CN103308410B - 一种密封圈摩擦磨损的试验方法及其试验装置 - Google Patents

Abstract

一种密封圈摩擦磨损的试验方法及其试验装置，所述的方法包括：1）将下试件固定在下夹具；2）上试件嵌入弧形容纳槽后调整调节螺栓控制上试件轴向压缩率；3）介质槽内加入试验介质并设定试验温度、法向载荷以及摩擦频率；4）控制二维可调移动台和水平往复运动装置，计算上、下试件间摩擦系数；所述的装置包括机座、介质槽、上夹具、下夹具、温度控制台、水平往复运动装置、二维可调移动台和数据采集控制系统，所述的二维可调移动台、水平往复运动装置、温度控制台均与数据采集控制系统电连接。本发明的有益效果是：真实模拟密封圈工况、在试验过程中同步动态采集摩擦力、准确地分析密封圈摩擦界面损伤演变特性及影响规律。

Description

一种密封圈摩擦磨损的试验方法及其试验装置

技术领域

本发明涉及一种密封圈摩擦磨损的试验方法及其试验装置。

背景技术

密封技术的可靠性和稳定性已成为现代流程工业设备安全、稳定运行的关键因素。根据密封偶合面间有无相对运动，可将密封分为静密封和动密封两种；而按密封件在密封装置中所起的作用，又有主要密封和辅助密封之分。但无论作为主要密封还是辅助密封，动密封除了要承受介质压力外，还必须耐受相对运动引起的摩擦、磨损，以保证一定的密封性能和满足运动性能的各项要求。例如，作为主要密封的液压、气动缸中的活塞与缸筒之间的密封、活塞杆与缸盖以及滑阀的阀芯与阀体之间的密封以及机械密封中作为辅助密封的密封圈，这些密封元件常因摩擦导致接触表面过度磨损并成为密封失效的主要原因。

机械密封中具有轴向补偿能力的密封环与相关零件之间的辅助密封是密封系统中除端面密封副（即主密封）外最重要的部件。随着主密封性能的不断提高，作为辅助密封重要元件的密封圈接触界面摩擦磨损失效问题日益突显，并直接影响密封环的追随性和浮动性。目前，它已成为制约现代机械密封向高可靠性、长寿命方向发展的重要因素。

摩擦磨损性能是评价密封材料综合性能的一项重要指标，摩擦磨损性能与摩擦副的材料性能、接触状态、界面特性、润滑条件和环境因素等密切相关。然而，目前绝大部分研究都是利用有限元模拟计算或平面线接触考察密封圈的摩擦磨损性能，这些方法具有一定的局限性。如何准确地开展密封圈摩擦磨损的试验研究，在更加切合实际服役工况下系统深入地研究各种因素与密封圈磨损特性的内在联系，是揭示密封圈摩擦学损伤机理、控制或减缓有害磨损的关键。但目前从摩擦学试验角度研究密封圈摩擦磨损性能的工作较少，这主要归因于现有标准型摩擦学试验设备无法真实模拟密封圈的真实工况下的摩擦磨损性能及缺乏一种能合理评价密封圈摩擦磨损的试验设备。

发明内容

为了解决现有标准型摩擦学试验设备无法真实模拟密封圈的真实工况下的摩擦磨损的问题，本发明提出了一种能真实模拟密封圈的真实工况、并在试验过程中同步动态采集摩擦力、可较准确地分析密封圈摩擦界面损伤演变特性及影响规律的密封圈摩擦磨损的试验方法及其试验装置。

一种密封圈摩擦磨损的试验方法，包括以下步骤：

1）将下试件固定在下夹具上，并将下试件的半圆柱形凹槽的中心轴线与水平往复运动装置的运动方向保持一致；

2）将上试件嵌入上夹具座与夹紧盖之间的弧形容纳槽后，通过调整调节螺栓控制上试件的轴向压缩率并使其固定在上夹具上；调整二维可调移动台的位置使得上夹具的半圆柱形端面中心轴线与下试件的半圆柱形凹槽中心轴线在同一垂直平面内；

