專利名稱：多參數(shù)可測控高轉(zhuǎn)速機械密封性能試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機械密封可控性試驗裝置，采用新結(jié)構(gòu)和高精度傳感器測量機械密封性能參數(shù)。屬于機械設(shè)計與過程自動化控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
自1885年機械密封發(fā)明以來，隨著密封理論和應(yīng)用研究的不斷深入，機械密封的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣，從石油化工、核工業(yè)到航空航天領(lǐng)域；密封介質(zhì)從普通介質(zhì)(如水)到高溫高壓易燃易爆化學(xué)品，應(yīng)用場合也從水泵拓展到高速高壓的氣體壓縮機等。
關(guān)于密封機理的研究，德國的E.Mayer博士根據(jù)他多年的研究成果—普通機械密封一般處于邊界摩擦工況，解釋了在較大接觸壓力下，軟質(zhì)摩擦副無論在高粘度或低粘度介質(zhì)中以不同轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時仍具有較長使用壽命的原因。英國BHRA密封部主任B.S.Nau博士認為，目前在實踐中應(yīng)用的密封大量處于流體動力摩擦工況，并用此成果解釋了在相同工況參數(shù)下有些密封可以在較低的摩擦下運轉(zhuǎn)的原因。然而，美國人A.O.Lebeck試驗研究表明，在水潤滑條件下的普通機械密封中并不能形成足夠的流體動壓承載能力，認為可能存在迄今為止其它未解釋過的平行滑動潤滑中的似流體動壓承載機理，這使得機械密封機理的研究變得錯蹤復(fù)雜?？梢姡纬梢粋€完整的機械密封理論體系，還有待于充分的實踐論證。
工程應(yīng)用中，機械密封的設(shè)計參數(shù)很大程度上依賴于經(jīng)驗，裝置中機械密封一般并不處于最佳工作狀態(tài)。對于結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況一定的機械密封，其密封性能主要取決于密封面的端面比壓。密封環(huán)端面間比壓大，膜厚小，泄漏率小，磨損大，功耗大；反之，比壓小，膜厚大，泄漏率大，磨損小，功耗小。但目前對膜厚、端面摩擦扭矩等重要參數(shù)的精確測量都還處于探索階段。
從機械密封產(chǎn)品的檢測手段來看，目前國內(nèi)大多數(shù)廠家還都停留在外觀檢測和靜壓試驗的水平上，只有少數(shù)企業(yè)具有運轉(zhuǎn)試驗?zāi)芰Γa(chǎn)品質(zhì)量難以控制，也限制了國內(nèi)對高參數(shù)機械密封研究的進展。
綜上所述，機械密封試驗研究十分重要，研制功能完善、測試精度高的機械密封試驗裝置不僅是機械密封理論和實驗研究的迫切要求，也是機械密封產(chǎn)品檢驗、檢測的要求。
目前，已有不少單位、學(xué)者開展了機械密封試驗裝置的研究。圖1為四川機械密封研究所研制的試驗系統(tǒng)圖，密封腔結(jié)構(gòu)如圖2所示。
技術(shù)參數(shù)如表1所示。
表1四川密封技術(shù)研究所試驗臺技術(shù)參數(shù)

該系統(tǒng)為單懸臂雙支點主軸結(jié)構(gòu)，兩套機械密封對稱安裝，采用JCO型扭矩傳感器測量機械密封摩擦扭矩，采用電感式及電容式傳感器對磨損量進行測量。
圖3為天津克蘭密封公司研制的高參數(shù)密封試驗臺，主軸采用雙懸臂四支點結(jié)構(gòu)。技術(shù)參數(shù)如表2所示。
表2天津克蘭密封有限公司試驗臺技術(shù)參數(shù)

圖4為四川省碳素制品質(zhì)檢站用于機械密封產(chǎn)品抽檢和試驗的試驗裝置，其技術(shù)參數(shù)如表3所示。
表3四川省碳素制品質(zhì)檢站試驗裝置技術(shù)參數(shù)


合肥通用所的“機械密封高參數(shù)性能評價系統(tǒng)”共有5個試驗臺，三種試驗介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)，即清水介質(zhì)、油介質(zhì)、顆粒介質(zhì)試驗系統(tǒng)，技術(shù)參數(shù)如表4所示。
表4合肥通用所密封試驗臺技術(shù)參數(shù)

該系統(tǒng)為單懸臂或雙懸臂主軸結(jié)構(gòu)，兩套機械密封對稱安裝，采用JC型扭矩傳感器測量機械密封的功耗，感量為0.1g的電子天平測量泄漏量，計算機進行數(shù)據(jù)采集及處理。
美國Sealol公司J.A.Hilaris研制的“計算機化的密封試驗和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)”，采用計算機對密封介質(zhì)的溫度、壓力、端面摩擦扭矩、功耗、泄漏率進行了監(jiān)測。該系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)如表5所示。
表5美國Sealol公司密封試驗臺技術(shù)參數(shù)

日本Eagle工業(yè)公司在機械密封工況監(jiān)測試驗研究過程中建立了一套機械密封試驗裝置，該裝置除了具有一般密封參數(shù)測量和數(shù)據(jù)處理功能外，最大的特點是在靜環(huán)后安裝了一只扭矩傳感器，即在石墨靜環(huán)外表面孔中插入一支銷釘來推動懸臂，其彎曲應(yīng)變用貼在對面的應(yīng)變片來監(jiān)測。
其他還有不少試驗臺，結(jié)構(gòu)與上面所述相似。一般都采用單懸臂或雙懸臂主軸結(jié)構(gòu)，兩套機械密封對稱安裝?；蛑苯硬捎秒x心泵殼作為機械密封試驗裝置，實用性較強，但由于結(jié)構(gòu)空間的限制，所測試的密封件尺寸單一，且測量、調(diào)整試驗參數(shù)比較困難，一般只適合于固定產(chǎn)品的出廠檢驗。
采用雙懸臂兩套機械密封對稱安裝結(jié)構(gòu)，據(jù)稱是為了平衡軸向力，但實際上因端面比壓產(chǎn)生的軸向力并不大，影響不到一般滾動軸承的工作特性。這種設(shè)計不但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且由于兩套摩擦副、兩個主要泄漏點，使機械密封泄漏量及摩擦扭矩的測量精度受到影響。
在機泵與電機間串聯(lián)扭矩傳感器用以測量機械密封端面摩擦扭矩，由于機泵軸承運轉(zhuǎn)扭矩的存在且在軸向力波動情況下這一扭矩值不確定，使得測量精度很難保證。
日本Eagle工業(yè)公司在靜環(huán)后安裝扭矩傳感器避免了軸承扭矩的影響。但為了防止流體泄漏，在密封靜環(huán)和扭矩傳感器之間安裝了一只O形圈。扭矩傳感器測得的扭矩包括動靜環(huán)端面摩擦扭矩和O形圈對靜環(huán)座的阻力矩。由于O形圈在不同壓力下對靜環(huán)座的阻力矩的不同，且在運行過程中因端面比壓不易測定而難以描述，而使得扭矩測量精度大受影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對機械密封試驗裝置測量參數(shù)多結(jié)構(gòu)復(fù)雜、結(jié)構(gòu)簡單測量參數(shù)少，端面摩擦扭矩測量困難等問題，提出一種結(jié)構(gòu)簡單、測控參數(shù)多，包括端面摩擦扭矩測量精確的高轉(zhuǎn)速機械密封試驗裝置。
