机械密封性能试验装置及密封端面间的轴向力和温度测量方法

机械密封性能试验装置及密封端面间的轴向力和温度测量方法
【专利摘要】一种机械密封性能试验装置，电主轴与单悬臂工作主轴连接，由动环端面与静环端面等比压压紧作用实现单悬臂工作主轴的浮动支撑；测力套筒边缘端为法兰结构，测力套筒上设有轴向力应变片；轴套套装在单悬臂工作主轴上并穿过密封腔左右两端的端盖，轴套与单悬臂工作主轴在轴向滑动、周向用嵌槽块定位相连；轴套上设有螺距相等，螺旋线方向相反的两段螺纹，分别与左螺母和右螺母进行旋合；两个推环的背侧分别与两个动环座接触；动环座与轴套在轴向滑动在周向定位相连；静环内开设与密封端面相通的通孔，通孔内放置红外探头。这种设计结构实现了对包括大直径高转速在内的机械密封的性能参数测量，特别是密封端面间的轴向力和温度的测量。
【专利说明】机械密封性能试验装置及密封端面间的轴向力和温度测量方法

【技术领域】
[0001]本发明属于机械密封测试【技术领域】，特别涉及一种无轴向附加力、结构简单、操作方便，能够对机械密封动环和静环密封端面间的轴向力和温度精确测定的密封性能试验装置。

【背景技术】
[0002]作为离心泵、反应釜、压缩机等动设备的一种转轴密封，机械密封被广泛应用于航空，船舶、石油化工、核电站等领域。装置的大型化和生产的连续性，以及资源的日渐枯竭和环境的不断恶化，都对机械密封性能提出了更高的要求。机械密封分为接触式机械密封和非接触式机械密封两类，两者的区别在于后者的端面上开设有型槽，工作时端面间存在较大的膜压，动环和静环端面不接触，无摩擦磨损。为了了解新设计出的机械密封的性能，密封技术工作者开发了各种用途的机械密封性能试验装置。
[0003]从公知的技术中可以看到，机械密封性能试验装置按照主轴支撑的方式可以分为单悬臂结构和双悬臂结构，其特点是，工作主轴穿入一个密封腔端盖，或者穿入穿出两个密封腔端盖。对于单悬臂式机械密封试验装置，若工作主轴只穿入一个密封腔端盖，即工作主轴轴端处于密封腔中，则密封介质作用于轴端和动环及静环浸液表面，不同大小的密封介质压力以及不等的动环和静环浸液表面积形成的轴向力大小存在差异，由此导致支承主轴的轴承的摩擦扭矩不同，从而影响机械密封端面摩擦扭矩的测量精度，如专利CN100535627C ;若工作主轴穿入穿出两个密封腔端盖，即工作主轴轴端处于密封腔外，则密封介质不作用于轴端，又由于对称布置于密封腔两端的两组机械密封，其动环和静环浸液表面净面积相等，因而主轴上不存在密封介质压力形成的轴向力，有效地解决了支承主轴轴承的摩擦扭矩变化对测量精度的影响问题，如专利CN102589821B，但是，要实现两组机械密封的弹簧力相等以避免产生轴向力带来轴承摩擦扭矩的影响，需要非常精细的调节，十分不便；要想将这种机械密封性能试验装置用于高速机械密封的性能测试，需要为其配备高速轴承箱。
[0004]对于双悬臂式机械密封性能试验装置，一般每个悬臂上匹配一个密封腔，并穿入各自密封腔的端盖，两组结构、尺寸相同的机械密封对称于工作主轴的中截面分别安装在悬臂的两端，可以相互抵消由于各个密封腔内密封介质引起的轴向力和弹簧引起的端面比载荷，解决了工作主轴只穿入一个密封腔端盖的单悬臂式机械密封性能试验装置存在不平衡轴向力的问题。但是，双悬臂式机械密封性能试验装置的动力装置必须布置在工作主轴的中间部位，采用皮带或齿轮传动，结构复杂。
[0005]在简化结构和轴向力平衡上，工作主轴穿入穿出两个密封腔端盖的机械密封性能试验装置具有明显的优势。专利CN103267613A采用工作主轴穿过与之间隙配合的轴套，在轴套中部设置螺距相等，螺旋线方向相反的两段螺纹，分别与左螺母和右螺母旋合，左螺母与右螺母上开设与轴套轴线平行的短销孔，用于插入短销，防止两螺母相对转动，旋转轴套，带动左右螺母等距的向左，向右移动，并推动分别与左螺母与右螺母接触的两组动环座，通过两组弹簧及两组推环推动两组动环对静环的压紧。该单悬臂结构实现了两组机械密封弹簧比压的等量调节，克服了密封腔端面浸液面积不等引起的不平衡轴向力。由于这种结构装置的轴套与工作主轴在具有相对运动趋势时，存在一定的滑动摩擦阻力，影响着密封端面摩擦扭矩的测量。
[0006]从公知技术还可以看到，机械密封性能试验装置测量技术的难点主要体现在密封端面摩擦扭矩、端面间轴向力和端面间温度的测量上。
[0007]专利CN1825083A利用在电机输出轴和工作主轴之间加装扭矩传感器来测量端面摩擦扭矩，为了提高测量灵敏度，以及保证一定的量程宽度和小转矩情况下的测量，扭矩轴直径通常设计得较小，这在实际测量时往往会因为启动转矩较大而损坏。专利CN103267613A采用在轴套两端开设U型口，U型口侧壁安装周向力传感器以及U型口处的工作主轴上设置传动销感知端面摩擦扭矩产生的力，然后乘以周向力传感器所处的力臂来获取密封端面摩擦扭矩的，避免了扭矩轴的使用，保证了测量灵敏度。
