一種測(cè)量密封圈彈性變形極限位移和最大靜摩擦力的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械密封技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種測(cè)量密封圈彈性變形極限位移和最大靜摩擦力的裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)械密封作為核心部件廣泛應(yīng)用于化工、核等工業(yè)領(lǐng)域。在其結(jié)構(gòu)中，安裝在補(bǔ)償環(huán)處被稱為副密封的密封圈是關(guān)鍵部件，通常有單獨(dú)的O形密封圈、彈簧蓄能復(fù)合密封圈等幾種形式。機(jī)械密封在開(kāi)、停機(jī)、工況波動(dòng)，補(bǔ)償環(huán)會(huì)有軸向位移，其運(yùn)動(dòng)傳遞到副密封處首先會(huì)引起密封圈的彈性變形，當(dāng)位移量超過(guò)密封圈的最大彈性變形極限時(shí)，補(bǔ)償環(huán)和副密封一起相對(duì)安裝套滑動(dòng)。副密封在移動(dòng)過(guò)程中對(duì)機(jī)械密封的追隨性有影響，如果副密封處的摩擦力過(guò)大，機(jī)械密封打不開(kāi)，則有可能引起機(jī)械密封端面的碰撞，造成故障隱患。因此，為了讓動(dòng)環(huán)和靜環(huán)間的流體膜厚度處于合理范圍之內(nèi)，一個(gè)方面是通過(guò)端面的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，另一方面也要通過(guò)控制副密封圈的自身彈性范圍、彈性變形特性、以及最大靜摩擦力的數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0003]用作為機(jī)械端面密封副密封的密封圈通過(guò)一定的壓縮量安裝在軸上，當(dāng)它受到軸向位移的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)兩種狀態(tài)之一:當(dāng)加載位移很小時(shí)，密封圈能依靠自身的彈性變形來(lái)適應(yīng)軸向位移，此階段密封圈處于預(yù)滑動(dòng)階段，為靜摩擦狀態(tài)；隨著位移的持續(xù)增大到某一個(gè)值，密封圈從預(yù)滑動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦狀態(tài)(克服軸向的最大靜摩擦力，與軸產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng))，此特定的軸向位移值被定義為極限位移(通常為幾十微米的量級(jí))，滑動(dòng)瞬間的摩擦力為最大靜摩擦力。
[0004]在預(yù)滑動(dòng)階段，接觸面上的摩擦力隨著加載位移的增大而增大，當(dāng)加載位移到達(dá)某一個(gè)值的時(shí)候，摩擦力突然降低，發(fā)生stick-slip現(xiàn)象。用彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)來(lái)解釋這一過(guò)程，質(zhì)量塊在預(yù)滑動(dòng)態(tài)的位移是依靠密封圈自身的彈性變形來(lái)抵消軸向位移，可以等效為“彈簧力驅(qū)動(dòng)質(zhì)量塊”;一旦克服了最大靜摩擦力，質(zhì)量塊發(fā)生滑動(dòng)，即從“Stick”狀態(tài)轉(zhuǎn)為“Slip”狀態(tài)。此時(shí)，質(zhì)量塊受到的瞬間牽引力等于最大靜摩擦力(彈簧力沒(méi)有消失)而阻力等于滑動(dòng)摩擦力。由于最大靜摩擦力大于滑動(dòng)摩擦力，此瞬間勢(shì)必會(huì)造成質(zhì)量塊突然加速，產(chǎn)生“突跳”現(xiàn)象。而“stick”狀態(tài)開(kāi)始轉(zhuǎn)為“slip”狀態(tài)，此時(shí)的位移量即為密封圈彈性變形極限位移。
