本實(shí)用新型屬于機(jī)械結(jié)構(gòu)密封性能測試設(shè)備開發(fā)領(lǐng)域，特別涉及一種高壓氫環(huán)境下橡膠O形圈密封性能測試裝置。

背景技術(shù)：

氫能是新世紀(jì)重要的二次能源，高壓儲(chǔ)氫系統(tǒng)已成為世界各國氫能產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)的重點(diǎn)。橡膠密封件是高壓氫系統(tǒng)不可缺少的重要組成部分，但其長期工作在高壓高純氫氣環(huán)境下極易發(fā)生氫致?lián)p傷而引起泄漏失效，嚴(yán)重危及系統(tǒng)安全甚至引發(fā)災(zāi)難。為確保高壓氫系統(tǒng)橡膠密封結(jié)構(gòu)的長久、可靠運(yùn)行，必須對橡膠O形圈密封在高壓氫氣環(huán)境下的密封性能進(jìn)行測試和評估。

目前普遍接受的橡膠O形圈密封理論指出，橡膠O形圈密封的基本工作原理為：通過使橡膠O形圈發(fā)生彈性變形，使得密封接觸面上產(chǎn)生接觸應(yīng)力，使其緊貼在被密封面上并擠入密封面所有微觀凹陷，形成封閉的阻斷密封帶；密封面上的最大接觸應(yīng)力大于被密封介質(zhì)的壓力，則泄漏就不能形成，反之流體則會(huì)進(jìn)入密封件和密封面之間的間隙并導(dǎo)致因表面分離引起的泄漏。因此最大接觸應(yīng)力和泄漏量是橡膠O形圈密封性能測試關(guān)注的重點(diǎn)。

然而，現(xiàn)有的測試設(shè)備試樣安裝繁瑣費(fèi)時(shí)，并且缺乏經(jīng)濟(jì)、可靠的接觸應(yīng)力測量結(jié)構(gòu)，甚至接觸應(yīng)力測量點(diǎn)極易成為泄漏點(diǎn)導(dǎo)致測試失敗；同時(shí)缺乏對橡膠O形圈壓縮率的調(diào)節(jié)功能，導(dǎo)致同一設(shè)備僅能針對固定的密封溝槽參數(shù)。橡膠O形圈密封件在高壓氫環(huán)境下工作時(shí)，氫氣密度小易泄漏，對接觸應(yīng)力測量結(jié)構(gòu)有較高要求。此外，氫氣還會(huì)溶解到橡膠O形圈內(nèi)引起橡膠膨脹，因此需要開發(fā)一套以氫氣為試驗(yàn)介質(zhì)的密封性能測試裝置，該裝置需能實(shí)現(xiàn)對接觸應(yīng)力和泄漏量兩大關(guān)鍵參數(shù)的測量，并且具備壓縮率可調(diào)節(jié)功能以測試橡膠吸氫膨脹對密封性能的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種安裝簡易、經(jīng)濟(jì)可靠的高壓氫環(huán)境下橡膠O形圈密封性能測試裝置，既能實(shí)現(xiàn)密封接觸應(yīng)力和泄漏量的有效測定；又能調(diào)整密封溝槽參數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同壓縮率的橡膠O形圈密封性能的測試以考察吸氫膨脹的影響。

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型的解決方案如下。

一種高壓氫環(huán)境下橡膠O形圈密封性能測試裝置，其包括待測橡膠O形圈、壓蓋、保護(hù)殼、螺釘、泄放口、懸臂梁式壓力傳感器、氫傳感器、傳力桿、密封O形圈、壓環(huán)、底座、進(jìn)/排氣口、墊圈、內(nèi)螺釘和外螺釘，其中：

所述壓環(huán)為中空的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)側(cè)由光滑段和內(nèi)螺紋段組成，光滑段與內(nèi)螺紋段相接處為擴(kuò)大狀臺(tái)階結(jié)構(gòu)；