[0008]机械密封动环和静环间轴向力对其工作性能颇具影响。机械密封动环和静环间的轴向力由弹簧力和介质压力在动环和静环浸液表面净面积引起的轴向力构成。对于接触式机械密封而言，动环和静环在工作过程中没有分离、存在接触，动环和静环间的压力由动环和静环端面上的微凸体和介质膜共同承担。随着端面间工况的不同，微凸体之间的支承力和介质提供的压力不断变换着权重，很难直接测量出各自的大小。Mayer、宋鹏云等人在静环端面不同径向位置处开设孔道将流体引至压力传感器进行测量。张继革等人在静环上钻孔将压力信号引出，利用电阻应变式传感器将电阻信号转换为电压信号，并将测取信号经过计算机处理实现对流体动压测量。这种引压法，由于引流孔道过长引起流体产生压降，同时静环的开口处也会导致液膜流场的变化，对测量精度构成极大影响。对于非接触式机械密封而言，动环和静环在工作过程中完全分离、不存在接触，动环和静环间的压力由动环和静环端面间的介质膜独立承担。顾永泉等人设计电容法对端面膜压进行了测量，将金属膜片设置于一金属壳体端部，在金属膜片后一段距离处装一与金属壳体绝缘的圆柱形电极，当产生流体动压时，金属膜片与电极间产生的电容量转化成输出电量作为膜压测量值。但由于电容传感器的寄生电容及干扰因素的影响会使其灵敏度下降，导致测量结果不准确，测试精度不高，而且测试方法繁琐。
[0009]精确测定机械密封端面间的温度是非常困难的，一是因为动环和静环密封端面无法安装传感器。对于接触式机械密封，由于动环和静环端面存在摩擦磨损，热电偶不能直接布置于端面上，否则会磨坏；对于非接触式机械密封，尽管稳定运行时动环和静环端面不接触，但在启动或停机阶段，动环和静环都会接触产生摩擦磨损，若热电偶直接布置于端面上，启动时便会磨坏。二是因为动环和静环端面间所产生的温度只能维持很短的时间，难以通过移开其中一个摩擦副来直接测量。目前采用的都是间接测量技术，比如王玉明等人采用的埋设热电偶温度传感器的方式进行测量，即将热敏电偶埋设在距离静环端面1_左右的位置，将实测到的该位置的温度加上因偏离端面给定的补偿，表征为螺旋槽流体动压非接触式机械密封的端面温度。宋鹏云、朱孝平等人也采用了该方法对变工况下机械密封端面进行温度动态测量。廖和滨等人采用多点埋设热电偶的方法，获取了端面温度场的分布。此类方法实现了对机械密封端面温度的间接测量，但其中补偿值作为经验值，随端面摩擦工况不同有所不同，难以准确反映工况不断变化的密封端面的温度。为此，专利CN102128692A，在静环密封面背面同一直径上周向均布加工η个Φ1的轴向盲孔，盲孔底面距离动环和静环摩擦端面分别为hl，h2，…，hn mm，采用绝缘胶将热电偶温度传感器埋入盲孔中，热电偶温度传感器的信号线沿被密封设备的端盖内孔壁引出。将试验过程中η处测得的温度回归成温度-距离端面深度曲线T = f(h)，利用外插法求取h = O处的端面温度即为端面摩擦温度。这一温度考虑了不同厚度的静环材料的热阻对测量值的影响，避开使用温度补偿经验值，较好地反映了摩擦端面的温度。但该方法也仍是间接测量方法，并非是摩擦端面的直接测量温度。
[0010]邢大淼在静止摩擦副上开设用于测温的辐射通道，将红外测温探头固定在静止摩擦副侧的试验机静态部件上，保持测温点、测温的辐射通道与红外测温探头处于一条直线上，摩擦磨损试验过程中，摩擦副接触面热辐射通过该通道被红外测温探头接收，达到测量温度的目的(邢大淼，基于反推热流法的铜基轴承材料端面摩擦温度场研究，合肥工业大学硕士学位论文，2012)。但由于测量点较长时间暴露于空气中，其摩擦瞬间所产生的温度维持极短时间后迅速降低，极大地影响测量精度。


【发明内容】

[0011]本发明的目的是提供一种结构简单，能够对接触式机械密封动环和静环密封端面间的由微凸体的支承力与介质提供的膜压的合力，即密封端面载荷、温度，以及非接触式机械密封端面间的流体动压力、温度进行精确测定的密封性能试验装置。
[0012]机械密封性能试验装置，包括电主轴1、单悬臂工作主轴2、测力套筒41、静环O形圈43、静环44、动环45、轴向力应变片11、红外探头12、设置于密封腔左右两端的端盖19、用于泄漏介质收集的左泄漏腔3和右泄漏腔10 ;电主轴I与单悬臂工作主轴2通过带螺纹的锥头部位连接，由动环45端面与静环44端面等比压压紧作用实现单悬臂工作主轴2的浮动支撑；在轴套18的左右两端分别设置有测力套筒41，静环44尾部的圆柱面置于测力套筒41的前端孔中，并使静环44尾部端面贴紧测力套筒41的前端孔中的台阶上，测力套筒41的后端孔的内壁上贴有轴向力应变片11，当进行密封性能试验时，密封端面会由于弹簧及介质而产生轴向力，此轴向力通过静环44尾部端面传给测力套筒41的前端孔中的台阶上，使测力套筒41及轴向力应变片11产生压缩变形，从而能测得密封端面间的轴向力；静环44上开有一个轴向通孔，将红外探头12置于通孔中，并靠近密封端面，借助红外探头12可采集摩擦端面的温度。
[0013]每组待测机械密封包括静环O形圈43、静环44、动环45、动环O形圈46、推环47、弹簧48、动环座49 ;动环座49与动环45之间依次设置有弹簧48、推环47、动环O形圈46 ;动环45与动环座49通过其上的凹槽和凸缘形成轴向滑动、周向定位连接；静环44与动环45在轴向相对且静环44通过静环防转销42与测力套筒41相连；测力套筒41后端边缘的法兰与密封腔的端盖19采用螺栓连接；与单悬臂工作主轴2间隙配合的轴套18套装在单悬臂工作主轴2上，轴套18穿过密封腔20两端的端盖19 ;轴套18中部开设两段螺距相等、螺旋线方向相反的螺纹；两个螺母分别与所述螺纹配合；两个螺母的背侧分别是两个待测机械密封中的动环座49 ;动环座49与轴套18在轴向滑动在周向定位相连。
