一種動(dòng)密封結(jié)構(gòu)老化前后密封性能試驗(yàn)研究

孫冬花，孫雯君，丁 棟，汪 寧，張瑞年，趙 瀾

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000）

0 引言

在宇航工程中，密封結(jié)構(gòu)是衛(wèi)星、空間站等航天器的重要組成部分之一。航天器的密封形式從接觸面的相互運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)分，通?？煞譃殪o密封和動(dòng)密封兩種[1]。對(duì)于動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，目前密封形式主要有填料密封、橡膠密封圈、機(jī)械密封、螺旋密封、組合密封等[2]?！癘”形密封圈作為橡膠密封圈的典型代表，因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、密封性能好等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛使用[3]。另一種和“O”形圈同樣簡(jiǎn)單，但比“O”形密封效果更好的是矩形密封圈（簡(jiǎn)稱矩形圈）[4]。

對(duì)于采用橡膠密封圈形式的動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，由于密封圈材料的老化、轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)頻繁的開(kāi)啟、關(guān)閉等因素，會(huì)導(dǎo)致其密封性能的下降。動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及其壽命問(wèn)題將直接關(guān)系到航天器的正常發(fā)射和運(yùn)行。對(duì)于載人航天而言，還可能會(huì)危及到宇航員的生命安全。因此，對(duì)動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的密封性能進(jìn)行研究是必要的，也是至關(guān)重要的。

本文介紹了一種矩形橡膠密封圈密封的動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，在實(shí)施老化前、后以及轉(zhuǎn)動(dòng)不同次數(shù)條件下，其密封性能的變化和影響情況分析。

1 動(dòng)密封結(jié)構(gòu)

1.1 動(dòng)密封結(jié)構(gòu)

動(dòng)密封是機(jī)器（或設(shè)備）中相對(duì)運(yùn)動(dòng)件之間的密封，凡是有一定壓差和密封要求的傳動(dòng)部件，尤其是高壓泵、閥等都要利用動(dòng)密封。本文研究的矩形圈動(dòng)密封結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。從圖中可看出，該密封結(jié)構(gòu)采用了三道矩形圈進(jìn)行密封。工作時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)軸順時(shí)針或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，由于密封圈的老化或其他原因，引起動(dòng)密封結(jié)構(gòu)密封性能的變化，從而導(dǎo)致氣體通過(guò)三道密封圈從壓力側(cè)泄漏至真空側(cè)，引起泄漏。

圖1 動(dòng)密封結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the dynamic sealing structure

1.2 矩形圈

矩形圈是橫截面為正方形的橡膠密封圈，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，表征尺寸為內(nèi)徑d和截面尺寸w。矩形圈由于其特殊的截面形狀，使其工作過(guò)程中具有較大的接觸面積，因而可以承受較高的密封壓力[4]。安裝后，形狀變化較小，即使在高壓作用下，其變形量也不太大，因此得到廣泛應(yīng)用。

圖2 矩形密封圈的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the rectangular seal ring

圖3 測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Schematic diagram of the testing device

2 測(cè)試裝置

2.1 測(cè)試裝置的組成

測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要包括檢測(cè)系統(tǒng)、真空抽氣系統(tǒng)和示漏氣體充氣系統(tǒng)三大部分。