[0005]綜上所述，機(jī)械端面密封在開(kāi)啟、閉合或工況波動(dòng)的情況下，會(huì)發(fā)生補(bǔ)償環(huán)的軸向移動(dòng)(一般情況下，流體膜厚小于10微米，軸向最大移動(dòng)距離能有數(shù)十微米)。在軸向位移大于密封圈彈性變形極限位移時(shí)，副密封將從自身彈性變形適應(yīng)軸向位移的預(yù)滑動(dòng)狀態(tài)過(guò)渡到滑動(dòng)，摩擦力發(fā)生突變，這必然會(huì)使補(bǔ)償環(huán)發(fā)生“突跳”，其結(jié)果將會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)償環(huán)的不穩(wěn)定性。有可能使得端面密封間的流體膜厚突然變化造成嚴(yán)重的泄露或?qū)е旅芊舛嗣娴乃查g碰撞，從而造成引起故障發(fā)生的可能性。因此，準(zhǔn)確預(yù)知副密封的彈性變形極限位移，是控制補(bǔ)償環(huán)的最大移動(dòng)量以及實(shí)現(xiàn)密封端面間的流體膜厚控制的基礎(chǔ)。
[0006]現(xiàn)行的文獻(xiàn)中，基本上沒(méi)有關(guān)于微小位移下密封圈力學(xué)特性的研宄，更沒(méi)有對(duì)密封圈彈性變形極限位移的研宄。該發(fā)明旨在填補(bǔ)這方面的空白。所得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不僅提供副密封軸向較精確的力-位移特性，為建立更為合理地機(jī)械密封力學(xué)方程的求解提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且所測(cè)得的彈性變形極限位移為機(jī)械密封開(kāi)啟、閉合的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，同時(shí)也為副密封的設(shè)計(jì)提供了準(zhǔn)則和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了填補(bǔ)現(xiàn)階段端面密封研宄對(duì)副密封彈性變形極限位移實(shí)驗(yàn)研宄的空白，本發(fā)明的目的在于提供一種測(cè)量密封圈彈性變形極限位移和最大靜摩擦力的裝置，能夠獲得密封圈在某種工況下的彈性變形極限位移和最大靜摩擦力，能夠?qū)崿F(xiàn)多種密封軸頸、多種工況下密封圈彈性變形極限位移和最大靜摩擦力的測(cè)量。
[0008]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0009]一種測(cè)量密封圈彈性變形極限位移和最大靜摩擦力的裝置，包括安裝于工作臺(tái)I上的底板2，通過(guò)定位塊3安裝在底板2 —端的支柱4，安裝在支柱4上的螺紋套7，插入螺紋套7內(nèi)的絲杠8，螺紋配合安裝在螺紋套7外的螺母5，設(shè)置在螺母5和螺紋套7間的耐磨套6，所述螺母5、耐磨套6、螺紋套7、絲杠8和支柱4組成了差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)，在螺母5上施加扭矩能，差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)能產(chǎn)生軸向微幅的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；還包括通過(guò)定位鍵固定在底板2另一端的支架15，安裝在支架15上的支撐軸16，固定在支撐軸16上的軸13，套在軸13上的滑塊12，滑塊12的一端通過(guò)力傳感器9與絲杠8連接，另一端通過(guò)第一被測(cè)密封17與固定在支架15上的端蓋14連接，滑塊12與軸13之間設(shè)有第二被測(cè)密封18，所述滑塊12、軸13、端蓋14、支架15和支撐軸16構(gòu)成含有壓力腔的滑塊機(jī)構(gòu)；力傳感器9用于測(cè)量密封圈軸向摩擦力；位移傳感器10固定在底板2上，反光板11和滑塊12連接，位移傳感器10間接測(cè)量密封圈的軸向位移，力傳感器9和位移傳感器10構(gòu)成測(cè)試機(jī)構(gòu)。
[0010]所述的第一被測(cè)密封17和第二被測(cè)密封18的密封直徑相同，并且同向布置。
[0011]所述差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)能產(chǎn)生軸向微幅的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，著重研宄數(shù)十微米行程內(nèi)密封圈的摩擦力特性。