[0014]试验操作时，先将两个螺母旋合至轴套18上的两段螺纹处，然后将两组机械密封的动环座49、弹簧48、推环47、动环O形圈46、动环45对称装至轴套18上；将两个静环44分别通过静环防转销42与带有静环O形圈43的测力套筒41相连，测力套筒41后端边缘的法兰与端盖19通过螺钉联接；再依次将左泄漏腔3、带有静环的左端盖19、密封腔20、带有两个螺母、动环等的轴套18 —并穿套在单悬臂工作主轴2上，盖上与密封腔20右侧面相连且带有静环44的右端盖并装上右泄漏腔10 ;单悬臂工作主轴2及轴套18分别穿出两个端盖19。旋转轴套18时，两个螺母相对于单悬臂工作主轴2只轴向移动、不转动。由于轴套18在单悬臂工作主轴2上无轴向定位，轴套18中心横截面的初始位置与密封腔20中心横截面不重合，即轴套18中心横截面的初始位置与两个端盖上的静环44端面距离不相等，旋转轴套18带动与其旋合的两个螺母相背移动(两个螺母之间的距离逐渐增大)，推动两组机械密封的动环座49通过弹簧48、推环47分别压向动环O形圈46和动环45，先压至静环44的一组机械密封将推动轴套18向另一组机械密封方向移动，直至另一组机械密封的动环45、静环44接触，随后，两组机械密封的端面比压一同增加。最终，轴套18中心横截面与密封腔20中心截面自动对中，两组动环45与静环44获得相同的初始比压。推环47与动环45之间的动环O形圈46保证了动环45与轴套18之间的密封。
[0015]获得端面比压的两组机械密封，其动45和静环44之间具有一定的摩擦支撑力。如图2所示，在静止条件下，两组机械密封的动环45和静环44之间的摩擦支撑力Ff与电主轴I端部的支撑力共同承受单悬臂工作主轴2及其上轴套18、动环45、动环O形圈46、推环47、弹簧48、动环座49、左螺母6、右螺母8的重力，而左侧静环对左侧动环的作用力Fp与右侧静环对右侧动环的作用力Fp相等，所以轴向不受力；在运转条件下，当单悬臂工作主轴2右端发生向上偏转时，联接在密封端盖19上的测力套筒41并通过静环防转销42与其连接的静环44将对偏转动环45产生支反力，左侧动环45上部受到左侧静环44的向右的水平力Fpl和向下的摩擦力Ffi，右侧动环45下部受到右侧静环44的向左的水平力Fpl和向下的摩擦力Ffi，向右的水平力Fpl和向左的水平力Fpl形成一促使单悬臂工作主轴2顺时针偏转的力偶，左侧动环45和右侧动环45受到的向下的摩擦力Ffi促使向上偏转的单悬臂工作主轴2及其上轴套18、动环45、动环O形圈46、推环47、弹簧48、动环座49、左螺母5、右螺母8回归原位，如图3所示；当单悬臂工作主轴2右端发生向下偏转时，联接在密封端盖19上的测力套筒41并通过静环防转销42与其连接的静环44将对偏转动环45产生支反力，左侧动环45下部受到左侧静环44的向右的水平力Fp2和向上的摩擦力Ff2，右侧动环45上部受到右侧静环44的向左的水平力Fp2和向上的摩擦力FF2，向右的水平力Fp2和向左的水平力Fp2形成一促使单悬臂工作主轴2逆时针偏转的力偶，左侧动环45和右侧动环45受到的向上的摩擦力Ff2促使向下偏转的单悬臂工作主轴2及其上轴套18、动环45、动环O形圈46、推环47、弹簧48、动环座49、左螺母5、右螺母8回归原位，如图4所示。因此，通过动环45和静环44因压紧产生的摩擦支承力作用，保证了单悬臂工作主轴2的浮动支撑功能。
[0016]上述的机械密封性能试验装置，电主轴I为变频电机的电主轴。通过变频电机即可改变单悬臂工作主轴2的转速，适于在不同转速下对密封性能进行测试，并进行对比。
[0017]上述的机械密封性能试验装置，轴套18两端内孔内过盈配合有铜套15，所述的铜套15上开设有放置滚珠16的孔道，滚珠16与单悬臂工作主轴2外周形成滚动副。在轴套18与单悬臂工作主轴2存在相对运动或相对运动趋势时，有效降低摩擦力，为端面摩擦扭矩的精确测量提供了保证。
[0018]上述的机械密封性能试验装置，在轴套18伸出密封腔的左右端盖19的两端同一母线上开设两个U型口 22，U型口 22内有固定在单悬臂工作主轴2上的嵌槽块13，U型口22侧壁上设置周向力传感器23。
[0019]由于套装在单悬臂工作主轴上的轴套与单悬臂工作主轴之间的摩擦扭矩很小，端面摩擦扭矩通过轴套几乎毫无损失地传递给了单悬臂工作主轴。通过测量轴套或者单悬臂工作主轴受到的扭矩即可得到动环与静环之间的摩擦扭矩(机械密封的端面摩擦扭矩)。为了提高传感器的受力均匀性，嵌槽块位于U型口内并通过紧固螺钉固定在单悬臂工作主轴上，在U形口侧壁安装周向力传感器，嵌槽块对U型口侧壁施力驱动轴套克服机械密封端面摩擦扭矩而转动，周向力传感器测得的周向力乘以力臂(周向力的作用点到轴套轴线的距离)即可得到机械密封端面摩擦扭矩。
[0020]上述的机械密封性能试验装置，密封腔的左右端盖19两侧安装两个用于收集和测量泄漏介质的左泄漏腔3和右泄漏腔10，左泄漏腔3和右泄漏腔10分别设有泄漏口。算取两泄漏腔中密封介质的平均值量作为泄漏量，减小了单个泄漏腔测量结果带来的分散性。
[0021]上述的机械密封性能试验装置，测力套筒41后端的边缘加工有一法兰，法兰上均布有六个通孔，用螺钉与端盖19联接。测力套筒41前端部开设有放置静环O形圈的沟槽，用静环O形圈实现测力套筒41与静环之间的密封；测力套筒41与静环44采用静环防转销42连接，保证静环44与测力套筒41的轴向滑动和周向定位；测力套筒41后端孔为光滑内壁，贴有轴向力应变片；安装时，测力套筒41的中心与端盖19的中心孔同轴。
