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　　摘 要:采用丁腈橡膠o形環(huán)實現(xiàn)超高壓容器端部角密封,對容器施加超高液壓做系列密封實驗。結(jié)果表明, 采用角密封結(jié)構(gòu),并對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)因素進行合理匹配,嚴格控制,使用普通o形環(huán) 可以實現(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,超高壓越來越廣泛地運用到超高壓殺茵、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 典型應用場合[1~2]。這類設備所生產(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、味和營養(yǎng)成分的特點,符合21世紀新型食品簡便、安全、天然、營養(yǎng)、衛(wèi)生、環(huán)保的消費需求。因而有著顯著的社會效益和經(jīng)濟 效益,具有巨大的潛在市場和廣闊的發(fā)展前景[3]。
　　但是,現(xiàn)今我國的超高壓食品的生產(chǎn)存在亟待提高工業(yè)裝備水平的問題,能否制造出經(jīng)濟、節(jié)能、安全、高效的處理設備成為制約超高壓食品處理技術(shù)市場推廣的主要瓶頸。其中,如何經(jīng)濟地制造超高壓容器并保證容器的超高壓密封尤為難點之所在[4]。
　　超高壓設備能否正常運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%,因此密封設計工作是高壓容器設計的重要組成部分[5]。
　　由于許多超高壓設備為間隙操作,操作時不但要求物料能快裝快卸,且要求在開啟頻繁的情況下仍能實現(xiàn)多次可靠密封,一般使用快開式自緊密封結(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)簡單、制造方便、價格便宜、安裝緊湊、使用方便和具有自緊密封作用等優(yōu)點,被各行業(yè)廣泛使用。因此實驗采用丁腈橡膠(nbr)o形環(huán)(規(guī)格為32.5@3.55g ,執(zhí)行標準為gb3452.1)92)進行角密封實驗研究。
　　1.o形環(huán)的自緊密封原理[6]
　　1)預緊狀態(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,對接觸面會產(chǎn)生一定的接觸壓力,從而實現(xiàn)預緊狀態(tài)下的密封。
　　2)工作狀態(tài)
　　當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)的自動密封能力[6]。
經(jīng)驗表明,對于普通橡膠材料,一般以13@105 pa為標準比壓[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個參數(shù)的設計不合理就會降低其密封效果,甚至導致密封失效。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),但是過量壓縮又會造成 裝拆困難和產(chǎn)生過大的殘余變形,而這將嚴重縮短其使用壽命。因此應合理確定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。對于靜密封壓縮率w一般取10%~22%[8],本實驗取為15%。
　　2)截面直徑
　　對于相同的壓縮量,截面直徑大的o形環(huán)的接觸寬度大,相應的最大接觸應力小,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]。本實驗容器密封面內(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o形環(huán)的密封間隙加以嚴格控制。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,本實驗的密封間隙取為0.1mm。
　　4)硬度
　　彈性模量小的o形環(huán),則最大接觸壓應力小,擠出量大,易破壞。所以當內(nèi)壓很高時,應選用硬度較高的o形環(huán)。本實驗采用的o形環(huán)硬度為irhd(國際橡膠硬度等級)80?5。
　　5)密封面的粗糙度
　　密封面的粗糙度是密封技術(shù)中的一個重要衡量指標。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應當小于或等于018lm。本實驗密封面的粗糙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級精度選取,端面對內(nèi)孔軸線的垂直度公差按7級精度選取。
　　3.實驗裝置與密封結(jié)構(gòu)
　　3.1 實驗裝置
　　實驗裝置由壓力源(yzg-b型液袋式液壓脹管機)、高壓連接管路、設計壓力為200 mpa的超高壓實驗容器和軸向力平衡裝置(250 kn的壓力機)組成。實驗裝置見圖1。
　　3.2 密封結(jié)構(gòu)
　　(1)本實驗采用錐面o形密封結(jié)構(gòu),它特別適合于密封高壓力、低泄漏、需要快開快拆的間歇操作場合。具體的密封結(jié)構(gòu)見圖2。
　　(2)密封原理。當旋緊螺栓時,將帶動托板向上移動壓緊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,形成預緊密封。在操作狀態(tài),隨著介質(zhì)(本實驗加壓介質(zhì)為水)壓力的增加,o形環(huán)的壓 縮量也隨之增大,接觸壓力亦相應增加,從而實現(xiàn)可靠密封。
　　4.實驗過程
　　(1)將o形環(huán)表面均勻涂覆少量潤滑脂。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。接通壓力機電源,使兩平板壓緊上下兩墊板;
　　(4)接通電源,預熱5 min,旋轉(zhuǎn)溢流閥加壓。以10 mpa的級差加壓,每級保壓5 min,觀察有無泄漏;
　　(5)記錄脹管機上的壓力顯示儀的液壓數(shù)值和液體泄漏情況。
　　5.實驗數(shù)據(jù)
　　加載順序的實驗記錄見表1。
　　6.結(jié)果與討論
　　(1)經(jīng)多次實驗表明,只要合理選擇并嚴格控制影響密封性能的各主要因素的數(shù)值,單獨使用普通o形環(huán)錐面密封結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)138 mpa的可靠密封;
　　(2)由于實驗設備的限制,本實驗只做到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)資料認為的o形環(huán)靜密封最高壓力為70 mpa和當工作壓力高于32 mpa需要加擋圈以防止間隙擠出的限定[10],值得進一步進行實驗研究;
　　(3) o形環(huán)錐面密封結(jié)構(gòu)對o形環(huán)和相應的密封面的制造偏差有一定的補償作用,這就降低了對制造精度的要求,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。
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