3）在介质槽内加入试验介质并通过控制系统设定试验温度、法向载荷以及摩擦频率；

4）二维力学传感器动态采集并实时分析试验过程中的上试件和下试件之间的法向载荷和切向力，并将数据传送给控制系统，控制系统一方面对二维可调移动台的垂向位置进行实时反馈控制，确保上、下试件间始终保持恒定的法向载荷，另一方面控制系统控制水平往复运动装置以设定的往复位移和频率作周期性往复运动，使上、下试件产生往复的摩擦磨损，并同步计算上试件和下试件之间的摩擦系数。

按照本发明所述的试验方法构建的试验装置，其特征在于：包括机座、介质槽、上夹具、下夹具、温度控制台、水平往复运动装置、二维可调移动台和数据采集控制系统，所述的二维可调移动台固定在所述的机座的上部，并且所述的二维可调移动台下部安装二维力学传感器；所述的二维力学传感器上固定夹持上试件的上夹具；所述的介质槽安装在所述的水平往复运动装置上方，并且所述的介质槽内固定夹持下试件的下夹具，所述的介质槽内填充试验介质；所述的水平往复运动装置固定在所述的机座上；所述的二维可调移动台、所述的水平往复运动装置、所述的温度控制台均与所述的数据采集控制系统电连接。

所述的上夹具包括上夹具座、夹紧盖和调节螺栓，所述的上夹具座和夹紧盖通过所述的调节螺栓相互固定组成的下端面为等直径半圆柱形，所述的上夹具座在半圆柱形端面设有台阶结构，与所述的夹紧盖配合形成与作为上试件的密封圈匹配的弧形容纳槽；所述的下试件沿轴向开有与上试件匹配的贯通半圆柱形凹槽。

所述的二维可调移动台包括垂直滑块、垂直导轨、垂直丝杠、垂直电机、水平电机、水平滑块、水平丝杠和水平导轨，所述的垂直电机和所述的水平电机均固定在所述的机座的上方，且所述的垂直电机与所述的水平电机与所述的数据采集控制系统电连接；所述的垂直电机的输出端连接垂直丝杠的上端，所述的垂直丝杠的下端与所述的垂直滑块螺接；所述的垂直滑块的后部设置与所述的垂直导轨配合的导槽；所述的水平导轨固定在所述的机座上；所述的水平电机的输出轴与所述的水平丝杠的一端连接，所述的水平丝杠的另一端与所述的水平滑块螺接，所述的水平直滑块的上部设置的导槽与固定在垂直滑块上的水平导轨配合。

所述的水平往复运动装置包括驱动电机、曲柄连杆机构、滑块和侧面水平滑轨，所述的驱动电机竖直安装在机座底部，所述的驱动电机通过曲柄连杆机构与所述的滑块连接；上述的下夹具通过所述的介质槽固定在所述的滑块上；所述的滑块两侧与固定在机座上的侧面水平滑轨配合。

所述的温度控制台内置发热单元和温度传感器，所述的发热电源、所述的温度传感器分别与数据采集控制系统电连接，所述的温度控制台固定在上述的滑块上。

所述的弧形容纳槽的横截面形状呈矩形、槽深与待测的上试件的尺寸确定且小于上试件的线径。

所述的下夹具置于所述的介质槽内并穿过温度控制台的中心通孔固定在所述的水平往复运动装置上。

本发明的有益效果是：该技术完成的摩擦磨损试验其环境介质、试验温度可控，上下试件间采用曲面线接触方式，试验时密封圈的轴向压缩率通过调节螺栓调节上夹具座和夹紧盖间的距离实现，其压缩率可在0～40%之间任意调节；密封圈的径向压缩率通过法向载荷控制。这样，可真实模拟密封圈与配合密封部件的接触状况；同时，二维力学传感器实时监测试验过程中的法向载荷和切向力，并传送给数据控制系统，由控制系统对二维可调移动台的垂向位置进行实时反馈控制，确保上下试件间始终保持恒定的法向载荷；控制系统通过水平往复运动装置带动密封圈对磨副精确可控的往复运动，可以实现密封圈与对磨副在设定的法向载荷、往复位移、滑动速度、试验温度和频率等条件下的摩擦运动，并在试验过程中同步动态采集摩擦力、可较准确地分析密封圈摩擦界面损伤演变特性及影响规律，以揭示密封圈的摩擦磨损损伤机制，为控制和减缓密封圈因摩擦引起的过度磨损、提高密封设备的使用性能和寿命提供更准确可靠的试验依据。