[0022]上述的机械密封性能试验装置，静环44密封端面处的外径、静环O形圈43密封处的外径及测力套筒41后端孔处的外径均相等。见图7，静环44密封端面处的外径=静环O形圈43密封处的外径=测力套筒41后端孔处的外径=Φ，避免介质压力在静环44和测力套筒41上产生的轴向力对密封端面轴向力测量造成影响。
[0023]上述的机械密封性能试验装置，当密封腔通入介质且单悬臂工作主轴2处于旋转状态时，而动环45与静环44未分离时，密封端面间存在介质膜和微凸体接触，则轴向力应变片11测得的轴向力为动环45上微凸体对静环44上微凸体的支承力与介质提供的膜压的合力，即密封端面载荷；当密封腔通入介质且单悬臂工作主轴2处于旋转状态时，且动环45与静环44分离，密封端面间仅存在介质膜，则轴向力应变片11测得的轴向力即为流体动压力。
[0024]图9为动环和静环端面相接触的接触式机械密封的静环受力图，作用在静环上的密封端面轴向力F。(动环45和静环44未分离，其间存在介质膜和微凸体接触，密封端面轴向力表现为动环上微凸体对静环上微凸体的支承力和介质提供的膜压的合力)；介质对静环左侧面的作用力F1 ;介质对静环右侧面的作用力F2 ;测力套筒对静环的支撑反力F3 ;静环O形圈对静环的摩擦力Ff。根据受力平衡原理:Fc^F1=FdFJFp由于静环密封端面处的外径=静环O形圈密封处的外径=Φ，静环左右侧面所受介质产生附加轴向力相等，即F1=F2 ；因此，F0=F3+Ff。
[0025]图10，动环和静环端面相接触的接触式机械密封的测力套筒的受力情况，其中F3为静环对测力套筒的反作用力；f4为介质对测力套筒前端部左侧面及其内径与静环O形圈密封处静环外径之间的环面的作用力(或者，换一种说法，F4为介质对测力套筒前端部左侧面以及位于静环O形圈沟槽外的静环O形圈部分的作用力);f5为介质对测力套筒前端部右侧面的作用力；f6为介质对测力套筒上静环O形圈沟槽深度范围内的静环O形圈左侧的作用力；F7为介质对测力套筒上静环O形圈沟槽左侧面的作用力；Ff为静环对静环O形圈的摩擦力反力；F8为测力套筒受到的支反力，亦即轴向力传感器测得的轴向力。根据力平衡条件可知:F3+F4+F6+Ff=F5+F7+F8。由于静环O形圈密封处的外径=测力套筒后端孔处的外径=Φ，则介质作用在测力套筒前端部左侧面及其内径与静环O形圈密封处静环外径之间的环面的作用力，与介质作用在测力套筒前端部右侧面的作用力相等，即F4=F5 ;又介质作用在测力套筒上静环O形圈沟槽左侧面的力与作用在静环O形圈沟槽深度范围内静环O形圈左侧面的力相同，即F6= F7 ;则F3+Ff=F8。
[0026]由FQ=F3+Ff和F3+Ff=F8可以得到Ftl=F8,即把静环和测力套筒作为整体分析时，摩擦力Ff将转化为静环与测力套筒之间的内力。轴向力传感器测得便是接触式机械密封端面的动环上微凸体对静环上微凸体的支承力和介质提供的膜压的合力，即密封端面载荷。
[0027]图11为动环和静环端面不接触的非接触式机械密封静环受力图，作用在静环上的密封端面轴向力Ftl(动环45和静环44端面间距δ，其间只有介质膜存在，没有微凸体接触，密封端面轴向力表现为流体动压力)；介质对静环左侧面的作用力F1 ;介质对静环右侧面的作用力F2 ;测力套筒对静环的支撑反力F3 ;静环O形圈对静环的摩擦力Ff。根据受力平衡原理:匕+匕=&+&+&。由于静环密封端面处的外径=静环O形圈密封处的外径=Φ，静环左右侧面所受介质产生附加轴向力相等，即F1=F2 ;因此，Ftl=FfFp
[0028]图12，动环和静环端面不接触的非接触式机械密封的测力套筒的受力情况，其中F3为静环对测力套筒的反作用力；F4为介质对测力套筒前端部左侧面及其内径与静环O形圈密封处静环外径之间的环面的作用力(或者，换一种说法，F4为介质对测力套筒前端部左侧面以及位于静环O形圈沟槽外的静环O形圈部分的作用力);F5为介质对测力套筒前端部右侧面的作用力；F6为介质对测力套筒上静环O形圈沟槽深度范围内的静环O形圈左侧面的作用力；F7为介质对测力套筒上静环O形圈沟槽左侧面的作用力；Ff为静环对静环O形圈的摩擦力反力；F8为测力套筒受到的支反力，亦即轴向力传感器测得的轴向力。根据力平衡条件可知:F3+F4+F6+Ff=F5+F7+F8。由于静环O形圈密封处的外径=测力套筒后端孔处的外径=Φ，则介质作用在测力套筒前端部左侧面及其内径与静环O形圈密封处静环外径之间的环面的作用力，与介质作用在测力套筒前端部右侧面的作用力相等，即F4= F5 ;又介质作用在测力套筒上静环O形圈沟槽左侧面的力与作用在静环O形圈沟槽深度范围内静环O形圈左侧面的力相同，即F6= F7 ;则F3+Ff=F8。
[0029]由Ftl=FfFf和F3+Ff=F8可以得到Ftl=F8,即把静环和测力套筒作为整体分析时，静环O形圈处摩擦力Ff将转化为静环与测力套筒之间的内力，轴向力传感器测得便是非接触机械密封端面间的流体动压力。
[0030]上述的机械密封性能试验装置，将红外探头12置于静环44轴向通孔内距密封端面l_3mm处，并采用绝缘胶实现与孔壁之间的密封。