所述底座為上部敞開、下部封閉的圓筒，底座的底端中心開有進(jìn)/排氣口用于試驗(yàn)氣體的進(jìn)氣和泄放；

所述壓蓋依次包括上端的凸臺(tái)段、中間的光滑圓柱段和下端的外螺紋段三個(gè)部位：凸臺(tái)段、光滑圓柱段與所述底座和所述壓環(huán)四者之間構(gòu)成密封溝槽用于安裝待測橡膠O形圈；凸臺(tái)段的上表面設(shè)有螺紋孔，外緣部位開有一個(gè)通孔與所述密封溝槽的上側(cè)中心位置相接；光滑圓柱段與外螺紋段相接處為內(nèi)縮狀臺(tái)階結(jié)構(gòu)，該內(nèi)縮狀臺(tái)階結(jié)構(gòu)與壓環(huán)的擴(kuò)大狀臺(tái)階結(jié)構(gòu)相配合用于安裝墊圈；外螺紋段與所述壓環(huán)的內(nèi)螺紋段相配合構(gòu)成螺紋連接；所述墊圈為中空的圓環(huán)體，與壓環(huán)相配合用于控制上述待測橡膠O形圈所處的密封溝槽的軸向深度；

所述壓蓋與底座之間構(gòu)成試驗(yàn)腔體，并通過待測橡膠O形圈實(shí)現(xiàn)密封，以及通過內(nèi)螺釘實(shí)現(xiàn)連接固定；所述懸臂梁式壓力傳感器固定在壓蓋上；所述傳力桿用于將待測橡膠O形圈受到擠壓后產(chǎn)生的力傳遞給懸臂梁式壓力傳感器；所述保護(hù)殼與底座構(gòu)成密封的防護(hù)腔體，保護(hù)殼設(shè)有氫傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測從試驗(yàn)腔體泄漏到防護(hù)腔體的氣體含量，保護(hù)殼還開有用于泄放保護(hù)腔體里氣體的泄放口。

進(jìn)一步地，所述懸臂梁式壓力傳感器的左側(cè)設(shè)有光滑通孔，右側(cè)設(shè)有螺紋孔；所述螺釘穿過懸臂梁式壓力傳感器的光滑通孔并伸入壓蓋的凸臺(tái)段的螺紋孔內(nèi)用于固定懸臂梁式壓力傳感器。

進(jìn)一步地，所述測試裝置還包括信號處理器，所述信號處理器通過信號線與懸臂梁式壓力傳感器相連實(shí)現(xiàn)接觸應(yīng)力信號的采集處理。

進(jìn)一步地，所述傳力桿依次包括凸出部、螺紋段和光滑段三個(gè)部位：凸出部為六角凸臺(tái)作為安裝該部件的夾持部位，螺紋段與懸臂梁式壓力傳感器的螺紋孔相配合，光滑段穿過壓蓋的凸臺(tái)段的通孔伸入到待測橡膠O形圈的上表面，并與密封溝槽上表面持平。

進(jìn)一步地，所述保護(hù)殼為上部封閉、下部敞開的圓筒，并與底座構(gòu)成防護(hù)腔體，通過密封O形圈實(shí)現(xiàn)密封，以及通過外螺釘實(shí)現(xiàn)連接固定；保護(hù)殼的右側(cè)設(shè)有氫傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測從試驗(yàn)腔體泄漏到防護(hù)腔體的氣體含量，保護(hù)殼的上端中心處則開有泄放口用于泄放保護(hù)腔體里的氣體，保護(hù)殼的下表面設(shè)有矩形凹槽用于安裝密封O形圈。

進(jìn)一步地，所述壓蓋的凸臺(tái)段的通孔的直徑為1mm，并且該通孔的中心線穿過待測橡膠O形圈的截面圓心。

進(jìn)一步地，所述傳力桿的光滑段的直徑為不大于0.6mm。

進(jìn)一步地，所述底座的上表面在壓蓋與保護(hù)殼相鄰處設(shè)有凸臺(tái)用于底座與壓蓋、底座與保護(hù)殼之間的安裝定位。

進(jìn)一步地，所述懸臂梁式壓力傳感器采用抗氫應(yīng)變片作為應(yīng)變測量元件。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：