本發(fā)明是采取以下技術(shù)方案來實現(xiàn)的多參數(shù)可測控高轉(zhuǎn)速機械密封性能試驗裝置包括(1)密封系統(tǒng)；(2)驅(qū)動系統(tǒng)；(3)端面比壓加載及伺服反饋系統(tǒng)；(4)端面摩擦扭矩和端面比壓測量系統(tǒng)；(5)膜厚測量系統(tǒng)；(6)泄漏測量系統(tǒng)；(7)靜環(huán)溫度測量系統(tǒng)；(8)介質(zhì)溫度及壓力測量系統(tǒng)；(9)試驗介質(zhì)加壓及循環(huán)系統(tǒng)；(10)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。密封系統(tǒng)的密封腔置于端面比壓加載及伺服反饋系統(tǒng)的單坐標導(dǎo)軌平臺上；單坐標導(dǎo)軌平臺的軸向移動可以改變密封系統(tǒng)中被測機械密封的端面比壓。驅(qū)動系統(tǒng)中電機利用動力輸入軸將動力傳遞給密封腔中被測機械密封的動環(huán)座，動環(huán)座帶動動環(huán)運轉(zhuǎn)。由于摩擦力的作用，動環(huán)運轉(zhuǎn)時帶動靜環(huán)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，引起端面摩擦扭矩和端面比壓測量系統(tǒng)中導(dǎo)向筒的軸向移動和周向扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)向筒的軸向移動和周向扭轉(zhuǎn)量由數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中的傳感器測得。膜厚測量系統(tǒng)中的膜厚測量傳感器置于密封系統(tǒng)的靜環(huán)托環(huán)上，測量信號送數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)處理。密封系統(tǒng)中動、靜環(huán)之間的泄漏量通過導(dǎo)向筒內(nèi)壁流入到泄漏測量系統(tǒng)的導(dǎo)流管中，由導(dǎo)流管將泄漏介質(zhì)送入置于稱重傳感器的量杯中，稱重傳感器獲得的信號送數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)處理。靜環(huán)溫度測量系統(tǒng)中溫度傳感器埋于密封系統(tǒng)的靜環(huán)中，感受到的動、靜環(huán)溫度信號送數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)處理。介質(zhì)溫度及壓力測量系統(tǒng)中的傳感器置于密封系統(tǒng)的密封腔體上，感受到的介質(zhì)溫度和壓力信號送數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)處理。試驗介質(zhì)加壓及循環(huán)系統(tǒng)與密封系統(tǒng)的密封腔構(gòu)成一閉循環(huán)，以保證密封腔中被測機械密封工況的穩(wěn)定。
前述的多參數(shù)可測控高轉(zhuǎn)速機械密封性能試驗裝置，其特征在于其中所述的密封系統(tǒng)包括密封腔、機械密封件和動力輸入軸。機械密封和密封腔之間充滿被密封介質(zhì)，動力輸入軸和密封腔體之間的密封采用被測機械密封件來保證。機械密封的動環(huán)及動環(huán)座連接在動力輸入軸的軸端，軸端加工有臺階和對稱的圓弧形凹槽，與動環(huán)座上凸緣相連。動環(huán)和動環(huán)座采用卡槽連接，動環(huán)和動力輸入軸之間采用O形圈密封。靜環(huán)端面與動環(huán)接觸，背面焊接有波紋管，波紋管另一端焊接有靜環(huán)座，靜環(huán)座通過與密封腔相連的壓蓋來調(diào)節(jié)，以改變其密封腔中所處的位置，同時改變波紋管的壓縮量，實現(xiàn)動、靜環(huán)之間的端面比壓變化。動環(huán)座與壓蓋之間采用O形圈密封。
前述的多參數(shù)可測控高轉(zhuǎn)速機械密封性能試驗裝置，其特征在于其中所述的驅(qū)動系統(tǒng)由高速電機和油霧潤滑系統(tǒng)、變頻調(diào)速器、動力輸入軸組成。(一)使用的4SD18-4A型高速電機最大轉(zhuǎn)速為18,000r/min，能達到高速機械密封試驗的轉(zhuǎn)速要求，所述的高速電機還包括水冷卻系統(tǒng)和油霧潤滑系統(tǒng)。水冷卻系統(tǒng)由進口、出口管路，水泵和進出口閥組成；油霧潤滑系統(tǒng)由高壓氣源、減壓閥、油過濾器、油霧化器、冷凝器和油分離器組成。(二)高速電機的轉(zhuǎn)速由變頻調(diào)速器控制，可實現(xiàn)無級變速。(三)動力輸入軸為長度短、直徑小的高速軸，與高速電機通過螺紋連接，另一端安裝機械密封動環(huán)。
前述的多參數(shù)可測控高速機械密封性能試驗裝置，其特征在于其中所述的端面比壓加載及伺服反饋系統(tǒng)，通過大拖板移動可以粗略調(diào)節(jié)機械密封端面比壓，工作過程中大拖板固定后，伺服電機可根據(jù)指令促使L形支座及其支承的密封系統(tǒng)沿著DZH-200型精密單坐標工作臺作軸向移動，實現(xiàn)連接靜環(huán)座與靜環(huán)的彈性元件壓縮或回彈，從而改變施加在靜環(huán)上的軸向壓力，最終達到調(diào)節(jié)端面比壓之目的。所述的端面比壓加載及伺服反饋系統(tǒng)包括1FK7伺服電機、DZH-200型精密單坐標工作臺、L形支座、及其支承的密封系統(tǒng)。所述的伺服電機可驅(qū)動精密單坐標工作臺的滾珠絲杠，實現(xiàn)工作臺臺面的軸向移動，其精度高達0.025mm。伺服電機與單坐標工作臺采用滾珠絲杠聯(lián)接，L形支座的水平部分固定于單坐標工作臺的臺面上。L形支座的鉛直邊上開設(shè)中心圓通孔，靜環(huán)座壓蓋安裝在圓孔中，靜環(huán)座壓蓋與L形支座鉛直邊上的中心圓通孔之間用O型密封圈密封。靜環(huán)座和靜環(huán)座壓蓋采用螺紋連接，O型圈密封。靜環(huán)座和靜環(huán)由彈性元件連接。彈性元件有兩種方案，一為金屬波紋管，一為大彈簧和聚四氟乙烯波紋管組合。工作過程中，當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出指令至伺服電機，伺服電機牽動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，絲杠上的滑塊牽動工作臺面運動，進而帶動L形支座、靜環(huán)座壓蓋、靜環(huán)座一起移動。由于動環(huán)不發(fā)生軸向位移，而且動環(huán)和靜環(huán)端面壓緊后，靜環(huán)也不發(fā)生宏觀的軸向位移。因此，當(dāng)靜環(huán)座壓蓋隨L形支座繼續(xù)移動，則靜環(huán)與靜環(huán)座之間的彈性元件繼續(xù)壓縮或回彈，施加在靜環(huán)上的壓力也隨之改變，從而實現(xiàn)對端面比壓的控制。
上述的L形支座的特征在于，依靠“—”部分的底面與“|”部分的水平通孔的軸線的平行度保證壓蓋中心線與臺面運動方向的平行度，從而保證靜環(huán)端面與臺面運動方向的垂直度，保證端面比壓均勻施加于動環(huán)端面上。此設(shè)計簡化了結(jié)構(gòu)，提高了安裝精度。