檢測(cè)系統(tǒng)主要由檢測(cè)室、輔助小艙、氦質(zhì)譜檢 漏儀和標(biāo)準(zhǔn)漏孔等組成，要求檢測(cè)系統(tǒng)的有效最小可檢漏率優(yōu)于5×10-13Pa·m3/s。真空抽氣系統(tǒng)主要由前級(jí)泵、前級(jí)角閥、渦輪分子泵和插板閥等幾部分組成，能滿足檢測(cè)系統(tǒng)極限壓力優(yōu)于2×10-4Pa的要求。充氣系統(tǒng)主要包括預(yù)抽泵、角閥、進(jìn)樣閥門和氦氣源四部分[5]。輔助小艙安裝在檢測(cè)室內(nèi)，檢測(cè)室與標(biāo)準(zhǔn)漏孔、真空壓力規(guī)、示漏氣體充氣系統(tǒng)連接，檢測(cè)室和真空抽氣系統(tǒng)之間采用超高真空插板閥相連接。法蘭盤采用金屬密封方式與輔助小艙連接，漏率優(yōu)于2×10-12Pa·m3/s，密封圈試驗(yàn)件和法蘭盤之間采用螺栓連接，安裝在檢測(cè)室內(nèi)。螺栓的施加力矩可用力矩扳手控制。充氣管道一端與輔助小艙焊接，另一端與檢測(cè)室外壁焊接，并保證密封性能。

2.2 測(cè)試原理

試驗(yàn)時(shí)，采用銅墊圈金屬密封方式將法蘭盤與輔助小艙安裝在一起，再使用6個(gè)M10螺釘將帶有轉(zhuǎn)動(dòng)軸的動(dòng)密封結(jié)構(gòu)工裝與法蘭盤連接起來(lái)，螺釘擰緊力矩均為6 Nm。氦氣通過(guò)進(jìn)樣閥門進(jìn)入輔助小艙中，充氣壓力為0.1 MPa（表壓）。氦氣經(jīng)被檢件和法蘭的金屬密封圈漏入檢測(cè)室，引起檢漏儀輸出信號(hào)的增加，通過(guò)和標(biāo)準(zhǔn)漏孔引起的檢漏儀輸出信號(hào)的增加值利用式（1）進(jìn)行計(jì)算，并扣除法蘭金屬密封圈的漏率值，確定被檢件的漏率[6]。

式中：Q為被檢件的漏率值，Pa·m3/s；I為被檢件引起的檢漏儀輸出信號(hào)增加值，Pa·m3/s；I0為檢漏儀本底信號(hào)值，Pa·m3/s；ISP為標(biāo)準(zhǔn)漏孔引起的檢漏儀輸出信號(hào)增加值，Pa·m3/s；QSP為標(biāo)準(zhǔn)漏孔標(biāo)稱值，Pa·m3/s；γ為被檢件中He的體積濃度，%。

3 試驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

3.1 法蘭金屬密封圈本底漏率的測(cè)試

試驗(yàn)前，將試驗(yàn)法蘭盤工裝采用金屬密封方式安裝于輔助小艙上，工裝上部同樣采用金屬密封方式進(jìn)行密封處理。采用2.2的測(cè)試原理對(duì)金屬密封圈的密封性能進(jìn)行測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)，最終得到金屬密封圈的漏率值為8×10-13Pa·m3/s。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程保持金屬密封圈狀態(tài)不變，直至試驗(yàn)結(jié)束。

3.2 試驗(yàn)用法蘭密封圈的選擇

在法蘭密封圈選擇上，試驗(yàn)初選了2種材質(zhì)的矩形橡膠密封圈，分別為硅橡膠密封圈1、2、3號(hào)和丁基橡膠密封圈4、5、6號(hào)。對(duì)兩種材質(zhì)密封圈同等工況下的自身密封特性進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所列，測(cè)試曲線如圖4所示。

表1 兩種密封圈的漏率測(cè)試結(jié)果（t=20 min）Tab.1 Test results of leakage rate of two sealing rings（t=20 min）

圖4 密封圈漏率值隨時(shí)間變化曲線Fig.4 The influence of time on the leakage rate of the sealing ring

從測(cè)試結(jié)果可以明顯看出，在測(cè)試開(kāi)始的最初2 min內(nèi)，硅橡膠密封圈和丁基橡膠密封圈的密封性接近，均優(yōu)于2×10-11Pa·m3/s。隨著測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，硅橡膠密封圈的密封性能明顯變差，丁基橡膠密封圈的密封性能較穩(wěn)定，維持在2×10-11Pa·m3/s以下。通過(guò)對(duì)兩種不同材質(zhì)密封圈的密封性能比較，最終選用丁基橡膠密封圈作為試驗(yàn)對(duì)象，漏率均值為1.5×10-11Pa·m3/s。