[0031]上述的机械密封性能试验装置，红外探头12将动环45或介质膜辐射的能量汇聚到探头上，基于普朗克黑体辐射定律和斯蒂芬-玻尔兹曼定律，可以实时测取动环45或介质膜的温度值。
[0032]众所周知，自然界中一切高于零度的物体都在不停的向外辐射能量，物体向外辐射能量的大小及其按波长分布与它的表面温度存在十分密切的关系，利用红外测温探头测量波长从零到无限大整个光谱范围动环的总辐射功率以及黑体定标来确定动环表面的温度，其总辐射功率的大小与动环表面温度之间的关系可以用斯蒂芬-玻尔兹曼定律来描述。由于黑体辐射定律产生的红外测温技术具有测量温度准确、响应速度快、非接触式测量等优点，可以很好的实现对摩擦端面温度的准确测量。
[0033]本发明的有益效果:
(I)变频电主轴通过带螺纹的锥头部位与单悬臂工作主轴以锥孔定位，螺纹锁紧，不再使用支撑单悬臂工作主轴的支承轴承，高速电主轴将动力传至单悬臂工作主轴，实现电主轴高速驱动单悬臂工作主轴的密封试验，使得试验装置的试验速度达到了电机或电主轴的转速，同时避免了对高性能轴承的选用以及高速情况下对轴承产生的破坏，简化密封试验装置的结构。
[0034](2)轴套穿过密封腔左右端面，将尺寸、结构相同的两组密封组件对称地布置在轴套中间横截面的两侧，密封腔内通入介质时不会产生附加轴向力。通过旋转轴套，可以等比压调节两组密封组件，并实现轴套中心截面与密封腔中心截面重合，可满足大直径机械密封的性能测试。
[0035](3)密封腔内采用两组结构和尺寸均相同的机械密封试件，由动环端面与静环端面等比压压紧作用实现单悬臂工作主轴的浮动支撑，减小了悬臂单悬臂工作主轴绕度，保证了单悬臂工作主轴的平稳、高速运转。
[0036](4)实现了轴向力特别是非接触式机械密封端面膜压的精确测量。设计静环密封端面处的外径、静环O形圈密封处的外径及测力套筒后端孔处的外径均相等，并将静环O形圈槽设置于测力套筒上，克服了介质压力、O形圈摩擦力对密封端面流体动压测量的影响。
[0037](5)在静环内开设通孔放置红外探头与动环密封端面相对，利用红外测温技术对摩擦端面的温度进行直接测量，有效避开了在静环内埋设热电偶传感器测量摩擦端面温度时因热阻导致的误差。

【专利附图】

【附图说明】
[0038]图1为机械密封性能试验装置的轴面剖视图图2为单悬臂工作主轴静止时浮动支撑受力图
图3为单悬臂工作主轴向上偏转时浮动支撑受力图图4为单悬臂工作主轴向下偏转时浮动支撑受力图图5为轴套及安装在轴套上零件的轴面剖视图图6为轴套A-A处滚珠安装截面图图7为轴套与轴配合端部局部俯视图图8为测力套筒及轴向力应变片布置放大图图9为接触式机械密封静环受力图图10为接触式机械密封测力套筒受力图图11为非接触式机械密封静环受力图图12为非接触式机械密封测力套筒受力图图13为接触式机械密端面轴向力受力总图图14为非接触式机械密封端面轴向力受力总图图15为红外探头安装部位放大图图16为红外探头一种分布方式图图17为红外探头另一种分布方式图
图18是电主轴、单悬臂工作主轴、左右泄漏腔组件、两组密封组件等的放大图。
[0039]图中:1电主轴、2单悬臂工作主轴、3左泄漏腔、41测力套筒、42静环防转销、43静环O形圈、44静环、45动环、46动环O形圈、47推环、48弹簧、49动环座、5左键、6左螺母、7导柱销、8右螺母、9右键、10右泄漏腔、11轴向力应变片、12红外探头、13嵌槽块、14紧固螺钉、15铜套、16滚珠、17紧定螺钉、18轴套、19左右端盖、20密封腔、21拖板、22U型口、23周向力传感器。

【具体实施方式】
[0040]下面结合附图，进一步说明本发明的内容与特点。
[0041]参照附图，本发明机械密封性能试验装置是将变频电机的电主轴与单悬臂工作主轴直接相连，避免使用支撑主轴的轴承，实现高转速密封试验，消除高速度引起轴承的故障率；轴套穿过两密封端盖，设置对称安装两组相同的机械密封组件，利用弹簧对密封端面等比压调节，消除密封腔内轴向力，满足大直径密封性能；两组密封摩擦端面提供的浮动支撑功能，保障单悬臂工作主轴平稳、高速运转；通过减少轴套与单悬臂工作主轴之间的摩擦力，合理的设计周向力传感器安装方式，使端面摩擦扭矩测量更精确；本发明机械密封性能试验装置能对机械密封端面轴向力，特别是非接触式机械密封端面动压力的精确测量；利用红外探头装置实现对不同工况下机械密封摩擦端面的温度及温度场准确、实时的直接测量。
[0042]具体实施如下:
参见图1、7、8、18，变频电机的电主轴I的右端设置螺孔和锥孔，单悬臂工作主轴2的左端设置与螺孔相应的螺纹和与锥孔配合的圆锥。将单悬臂工作主轴2左端螺纹旋入螺孔，使圆锥与锥孔配合。变频电机的电主轴I输出动力会直接传递给单悬臂工作主轴2。组装左泄漏腔组件，将唇形密封圈和左气体泄漏堵头装入带有液体泄漏口的左泄漏腔3。组装右泄漏腔组件，将右气体泄漏堵头装入带有液体泄漏口的右泄漏腔10。组装左右端盖密封组件，两静环O形圈43安装在两测力套筒41上，静环44尾部的圆柱面置于测力套筒41的前端孔中，并使静环44尾部端面贴紧测力套筒41的前端孔中的台阶上，测力套筒41的后端孔的内壁上贴有轴向力应变片11，将静环44通过静环防转销42与测力套筒41相连，测力套筒41后端的边缘加工有一法兰，将法兰连同安装好的静环等零件一并装入端盖19中心孔处，并与端盖19通过螺钉联接。