前述的多參數(shù)可測控高轉(zhuǎn)速機械密封性能試驗裝置，其特征在于其中所述的扭矩和端面比壓測量系統(tǒng)包括靜環(huán)座、導(dǎo)向筒、角位移傳動扇形齒片、NSRB型角位移傳感器及小齒輪、NS-WY01型直線位移傳感器；導(dǎo)向筒一端與靜環(huán)托環(huán)內(nèi)孔螺紋緊密連接，導(dǎo)向筒的另一端活套在靜環(huán)座壓蓋內(nèi)孔中并通過軸套伸出到密封腔外部。通過測量導(dǎo)向筒伸出密封腔外部長度的變化，可以測量機械密封在工作前后彈性元件壓縮量的變化，從而測量出彈簧比壓的變化。工作過程中，由于動靜環(huán)之間摩擦力矩的作用，靜環(huán)跟隨彈性元件發(fā)生扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致導(dǎo)向筒發(fā)生偏移。所述的位移傳動扇形齒片固定在導(dǎo)向筒的伸出端，它能反映靜環(huán)的角位移和軸向位移。扇形齒片通過小齒輪將角位移傳遞給角位移傳感器。扇形齒片為窄齒，小齒輪為寬齒，其寬度大于等于靜環(huán)座彈性元件的允許壓縮量。扇形齒片與小齒輪配合時可在軸向自由滑動，即小齒輪不影響扇形齒片的軸向位移。測量扇形齒片的軸向位移時，直線位移傳感器的自由伸縮端壓至滿量程的長度，然后其頂尖部分抵壓在扇形齒片上并固定。扇形齒片上與直線位移傳感器的自由伸縮端接觸的部位粗糙度很小，即直線位移傳感器不影響扇形齒片的轉(zhuǎn)動，不影響角位移的測量。所述的扇形齒片的特征在于同時將導(dǎo)向筒的軸向和周向位移無損失的轉(zhuǎn)遞到變送器。
上述的角位移的測量目的是獲得機械密封動環(huán)和靜環(huán)端面的摩擦扭矩。動環(huán)轉(zhuǎn)動時，密封端面間可能為流體摩擦、固體摩擦或流固混合摩擦，不同摩擦狀態(tài)對應(yīng)的摩擦扭矩也不同，摩擦扭矩是反映端面潤滑狀態(tài)的重要參數(shù)。傳統(tǒng)的測量方法是在傳動軸和電機之間串聯(lián)一個扭矩傳感器，用扭矩傳感器測量端面摩擦扭矩。但所測之值不僅包括端面間的摩擦扭矩，還包括支承傳動軸的軸承所產(chǎn)生的附加扭矩，而后者的確定較為困難，因此，傳統(tǒng)測量方法存在較大弊端。本發(fā)明采用的測量方法可以使靜環(huán)的角位移無損失地傳遞給導(dǎo)向筒，至扇形齒片，至小齒輪，再至角位移傳感器，避免了附加扭矩對測量值的干擾。該方法所測之角位移誤差存在于扇形齒片和小齒輪之間的傳動誤差和角位移傳感器本身的測量誤差。為減小誤差，扇形齒片和小齒輪均為模數(shù)為0.5的齒輪，傳動比為1∶4，兩項措施可有效提高測量精度。所用之角位移傳感器安裝于L形支座“|”部分的頂部。
上述的軸向位移的測量目的是獲得機械密封動環(huán)和靜環(huán)端面間的壓力。其特征在于依靠測量扇形齒片相對于L形支座的軸向位移量來確定靜環(huán)座中彈性元件的壓縮量，從而獲得端面的壓緊力。測量原理為所用直線位移傳感器安裝于L形支座“|”部分的頂部，其軸線垂直于扇形齒片，而扇形齒片又垂直于主軸線，保證了傳感器所測值為導(dǎo)向筒與L形支座的相對位移。當(dāng)動環(huán)和靜環(huán)端面緊密貼合時，單坐標工作臺移動，L形支座和靜環(huán)座壓蓋也隨之移動，而靜環(huán)不發(fā)生宏觀位移，導(dǎo)向筒不發(fā)生軸向位移，因而彈性元件的壓縮量即為導(dǎo)向筒與L形支座的相對位移，直線位移傳感器所測值即為此相對位移量。
前述的扭矩和端面比壓測量原理的特征還在于，靜環(huán)與靜環(huán)座間的彈性元件的壓縮量(直線位移)與對應(yīng)的壓力，扭轉(zhuǎn)量(角位移)與對應(yīng)的扭矩之間的關(guān)系需預(yù)先標定。在已知這兩種關(guān)系的基礎(chǔ)上，可將角位移和直線位移的測量值轉(zhuǎn)化為端面間的摩擦扭矩和端面比壓。
前述的多參數(shù)可測控高轉(zhuǎn)速機械密封性能試驗裝置，其特征在于其中所述的膜厚測量系統(tǒng)包括DO型電渦流傳感器及支座、動環(huán)和靜環(huán)。電渦流傳感器靈敏度高，能在惡劣工作條件下長期工作。所述的膜厚測量系統(tǒng)的特征在于電渦流傳感器安裝在靜環(huán)托環(huán)的外邊沿，工作條件下它在軸向方向的運動和靜環(huán)端面保持一致。動環(huán)設(shè)計成帶有寬邊凸緣，電渦流傳感器安裝在靜環(huán)托環(huán)的凸緣上，其感應(yīng)端正對動環(huán)邊緣。當(dāng)動環(huán)和靜環(huán)端面膜厚發(fā)生變化時，靜環(huán)沿軸向發(fā)生一定的微觀位移，引起電渦流傳感器向遠離或靠近動環(huán)凸緣發(fā)生微觀軸向位移，該位移即為膜厚的變化量，可被電渦流傳感器測得。膜厚的變化是反映動環(huán)和靜環(huán)端面間潤滑狀況變化的重要參數(shù)，電渦流傳感器對該參數(shù)的測量精度較高。
前述的多參數(shù)可測控高轉(zhuǎn)速機械密封性能試驗裝置，其特征在于其中所述的測漏系統(tǒng)由導(dǎo)向筒、導(dǎo)向筒端蓋、引流管、量杯和NS-TH1型稱重傳感器組成。泄漏介質(zhì)從動環(huán)和靜環(huán)端面間流出，經(jīng)光滑的導(dǎo)向筒內(nèi)壁流向?qū)蛲捕松w，介質(zhì)在導(dǎo)向筒端蓋處匯聚，沿引流管流入量杯。量杯置于稱重傳感器之上。其特征在于光滑的導(dǎo)向筒內(nèi)壁不但起到導(dǎo)流的作用，還起到冷卻作用，可減少泄漏介質(zhì)因汽化而造成的損失。所用稱重傳感器能獲得泄漏介質(zhì)的凈質(zhì)量，計算其與泄漏時間的關(guān)系，即可得泄漏率。
前述的多參數(shù)可測控高轉(zhuǎn)速機械密封性能試驗裝置，其特征在于其中所述的端面溫度測量系統(tǒng)由CRZ-1632-Ni型薄膜鉑電阻測溫元件和靜環(huán)組成；靜環(huán)周向均布3個φ3的盲孔，盲孔底面距離動、靜環(huán)摩擦面2～3mm，采用絕緣膠將鉑電阻埋入盲孔中，鉑電阻信號線沿導(dǎo)向筒內(nèi)壁引出。利用所述的薄膜鉑電阻測溫元件體積小的優(yōu)點，所測溫度值為密封端面溫度。
前述的多參數(shù)可測控高轉(zhuǎn)速機械密封性能試驗裝置，其特征在于其中所述的介質(zhì)溫度及壓力測量系統(tǒng)由NS-G型中溫壓力傳感器、STTT-T型溫度傳感器和壓力表組成。壓力傳感器和溫度傳感器均安裝在密封腔體上，測壓元件和測溫元件與介質(zhì)接觸，測量信號送測量變送器。壓力表直接安裝在密封腔體上。壓力傳感器和溫度傳感器均與介質(zhì)接觸，保證了測量值的精確度。
前述的多參數(shù)可測控高轉(zhuǎn)速機械密封性能試驗裝置，其特征在于其中所述的試驗介質(zhì)加壓及循環(huán)系統(tǒng)包括介質(zhì)進口管路、出口管路、進口閥門、出口閥門、排空閥、穩(wěn)壓罐、氮氣瓶、減壓閥、循環(huán)泵、冷卻器。循環(huán)泵將穩(wěn)壓罐中的介質(zhì)抽出，經(jīng)過濾器、進口閥送入密封腔；密封腔中的介質(zhì)經(jīng)出口閥門，流入疑器器，冷卻后流入穩(wěn)壓罐，再從穩(wěn)壓罐中被循環(huán)泵抽出。穩(wěn)壓罐中介質(zhì)壓力是氮氣瓶中的氮氣經(jīng)由減壓閥減壓至規(guī)定壓力加載于穩(wěn)壓罐中介質(zhì)上面而產(chǎn)生的。排空閥安裝在密封腔體的最高處，打開時可以排出腔體中的氣體。試驗介質(zhì)加壓及循環(huán)系統(tǒng)用于保證密封腔內(nèi)介質(zhì)的壓力和溫度恒定。
