CN101464203B - 一种机械密封瞬态启停密封性能试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种机械密封瞬态启停密封性能试验装置，包括动力系统、主体密封安装平台、机械密封性能参数测量系统和压力供给辅助系统；动力系统包括电机(1)和设置在轴承座(3)上的飞轮轴(4)，飞轮轴(4)的一端通过联轴器I(2)与电机(1)相连，飞轮轴(4)的另一端与离合器(6)相连，在飞轮轴(4)上设置用于蓄能的飞轮(5)；机械密封性能参数测量系统包括相互连接的扭矩转速仪(7)和工控机(16)，扭矩转速仪(7)与离合器(6)相连；所述电机(1)和离合器(6)分别与工控机(16)相连。本发明的装置既能用于检测机械密封件在瞬态启停状态下的性能，又能用于检测机械密封件在传统稳定运行工况下的性能。
Description
技术领域
本发明涉及一种机械密封试验系统，具体说是由利用飞轮蓄能系统和离合器来模拟机械密封瞬态启停状态的密封试验装置。
背景技术
机械密封是一种可靠性较高、密封性能好的旋转机械用密封方式，被广泛应用于农业、石油、化工、国防、航空航天等部门，其在稳定工作条件下具有良好的密封性能，相应地，常用机械密封的设计方法也已经相对成熟。
随着使用要求的提高，开发密封性能好、可靠性高的机械密封迫在眉睫。密封技术及其应用领域的不断拓展，使得一些特殊的要求不断被提出，并亟需相关理论支持。其中一个典型就是许多应用领域对机械密封能否在变工况条件下的安全工作提出要求，甚至要求在极端的瞬态工况下安全运转，而相关理论及设计方法还相对缺乏。这种要求变工况条件应用的例子在生产实际中不可避免，首先表现在各类旋转机械启动和停车过程，在该类条件下，密封端面相对速度和压力均快速变化，其密封特性明显区别于通常的稳态工作过程，对这种瞬态过程密封特性的把握对于高性能、高可靠性系统具有重要意义，对探索避免破坏、提高可靠性和寿命具有重要价值；其次，对于各类水下推进系统和其它动力系统，由于工作深度的变化，导致密封压力快速变化使密封处于瞬态工作过程中，该过程的准确把握对于各类水下系统具有意义。
要对机械密封在瞬态条件下的密封性能和摩擦、磨损和润滑机理进行研究，仅靠现有的理论分析远远不够，需要进行大量的试验工作，取得第一手的试验数据，以供分析和研究。而现有的机械密封性能试验台仅能提供稳定状态下的机械密封性能试验研究，因此需根据实际需要，设计和搭建能够进行瞬态启停密封性能试验的试验台架。
考虑试验台快速瞬态启停的需要，单纯对电机进行快速启停控制是不可行的，因为频繁快速启停电机往往对电机损害较大，且对电机的性能要求较高；另一方面也很难实现不同的启停加速度，因而难以模拟实际的旋转机械的启停特性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种机械密封瞬态启停密封性能试验装置，本装置既能用于检测机械密封件在瞬态启停状态下的性能，又能用于检测机械密封件在传统稳定运行工况下的性能。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种机械密封瞬态启停密封性能试验装置，包括动力系统、主体密封安装平台、机械密封性能参数测量系统和压力供给辅助系统；
动力系统包括电机和设置在轴承座上的飞轮轴，飞轮轴的一端通过联轴器I与电机相连，飞轮轴的另一端与离合器相连；在飞轮轴上设置用于蓄能的飞轮；
机械密封性能参数测量系统包括相互连接的扭矩转速仪和工控机，扭矩转速仪与离合器相连；电机和离合器分别与工控机相连；
主体密封安装平台包括安装在轴承箱上的密封主轴，密封主轴的一端通过联轴器II与扭矩转速仪相连，密封主轴的另一端贯穿密封腔体；
压力供给辅助系统与密封腔体相连，负责保持密封腔体内的密封压力。
作为本发明的机械密封瞬态启停密封性能试验装置的改进：机械密封性能参数测量系统还包括均位于密封腔体内的温度传感器和位移传感器，温度传感器和位移传感器分别与工控机相连。
作为本发明的机械密封瞬态启停密封性能试验装置的进一步改进：压力供给辅助系统包括压力缓冲稳定罐、冷却器、齿轮泵和油箱；油箱的出口与齿轮泵、压力缓冲稳定罐和密封腔体的进口依次密封相连，密封腔体的出口与冷却器和油箱的进口依次密封相连。
作为本发明的机械密封瞬态启停密封性能试验装置的进一步改进：轴承箱内设有用于抵消密封主轴轴向力的锥轴承。
作为本发明的机械密封瞬态启停密封性能试验装置的进一步改进：位移传感器为涡流传感器。
作为本发明的机械密封瞬态启停密封性能试验装置的进一步改进：联轴器II为柔性联轴器。
作为本发明的机械密封瞬态启停密封性能试验装置的进一步改进：联轴器I为链式联轴器。