1. 本實(shí)用新型提供了一種簡易、經(jīng)濟(jì)、可靠的接觸應(yīng)力測量結(jié)構(gòu)，并且該結(jié)構(gòu)設(shè)在密封溝槽的非主密封面上（即O形圈受氣體擠壓作用側(cè)的對側(cè)），避免了對主密封面（即O形圈受氣體擠壓作用側(cè)的相鄰側(cè)）的損壞，有效避免了試驗(yàn)氣體從接觸應(yīng)力測量結(jié)構(gòu)處泄漏導(dǎo)致的試驗(yàn)失效。

2.本實(shí)用新型有效降低待測橡膠O形圈安裝難度及損壞的可能性。傳統(tǒng)的密封溝槽為一體式矩形凹槽結(jié)構(gòu)（即把本實(shí)用新型中的壓環(huán)與壓蓋固定為一體），安裝更換O形圈時(shí)需將O形圈的內(nèi)徑脹開到比壓環(huán)外徑更大的尺寸方可把O形圈套入密封溝槽，此過程O形圈將會(huì)同時(shí)發(fā)生較大的拉伸變形和翻轉(zhuǎn)變形或下移刮擦，極易造成O形圈的損壞。本實(shí)用新型將構(gòu)成密封溝槽結(jié)構(gòu)的壓蓋和壓環(huán)兩個(gè)部件設(shè)置為可拆卸結(jié)構(gòu)，無需脹大O形圈即可輕松實(shí)現(xiàn)安裝，降低了O形圈安裝過程的難度也減少了安裝過程中發(fā)生橡膠損壞的可能性。

3.本實(shí)用新型通過更換不同厚度的墊圈即可方便地調(diào)節(jié)密封溝槽的軸向深度，或者通過調(diào)整壓環(huán)與壓蓋之間的螺紋旋合度還可實(shí)現(xiàn)密封溝槽軸向深度的非階梯式的連續(xù)調(diào)節(jié)，可進(jìn)行不同壓縮率的O形圈測試，實(shí)現(xiàn)待測橡膠O形圈壓縮率的簡易調(diào)控。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)例中的高壓氫環(huán)境下橡膠O形圈密封性能測試裝置總體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中各部分說明如下：待測橡膠O形圈1、壓蓋2、信號處理器3、保護(hù)殼4、螺釘5、泄放口6、懸臂梁式壓力傳感器7、氫傳感器8、傳力桿9、密封O形圈10、壓環(huán)11、底座12、進(jìn)/排氣口13、墊圈14、內(nèi)螺釘15和外螺釘16。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式加以闡述，但本實(shí)用新型的實(shí)施和保護(hù)不限于此。