前述的多參數(shù)可測控高轉(zhuǎn)速機械密封性能試驗裝置，其特征在于其中所述的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)包括PLC控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、工控機和電氣柜。傳感器將采集到的信號送入PLC控制系統(tǒng)中的模擬輸入模塊，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入PLC控制系統(tǒng)的CPU，再由PLC控制系統(tǒng)的CPU送入工控機顯示；通過工控機可以下達工作指令給PLC控制系統(tǒng)的CPU，經(jīng)由定位模塊激活伺服驅(qū)動系統(tǒng)工作，調(diào)節(jié)機械密封端面比壓。電氣柜是用以提供PLC控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、工控機電壓的。機械密封試驗裝置控制量多為模擬量，計算工作量較大，其控制系統(tǒng)為實時系統(tǒng)，且控制系統(tǒng)本身能以較快的響應(yīng)速度跟蹤被控參數(shù)。
多參數(shù)可測控高轉(zhuǎn)速機械密封性能試驗裝置還具有以下特征(1)密封腔體底部加裝4個小軸承作滾輪用，其前后移動便捷，且密封腔體沒有安裝精度要求。(2)使用厚重的車床底座作為試驗裝置的底座，可有效降低電機轉(zhuǎn)動和其他形式的運動產(chǎn)生的振動給參數(shù)測量帶來的誤差。
本發(fā)明在“多參數(shù)可測控高轉(zhuǎn)速機械密封性能試驗裝置”上，成功設(shè)計了機械密封動環(huán)傳動系統(tǒng)、端面比壓施加系統(tǒng)、端面扭矩測量系統(tǒng)、膜厚測量系統(tǒng)、泄漏測量系統(tǒng)、介質(zhì)壓力和溫度測量系統(tǒng)、介質(zhì)加載與循環(huán)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了機械密封試驗的多參數(shù)測量與控制。它具有如下優(yōu)點(1)結(jié)構(gòu)簡單。采用單懸臂雙支點主軸結(jié)構(gòu)，被測單端面機械密封用于密封腔與動力輸入軸之間的密封。動、靜環(huán)之間的端面比壓，一方面可以保證動、靜環(huán)之間的密封；另一方面，減小了軸承在軸向方向的受力。同時，懸臂的動力輸入軸，在端部所裝動環(huán)，靜環(huán)以及彈性元件的支承下，相當(dāng)于加設(shè)了一個軟支點，改善了懸臂軸的受力狀態(tài)。
(2)多參數(shù)在線數(shù)字化測量與分析。本裝置在線測量的參數(shù)有密封腔內(nèi)的介質(zhì)溫度和壓力、端面摩擦扭矩、端面間膜厚、靜環(huán)溫度、泄漏量(率)、彈簧比壓、動環(huán)轉(zhuǎn)速。通過A/D轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)處理，可在計算機屏幕在顯示被測參數(shù)和各參數(shù)之間的關(guān)系。
(3)實現(xiàn)了端面摩擦扭矩的精確測量。將靜環(huán)和靜環(huán)座用彈性元件連接，利用機械密封運轉(zhuǎn)過程中靜環(huán)扭轉(zhuǎn)角度的變化，可精確測量出機械密封動、靜環(huán)之間的摩擦扭矩，省去了因連接帶來的誤差。
(4)完備的考查機械密封產(chǎn)品長壽命運行參數(shù)的能力。本裝置能跟蹤泄漏率、端面摩擦扭矩，并根據(jù)跟蹤策略作出響應(yīng)，調(diào)整端面比壓，使機械密封處于端面摩擦扭矩小、泄漏率不超標的工況下運行。所選的傳感器、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)精度高，穩(wěn)定性好，能適應(yīng)機械密封長周期試驗的要求。
(5)應(yīng)用范圍廣。通過更換動力輸入軸，可對不同直徑普通泵用平行端面和流體動壓式等類型機械密封，在水、油等不易揮發(fā)介質(zhì)，高、中、低不同轉(zhuǎn)速條件下進行試驗研究。


圖1四川密封技術(shù)研究所試驗系統(tǒng)其中1-(1)水池；1-(2)水泵；1-(3)閘閥；1-(4、14)壓力表；1-(5、13)溫度表；1-(6)操作臺；1-(7、8)控制柜；1-(9)電機；1-(10)聯(lián)軸節(jié)；1-(11)軸承體；1-(12)密封腔體；1-(15、17)截止閥；1-(16)水管；圖2四川密封技術(shù)研究所試驗裝置密封腔結(jié)構(gòu)其中2-(1、6)端蓋；2-(2)密封腔體；2-(3)防轉(zhuǎn)銷；2-(4)軸；2-(5)密封圈；2-(7)軸封；2-(8)動環(huán)座；2-(9)波紋管；2-(10、16)連接螺栓；2-(11)動環(huán)；2-(12)靜環(huán)；2-(13)墊片；2-(14、15)調(diào)節(jié)墊板；圖3天津克蘭密封有限公司密封試驗臺結(jié)構(gòu)其中3-(1)皮帶；3-(2)帶輪；3-(3)輸入軸；3-(4)齒輪箱；3-(5、18)小斜齒輪；3-(6、16)大斜齒輪；3-(7、17、19)止推盤；3-(8)中軸；3-(9)測速電機；3-(10、24)流體腔蓋；3-(11)高速軸；3-(12、23)雙端面密封；3-(13、22)密封試驗器腔；3-(14、21)軸承密封；3-(15、20)動力軸承；3-(25)固定徑向止推球軸承；圖4四川省碳素制品質(zhì)檢站試驗裝置其中4-(1)集水罩；4-(2)密封腔體；4-(3)進水孔；4-(4)軸承座；4-(5)聯(lián)軸節(jié)；4-(6)電動機；4-(7)壓力表；4-(8)表座；圖5為本發(fā)明“多參數(shù)可測控高轉(zhuǎn)速機械密封性能試驗裝置”的試驗機總設(shè)計方案其中5-(1)電機支座；5-(2)試驗裝置底座；5-(3)單坐標導(dǎo)軌底座；5-(4)單坐標導(dǎo)軌；5-(5)伺服電機；5-(6)活動托架；5-(7)密封腔端蓋；5-(8)動環(huán)；5-(9)靜環(huán)；5-(10)密封腔體；5-(11)L形支座；5-(12)靜環(huán)座壓蓋；5-(13)測量導(dǎo)向筒；5-(14)測量測量導(dǎo)向筒端蓋；5-(15)動力輸入軸；5-(16)高速電機；圖6為本發(fā)明的密封系統(tǒng)；其中6-(1)端蓋連接螺栓；6-(2)密封腔端蓋；6-(3)O形密封圈；6-(4)密封腔體；6-(5)動力輸入軸；6-(6)動環(huán)；6-(7)靜環(huán)；6-(8)測量導(dǎo)向筒；6-(9)O形密封圈；6-(10)密封腔與L形支座連接螺栓；6-(11)動環(huán)座壓蓋；6-(12)O形密封圈；6-(13)動環(huán)座壓蓋與L形支座連接螺栓；6-(14)L形支座；6-(15)單坐標工作臺臺面；圖7為本發(fā)明驅(qū)動系統(tǒng)示意圖；7-(1)動環(huán)；7-(2)動力輸入軸；7-(3)變頻器；7-(4)高速電機；7-(5)水冷卻系統(tǒng)；7-(6)油霧潤滑系統(tǒng)；圖8為本發(fā)明端面比壓加載系統(tǒng)示意圖；8-(1)伺服電機；8-(2)單坐標工作臺；8-(3)滾珠絲杠；8-(4)動環(huán)；8-(5)靜環(huán)；8-(6)靜環(huán)托環(huán)；8-(7)波紋管；8-(8)靜環(huán)座；8-(9)靜環(huán)座壓蓋；8-(10)動力輸入軸；8-(11)L形支座；8-(12)工作臺臺面；圖9-A為本發(fā)明端面比壓和扭矩測量系統(tǒng)主視圖圖9-B為本發(fā)明端面比壓和扭矩測量系統(tǒng)俯視圖其中9-(1)動環(huán)；9-(2)靜環(huán)；9-(3)靜環(huán)托環(huán)；9-(4)測量導(dǎo)向筒；9-(5)波紋管；9-(6)靜環(huán)座；9-(7)L形支座；9-(8)角位移傳感器；9-(9)小齒輪；9-(10)扇形齒片；9-(11)靜環(huán)座壓蓋；9-(12)壓緊螺母；9-(13)導(dǎo)向筒端蓋；9-(14)直線位移傳感器；