轴套18两端的内壁与铜套15进行过盈配合。轴套18两端的同一母线上开设有U型口 22，用来安装周向力传感器23。轴套18两端和铜套15的外圆周上以间隔120°的角度均匀开设放置滚珠的孔道，用于放置滚珠16和紧定螺钉17 ;在轴套18中间部开设两段螺距相同，螺旋线方向相反的螺纹；左右螺纹两侧开有供左键5与右键9安装的键槽，用于与之配合的左、右动环座49周向固定。组装密封组件，将左螺母6和右螺母8分别与轴套18的左螺纹和右螺纹旋合，把导柱销7插入左螺母6与右螺母8上开有轴线与轴套20轴线平行的柱销孔，导柱销7的左端与左螺母6过盈配合，导柱销7右端与右螺母8间隙配合，防止左螺母6与右螺母8的相对转动；然后把左键5与右键9分别装入轴套18的左、右键槽内，再依次将动环座49、弹簧48、推环47、动环O形圈46、动环45分别对称装入轴套18上。
[0043]整体安装，将已装好的左泄漏腔组件、已装好的左端盖密封组件及带有密封组件的轴套18分别穿过单悬臂工作主轴2，其中轴套18与单悬臂工作主轴2间隙配合；将拖板21连同密封腔20的左侧移至左端盖19，并用螺钉固定；然后将安装好的右端盖密封组件穿过轴套18移至密封腔20右侧，并用螺钉固定。
[0044]将一根V型头的导向轴插入密封腔20上插孔，并伸入至通过轴套轴线的平面垂直于轴套轴线和柱销孔轴线所构成的平面并与左螺母6相交的母线处开设的V型导向道，然后旋转轴套18，左螺母6与右螺母8分别等距的向左，向右运动，先推动一组动环45压紧静环44，然后会推动另一组动环45压紧静环44，最终实现端面等比压调节及轴套中心横截面和密封腔中心横截面重合的自动调整。然后将滚珠16装入轴套18和铜套15两端的滚珠孔道中并用紧定螺钉17将滚珠16固定。带有螺纹孔的嵌槽块13与轴套18两端的U型口 22进行间隙配合，U型口 22侧壁与嵌槽块13之间安装周向力传感器23，紧固螺钉14旋入嵌槽块13的螺纹口并旋入与之对应单悬臂工作主轴2上开设的螺纹孔中，实现轴套18与单悬臂工作主轴2的周向固定。在静环内沿轴向开设有与其密封端面相通的通孔，将红外探头12置于静环44轴向通孔内距密封端面l_3mm处，并采用绝缘胶实现与孔壁之间密封。将左泄漏腔3与左端盖19用螺钉固定，右泄漏腔10与右端盖19用螺钉固定。最后将轴向力应变片11和红外探头12的引线由泄漏腔上开设的通孔引入外部，并用绝缘胶堵住引线通道。待试验装置安装完毕时将左、右泄漏口及密封腔20的腔壁上开设的插孔用堵头堵住，待实验需要时将其取下。
[0045]参见图2、3、4，经过密封端面等比压调节后的动环45和静环44之间具有一定的摩擦支撑力。如图2所示，在静止条件下，两组机械密封的动环45和静环44之间的摩擦支撑力Ff与电主轴I端部的支撑力共同承受单悬臂工作主轴2及其上轴套18、动环45、动环O形圈46、推环47、弹簧48、动环座49、左螺母6、右螺母8的重力，而左侧静环对左侧动环的作用力Fp与右侧静环对右侧动环的作用力Fp相等，所以轴向不受力；如图3所示，在运转条件下，当单悬臂工作主轴2右端发生向上偏转时，联接在密封端盖19上的测力套筒41并通过静环防转销42与其连接的静环44将对偏转动环45产生支反力，左侧动环45上部受到左侧静环44的向右的水平力Fpl和向下的摩擦力Ffi，右侧动环45下部受到右侧静环44的向左的水平力Fpl和向下的摩擦力Ffi，向右的水平力Fpl和向左的水平力Fpl形成一促使单悬臂工作主轴2顺时针偏转的力偶，左侧动环45和右侧动环45受到的向下的摩擦力Ffi促使向上偏转的单悬臂工作主轴2及其上轴套18、动环45、动环O形圈46、推环47、弹簧48、动环座49、左螺母5、右螺母8回归原位；如图4所示，在运转条件下，当单悬臂工作主轴2右端发生向下偏转时，联接在密封端盖19上的测力套筒41并通过静环防转销42与其连接的静环44将对偏转动环45产生支反力，左侧动环45下部受到左侧静环44的向右的水平力Fp2和向上的摩擦力Ff2，右侧动环45上部受到右侧静环44的向左的水平力Fp2和向上的摩擦力FF2，向右的水平力Fp2和向左的水平力Fp2形成一促使单悬臂工作主轴2逆时针偏转的力偶，左侧动环45和右侧动环45受到的向上的摩擦力Ff2促使向下偏转的单悬臂工作主轴2及其上轴套18、动环45、动环O形圈46、推环47、弹簧48、动环座49、左螺母5、右螺母8回归原位。因此，通过动环45和静环44因压紧产生的摩擦支承力作用，保证了单悬臂工作主轴2的浮动支撑功能。
[0046]参见图5、6、7，轴套18两端内孔内过盈配合有铜套15，然后对铜套15内表面进行精加工，无需对轴套18未装铜套15的内表面进行加工，不仅简化了加工过程，降低了加工难度，也提高了铜套15与单悬臂工作主轴2间的配合精度。高精度的铜套15与单悬臂工作主轴2之间在运转过程中产生的摩擦力大大减小。而且铜材料与一般轴用的钢材料之间更加耐磨。轴套18的两端和铜套15外圆周上以120度的间隔均匀开设放置滚珠的孔道，孔道靠近单悬臂工作主轴的内端为锥孔，将滚珠16置于孔道中，其一部分露出锥孔与单悬臂工作主轴形成滚动副，用紧定螺钉17锁住滚珠，防止滚珠脱落。滚珠16与单悬臂工作主轴2之间产生点接触的滚动摩擦，降低轴套18与单悬臂工作主轴2之间摩擦力，减小了轴套18与单悬臂工作主轴2之间摩擦扭矩对端面摩擦扭矩准确测量的影响，端面摩擦扭矩的测量值更加精准。
