保護不限于此。
如圖1所示，高壓氫環(huán)境下橡膠O形圈密封性能測試裝置，包括待測橡膠O形圈1、壓蓋2、信號處理器3、保護殼4、螺釘5、泄放口6、懸臂梁式壓力傳感器7、氫傳感器8、傳力桿9、密封O形圈10、壓環(huán)11、底座12、進/排氣口13、墊圈14、內螺釘15和外螺釘16。所述壓環(huán)11為中空的圓環(huán)結構，其內側由光滑段和內螺紋段組成，光滑段與內螺紋段相接處為擴大狀臺階結構；所述底座12為上部敞開、下部封閉的圓筒，底座12的底端中心開有進/排氣口13用于試驗氣體（氫氣）的進氣和泄放；所述壓蓋2依次包括上端的凸臺段、中間的光滑圓柱段和下端的外螺紋段三個部位：凸臺段、光滑圓柱段與所述底座12和所述壓環(huán)11四者之間構成密封溝槽用于安裝待測橡膠O形圈1，凸臺段的上表面設有螺紋孔，凸臺段的外緣部位開有一個通孔與所述密封溝槽的上側中心位置相接，光滑圓柱段與外螺紋段相接處為內縮狀臺階結構，該內縮狀臺階結構與壓環(huán)11的擴大狀臺階結構相配合用于安裝墊圈14，外螺紋段與所述壓環(huán)11的內螺紋段相配合構成螺紋連接；所述墊圈14為中空的圓環(huán)體，與壓環(huán)11配合用于控制上述待測橡膠O形圈1所處的密封溝槽的軸向深度；所述壓蓋2與底座12之間構成試驗腔體，并通過待測橡膠O形圈1實現(xiàn)密封，以及通過內螺釘15實現(xiàn)連接固定；所述懸臂梁式壓力傳感器7的左側設有光滑通孔，右側設有螺紋孔；所述螺釘5穿過懸臂梁式壓力傳感器7的光滑通孔并伸入壓蓋2的凸臺段的螺紋孔內用于固定懸臂梁式壓力傳感器7；所述信號處理器3通過信號線與懸臂梁式壓力傳感器7相連實現(xiàn)接觸應力信號的采集處理；所述傳力桿9依次包括凸出部、螺紋段和光滑段三個部位：凸出部為六角凸臺作為安裝該部件的夾持部位，螺紋段與懸臂梁式壓力傳感器7的螺紋孔相配合，光滑段穿過壓蓋2的凸臺段的通孔伸入到待測橡膠O形圈1的上表面，并與密封溝槽上表面持平；所述保護殼4為上部封閉、下部敞開的圓筒，并與底座2構成防護腔體，通過密封O形圈10實現(xiàn)密封，以及通過外螺釘16實現(xiàn)連接固定；保護殼4的右側設有氫傳感器8用于實時監(jiān)測從試驗腔體泄漏到防護腔體的氣體含量，保護殼4的上端中心處則開有泄放口6用于泄放保護腔體里的氣體，保護殼4的下表面設有矩形凹槽用于安裝密封O形圈10。
所述壓蓋2的凸臺段的通孔的直徑為1mm，并且該通孔的中心線穿過待測橡膠O形圈1的截面圓心。
所述傳力桿9的光滑段的直徑為不大于0.6mm。
所述底座12的上表面在壓蓋2與保護殼4相鄰處設有凸臺用于底座12與壓蓋2、底座12與保護殼4之間的安裝定位。
所述懸臂梁式壓力傳感器7采用抗氫應變片作為應變測量元件。
本實例的具體應用步驟如下：
首先將待測橡膠O形圈1套入壓蓋2，并確保待測橡膠O形圈1的上表面與壓蓋2的凸臺段的下表面相接；然后根據(jù)測試所需的壓縮率把相應厚度的墊圈14套入壓蓋2的臺階結構處，跟著把壓環(huán)11旋進壓蓋2的外螺紋段，繼而安裝內螺釘15實現(xiàn)壓蓋2與底座12之間的連接固定，此時待測橡膠O形圈被安裝在由壓蓋2的凸臺段、光滑圓柱段與壓環(huán)11、底座12構成的密封溝槽內。將螺釘5穿過懸臂梁式壓力傳感器7的左側光滑通孔并伸入到壓蓋2上表面的中心螺紋孔內，實現(xiàn)懸臂梁式壓力傳感器7的固定；再把傳力桿9依次穿入懸臂梁式壓力傳感器7的右側螺紋孔、壓蓋2的凸臺段的外緣部位設置的通孔，并伸入到待測橡膠O形圈1的上表面，并保持與密封溝槽上表面持平。繼而，把密封O形圈10套入保護殼4設置的矩形凹槽內，然后安裝外螺釘16實現(xiàn)保護殼4與底座12之間的連接固定。接著，往進/排氣口13通入試驗氣體—高壓氫氣，當高壓氫氣填充到試驗腔體后，高壓氫氣將待測橡膠O形圈1擠壓到密封溝槽的上側，此時傳力桿9的光滑段的端面受到待測橡膠O形圈1的擠壓，并將力傳遞到懸臂梁式壓力傳感器7上，經(jīng)信號處理器3獲得該壓力值后，將其除以傳力桿9的光滑段的端面面積即可得到該測點的平均接觸應力。由于傳力桿9的光滑段的直徑較?。ú淮笥?.6mm），因此所獲得的平均接觸應力接近于該點的實際接觸應力。當待測橡膠O形圈1不能實現(xiàn)密封時，試驗腔體里的高壓氫氣將泄漏到防護腔體內，此時氫傳感器8可實時監(jiān)測泄漏到防護腔體里的氫氣含量。試驗結束后，通過進/排氣口13把試驗腔體內的氫氣往外泄放，并通過泄放口6把防護腔體內含有的泄漏氣體往外排出，然后拆卸試樣。
上述應用步驟中，只需更換墊圈14的厚度，或者調整壓環(huán)11與壓蓋2之間的螺紋旋合度，即可實現(xiàn)不同壓縮率的O形圈密封性能測試。
在本實例中，接觸應力測量結構開設在密封溝槽的非主密封面上（O形圈受氣體擠壓作用側的對側），避免了對主密封面（O形圈受氣體擠壓作用側的相鄰側）的損壞，有效避免了試驗氣體從接觸應力測量結構處泄漏導致的試驗失效。
本實例中，將構成密封溝槽結構的壓蓋和壓環(huán)兩個部件設置為可拆卸結構，無需脹大O形圈即可輕松實現(xiàn)安裝，因此，試樣安裝過程簡單方便，降低了待測橡膠O形圈安裝過程的難度也減少了安裝過程中發(fā)生橡膠損壞的可能性。
以上所述，僅是本發(fā)明的具體實施案例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實施案例揭示如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術人員，在不脫離本發(fā)明技術方案范圍內，當可利用上述揭示的結構及技術內容做出某些更動或修改而成為等同變化的等效實施案例。例如，本發(fā)明并不限定只用于以氫氣為試驗介質，同樣適用于硫化氫氣體、天然氣與氫氣混合氣體等試驗介質。但凡未脫離本發(fā)明技術方案的內容，依據(jù)本發(fā)明的技術實質對以上實施案例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術方案范圍內。