圖10為本發(fā)明膜厚測量系統(tǒng)示意圖10-(1)動力輸入軸；10-(2)動環(huán)；10-(3)動環(huán)凸緣；10-(4)靜環(huán)；10-(5)靜環(huán)托環(huán)；10-(6)電渦流傳感器；10-(7)波紋管；10-(8)測量導(dǎo)向筒；10-(9)靜環(huán)座；圖11為本發(fā)明泄漏測量系統(tǒng)示意圖11-(1)密封腔；11-(2)動環(huán)；11-(3)靜環(huán)；11-(4)測量導(dǎo)向筒；11-(5)測量導(dǎo)向筒端蓋；11-(6)引流管；11-(7)量杯；11-(8)稱重傳感器；圖12為本發(fā)明靜環(huán)溫度測量系統(tǒng)示意圖12-(1)靜環(huán)；12-(2)薄膜鉑電阻溫度傳感器；12-(3)靜環(huán)托環(huán)；12-(4)測量導(dǎo)向筒；12-(5)導(dǎo)線；圖13為本發(fā)明控制系統(tǒng)硬件原理示意圖。
具體實施例方式
如圖5-13所示，為本發(fā)明“多參數(shù)可測控高轉(zhuǎn)速機械密封性能試驗裝置”的具體實施方案。所用傳感器參數(shù)見表6，控制系統(tǒng)所用元件參照圖12。
表6多參數(shù)可測控高轉(zhuǎn)速機械密封性能試驗裝置用傳感器

1傳動設(shè)計機械密封的密封性能在于能保證動力輸入軸穿入密閉腔體時只產(chǎn)生很少或者不產(chǎn)生腔體內(nèi)介質(zhì)的泄漏，其動環(huán)固定在轉(zhuǎn)軸上隨動環(huán)一起轉(zhuǎn)動，靜環(huán)固定在容器壁面上，動環(huán)和靜環(huán)依靠端面的緊密貼合實現(xiàn)對介質(zhì)的密封。本發(fā)明遵循機械密封的基本原理，將傳動軸伸入密封腔體內(nèi)部，動環(huán)安裝在軸一端，另一端與驅(qū)動電機相聯(lián)。當(dāng)轉(zhuǎn)速要求達3000r/min或更高時，要求傳動系統(tǒng)的穩(wěn)定性能很好，動環(huán)端面的震顫和跳動要小，對傳動軸的動平衡要求很高。通常情況下，傳動軸不宜采用懸臂軸，而用2個或2個以上的軸承支撐。對于普通轉(zhuǎn)速，軸承支撐能滿足要求，但轉(zhuǎn)速較高時，軸承發(fā)熱量大，失效很快，且安裝調(diào)試難度大，不經(jīng)濟。由于本裝置結(jié)構(gòu)的特殊性，采用懸臂軸是合理的。本發(fā)明的轉(zhuǎn)軸直徑為37mm，長度為150mm，質(zhì)輕而強度高。其一端螺紋連接于高速電機的伸出軸孔，另一端設(shè)計為臺階形式，動環(huán)亦設(shè)計成與之配合的臺階，它們之間裝有O形密封圈。動環(huán)的安裝部位還與轉(zhuǎn)軸臺階尾部對稱的圓弧凹槽配合，可保證動環(huán)隨軸一起轉(zhuǎn)動。當(dāng)動環(huán)和靜環(huán)端面緊密貼合時，軸向的壓緊力不但壓緊了O形密封圈，保證動環(huán)和轉(zhuǎn)軸的密封，而且對轉(zhuǎn)軸起到了支撐作用。O形密封圈的使用，允許動環(huán)有不均勻的微量位移，從而保證動環(huán)端面和靜環(huán)端面的緊密貼合。傳動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖6所示。
2端面比壓施加系統(tǒng)的設(shè)計端面比壓反應(yīng)了機械密封動環(huán)和靜環(huán)端面之間的接觸壓力，通常由彈性元件提供。彈性元件可為彈簧、波紋管等，視使用場合的要求，彈性元件可安裝在動環(huán)后側(cè)或靜環(huán)后側(cè)。本裝置將彈性元件安裝在靜環(huán)后側(cè)，一則為減小動環(huán)的質(zhì)量，二則為彈性元件的安裝方便考慮。設(shè)計了一個靜環(huán)座，該靜環(huán)座左端可安裝靜環(huán)，右端安裝于軸套上(固定于壁面上)，中間則為彈性元件。靜環(huán)座可重復(fù)使用，可更換靜環(huán)而不更換靜環(huán)座。本發(fā)明中，靜環(huán)座彈性元件一為金屬波紋管，二為彈簧與非金屬波紋管(加工的聚四氟乙烯波紋管)的組合。金屬波紋管同時具有較好的彈性和強度，能反應(yīng)軸向壓力和摩擦扭矩的變化，亦能承受介質(zhì)的壓力，但不耐受腐蝕性介質(zhì)；非金屬波紋管耐腐蝕，但力學(xué)性能差，用彈簧作為加強元件，可提高其承受壓力和扭矩的能力。兩種靜環(huán)座可在不同介質(zhì)條件時選用。動環(huán)和靜環(huán)端面貼合后，可認為靜環(huán)在宏觀上不發(fā)生軸向位移，要改變端面比壓，即彈性元件的壓緊力，只有移動靜環(huán)座的另一端，即軸套部位。軸套安裝于L形支座的垂直部位上，L形支座的水平部分安裝于單坐標工作臺的臺面上。L形支座的設(shè)計中，軸套與L形支座的垂直部位的圓孔為精密配合，L形支座的水平底面與臺面亦為精密配合，此設(shè)計能滿足單坐標導(dǎo)軌上臺面的位移方向與轉(zhuǎn)軸軸線的平行度要求。于是，對靜環(huán)座右端的位移要求轉(zhuǎn)化為對單坐標工作臺的位移要求，這一要求由驅(qū)動工作臺的滾珠絲杠的伺服電機來滿足，對伺服電機運動方式的控制，也就實現(xiàn)了對端面比壓的控制。此設(shè)計的結(jié)構(gòu)如圖7所示。
3密封腔的設(shè)計要模擬機械密封的真實工況，需設(shè)計一個密閉腔體，其中充滿帶壓介質(zhì)，機械密封的動環(huán)和靜環(huán)處于其中。為滿足強度要求和安裝要求，密封由L形支座，密封腔體和端蓋組成，如圖8所示。密封腔體內(nèi)表面為圓筒，可減少因動環(huán)旋轉(zhuǎn)而引起的漩渦、繞流等流動。各連接處用O形圈作為密封元件。在密封腔體底部安裝4個小軸承并添加一個自由臺面可便于質(zhì)量較重的密封腔體的前后移動。此外，傳感器安裝螺紋孔、介質(zhì)進出口孔、壓力表孔、排空閥孔等均開設(shè)在密封腔體上。介質(zhì)的進口在動環(huán)最上點的切線方向上，且動環(huán)的旋轉(zhuǎn)方向與介質(zhì)流向一致，介質(zhì)的出口在密封環(huán)最下點的切線方向上，從而保證介質(zhì)順著動環(huán)旋轉(zhuǎn)方向流動。
4端面比壓和扭矩測量系統(tǒng)的設(shè)計從前述的端面比壓施加系統(tǒng)的原理可知，端面比壓的測量可通過測量彈性元件的變形量獲知。本發(fā)明設(shè)計的導(dǎo)向筒與軸套的內(nèi)圓表面為精密配合，導(dǎo)向筒可在軸套的內(nèi)圓表面自由軸向運動或周向運動。靜環(huán)座安裝靜環(huán)的一端與導(dǎo)向筒亦屬精密配合，從而限制彈性元件只發(fā)生軸向變形和周向變形。于是導(dǎo)向筒可反應(yīng)靜環(huán)的軸向和周向位移情況，且不產(chǎn)生誤差。這兩種位移又通過固定在導(dǎo)向筒一端的扇形齒片傳遞給傳感器。扇形齒片安裝在壓緊螺母和導(dǎo)向筒端蓋之間，安裝時保證和角位移傳感器上的小齒輪的傳動良好。直線位移傳感器的頂尖以滿量程狀態(tài)抵住扇形齒片，并保證其軸向垂直于扇形面。設(shè)計靜環(huán)最大角位移不超過5度，而扇形齒片和小齒輪的傳動比為1比4，在角位移量程之內(nèi)。設(shè)計靜環(huán)彈性元件最大壓縮量不超過5mm，也在傳感器量程之內(nèi)。圖9為本發(fā)明端面比壓和扭矩測量系統(tǒng)示意圖。
傳感器所測之直線位移和角位移是間接量，經(jīng)過轉(zhuǎn)化成為端面比壓和扭矩值。在試驗前，對靜環(huán)座中的彈性元件進行標定。利用專用標定儀器，在彈性范圍內(nèi)對靜環(huán)座加以遞增的軸向力F和周向扭矩M，獲得F與軸向位移Δz的關(guān)系及M與扭轉(zhuǎn)角Δγ的關(guān)系。用戶對F和M的要求根據(jù)這兩種關(guān)系轉(zhuǎn)化為對Δz的Δγ的要求。