作为本发明的机械密封瞬态启停密封性能试验装置的进一步改进：电机为变频电机。
作为本发明的机械密封瞬态启停密封性能试验装置的进一步改进：飞轮轴被安置在2个并排的轴承座上，飞轮位于2个轴承座的正中间。
本发明的机械密封瞬态启停密封性能试验装置，它采用飞轮蓄能系统和离合器的开合来模拟流体机械的瞬态启停过程，从而可以对机械密封的瞬态密封性能进行试验研究。在瞬态启停密封性能试验中，为防止快速频繁启停电机而造成电机的损坏，本发明的装置采用飞轮进行储能，根据不同的启停加速度要求，可通过更换较大或较小转动惯量的用于蓄能的飞轮来实现。由于密封主轴由轴承箱进行支撑，且轴承箱内设有锥轴承，该锥轴承能抵消密封主轴在实际工作过程中所受到的液体的轴向力；即起到了确保密封主轴轴向定位的作用。
在本发明中，密封主轴贯穿密封腔体，即密封主轴从密封腔体的左侧伸入、从密封腔体的右侧伸出；伸入侧(即左侧)和密封主轴之间由辅助机械密封进行密封，伸出侧(即右测)和密封主轴之间由待测机械密封件进行密封；密封主轴与待测机械密封件的轴套间采用锥面配合，并可根据待测机械密封件的密封环的尺寸配套相应的轴套，以对不同直径的待测机械密封进行试验。
在本发明中，密封腔体内的密封压力由齿轮泵进行提供，油箱流出的油液经齿轮泵升压后，再通过压力缓冲稳定罐稳压，接着从密封腔体的底部进入密封腔体内；油液对机械密封(包括辅助机械密封和待测机械密封)进行冷却后，再从密封腔体的上部流出，经过冷却器冷却后流回油箱。
在本发明中，试验过程中的摩擦扭矩和瞬时转速变化由扭矩转速仪进行测量，同样，待测机械密封的密封端面摩擦温升由温度传感器进行测量，密封端面的振动由位移传感器(例如涡流传感器)进行测量；扭矩转速仪、温度传感器和位移传感器分别将采集到的数据传递至工控机。工控机还负责对电机和离合器进行相应的控制。
综上所述，本发明的机械密封瞬态启停密封性能试验装置，将电机所输出的能量预先利用飞轮储存起来，采用离合器来控制密封主轴的瞬态启停，不同的启停加速度可通过更换不同转动惯量的飞轮加以实现。同时，离合器的控制要比电机的控制简单，也降低了对电机的要求。因此，本发明的机械密封瞬态启停密封性能试验装置，既能对密封试验系统进行传统稳定运行工况下的性能试验，又能对其进行瞬态启停状态下的性能试验；本发明具有操控方便，试验步骤简单，数据测量准确等优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
图1是本发明的机械密封瞬态启停密封性能试验装置的连接关系的结构示意图；
图1中的主要零部件：电机1，联轴器I 2，轴承座3，飞轮轴4，飞轮5，离合器6，扭矩转速仪7，联轴器II 8，密封主轴9，轴承箱10，密封腔体11，压力缓冲稳定罐12，冷却器13，齿轮泵14，油箱15，工控机16，温度传感器17和位移传感器18。
图2是图1的实际使用状态示意图。
具体实施方式
图1给出了一种机械密封瞬态启停密封性能试验装置，其由4大部分组成，分别是：动力系统、主体密封安装平台、机械密封性能参数测量系统和压力供给辅助系统。
动力系统包括电机1、联轴器I 2、2个轴承座3、飞轮轴4和飞轮5；电机1选用变频电机，联轴器I 2选择链式联轴器。飞轮轴4被安置在2个并排的轴承座3上，飞轮轴4与每个轴承座3内的轴承均转动相连。在飞轮轴4上设置用于蓄能的飞轮5，此飞轮5位于2个轴承座3的正中间。飞轮轴4的一端通过联轴器I 2与电机1相连，飞轮轴4的另一端与离合器6相连；离合器6选用电磁离合器。
主体密封安装平台包括联轴器II 8、密封主轴9、轴承箱10和密封腔体11，联轴器II 8选用柔性联轴器。密封主轴9与轴承箱10内的锥轴承转动相连；该轴承箱10内的锥轴承能平衡密封主轴9的轴向力。密封主轴9的左端通过联轴器II 8与扭矩转速仪7相连，密封主轴9的右端贯穿密封腔体11；即密封主轴9的右端依次穿过密封腔体11的左侧壁和密封腔体11的右侧壁。
机械密封性能参数测量系统包括工控机16、扭矩转速仪7、温度传感器17和位移传感器18，温度传感器17和位移传感器18均位于密封腔体11内；位移传感器18可选用涡流传感器。扭矩转速仪7、温度传感器17和位移传感器18分别通过相应的信号线与工控机16相连。此工控机16还通过相应的信号线分别与电机1和离合器6相连。离合器6与扭矩转速仪7的左端相连。
