一種動密封結構老化前后密封性能試驗研究

孫冬花，孫雯君，丁 棟，汪 寧，張瑞年，趙 瀾

（蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，蘭州 730000）

0 引言

在宇航工程中，密封結構是衛(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動狀態(tài)來分，通常可分為靜密封和動密封兩種[1]。對于動密封結構，目前密封形式主要有填料密封、橡膠密封圈、機械密封、螺旋密封、組合密封等[2]。“O”形密封圈作為橡膠密封圈的典型代表，因結構簡單、體積小、密封性能好等優(yōu)點，得到廣泛使用[3]。另一種和“O”形圈同樣簡單，但比“O”形密封效果更好的是矩形密封圈（簡稱矩形圈）[4]。

對于采用橡膠密封圈形式的動密封結構，由于密封圈材料的老化、轉(zhuǎn)動機構頻繁的開啟、關閉等因素，會導致其密封性能的下降。動密封結構的設計及其壽命問題將直接關系到航天器的正常發(fā)射和運行。對于載人航天而言，還可能會危及到宇航員的生命安全。因此，對動密封結構的密封性能進行研究是必要的，也是至關重要的。

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

1 動密封結構

1.1 動密封結構

動密封是機器（或設備）中相對運動件之間的密封，凡是有一定壓差和密封要求的傳動部件，尤其是高壓泵、閥等都要利用動密封。本文研究的矩形圈動密封結構示意圖如圖1所示。從圖中可看出，該密封結構采用了三道矩形圈進行密封。工作時，轉(zhuǎn)動軸順時針或者逆時針旋轉(zhuǎn)，由于密封圈的老化或其他原因，引起動密封結構密封性能的變化，從而導致氣體通過三道密封圈從壓力側(cè)泄漏至真空側(cè)，引起泄漏。

圖1 動密封結構示意圖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，其結構如圖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，因此得到廣泛應用。

圖2 矩形密封圈的結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of the rectangular seal ring

圖3 測試裝置結構圖Fig.3 Schematic diagram of the testing device

2 測試裝置

2.1 測試裝置的組成

測試裝置的結構如圖3所示，主要包括檢測系統(tǒng)、真空抽氣系統(tǒng)和示漏氣體充氣系統(tǒng)三大部分。

檢測系統(tǒng)主要由檢測室、輔助小艙、氦質(zhì)譜檢 漏儀和標準漏孔等組成，要求檢測系統(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)主要由前級泵、前級角閥、渦輪分子泵和插板閥等幾部分組成，能滿足檢測系統(tǒng)極限壓力優(yōu)于2×10-4Pa的要求。充氣系統(tǒng)主要包括預抽泵、角閥、進樣閥門和氦氣源四部分[5]。輔助小艙安裝在檢測室內(nèi)，檢測室與標準漏孔、真空壓力規(guī)、示漏氣體充氣系統(tǒng)連接，檢測室和真空抽氣系統(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，密封圈試驗件和法蘭盤之間采用螺栓連接，安裝在檢測室內(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，另一端與檢測室外壁焊接，并保證密封性能。

2.2 測試原理

試驗時，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M10螺釘將帶有轉(zhuǎn)動軸的動密封結構工裝與法蘭盤連接起來，螺釘擰緊力矩均為6 Nm。氦氣通過進樣閥門進入輔助小艙中，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室，引起檢漏儀輸出信號的增加，通過和標準漏孔引起的檢漏儀輸出信號的增加值利用式（1）進行計算，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增加值，Pa·m3/s；I0為檢漏儀本底信號值，Pa·m3/s；ISP為標準漏孔引起的檢漏儀輸出信號增加值，Pa·m3/s；QSP為標準漏孔標稱值，Pa·m3/s；γ為被檢件中He的體積濃度，%。

3 試驗內(nèi)容及結果分析

3.1 法蘭金屬密封圈本底漏率的測試

試驗前，將試驗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行密封處理。采用2.2的測試原理對金屬密封圈的密封性能進行測試。根據(jù)試驗，最終得到金屬密封圈的漏率值為8×10-13Pa·m3/s。整個試驗過程保持金屬密封圈狀態(tài)不變，直至試驗結束。

3.2 試驗用法蘭密封圈的選擇

在法蘭密封圈選擇上，試驗初選了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號和丁基橡膠密封圈4、5、6號。對兩種材質(zhì)密封圈同等工況下的自身密封特性進行測試，結果如表1所列，測試曲線如圖4所示。

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

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

從測試結果可以明顯看出，在測試開始的最初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。隨著測試時間的延長，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。通過對兩種不同材質(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對象，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)測量及結果分析

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

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

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

被檢件在不同轉(zhuǎn)動次數(shù)下，老化前、后的漏率測量結果如表2所列，其中漏率數(shù)值為測試20 min時的值。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)動次數(shù)下老化前、后的密封性能測試結果Tab.2 Test results of sealing performance before and afterAging under different rotation times

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

圖6 試驗件轉(zhuǎn)動10次老化前、后漏率值隨時間變化曲線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，試驗件老化前轉(zhuǎn)動次數(shù)對其漏率影響不大，只有在轉(zhuǎn)動20次后，漏率數(shù)值略有升高，且在測試8 min后開始變化。老化后，漏率隨著轉(zhuǎn)動次數(shù)的增加而不斷增大。在轉(zhuǎn)動次數(shù)少時，老化對其密封性能影響較小，且數(shù)據(jù)發(fā)生變化的時間較長。隨著轉(zhuǎn)動次數(shù)的增加，老化對其密封性能的影響逐漸顯現(xiàn)，漏率出現(xiàn)快速增長的時間不斷縮短。

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

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

由于試驗中被檢件的檢測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)生變化從而導致了其密封性能的下降。

4 結論

以丁基橡膠密封材料的某動密封結構作為研究對象，采用漏率測試工作中較常用的真空—壓力漏率檢測方法對其老化前、后不同轉(zhuǎn)動次數(shù)下的密封性能進行了對比測試。根據(jù)試驗結果可以得到結論：

（1）采用本試驗中的試驗裝置和測試原理，對以橡膠密封方式為主的動密封結構漏率測試是一種可行有效的方法，測試結果準確可靠。

（2）對以橡膠密封為主要密封方式的動密封結構，老化和轉(zhuǎn)動次數(shù)對其密封性能均有較大影響，且老化的影響較轉(zhuǎn)動次數(shù)突出。老化后，隨著轉(zhuǎn)動次數(shù)的增加，密封性能越來越差。