如圖1所示，高壓氫環(huán)境下橡膠O形圈密封性能測試裝置，包括待測橡膠O形圈1、壓蓋2、信號處理器3、保護(hù)殼4、螺釘5、泄放口6、懸臂梁式壓力傳感器7、氫傳感器8、傳力桿9、密封O形圈10、壓環(huán)11、底座12、進(jìn)/排氣口13、墊圈14、內(nèi)螺釘15和外螺釘16。所述壓環(huán)11為中空的圓環(huán)結(jié)構(gòu)，其內(nèi)側(cè)由光滑段和內(nèi)螺紋段組成，光滑段與內(nèi)螺紋段相接處為擴(kuò)大狀臺(tái)階結(jié)構(gòu)；所述底座12為上部敞開、下部封閉的圓筒，底座12的底端中心開有進(jìn)/排氣口13用于試驗(yàn)氣體（氫氣）的進(jìn)氣和泄放；所述壓蓋2依次包括上端的凸臺(tái)段、中間的光滑圓柱段和下端的外螺紋段三個(gè)部位：凸臺(tái)段、光滑圓柱段與所述底座12和所述壓環(huán)11四者之間構(gòu)成密封溝槽用于安裝待測橡膠O形圈1，凸臺(tái)段的上表面設(shè)有螺紋孔，凸臺(tái)段的外緣部位開有一個(gè)通孔與所述密封溝槽的上側(cè)中心位置相接，光滑圓柱段與外螺紋段相接處為內(nèi)縮狀臺(tái)階結(jié)構(gòu)，該內(nèi)縮狀臺(tái)階結(jié)構(gòu)與壓環(huán)11的擴(kuò)大狀臺(tái)階結(jié)構(gòu)相配合用于安裝墊圈14，外螺紋段與所述壓環(huán)11的內(nèi)螺紋段相配合構(gòu)成螺紋連接；所述墊圈14為中空的圓環(huán)體，與壓環(huán)11配合用于控制上述待測橡膠O形圈1所處的密封溝槽的軸向深度；所述壓蓋2與底座12之間構(gòu)成試驗(yàn)腔體，并通過待測橡膠O形圈1實(shí)現(xiàn)密封，以及通過內(nèi)螺釘15實(shí)現(xiàn)連接固定；所述懸臂梁式壓力傳感器7的左側(cè)設(shè)有光滑通孔，右側(cè)設(shè)有螺紋孔；所述螺釘5穿過懸臂梁式壓力傳感器7的光滑通孔并伸入壓蓋2的凸臺(tái)段的螺紋孔內(nèi)用于固定懸臂梁式壓力傳感器7；所述信號處理器3通過信號線與懸臂梁式壓力傳感器7相連實(shí)現(xiàn)接觸應(yīng)力信號的采集處理；所述傳力桿9依次包括凸出部、螺紋段和光滑段三個(gè)部位：凸出部為六角凸臺(tái)作為安裝該部件的夾持部位，螺紋段與懸臂梁式壓力傳感器7的螺紋孔相配合，光滑段穿過壓蓋2的凸臺(tái)段的通孔伸入到待測橡膠O形圈1的上表面，并與密封溝槽上表面持平；所述保護(hù)殼4為上部封閉、下部敞開的圓筒，并與底座2構(gòu)成防護(hù)腔體，通過密封O形圈10實(shí)現(xiàn)密封，以及通過外螺釘16實(shí)現(xiàn)連接固定；保護(hù)殼4的右側(cè)設(shè)有氫傳感器8用于實(shí)時(shí)監(jiān)測從試驗(yàn)腔體泄漏到防護(hù)腔體的氣體含量，保護(hù)殼4的上端中心處則開有泄放口6用于泄放保護(hù)腔體里的氣體，保護(hù)殼4的下表面設(shè)有矩形凹槽用于安裝密封O形圈10。

