某型裝備密封性能改進(jìn)

劉定渝

(海軍駐重慶地區(qū)軍事代表局，重慶 401121)

密封性能是保證裝備在服役期間是否能正常工作的重要指標(biāo)之一。某型裝備的密封面主要分布在換能器、尾部、主題、裝藥孔等六個(gè)結(jié)合面，其密封面均采用橡膠密封圈端面密封方式，除尾部與主體由于密封面太大采用F 型橡膠密封圈以外，其余均采用O 型橡膠密封圈。在實(shí)際裝配和檢驗(yàn)過程中，為了檢測該型裝備的密封性，采用了該行業(yè)通用的檢測方法，即向主體注入壓縮空氣，在內(nèi)壓為0.01 MPa 下，保壓5 分鐘不應(yīng)有氣泡溢出。

該型裝備在90年代初定型后，開始幾年在產(chǎn)品生產(chǎn)和檢驗(yàn)過程中，發(fā)現(xiàn)幾處密封面的O 型橡膠密封圈不能較好地起到密封作用，水密試驗(yàn)一次性通過率不到50%，有時(shí)需要反復(fù)幾次修正才能滿足要求。目前我們通過對(duì)結(jié)構(gòu)的分析作了改進(jìn)，使密封性能得以大大提高，氣密試驗(yàn)一次性通過率達(dá)到了95%以上。該型裝備各密封面的結(jié)構(gòu)基本相同，以下就最容易發(fā)生漏點(diǎn)的換能器孔密封的改進(jìn)進(jìn)行探討。

1 密封結(jié)構(gòu)原理

橡膠密封圈采用的硫化橡膠是一種彈性顯著的高彈性材料，由于采用的是端面密封方式，其密封性能主要取決于軸向的變形率ε:

式中:h0為密封件變形前變形方向上的尺寸;h 為密封件變形后變形方向上的尺寸。

對(duì)于O 型橡膠密封圈，其受擠壓后的變形是不確定的，在截面上呈不均勻性，在最大擠壓點(diǎn)變形量為ε':

式中:d 為O 型密封圈變形前尺寸;h 為密封面溝槽高度。

根據(jù)使用狀況，對(duì)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)取10%≤ε'≤25%，對(duì)靜密封結(jié)構(gòu)取15%≤ε'≤35%，一般情況下，實(shí)際靜密封結(jié)構(gòu)取經(jīng)驗(yàn)值25%≤ε'≤35%為宜。也就是說取變形量ε'較大比變形量ε'較小所起到的密封效果好。

2 改進(jìn)分析

以換能器孔為例，其結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1 所示，換能器基體2通過代螺紋的壓環(huán)3 緊固在尾部基體上，圖1 中黑色部分1 即為O 型橡膠密封圈，黑色部分底端的臺(tái)面即為密封面。圖2 為O型橡膠密封圈變形前的尺寸，d 為密封圈截面直徑，圖3 為密封狀態(tài)，黑色部分為密封圈變形后的狀態(tài)。

原設(shè)計(jì)中，密封圈的內(nèi)徑為φ70mm，根據(jù)GB3452.1—82《O型橡膠密封圈尺寸及公差》標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計(jì)者取密封圈截面標(biāo)準(zhǔn)尺寸d = φ5. 3mm，根據(jù)圖示，密封面溝槽高度基本尺寸h =4.24，其相對(duì)變形量為:

顯然其變形量小于經(jīng)驗(yàn)值25%，實(shí)際運(yùn)用中，由于受環(huán)境、溫度以及橡膠密封圈材質(zhì)的影響，橡膠密封圈會(huì)變硬變脆導(dǎo)致變形量達(dá)不到要求［3］，從而未達(dá)到設(shè)計(jì)要求的密封效果。

要使密封效果得到改進(jìn)，應(yīng)從提高密封圈變形量入手，通過公式ε' =(d-h)/d 可看出，可以增大密封圈截面直徑d 和減小密封溝槽h 兩個(gè)參量。

教材中采用的是如圖1所示的裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在平時(shí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中水面往往上升不到1/5，我認(rèn)為是因?yàn)榇嬖谝韵虏蛔悖?/p>

實(shí)際應(yīng)用中，考慮到該型裝備已有一定的產(chǎn)量，如果同時(shí)屐尾蓋上密封溝槽的高度h 和O 型橡膠密封圈的截面直徑d，將使今后的配備橡膠密封圈不具有互換性，影響產(chǎn)品使用，所以只對(duì)密封圈截面直徑d 做出改動(dòng)。

取經(jīng)驗(yàn)值ε' = 30%，將h=4.24 mm 帶入公式

得到期望值d=6.06 mm。

由于尾蓋尺寸的限制，根據(jù)圖3 可知溝槽的寬度b =6 mm，顯然，密封圈截面直徑最大只能取到6 mm，此時(shí)的變形量為

ε' = 29%滿足25%≤ε' ≤35%的經(jīng)驗(yàn)值的要求，因此可將O 型橡膠密封圈的截面直徑由原先的d=5.3 mm 改為d=6 mm變形量為ε'由20%增加到29%。

我們用同樣的原理和計(jì)算方法對(duì)其他密封圈做了相應(yīng)的改進(jìn)，試驗(yàn)證明，氣密試驗(yàn)的一次性通過率由40%提高到了90%以上，為裝備的質(zhì)量和快速反應(yīng)提供了較好的保障。

3 結(jié)束語

通過以上對(duì)密封圈的改進(jìn)，我們得到了如下的結(jié)論:一是根據(jù)GB3452.1—82《O 型橡膠密封圈尺寸有公差》［4］公差標(biāo)準(zhǔn)要求d=6 mm 是一非標(biāo)值，這也是原先設(shè)計(jì)時(shí)沒有取這個(gè)值的原因。二是由于為了保證互換性，保持尾蓋的尺寸不變，根據(jù)GB3452.3—88《活塞密封溝槽尺寸》［5］標(biāo)準(zhǔn)要求，其溝槽尺寸也是一個(gè)非標(biāo)值，這是一個(gè)不得已的尺寸保留。三是經(jīng)計(jì)算，改進(jìn)后的O 型橡膠密封圈截面面積為:

如圖3 所示，圖中黑色部分為密封圈壓縮后所能填充的面積

由于S' ＜S，所以密封圈并未完全進(jìn)入密封面形成的溝槽中，其實(shí)際變形量也未達(dá)到達(dá)29%，但由于d 的增大，實(shí)際增大了密封面的有效接觸面積，同樣達(dá)到了較好的密封效果，試驗(yàn)結(jié)果也充分地證明了這一點(diǎn)。

［1］洪鐘德. 簡明機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］. 上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2002.

［2］李國英.表面工程手冊［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［3］馬燕秋，王仁輝，劉樹華.材料自然老化手冊［M］.北京:中國石化出版社，2004.

［4］GB3452.1—82.O 型橡膠密封圈尺寸有公差［S］.1982.

［5］GB3452.3—88.活塞密封溝槽尺寸［S］.1988.