压力供给辅助系统包括压力缓冲稳定罐12、冷却器13、齿轮泵14和油箱15等。油箱15的出口与管路31、齿轮泵14、管路32、压力缓冲稳定罐12、管路33和密封腔体11的进口(此进口位于密封腔体11的底部)依次相连；在管路31上设有截止阀24，在管路32上设有压力表25，此压力表25用于获知从齿轮泵14流出的油压。密封腔体11的出口(此出口位于密封腔体11的顶部)与管路34、冷却器13、管路35和油箱15的进口依次相连，在管路34上依次设有压力表22和截止阀21；压力表22用于获知从密封腔体11流出的油压。油箱15还通过管路36与管路32相连，在管路36上设有截止阀23；此管路36的作用是：试验结束后将压力缓冲稳定罐12中的液体引回至油箱15。管路37与密封腔体11相连通，在管路37上设有截止阀26；此管路37的作用是：整个测试试验结束后，可以将密封腔体11中的液体从管路37中排出。
本发明的机械密封瞬态启停密封性能试验装置实际工作时如图2所示，待测机械密封件200从密封腔体11的右侧安装于密封主轴9上，密封主轴9与待测机械密封件200的密封轴套间采用锥面配合，因此配以不同规格的密封轴套可对不同尺寸的待测机械密封件200进行试验。待测机械密封件200的密封动环安装于密封轴套上，密封静环连同密封压盖与密封腔体11的右侧壁固定相连。辅助机械密封件100从密封腔体11的左侧安装于密封主轴9上，辅助机械密封件100的动环安装于密封主轴上，辅助机械密封件100的静环连同其密封压盖固定安装于密封腔体11的左侧壁。温度传感器17和位移传感器18分别与待测机械密封件200的密封静环相连。
其具体工作内容如下：
1、当检测机械密封件在瞬态启停状态下的性能时：
打开压力供给辅助系统中的截止阀21和截止阀24，启动齿轮泵14，油箱15中的密封油液通过齿轮泵14经过压力缓冲稳定罐12稳压后进入密封腔体11；密封腔体11中的密封油液通过管路34进入冷却器13进行冷却，最后流回油箱15。调节阀门21，使得密封腔体11内的压力达到试验用密封压力，此时试验准备工作完成。
首先将离合器6(电磁离合器)处于断开状态，启动电机1，设定其稳定转速为瞬态启停试验中的最高转速；此时只有电机1、飞轮轴4连同飞轮5以及离合器6的一半处于转动状态。当进行试验时，接通离合器6电源，离合器6接合，飞速旋转的电机1和飞轮轴4连同飞轮5将会带动扭矩转速仪7和与其间接连接的密封主轴9以及辅助机械密封件100、待测机械密封件200快速转动。此时待测机械密封件200处于快速启动过程之中；在此过程中，工控机16同时采集扭矩转速仪7检测到的瞬时转速和扭矩信号、温度传感器17检测到的待测机械密封件200的密封端面的瞬态温度信号、位移传感器18检测到的待测机械密封件200的密封静环的瞬态位移信号，以供分析检测结果用。
通过改变飞轮5的转动惯量和电机1稳定转动速度可进行不同启动加速度下的机械密封瞬态启动性能试验。进行停车状态下的性能试验时，只需断开离合器6的电源，并同时采集记录温度传感器17和位移传感器18的相应检测信号即可。
2、当检测机械密封件在传统稳定运行工况下的性能时：
试验准备工作同上述步骤1。
首先将离合器6置于结合状态，启动电机1，设定试验所需的稳定转速，此时待测机械密封件200处于工作状态，利用工控机16同时采集扭矩转速仪7检测到的瞬时转速和扭矩信号、温度传感器17检测到的待测机械密封件200的密封端面的瞬态温度信号、位移传感器18检测到的待测机械密封件200的密封静环的瞬态位移信号，以供分析检测结果用。
需要说明的是，以上2个工况下：扭矩转速仪7所检测到的扭矩信号是待测机械密封件200与辅助机械密封件100两者的扭矩之和，但辅助机械密封件100的扭矩可在对待测机械密封件200进行试验之前进行测定，因此其扭矩为已知值，从扭矩之和中扣除该已知值，即可得到待测机械密封件200的扭矩值。
3、检测实验结束后，关闭齿轮泵14、截止阀21和截止阀24；然后打开截止阀23，压力缓冲稳定罐12中的液体将通过管路36回流至油箱15。整个测试试验结束后，打开截止阀26，可以将密封腔体11中的液体从管路37中排出。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种机械密封瞬态启停密封性能试验装置，其特征是：包括动力系统、主体密封安装平台、机械密封性能参数测量系统和压力供给辅助系统；
所述动力系统包括电机(1)和设置在轴承座(3)上的飞轮轴(4)，飞轮轴(4)的一端通过联轴器I(2)与电机(1)相连，飞轮轴(4)的另一端与离合器(6)相连；在飞轮轴(4)上设置用于蓄能的飞轮(5)；
所述机械密封性能参数测量系统包括相互连接的扭矩转速仪(7)和工控机(16)，扭矩转速仪(7)与离合器(6)相连；所述电机(1)和离合器(6)分别与工控机(16)相连；