5端面膜厚測量系統(tǒng)的設(shè)計機械密封動環(huán)和靜環(huán)端面間的液膜厚度在幾個到十幾個微米之間。本發(fā)明采用電渦流傳感器測量動環(huán)和靜環(huán)安裝部位的相對位移作為膜厚的變化量。電渦流傳感器的探頭置于動環(huán)凸緣的正面，其軸線與動環(huán)凸緣面垂直，如圖10所示。非運轉(zhuǎn)條件下，當(dāng)動環(huán)和靜環(huán)端面緊密貼合時置電渦流傳感器為0。運轉(zhuǎn)時，由于端面摩擦熱和外力的作用，端面要產(chǎn)生一定的軸對稱的微觀軸向變形，可能形成的三種流道間隙(1)平行間隙，雖然動環(huán)和靜環(huán)端面都要發(fā)生軸向變形，其間隙厚度沿徑向仍相等；(2)收斂間隙，間隙厚度沿半徑增大方向增大；(3)擴散間隙，間隙厚度沿半徑增大方向減小。在轉(zhuǎn)速較低，生成的摩擦熱較小，外力也較小時，端面的軸向變形可忽略，因而測量值即為端面的膜厚。高速重載工況下，形成收斂間隙或擴散間隙，最小間隙處的膜厚可忽略，此時測量值為間隙最小處兩端面的軸向變形之和，亦即最大膜厚。介于上述兩種情況之間時，電渦流傳感器的測量值為間隙最小處兩端面的軸向變形與該間隙厚度值之和，也是最大膜厚。電渦流傳感器測量的是探頭距金屬表面的距離變化，測量精度受動環(huán)凸緣面與轉(zhuǎn)動軸線間垂直度的限制，因此，動環(huán)凸緣面的平面度精度高達2μm與軸線的垂直度精度為5μm。
6測漏系統(tǒng)的設(shè)計利用導(dǎo)向筒的內(nèi)表面將泄漏介質(zhì)引導(dǎo)收集至端蓋。端蓋是一個有內(nèi)螺紋孔的圓環(huán)，連接于導(dǎo)向筒的伸出端。端蓋內(nèi)表面環(huán)向開槽，對泄漏介質(zhì)起匯聚作用，并在徑向開螺紋通孔接引流管。引流管引導(dǎo)介質(zhì)沿量杯壁面緩緩流入量杯中，量杯置于稱重傳感器上。轉(zhuǎn)速較高時，端面間介質(zhì)可能因為摩擦熱的作用發(fā)生氣化，氣體沿軸向流動時，冷凝在導(dǎo)向筒內(nèi)壁或轉(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸上的冷凝液又被甩到導(dǎo)向筒內(nèi)壁上，因此，氣化的泄漏介質(zhì)損失較小，絕大部分被導(dǎo)出至量杯中。圖11為本發(fā)明泄漏測量系統(tǒng)示意圖。
7靜環(huán)溫度測量系統(tǒng)的設(shè)計密封環(huán)溫度是重要的工況參數(shù)。動環(huán)為旋轉(zhuǎn)元件，其上不宜安裝測溫元件，又不能破壞端面的完整性，因此在靜環(huán)的背面開設(shè)直徑為2mm的盲孔，孔距端面2mm，將體積很小的薄膜鉑電阻溫度傳感器埋在孔中，空隙用銅粉填滿。沿密封環(huán)徑向均勻埋設(shè)3個溫度傳感器(3個傳感器在周向也間隔一定角度，以減少孔與孔間的相互干擾)，如圖12，可測得徑向不同位置的溫度值。所測溫度值受密封環(huán)材料的物理性質(zhì)的影響，能反應(yīng)密封端面溫度的變化情況。傳感器的引線很細，其直徑要比轉(zhuǎn)軸和導(dǎo)向筒之間的間隙距離小得多，用絕緣材料將其沿導(dǎo)向筒內(nèi)壁引出。
8介質(zhì)溫度及壓力的測量在密封腔壁上開設(shè)螺紋通孔，安裝壓力傳感器和溫度傳感器，測量介質(zhì)壓力和溫度。轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，會引起密封腔內(nèi)部的壓力和溫度不均勻，由于傳感器安裝在密封端面附近，且介質(zhì)流動已經(jīng)充分發(fā)展，因此，所測壓力和溫度可代表介質(zhì)壓力和溫度的平均值。在密封腔上部安裝一個壓力表，表壓值可與壓力傳感器測量值作對比。
9介質(zhì)加壓及循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計試驗介質(zhì)增壓保壓裝置主要由穩(wěn)壓罐、氮氣瓶和減壓閥組成。利用氮氣瓶中的高壓氮氣對穩(wěn)壓罐中的液態(tài)介質(zhì)進行加壓。減壓閥的出口壓力恒定，保證了試驗系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定。循環(huán)泵使得介質(zhì)從穩(wěn)壓罐中流入密封腔中，再由出口管路流進穩(wěn)壓罐中。穩(wěn)壓罐、進口管路、密封腔、出口管路為閉合回路，盡管機械密封在試驗時會有泄漏，但對穩(wěn)壓罐的體積而言是微小的，此過程中，密封腔內(nèi)介質(zhì)壓力可認為保持不變。介質(zhì)循環(huán)的目的是為將密封腔內(nèi)介質(zhì)的攪拌熱和摩擦熱帶出，并由冷卻器進行冷卻處理。介質(zhì)冷卻器串聯(lián)在出口管路中，介質(zhì)流經(jīng)出口管路時被冷卻器降溫。當(dāng)動環(huán)和靜環(huán)端面比壓加載后密封腔內(nèi)沒有泄漏點，對穩(wěn)壓罐內(nèi)介質(zhì)加壓到預(yù)定值，開動循環(huán)泵后即可實現(xiàn)介質(zhì)的帶壓循環(huán)。
10數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)的設(shè)計本發(fā)明的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的主控系統(tǒng)為PLC系統(tǒng)，為了更加方便的對模擬量進行處理，并且保持處理數(shù)據(jù)格式的統(tǒng)一性和快速性，選用西門子的模擬量處理模塊進行數(shù)據(jù)采集。試驗中，由溫度傳感器、壓力傳感器、稱重傳感器、直線位移傳感器、角度位移傳感器等所得測量值送入PLC系統(tǒng)進行處理，并在上位機(PC機)進行分析、歸檔。各傳感器配置了相應(yīng)的變送器，保證信號傳輸準確。
控制系統(tǒng)不僅能直接進行位置控制，而且在參量跟蹤控制模式下亦通過位置控制來實現(xiàn)，對位置控制性能要求較高。因此，PLC控制系統(tǒng)中選用SIEMENS位置專用擴展模塊FM354(單軸驅(qū)動模塊)驅(qū)動交流伺服電機進行位移量控制。
單坐標工作臺的進給驅(qū)動系統(tǒng)采用西門子的SIMODRIVE BASE LINE驅(qū)動模塊(包括電源模塊、控制模塊)和1FK7系列伺服電機，保證了與西門子PLC位置控制模塊FM354的最佳配置。高速電機的無級變速系統(tǒng)采用安川變頻器。高速電機在運轉(zhuǎn)時進行強制水循環(huán)冷卻。由于系統(tǒng)中還有一些數(shù)字量的處理(如電主軸方向信號，伺服軸的極限開關(guān)、零點信號等)，所以PLC系統(tǒng)選用SIEMENS的16IN/16OUT的數(shù)字量擴展模塊。圖13為本發(fā)明控制系統(tǒng)硬件原理示意圖。
11參數(shù)跟蹤模式本發(fā)明“多參數(shù)可測控高轉(zhuǎn)速機械密封性能試驗裝置”的重要特征在于控制系統(tǒng)能根據(jù)用戶選擇的“跟蹤模式”跟蹤泄漏率、摩擦扭矩或端面膜厚，當(dāng)被跟蹤值偏離給定值一定范圍時，系統(tǒng)調(diào)整端面比壓或動環(huán)轉(zhuǎn)速，使被跟蹤值趨向給定值。