[0047]所述轴套18两端同一母线上开设U型口 22，U型口 22侧壁设置周向力传感器23，在安装周向力传感器的U形口侧壁和单悬臂工作主轴上设置与U型口间隙配合的嵌槽块13，通过紧固螺钉14将嵌槽块13与单悬臂工作主轴2联接以实现轴套18与单悬臂工作主轴2周向定位。此时，端面摩擦产生的扭矩会完整的传递给单悬臂工作主轴2，单悬臂工作主轴2又将所受的力通过嵌槽块13完整传递给周向力传感器23。因U型口 22侧壁与嵌槽块13侧壁保持面接触使周向力传感器受力均匀，避免了 CN103267613A中所述的采用传动销与U型口侧壁周向力传感器之间的线接触引起的测量误差影响，将周向力传感器23所测得的周向力与周向力作用点到轴套轴线距离的乘积即可获得摩擦端面扭矩值。
[0048]参见图8，表述测力套筒41后端孔为光滑内壁并贴有轴向力应变片11，测力套筒41的边缘加工有一法兰，法兰上均布有六个通孔，且将测力套筒41安装在端盖19的中心孔处，用螺钉与端盖19联接。静环44密封端面处的外径=静环O形圈43密封处的外径=测力套筒41后端孔处的外径=Φ，因此，介质对密封端面轴向力或动压力测量不会产生影响。
[0049]参见图9，说明接触式机械密封静环的受力情况，其中Ftl:作用在静环上的密封端面轴向力P1:介质对静环左侧面的作用力；f2:介质对静环右侧面的作用力；f3:测力套筒对静环的支撑反力；Ff:静环O形圈对静环的摩擦力。根据力平衡条件可知=Fc^F1=FdFJFp因为静环密封端面处的外径=静环O形圈密封处的外径=Φ，因此对于静环左右侧面的受到介质产生附加轴向力相等，即F2=F3 ;则FQ=F3+Ff。由于动环和静环端面相互接触无间距，但端面间存在介质膜和微凸体接触，密封端面轴向力Ftl表现为动环上微凸体对静环上微凸体的支承力和介质提供的膜压的合力。
[0050]参见图10，说明接触式机械密封测力套筒的受力情况，其中F3:静环对测力套筒的反作用力；f4:介质对测力套筒前端部左侧面及其内径与静环O形圈密封处静环外径之间的环面的作用力；f5:介质对测力套筒前端部右侧面的作用力；f6:介质对测力套筒上静环O形圈沟槽深度范围内静环O形圈左侧的作用力；f7:介质对测力套筒上静环O形圈沟槽左侧面的作用力；Ff:静环对静环O形圈的摩擦力反力；F8:测力套筒受到的支反力。根据力平衡条件可知:F3+F4+F6+Ff=F5+F7+F8。因为静环O形圈密封处的外径=测力套筒后端孔处的外径=Φ，因此作用在测力套筒前端部左侧面及其内径与静环O形圈密封处静环外径之间的环面的作用力，与作用在测力套筒前端部右侧面的作用力相等，即F4= F5 ;又作用在测力套筒上静环O形圈沟槽左侧面的力与作用在静环O形圈沟槽深度范围内静环O形圈左侧面的力相同，即F6= F7;则F3+Ff=F8。测力套筒受到的支反力F8，为轴向力传感器测得的轴向力。
[0051]参见图13，说明接触式机械密封端面轴向力受力总图，因FQ=F3+Ff，F3+Ff=F8，所以F0=F80表明测量过程中，静环O形圈处的摩擦力转化成了静环与测力套筒间的内力，测力套筒受到的支反力F8完全被轴向力应变片感应，因此，轴向力应变片测取的轴向力为接触式机械密封端面间动环上微凸体对静环上微凸体的支承力和介质提供的膜压的合力，即F。。
[0052]参见图11，说明了非接触式机械密封静环受力情况，其中Ftl:作用在静环上的密封端面轴向力P1:介质对静环左侧面的作用力；f2:介质对静环右侧面的作用力；f3:测力套筒对静环的支撑反力；Ff:静环O形圈对静环的摩擦力。根据受力平衡原理=Fc^F1=FdFJFp因为静环密封端面处的外径=静环O形圈密封处的外径=Φ，静环左右侧面所受介质产生附加轴向力相等，即F1=F2 AUFtl=FJFp由于动环和静环端面相互分离且存在间距δ的介质膜，但端面间仅有介质膜存在，没有微凸体接触，密封端面轴向力Ftl表现为流体动压力。
[0053]参见图12，说明了非接触式机械密封的测力套筒的受力情况，其中F3:静环对测力套筒的反作用力；f4:介质对测力套筒前端部左侧面及其内径与静环O形圈密封处静环外径之间的环面的作用力；f5:介质对测力套筒前端部右侧面的作用力；f6:介质对测力套筒上静环O形圈沟槽深度范围内静环O形圈左侧面的作用力；f7:介质对测力套筒上静环O形圈沟槽左侧面的作用力；Ff:静环对静环O形圈的摩擦力反力；F8:测力套筒受到的支反力。根据力平衡条件可知:F3+F4+F6+Ff=F5+F7+F8。由于静环O形圈密封处的外径=测力套筒后端孔处的外径=Φ，则作用在测力套筒前端部左侧面及其内径与静环O形圈密封处静环外径之间环面的作用力，与作用在测力套筒前端部右侧面的作用力相等，即F4= F5 ;又作用在测力套筒上静环O形圈沟槽左侧面的力与作用在静环O形圈沟槽深度范围内静环O形圈左侧面的力相同，即F6= F7;则F3+Ff=F8。支部受到的支反力F8，为轴向力传感器测得的轴向力。
[0054]参见图14，说明了非接触式机械密封端面轴向力受力总图，因FQ=F3+Ff，F3+Ff=F8,所以fq=f8。表明静环O形圈处的摩擦力转化为静环与测力套筒的内力，而且测力套筒受到的支反力F8完全将被轴向力应变片感应，因此，轴向力应变片测取的轴向力为非接触式机械密封端面间的流体动压力，即F。。