所述主体密封安装平台包括安装在轴承箱(10)上的密封主轴(9)，密封主轴(9)的一端通过联轴器II(8)与扭矩转速仪(7)相连，密封主轴(9)的另一端贯穿密封腔体(11)；
所述压力供给辅助系统与密封腔体(11)相连，负责保持密封腔体(11)内的密封压力；所述压力供给辅助系统包括压力缓冲稳定罐(12)、冷却器(13)、齿轮泵(14)和油箱(15)；油箱(15)的出口与齿轮泵(14)、压力缓冲稳定罐(12)和密封腔体(11)的进口依次密封相连，所述密封腔体(11)的出口与冷却器(13)和油箱(15)的进口依次密封相连；油箱(15)与压力缓冲稳定罐(12)之间设有第一截止阀(23)，用于试验结束后将压力缓冲稳定罐(12)中的液体引回至油箱(15)，与密封腔体(11)相连的管路上设有第二截止阀(26)，用于整个测试试验结束后，可以将密封腔体(11)中的液体从管路中排出。
2.根据权利要求1所述的机械密封瞬态启停密封性能试验装置，其特征是：所述机械密封性能参数测量系统还包括均位于密封腔体(11)内的温度传感器(17)和位移传感器(18)，所述温度传感器(17)和位移传感器(18)分别与工控机(16)相连。
3.根据权利要求2所述的机械密封瞬态启停密封性能试验装置，其特征是：所述轴承箱(10)内设有用于抵消密封主轴(9)轴向力的锥轴承。
4.根据权利要求3所述的机械密封瞬态启停密封性能试验装置，其特征是：所述位移传感器(18)为涡流传感器。
5.根据权利要求4所述的机械密封瞬态启停密封性能试验装置，其特征是：所述联轴器II(8)为柔性联轴器。
6.根据权利要求5所述的机械密封瞬态启停密封性能试验装置，其特征是：所述联轴器I(2)为链式联轴器。
7.根据权利要求6所述的机械密封瞬态启停密封性能试验装置，其特征是：所述电机(1)为变频电机。
8.根据权利要求7所述的机械密封瞬态启停密封性能试验装置，其特征是：所述飞轮轴(4)被安置在2个并排的轴承座(3)上，所述飞轮(5)位于2个轴承座(3)的正中间。
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| US4750360A (en) * | 1985-10-29 | 1988-06-14 | Bw/Id International, Inc. | Mechanical seal tester |
-
2009
- 2009-01-12 CN CN2009100953923A patent/CN101464203B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4750360A (en) * | 1985-10-29 | 1988-06-14 | Bw/Id International, Inc. | Mechanical seal tester |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 宫燃等.传动装置密封环摩擦磨损性能研究.摩擦学学报 第6期.2008,(第6期),第541-545页. |
| 宫燃等.传动装置密封环摩擦磨损性能研究.摩擦学学报 第6期.2008,(第6期),第541-545页. * |
| 段伟颖等.大功率瞬态工作离心泵密封系统的选型设计.润滑与密封 第7期.2006,(第7期),第174-177页. |
| 段伟颖等.大功率瞬态工作离心泵密封系统的选型设计.润滑与密封 第7期.2006,(第7期),第174-177页. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN101464203A (zh) | 2009-06-24 |
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Application publication date: 20090624 Assignee: Junhe Pumps Co., Ltd. Assignor: Zhejiang University Contract record no.: 2014330000400 Denomination of invention: Mechanical seal transient state start/stop sealing property tester Granted publication date: 20100616 License type: Common License Record date: 20141017 |
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