試驗裝置各元件安裝完畢后，用戶通過人機對話界面輸入給出位移，粗調(diào)L形支座位置，至動環(huán)和靜環(huán)端面即將接觸為止。繼續(xù)微調(diào)L形支座位置，至端面剛接觸為止，此時直線位移傳感器尚未測得導(dǎo)向筒的位移量，將此位置定為位置0點。給出端面比壓值，系統(tǒng)將對照F與Δz的關(guān)系表，利用線性插值法計算出彈性元件的壓縮量Δz’，并指令伺服電機驅(qū)動L形支座發(fā)生Δz’的位移，此時，端面比壓應(yīng)與給定相值等。將介質(zhì)充滿密封腔，并加壓。給出動環(huán)轉(zhuǎn)速，啟動高速電機，至穩(wěn)定狀態(tài)后，獲取泄漏率值q。給出泄漏率參照值q0，執(zhí)行“跟蹤”命令。系統(tǒng)比較q與q0，若q＞q0，說明泄漏率值偏大，則壓縮彈性元件以增大端面比壓。反之，則減小彈性元件的壓縮量。雖然控制系統(tǒng)本身響應(yīng)較快，但泄漏介質(zhì)需經(jīng)過導(dǎo)向筒和引流管才流到量杯中，因此泄漏率對端面比壓改變的響應(yīng)較慢，需經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)定狀態(tài)。穩(wěn)定后，再次比較q與q0值，并根據(jù)比較結(jié)果改變端面比壓。一般情況下，較難做到q與q0的絕對相等，因此給出允許的誤差范圍，當(dāng)q與q0之差在誤差范圍內(nèi)即不再調(diào)整端面比壓。泄漏率一般隨運轉(zhuǎn)時間的增長而增大，系統(tǒng)一旦獲知泄漏率q超過q0值時，即按照前述的方法調(diào)整端面比壓。給定工況下，調(diào)整端面比壓是控制泄漏率的唯一途徑，但在密封環(huán)達到一定使用時間后，增大端面比壓已無法控制其泄漏率，此時，系統(tǒng)判定密封失效。
與泄漏率跟蹤相比，摩擦扭矩跟蹤具有快速響應(yīng)的特征。摩擦扭矩跟蹤的原理與泄漏率跟蹤類似，仍以改變端面比壓為手段來改變摩擦扭矩的大小，端面比壓越大，摩擦扭矩越大。摩擦扭矩的改變能在短時間內(nèi)被角位移傳感器獲得，并指令伺服電機作出改變位移的響應(yīng)，調(diào)整時間較短。
端面膜厚跟蹤可控制液膜的最大厚度。由于泄漏率與端面間的平均膜厚成正比，因此采用端面膜厚跟蹤也可控制泄漏率，雖然膜厚跟蹤比泄漏率跟蹤的響應(yīng)要快得多，但其對泄漏率控制的可靠度不及泄漏率跟蹤。端面膜厚的跟蹤策略是首先系統(tǒng)根據(jù)工況條件和摩擦扭矩判斷端面的摩擦狀況，若為液體摩擦，則當(dāng)所測膜厚大于參考值時，增大端面比壓，可減小膜厚。當(dāng)所測膜厚小于參考值時，則增大端面比壓，以減小膜厚。若非液體摩擦，則減小端面比壓可減少摩擦熱，從而減小端面變形，減小最大膜厚。
增大端面比壓，可減小泄漏率，但摩擦扭矩增大，會導(dǎo)致密封環(huán)提前失效。因此，控制泄漏率和延長使用壽命兩者間存在矛盾。選擇本發(fā)明提供的泄漏率跟蹤模式，給定泄漏率，可監(jiān)測摩擦扭矩隨運行時間的變化規(guī)律。若不采用泄漏率跟蹤，則為保證一定運轉(zhuǎn)時間之后泄漏率不超標，需在起始時刻加大端面比壓的余量，摩擦扭矩較大，其運行壽命與泄漏率跟蹤模式下的運行壽命相比要小。
若能保證端面處于液體摩擦狀態(tài)且泄漏率不超標，選擇摩擦扭矩跟蹤模式，以當(dāng)前摩擦扭矩為跟蹤值，監(jiān)測泄漏率隨時間的變化規(guī)律。當(dāng)泄漏率增大到極限值時，再改用泄漏率跟蹤模式，直至密封失效，此法也可延長機械密封的運行壽命。
本發(fā)明的參數(shù)跟蹤模式實現(xiàn)了機械密封可控性運行，同時兼顧控制泄漏率和延長使用壽命，具有重要的工程應(yīng)用價值。
上述實施例不以任何方式限定本發(fā)明，凡采取等同替換或等效替換的形式所形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.多參數(shù)可測控的高轉(zhuǎn)速機械密封試驗裝置包括(1)密封系統(tǒng)；(2)驅(qū)動系統(tǒng)；(3)端面比壓加載及伺服反饋系統(tǒng)；(4)端面摩擦扭矩和端面比壓測量系統(tǒng)；(5)膜厚測量系統(tǒng)；(6)泄漏測量系統(tǒng)；(7)靜環(huán)溫度測量系統(tǒng)；(8)介質(zhì)溫度及壓力測量系統(tǒng)；(9)試驗介質(zhì)加壓及循環(huán)系統(tǒng)；(10)數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)；密封系統(tǒng)的密封腔置于端面比壓加載及伺服反饋系統(tǒng)的單坐標導(dǎo)軌平臺上；驅(qū)動系統(tǒng)中電機動力輸入軸與密封腔中被測機械密封的動環(huán)座相連接，動環(huán)座連接動環(huán)；動環(huán)與靜環(huán)相連，端面摩擦扭矩和端面比壓測量系統(tǒng)中導(dǎo)向筒與數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)中的傳感器相連接；膜厚測量系統(tǒng)中的膜厚測量傳感器置于密封系統(tǒng)的靜環(huán)托環(huán)上，并與數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)相連接；密封系統(tǒng)中動、靜環(huán)之間的導(dǎo)向筒與泄漏測量系統(tǒng)的導(dǎo)流管相連接，導(dǎo)流管與稱重傳感器中的量杯相連接，稱重傳感器與數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)相連接；靜環(huán)溫度測量系統(tǒng)中溫度傳感器埋于密封系統(tǒng)的靜環(huán)中，并與數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)相連接；介質(zhì)溫度及壓力測量系統(tǒng)中的傳感器置于密封系統(tǒng)的密封腔體上，并與數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)相連接；試驗介質(zhì)加壓及循環(huán)系統(tǒng)與密封系統(tǒng)的密封腔構(gòu)成一閉循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多參數(shù)可測控的高轉(zhuǎn)速機械密封試驗裝置，其特征在于其中所述的密封系統(tǒng)是由密封腔、機械密封件和動力輸入軸，所述的機械密封件和密封腔之間充滿被密封介質(zhì)，被測機械密封件處于動力輸入軸和密封腔體之間；機械密封的動環(huán)及動環(huán)座連接在動力輸入軸的軸端，軸端加工有臺階和對稱的圓弧形凹槽，與動環(huán)座上凸緣相連；動環(huán)和動環(huán)座采用卡槽連接，動環(huán)和動力輸入軸之間采用O形圈密封；靜環(huán)端面與動環(huán)端面接觸，靜環(huán)和靜環(huán)托環(huán)采用過盈鑲嵌結(jié)構(gòu)配合，靜環(huán)托環(huán)背面焊接有波紋管，波紋管另一端焊接有靜環(huán)座，靜環(huán)座通過與密封腔相連的壓蓋來調(diào)節(jié)軸向位置，動環(huán)座與壓蓋之間采用O形圈密封。