[0055]由上述分析可知，无论是接触式机械密封还是非接触式机械密封，本发明的结构将静环O形圈对静环的摩擦力转化为静环和测力套筒之间的内力，避免了如专利CN103267613 A中静环O形圈的摩擦力对密封端面轴向力测量的影响，有效消除了介质对静环及测力套筒作用引起的附加轴向力。
[0056]当密封装置在没有介质通入，旋转轴套，等比压的调节动环45与静环44在弹簧力的作用达到合适的压紧位置，轴向力应变片11还可以测得弹簧48施加的作用力F。所以，本发明的机械密封性能试验装置可以实现对密封端面弹簧力、轴向力及非接触机械密封的流体动压力精确测量。
[0057]参见图15、16、17，表述摩擦端面温度直接测量结构设计。其特点是静环44内沿轴向与其密封端面间开设直径为Φ的通孔，将红外探头12置于静环44轴向通孔内距密封端面1-3_处，以防止动环45与红外探头12发生摩擦，并采用绝缘胶实现与孔壁之间的密封，用于固定红外探头和防止介质泄漏。
[0058]由于摩擦端面的温度只能保持在几十毫秒甚至更短的时间，因而需要动环45和静环44相对运转时动环45端面上被测点掠过静环44端面通孔的时间，以及红外探头12感知温度的时间应尽可能短，因为动环45掠过静环44通孔时端面摩擦温度随摩擦时长会发生变化，只有被测点掠过静环44端面通孔的时间或红外探头12感知温度的时间不超过摩擦端面温度的保持时间，红外探头12才能及时、准确地测得动环45和静环44端面间的温度；否则，红外探头12所测量的端面间温度值就不准确。
[0059]红外探头12感知温度的时间在Ims左右。
[0060]对于一个转速在3000r/min,摩擦端面内径为45mm,外径为55mm的机械密封试验装置来说，①在静环端面半径为25_处开设两个Φ3_的通孔用于放置红外探头13，见附图16,求得动环的角速度为314rad/s,被测点通过Φ 3mm通孔的时间约为0.39ms,可见红外探头12能够及时感知温度。取两个红外探头13测取值的平均值作为动环45和静环44端面间的温度值。②为获取动环45和静环44端面间的温度分布，见附图17，分别在静环端面半径为22mm、25mm、26mm处直径为Φ 3mm的通孔中周向均布6个红外探头13,根据这6个红外探头13测得的不同半径处的温度值，可以得到动环45和静环44端面间的温度场分布。
【权利要求】
1.机械密封性能试验装置，包括电主轴(I)、单悬臂工作主轴(2)、测力套筒(41)、静环O形圈(43)、静环(44)、动环(45)、轴向力应变片(11)、红外探头(12)、设置于密封腔左右两端的端盖(19)、用于泄漏介质收集的左泄漏腔(3)和右泄漏腔(10);其特征是:电主轴(I)与单悬臂工作主轴(2)通过带螺纹的锥头部位连接，由动环(45)端面与静环(44)端面等比压压紧作用实现单悬臂工作主轴(2)的浮动支撑；在轴套(18)的左右两端分别设置有测力套筒(41)，静环(44)尾部的圆柱面置于测力套筒(41)的前端孔中，并使静环(44)尾部端面贴紧测力套筒(41)的前端孔中的台阶上，测力套筒(41)的后端孔的内壁上贴有轴向力应变片(11)，当进行密封性能试验时，密封端面会由于弹簧及介质而产生轴向力，此轴向力通过静环(44)尾部端面传给测力套筒(41)的前端孔中的台阶上，使测力套筒(41)及轴向力应变片(11)产生压缩变形，从而能测得密封端面间的轴向力；静环(44)上开有一个轴向通孔，将红外探头(12)置于通孔中，并靠近密封端面，借助红外探头(12)可采集摩擦端面的温度。
2.如权利要求1所述的机械密封性能试验装置，其特征是:静环(44)密封端面处的外径、静环O形圈(43)密封处的外径及测力套筒(41)后端孔处的外径均相等。
3.如权利要求1所述的机械密封性能试验装置，其特征是:测力套筒(41)后端的边缘加工有一法兰，法兰上均布有六个通孔，用螺钉与左右端盖(19)联接。
4.如权利要求1所述的机械密封性能试验装置，其特征是:将红外探头(12)置于静环(44)轴向通孔内距密封端面1-3_处，并采用绝缘胶实现与孔壁之间的密封。
5.密封端面间的轴向力测量方法，其特征是:它采用任一权利要求1-4所述的机械密封性能试验装置，当密封腔通入介质且单悬臂工作主轴(2)处于旋转状态，而动环(45)与静环(44)未分离时，密封端面间存在介质膜和微凸体接触，则轴向力应变片(11)测得的轴向力为动环(45)上微凸体对静环(44)上微凸体的支承力与介质提供的膜压的合力，即密封端面载荷；当密封腔通入介质且单悬臂工作主轴(2)处于旋转状态，且动环(45)与静环(44)分离时，密封端面间仅存在介质膜，则轴向力应变片(11)测得的轴向力即为流体动压力。
6.密封端面间的温度测量方法，其特征是:它采用任一权利要求1-4所述的机械密封性能试验装置，红外探头(12)将动环(45)及介质膜辐射的能量汇聚到探头上，基于普朗克黑体辐射定律和斯蒂芬-玻尔兹曼定律，可以实时测取动环(45)或介质膜的温度值。
【文档编号】G01M3/02GK104330223SQ201410709134
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】孙见君, 闻洋洋, 马晨波, 陆建花, 涂桥安 申请人:南京林业大学