[0012]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):采用差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)產(chǎn)生直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)的幅值小于等于0.1mm以期研宄密封圈從彈性變形到滑動(dòng)的完整過(guò)程，填補(bǔ)這方面實(shí)驗(yàn)研宄的空白；能夠研宄不同壓縮量下密封圈的彈性變形極限位移和最大靜摩擦力；能夠研宄在不同的介質(zhì)壓力工況下，彈性變形極限位移和最大靜摩擦力的變化規(guī)律；同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)多種密封軸徑的密封圈彈性變形極限位移和最大靜摩擦的研宄。
【附圖說(shuō)明】
[0013]附圖為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做詳細(xì)描述。
[0015]如附圖所示，本發(fā)明一種測(cè)量密封圈彈性變形極限位移和最大靜摩擦力的裝置，包括安裝于工作臺(tái)I上的底板2，通過(guò)定位塊3安裝在底板2 —端的支柱4，安裝在支柱4上的螺紋套7，插入螺紋套7內(nèi)的絲杠8，螺紋配合安裝在螺紋套7外的螺母5，設(shè)置在螺母5和螺紋套7間的耐磨套6，所述螺母5、耐磨套6、螺紋套7、絲杠8和支柱4組成了差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)，在螺母5上施加扭矩能，差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)能產(chǎn)生軸向微幅的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；還包括通過(guò)定位鍵固定在底板2另一端的支架15，安裝在支架15上的支撐軸16，固定在支撐軸16上的軸13，套在軸13上的滑塊12，滑塊12的一端通過(guò)力傳感器9與絲杠8連接，另一端通過(guò)第一被測(cè)密封17與固定在支架15上的端蓋14連接，滑塊12與軸13之間設(shè)有第二被測(cè)密封18，所述滑塊12、軸13、端蓋14、支架15和支撐軸16構(gòu)成含有壓力腔的滑塊機(jī)構(gòu)；力傳感器9用于測(cè)量密封圈軸向摩擦力；位移傳感器10固定在底板2上，反光板11和滑塊12連接，位移傳感器10間接測(cè)量密封圈的軸向位移，力傳感器9和位移傳感器10構(gòu)成測(cè)試機(jī)構(gòu)。
[0016]作為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，所述的第一被測(cè)密封17和第二被測(cè)密封18的密封直徑相同，并且同向布置。直徑相同保證了滑塊12移動(dòng)時(shí)，壓力腔的體積不變，消除了測(cè)試過(guò)程流體波動(dòng)產(chǎn)生的作用力；同時(shí)兩被測(cè)密封圈的同向布置(開(kāi)口朝向一致)，保證了在滑塊移動(dòng)過(guò)程中，第一被測(cè)密封17和第二被測(cè)密封18的變形趨近于一致。
[0017]本發(fā)明的工作原理為:
[0018]實(shí)驗(yàn)開(kāi)始，堵上壓力腔的出氣口，在壓力腔內(nèi)充高壓介質(zhì)，保壓一段時(shí)間，使得第一被測(cè)密封17、第二被測(cè)密封18和滑塊12內(nèi)的溝槽貼合，保證位移傳感器10能間接測(cè)量第一被測(cè)密封17和第二被測(cè)密封18的位移。
[0019]由于第一被測(cè)密封17和第二被測(cè)密封18的密封直徑相同，保證了滑塊12移動(dòng)時(shí)，壓力腔的體積不變，消除了測(cè)試過(guò)程流體波動(dòng)產(chǎn)生的作用力；同時(shí)兩被測(cè)密封圈的同向布置(開(kāi)口朝向一致)，保證了在滑塊移動(dòng)過(guò)程中，第一被測(cè)密封17和第二被測(cè)密封18的變形趨近于一致。因此，力傳感器9讀數(shù)的一半即為單個(gè)密封圈的摩擦力。