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多參數(shù)可測控的高轉(zhuǎn)速機械密封試驗裝置，其特征在于其中所述的驅(qū)動系統(tǒng)由高速電機和油霧潤滑系統(tǒng)、變頻調(diào)速器、動力輸入軸組成；所述的高速電機還包括水冷卻系統(tǒng)和油霧潤滑系統(tǒng)；水冷卻系統(tǒng)由進口、出口管路，水泵和進出口閥組成；油霧潤滑系統(tǒng)由高壓氣源、減壓閥、油過濾器、油霧化器、冷凝器和油分離器組成；高速電機的轉(zhuǎn)速由變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)與控制；動力輸入軸一端與高速電機通過螺紋聯(lián)接，另一端安裝機械密封動環(huán)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多參數(shù)可測控的高轉(zhuǎn)速機械密封試驗裝置，其特征在于其中所述的端面比壓加載及伺服反饋系統(tǒng)，所述的端面比壓加載及伺服反饋系統(tǒng)包括伺服電機、精密單坐標工作臺、L形支座、及其支承的密封系統(tǒng)；伺服電機與單坐標工作臺采用滾珠絲杠連接，L形支座的水平部分固定于單坐標工作臺的臺面上；L形支座的鉛直邊上開設(shè)中心圓通孔，靜環(huán)座壓蓋安裝在圓孔中，靜環(huán)座壓蓋與L形支座鉛直邊上的中心圓通孔之間用O型密封圈密封；靜環(huán)座和靜環(huán)座壓蓋采用螺紋連接，O型圈密封；靜環(huán)座和靜環(huán)由彈性元件連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多參數(shù)可測控的高轉(zhuǎn)速機械密封試驗裝置，其特征在于其中所述的扭矩和端面比壓測量系統(tǒng)包括靜環(huán)座、導(dǎo)向筒、位移傳動扇形齒片、角位移傳感器及小齒輪、直線位移傳感器；導(dǎo)向筒一端與靜環(huán)托環(huán)內(nèi)孔螺紋緊密連接，另一端活套在靜環(huán)座壓蓋內(nèi)孔中并伸至密封腔外部；所述的位移傳動扇形齒片固定在導(dǎo)向筒的伸出端，用以反映靜環(huán)的角位移和軸向位移；扇形齒片通過小齒輪將導(dǎo)向筒傳遞過來的靜環(huán)角位移傳遞給角位移傳感器；扇形齒片為窄齒，小齒輪為寬齒，其寬度大于等于靜環(huán)座彈性元件的允許壓縮量；靜環(huán)在軸向方向上的位移通過導(dǎo)向筒伸出密封腔的長度變化，引起扇形齒片軸向移動，由直線位移傳感器感知送入直線位移傳感器；扇形齒片與小齒輪配合時可在軸向自由滑動，即小齒輪不影響扇形齒片的軸向位移；扇形齒片上與直線位移傳感器的自由伸縮的接觸部位粗糙度小，頂尖可在圓周上自由滑動。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多參數(shù)可測控的高轉(zhuǎn)速機械密封試驗裝置，其特征在于其中所述的膜厚測量系統(tǒng)包括電渦流傳感器、動環(huán)、靜環(huán)和靜環(huán)托環(huán)；電渦流傳感器安裝在靜環(huán)托環(huán)的外邊沿，動環(huán)采用寬邊設(shè)計，電渦流傳感器的感應(yīng)端正對動環(huán)的凸緣。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多參數(shù)可測控的高轉(zhuǎn)速機械密封試驗裝置，其特征在于其中所述的測漏系統(tǒng)由導(dǎo)向筒、導(dǎo)向筒端蓋、引流管、量杯和稱重傳感器組成；導(dǎo)向筒一端與靜環(huán)托環(huán)采用螺紋連接，導(dǎo)向筒伸出端旋有一個一端內(nèi)徑略小于導(dǎo)向筒內(nèi)徑的端蓋，導(dǎo)向筒端蓋的端部開有一圓孔，連接輕質(zhì)引流管，引流管一端置于量杯上方，量杯放置在稱重傳感器上；泄漏介質(zhì)從動環(huán)和靜環(huán)端面間流出，經(jīng)光滑的導(dǎo)向筒內(nèi)壁流向?qū)蛲捕松w，介質(zhì)在導(dǎo)向筒端蓋處匯聚，沿引流管流入量杯。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多參數(shù)可測控的高轉(zhuǎn)速機械密封試驗裝置，其特征在于其中所述的端面溫度測量系統(tǒng)由薄膜鉑電阻測溫元件和靜環(huán)組成；靜環(huán)周向均布3個φ3的盲孔，盲孔底面距離動、靜環(huán)摩擦面2～3mm，采用絕緣膠將鉑電阻埋入盲孔中，鉑電阻信號線沿導(dǎo)向筒內(nèi)壁引出。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多參數(shù)可測控的高速機械密封試驗裝置，其特征在于其中所述的介質(zhì)溫度及壓力測量系統(tǒng)由壓力傳感器、溫度傳感器和壓力表組成。壓力傳感器和溫度傳感器均安裝在密封腔體上，測壓元件和測溫元件與介質(zhì)接觸，測量信號送測量傳感器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多參數(shù)可測控的高轉(zhuǎn)速機械密封試驗裝置，其特征在于其中所述的試驗介質(zhì)加壓及循環(huán)系統(tǒng)包括介質(zhì)進口管路、出口管路、進口閥門、出口閥門、排空閥、穩(wěn)壓罐、氮氣瓶、減壓閥、循環(huán)泵、冷卻器；循環(huán)泵將穩(wěn)壓罐中的介質(zhì)抽出，經(jīng)過濾器、進口閥送入密封腔；密封腔中的介質(zhì)經(jīng)出口閥門，流入冷卻器，冷卻后流入穩(wěn)壓罐，再從穩(wěn)壓罐中被循環(huán)泵抽出；排空閥安裝在密封腔體的最高處。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多參數(shù)可測控的高轉(zhuǎn)速機械密封試驗裝置，其特征在于其中所述的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)包括PLC控制系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、工控機和電氣柜；傳感器將采集到的信號送入PLC控制系統(tǒng)中的模擬輸入模塊，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入PLC控制系統(tǒng)的CPU，再由PLC控制系統(tǒng)的CPU送入工控機顯示；通過工控機可以下達工作指令給PLC控制系統(tǒng)的CPU，經(jīng)由定位模塊激活伺服驅(qū)動系統(tǒng)工作，調(diào)節(jié)機械密封端面比壓。
全文摘要
本發(fā)明涉及機械密封可控性試驗裝置，采用新結(jié)構(gòu)和高精度傳感器測量機械密封性能參數(shù)。屬于機械設(shè)計與過程自動化控制領(lǐng)域。它包括密封系統(tǒng)；驅(qū)動系統(tǒng)；端面比壓加載及伺服反饋系統(tǒng)；端面摩擦扭矩和端面比壓測量系統(tǒng)；膜厚測量系統(tǒng)；泄漏測量系統(tǒng)；靜環(huán)溫度測量系統(tǒng)；介質(zhì)溫度及壓力測量系統(tǒng)；試驗介質(zhì)加壓及循環(huán)系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。本發(fā)明應(yīng)用范圍廣，通過更換動力輸入軸，可對不同直徑普通泵用平行端面和流體動壓式等類型機械密封，在水、油等不易揮發(fā)介質(zhì)，高、中、低不同轉(zhuǎn)速條件下進行試驗研究。
文檔編號G01D21/02GK1825083SQ20061003908
公開日2006年8月30日 申請日期2006年3月27日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月27日
發(fā)明者孫見君, 魏龍, 劉其和, 周劍鋒 申請人:南京化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院