所述壓蓋2的凸臺(tái)段的通孔的直徑為1mm，并且該通孔的中心線穿過待測橡膠O形圈1的截面圓心。

所述傳力桿9的光滑段的直徑為不大于0.6mm。

所述底座12的上表面在壓蓋2與保護(hù)殼4相鄰處設(shè)有凸臺(tái)用于底座12與壓蓋2、底座12與保護(hù)殼4之間的安裝定位。

所述懸臂梁式壓力傳感器7采用抗氫應(yīng)變片作為應(yīng)變測量元件。

本實(shí)例的具體應(yīng)用步驟如下：

首先將待測橡膠O形圈1套入壓蓋2，并確保待測橡膠O形圈1的上表面與壓蓋2的凸臺(tái)段的下表面相接；然后根據(jù)測試所需的壓縮率把相應(yīng)厚度的墊圈14套入壓蓋2的臺(tái)階結(jié)構(gòu)處，跟著把壓環(huán)11旋進(jìn)壓蓋2的外螺紋段，繼而安裝內(nèi)螺釘15實(shí)現(xiàn)壓蓋2與底座12之間的連接固定，此時(shí)待測橡膠O形圈被安裝在由壓蓋2的凸臺(tái)段、光滑圓柱段與壓環(huán)11、底座12構(gòu)成的密封溝槽內(nèi)。將螺釘5穿過懸臂梁式壓力傳感器7的左側(cè)光滑通孔并伸入到壓蓋2上表面的中心螺紋孔內(nèi)，實(shí)現(xiàn)懸臂梁式壓力傳感器7的固定；再把傳力桿9依次穿入懸臂梁式壓力傳感器7的右側(cè)螺紋孔、壓蓋2的凸臺(tái)段的外緣部位設(shè)置的通孔，并伸入到待測橡膠O形圈1的上表面，并保持與密封溝槽上表面持平。繼而，把密封O形圈10套入保護(hù)殼4設(shè)置的矩形凹槽內(nèi)，然后安裝外螺釘16實(shí)現(xiàn)保護(hù)殼4與底座12之間的連接固定。接著，往進(jìn)/排氣口13通入試驗(yàn)氣體—高壓氫氣，當(dāng)高壓氫氣填充到試驗(yàn)腔體后，高壓氫氣將待測橡膠O形圈1擠壓到密封溝槽的上側(cè)，此時(shí)傳力桿9的光滑段的端面受到待測橡膠O形圈1的擠壓，并將力傳遞到懸臂梁式壓力傳感器7上，經(jīng)信號處理器3獲得該壓力值后，將其除以傳力桿9的光滑段的端面面積即可得到該測點(diǎn)的平均接觸應(yīng)力。由于傳力桿9的光滑段的直徑較小（不大于0.6mm），因此所獲得的平均接觸應(yīng)力接近于該點(diǎn)的實(shí)際接觸應(yīng)力。當(dāng)待測橡膠O形圈1不能實(shí)現(xiàn)密封時(shí)，試驗(yàn)腔體里的高壓氫氣將泄漏到防護(hù)腔體內(nèi)，此時(shí)氫傳感器8可實(shí)時(shí)監(jiān)測泄漏到防護(hù)腔體里的氫氣含量。試驗(yàn)結(jié)束后，通過進(jìn)/排氣口13把試驗(yàn)腔體內(nèi)的氫氣往外泄放，并通過泄放口6把防護(hù)腔體內(nèi)含有的泄漏氣體往外排出，然后拆卸試樣。

上述應(yīng)用步驟中，只需更換墊圈14的厚度，或者調(diào)整壓環(huán)11與壓蓋2之間的螺紋旋合度，即可實(shí)現(xiàn)不同壓縮率的O形圈密封性能測試。

在本實(shí)例中，接觸應(yīng)力測量結(jié)構(gòu)開設(shè)在密封溝槽的非主密封面上（O形圈受氣體擠壓作用側(cè)的對側(cè)），避免了對主密封面（O形圈受氣體擠壓作用側(cè)的相鄰側(cè)）的損壞，有效避免了試驗(yàn)氣體從接觸應(yīng)力測量結(jié)構(gòu)處泄漏導(dǎo)致的試驗(yàn)失效。

本實(shí)例中，將構(gòu)成密封溝槽結(jié)構(gòu)的壓蓋和壓環(huán)兩個(gè)部件設(shè)置為可拆卸結(jié)構(gòu)，無需脹大O形圈即可輕松實(shí)現(xiàn)安裝，因此，試樣安裝過程簡單方便，降低了待測橡膠O形圈安裝過程的難度也減少了安裝過程中發(fā)生橡膠損壞的可能性。

以上所述，僅是本實(shí)用新型的具體實(shí)施案例而已，并非對本實(shí)用新型作任何形式上的限制，雖然本實(shí)用新型已以較佳實(shí)施案例揭示如上，然而并非用以限定本實(shí)用新型，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的結(jié)構(gòu)及技術(shù)內(nèi)容做出某些更動(dòng)或修改而成為等同變化的等效實(shí)施案例。例如，本實(shí)用新型并不限定只用于以氫氣為試驗(yàn)介質(zhì)，同樣適用于硫化氫氣體、天然氣與氫氣混合氣體等試驗(yàn)介質(zhì)。但凡未脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施案例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本實(shí)用新型技術(shù)方案范圍內(nèi)。