針對目前O 形圈性能試驗裝置測試的單一性，難能在同一裝置中完成O形圈的多項性能測試，該文的試驗裝置可以實現O 形圈的摩擦性能、應力松弛性能以及密封性能的多性能分析，同時采用差動螺旋機構精確控制壓柱的位移和上下移動速度，使得載荷加載更加平穩。利用LabVIEW 軟件實現對步進電機控制以及試驗數據采集，并根據采集結果對O 形圈的泄漏特性進行了分析。試驗結果表明，所設計的裝置結構完善，控制系統準確性、實時性和動態性能較好，為今后對其他軸徑、不同工況下O 形圈性能研究提供良好的借鑒。
引言
機器設備密封性能的好壞， 是衡量設備質量的重要指標之一。而機械密封的失效，又多由橡膠O 形圈引起。近年來隨著材料技術的發展，彈性體材料如PU、PTFE、UHMWPE等制成的O 形圈可以實現在苛刻的環境和更高壓力的密封， 但是由于O 形密封圈本身的特性， 在長時間工作下，O 形圈會發生應力松弛現象，使得其壓縮載荷隨時間的增長而變小， 最終導致密封失效，危害環境，甚至造成人員的傷亡。“挑戰者”號失事的主要原因是左側火箭助推器連接處O 形圈失效引起的泄漏。因此，有必要對O 形圈的密封性能進行試驗研究。國內外許多專家學者對O 形圈的密封、摩擦、老化、應力松弛等性能進行了深入研究，并設計制造了O 形圈性能試驗裝置。Ralph 則從O 形圈在長期壓縮下發生永久變形的角度對O 形圈的密封壽命進行了試驗研究;王廣振等人通過載荷衰減試驗設備對不同硅橡膠材料O 形圈的載荷衰減規律進行試驗研究;李雙喜等設計了一套用于測定機械密封補償機構中輔助O 形圈摩擦力的測試系統， 實現了O 形圈在密封腔中的往復運動，并獲得了水潤滑下橡膠O 形圈的摩擦力;吳瓊等設計往復密封標準試驗臺，對不同工況的O 形圈摩擦性能進行研究。上述這些試驗裝置主要對常見雙面受壓密封O 形圈進行密封或摩擦性能研究， 未能實現O 形圈多性能分析。本文則針對機械密封用O 形圈進行性能研究，特別是靜環用O 形圈，其為四面受壓，研制了一臺O 形圈性能試驗裝置，同時結合ANSYS 有限元軟件對O 形圈的摩擦性能、應力松弛及泄漏特性同時進行了深入分析。
1、試驗裝置
O 形圈性能測試裝置結構設計以靜環與靜環座的密封結構為基礎，該裝置主要組成如圖1 所示。被測O形圈在不進行軸向加載時，通過改變壓柱及端蓋的尺寸，可實現對不同壓縮率的O 形圈進行試驗，可模擬常用溝槽O 形圈密封;利用心軸進行軸向加載實現被測O 形圈四面受壓(見圖2)，模擬靜環與靜環座O 形圈密封。
1.1、總體結構特征
本裝置試驗部分參照機械密封腔體結構設計：將O形圈Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ安裝于端蓋和端蓋座內，通過螺栓進行連接以保證裝置的緊密性; 然后將被測O 形圈安裝于壓柱與端蓋座之間，形成密封腔(見圖2)。介質通過左端介質入口進入，O 形圈Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ由于自密封效果，所受的介質壓力越大，其密封越好。通過對被測O 形圈施加不同的軸向載荷來觀察被測O 形圈的衰減變化規律以及泄漏特性，同時通過泄漏口收集泄漏介質。心軸、S型拉力傳感器、連接頭、螺母Ⅰ、螺旋拉桿、螺母Ⅱ、傳動套以及步進電機構成了心軸的軸向位移調節機構(見圖1);步進電機帶動心軸以動、靜環磨損速度向下移動，以此來給被測O 形圈施加軸向力，并通過拉力傳感器實時讀取載荷的變化。
1-心軸2-螺栓Ⅰ 3-端蓋4-壓柱5-端蓋座6-圓柱支承7-連接拉桿8-差動螺母Ⅰ 9-平鍵Ⅰ 10-差動螺旋拉桿11-差動螺母Ⅱ 12-平鍵Ⅱ 13-步進電機安裝支座14-步進電機15-支架16-傳動套17-緊定螺釘18-螺栓Ⅱ 19-螺釘20-拉力傳感器21-O 形圈Ⅰ22-O 形圈Ⅱ 23-O 形圈Ⅲ
1.2、差動螺旋機構
該軸向位移調節機構采用差動螺旋機構實現拉力的平穩加載。如圖3 所示，螺旋拉桿上旋合有螺母Ⅰ和螺母Ⅱ，將螺母Ⅰ、螺母Ⅱ與拉桿旋合的螺紋的螺距分別加工為1.5mm 和1.75mm，旋向均為右旋;差動螺母Ⅰ用平鍵Ⅰ進行周向固定，使其只能做軸向移動，螺母Ⅱ用螺釘與圓柱支承固定。步進電機通過套筒聯軸器帶動差動螺桿旋轉，差動螺桿一邊旋轉、一邊作軸向移動;當步進電機每逆時針轉動一圈時，差動螺桿相對螺母Ⅱ下移1.75mm， 而螺母Ⅰ則相對差動螺桿上移了1.5mm， 由于差動效果， 螺母Ⅰ相對螺母Ⅱ只下移了0.25mm，通過連接頭與拉力傳感器連接，并帶動心軸及壓柱的下移0.25mm，有效的實現O 形圈性能測試時對壓柱位移和上下移動速度的精確控制。介質通過儲液箱加入檢測裝置， 利用氮氣瓶對儲液箱加壓來控制介質壓力， 通過安裝在儲液箱上的壓力傳感器以及壓力表確定試驗介質壓力。
4、結語
設計的O 形圈性能檢測裝置結構較完整， 實現了多性能的測試要求。
(1)動、靜環用O 形圈作為機械密封的輔助密封，其摩擦性能體現著補償環的追隨性， 控制步進電機的運行使心軸以動、靜環的磨損速度移動，滿足了靜環用O 形圈應力松弛下密封性能測定的需求， 差動螺旋機構保證了O 形圈加載過程平穩，載荷精確;
(2)采用端蓋、端蓋座、壓柱以及O 形圈構成的密封腔，拆裝容易，便于被測O 形圈的更換，且更換不同尺寸的壓柱及端蓋座可進行多直徑、不同壓縮率的O形圈測試;
(3)編程的LabVIEW 測控系統操作簡單、界面清晰，加載信息準確，實現全自動化操作;
(4)四面受壓試驗中靜環用O 形圈變載荷衰減符合客觀規律，且試驗未出現泄漏。