3.3 被檢件老化前、后性能參數(shù)測(cè)量及結(jié)果分析

對(duì)被檢件老化前、后的密封性能實(shí)施靜態(tài)漏率檢測(cè)。內(nèi)容如下：

（1）被檢件老化前，轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)5次、10次、15次和20次時(shí)，測(cè)試其漏率數(shù)值；

（2）保持法蘭盤的狀態(tài)不變，被檢件老化后轉(zhuǎn)動(dòng)5次、10次、15次和20次時(shí)，測(cè)試其漏率數(shù)值。

被檢件在不同轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)下，老化前、后的漏率測(cè)量結(jié)果如表2所列，其中漏率數(shù)值為測(cè)試20 min時(shí)的值。老化前、后的漏率變化曲線如圖5～6所示。

表2 被檢件在不同轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)下老化前、后的密封性能測(cè)試結(jié)果Tab.2 Test results of sealing performance before and afterAging under different rotation times

圖5 試驗(yàn)件轉(zhuǎn)動(dòng)5次老化前、后漏率值隨時(shí)間變化曲線Fig.5 The influence of time on the leakage rate of thetest piece under 5 turns before and afterAging

圖6 試驗(yàn)件轉(zhuǎn)動(dòng)10次老化前、后漏率值隨時(shí)間變化曲線Fig.6 The influence of time on the leakage rate of the test piece under 10 turns before and afterAging

從表2中數(shù)據(jù)以及圖5～8可以看出，試驗(yàn)件老化前轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)對(duì)其漏率影響不大，只有在轉(zhuǎn)動(dòng)20次后，漏率數(shù)值略有升高，且在測(cè)試8 min后開(kāi)始變化。老化后，漏率隨著轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)的增加而不斷增大。在轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)少時(shí)，老化對(duì)其密封性能影響較小，且數(shù)據(jù)發(fā)生變化的時(shí)間較長(zhǎng)。隨著轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)的增加，老化對(duì)其密封性能的影響逐漸顯現(xiàn)，漏率出現(xiàn)快速增長(zhǎng)的時(shí)間不斷縮短。

圖7 試驗(yàn)件轉(zhuǎn)動(dòng)15次老化前、后漏率值隨時(shí)間變化曲線Fig.7 The influence of time on the leakage rate of thet est piece under 15 turns before and afterAging

圖8 試驗(yàn)件轉(zhuǎn)動(dòng)20次老化前、后漏率值隨時(shí)間變化曲線Fig.8 The influence of time on the leakage rate of the test piece under 20 turns before and afterAging

由于試驗(yàn)中被檢件的檢測(cè)部位采用的是多道橡膠密封圈的密封方式，因此被檢件在老化后，由于橡膠密封圈的特性發(fā)生變化從而導(dǎo)致了其密封性能的下降。

4 結(jié)論

以丁基橡膠密封材料的某動(dòng)密封結(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，采用漏率測(cè)試工作中較常用的真空—壓力漏率檢測(cè)方法對(duì)其老化前、后不同轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)下的密封性能進(jìn)行了對(duì)比測(cè)試。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得到結(jié)論：

（1）采用本試驗(yàn)中的試驗(yàn)裝置和測(cè)試原理，對(duì)以橡膠密封方式為主的動(dòng)密封結(jié)構(gòu)漏率測(cè)試是一種可行有效的方法，測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

（2）對(duì)以橡膠密封為主要密封方式的動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，老化和轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)對(duì)其密封性能均有較大影響，且老化的影響較轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)突出。老化后，隨著轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)的增加，密封性能越來(lái)越差。