[0020]將介質(zhì)壓力調(diào)節(jié)到測(cè)試壓力下，在螺母5上施加穩(wěn)態(tài)扭矩驅(qū)動(dòng)差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)滑塊12的微幅運(yùn)動(dòng)。記錄力傳感器9和位移傳感器10的讀數(shù)，當(dāng)密封圈軸向位移發(fā)生“突跳”時(shí)(位移讀數(shù)突變)，即得到極限位移和最大靜摩擦力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種測(cè)量密封圈彈性變形極限位移和最大靜摩擦力的裝置，其特征在于:包括安裝于工作臺(tái)(I)上的底板(2)，通過(guò)定位塊(3)安裝在底板(2) —端的支柱(4)，安裝在支柱(4)上的螺紋套(7)，插入螺紋套(7)內(nèi)的絲杠(8)，螺紋配合安裝在螺紋套(7)外的螺母(5)，設(shè)置在螺母(5)和螺紋套(7)間的耐磨套￠)，所述螺母(5)、耐磨套￠)、螺紋套(7)、絲杠(8)和支柱(4)組成了差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)，在螺母(5)上施加扭矩能，差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)能產(chǎn)生軸向微幅的往復(fù)運(yùn)動(dòng)；還包括通過(guò)定位鍵固定在底板(2)另一端的支架(15)，安裝在支架(15)上的支撐軸(16)，固定在支撐軸(16)上的軸(13)，套在軸(13)上的滑塊(12)，滑塊(12)的一端通過(guò)力傳感器(9)與絲杠(8)連接，另一端通過(guò)第一被測(cè)密封(17)與固定在支架(15)上的端蓋(14)連接，滑塊(12)與軸(13)之間設(shè)有第二被測(cè)密封(18)，所述滑塊(12)、軸(13)、端蓋(14)、支架(15)和支撐軸(16)構(gòu)成含有壓力腔的滑塊機(jī)構(gòu)；力傳感器(9)用于測(cè)量密封圈軸向摩擦力；位移傳感器(10)固定在底板(2)上，反光板(11)和滑塊(12)連接，位移傳感器(10)間接測(cè)量密封圈的軸向位移，力傳感器(9)和位移傳感器(10)構(gòu)成測(cè)試機(jī)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量密封圈彈性變形極限位移和最大靜摩擦力的裝置，其特征在于:所述的第一被測(cè)密封(17)和第二被測(cè)密封(18)的密封直徑相同，并且同向布置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種測(cè)量密封圈彈性變形極限位移和最大靜摩擦力的裝置，其特征在于:所述差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)能產(chǎn)生軸向微幅的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，著重研宄數(shù)十微米行程內(nèi)密封圈的摩擦力特性。
【專利摘要】一種測(cè)量密封圈彈性變形極限位移和最大靜摩擦力的裝置，涉及機(jī)械密封技術(shù)領(lǐng)域，包括了工作臺(tái)、底板、定位塊、支柱、螺母、耐磨套、螺紋套、絲杠、力傳感器、位移傳感器、反光板、滑塊、軸、端蓋、支架、支撐軸、第一被測(cè)密封、第二被測(cè)密封和定位鍵；本發(fā)明通過(guò)差動(dòng)螺旋機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)密封圈準(zhǔn)靜態(tài)的微幅往復(fù)移動(dòng)，利用力、位移傳感器測(cè)量多工況下力和位移關(guān)系，研究密封圈從靜摩擦轉(zhuǎn)化為滑動(dòng)摩擦的變化過(guò)程；利用“突跳”現(xiàn)象，測(cè)得密封圈自身彈性變形所發(fā)生的極限位移和最大靜摩擦。該發(fā)明填補(bǔ)了微小位移下關(guān)于密封圈力學(xué)特性實(shí)驗(yàn)研究的空白，為機(jī)械密封系統(tǒng)提供了副密封力學(xué)特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)參考。
【IPC分類】G01L5-00, G01B21-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104729446
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510111662
【發(fā)明人】李坤, 賈曉紅, 索雙富, 王隆珂
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2015年3月13日