附图说明

图1是本发明的主视图。

图2是本发明的试验装置中摩擦副及相邻部件俯视结构示意图。

图3是本发明的试验装置中摩擦副及相邻部件左视结构示意图（箭头代表水平往复运动装置的运动方向）。

图4是本发明的试验装置中上、下试件及上夹具的三维爆炸示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明

参照附图：

实施例1一种密封圈摩擦磨损的试验方法，包括以下步骤：

1）将下试件固定在下夹具上，并将下试件的半圆柱形凹槽的中心轴线与水平往复运动装置的运动方向保持一致；

2）将上试件嵌入上夹具座与夹紧盖之间的弧形容纳槽后，通过调整调节螺栓控制上试件的轴向压缩率并使其固定在上夹具上；调整二维可调移动台的位置使得上夹具的半圆柱形端面中心轴线与下试件的半圆柱形凹槽中心轴线在同一垂直平面内；

3）在介质槽内加入试验介质并通过控制系统设定试验温度、法向载荷以及摩擦频率；

4）二维力学传感器动态采集并实时分析试验过程中的上试件和下试件之间的法向载荷和切向力，并将数据传送给控制系统，控制系统一方面对二维可调移动台的垂向位置进行实时反馈控制，确保上、下试件间始终保持恒定的法向载荷，另一方面控制系统控制水平往复运动装置以设定的往复位移和频率作周期性往复运动，使上、下试件产生往复的摩擦磨损，并同步计算上试件和下试件之间的摩擦系数。

实施例2按照实施例1所述的试验方法构建的试验装置，包括机座1、介质槽2、上夹具3、下夹具4、温度控制台5、水平往复运动装置6、二维可调移动台7和数据采集控制系统，所述的二维可调移动台7固定在所述的机座1的上部，并且所述的二维可调移动台7下部安装二维力学传感器71；所述的二维力学传感器71上固定夹持上试件31的上夹具3；所述的介质槽2安装在所述的水平往复运动装置6上方，并且所述的介质槽2内固定夹持下试件41的下夹具4，所述的介质槽2内填充试验介质21；所述的水平往复运动装置6固定在所述的机座1上；所述的二维可调移动台7、所述的水平往复运动装置6、所述的温度控制台5均与所述的数据采集控制系统电连接。

所述的上夹具3包括上夹具座32、夹紧盖33和调节螺栓34，所述的上夹具座32和夹紧盖33通过所述的调节螺栓34相互固定组成的下端面为等直径半圆柱形，所述的上夹具座32在半圆柱形端面设有台阶结构321，与所述的夹紧盖33配合形成与作为上试件的密封圈匹配的弧形容纳槽；所述的下试件41沿轴向开有与上试件31匹配的贯通半圆柱形凹槽411。

所述的二维可调移动台7包括垂直滑块72、垂直导轨73、垂直丝杠74、垂直电机75、水平电机76、水平滑块77、水平丝杠78和水平导轨79，所述的垂直电机75和所述的水平电机76均固定在所述的机座1的上方，且所述的垂直电机75与所述的水平电机76与所述的数据采集控制系统电连接；所述的垂直电机75的输出端连接垂直丝杠74的上端，所述的垂直丝杠74的下端与所述的垂直滑块72螺接；所述的垂直滑块72的后部设置与所述的垂直导轨73配合的导槽；所述的水平导轨79固定在所述的机座1上；所述的水平电机76的输出轴与所述的水平丝杠78的一端连接，所述的水平丝杠78的另一端与所述的水平滑块77螺接，所述的水平直滑块77的上部设置的导槽与固定在垂直滑块72上的水平导轨79配合。

所述的水平往复运动装置6包括驱动电机61、曲柄连杆机构62、滑块63和侧面水平滑轨64，所述的驱动电机61竖直安装在机座1底部，所述的驱动电机61通过曲柄连杆机构62与所述的滑块63连接；上述的下夹具4通过所述的介质槽2固定在所述的滑块63上；所述的滑块63两侧与固定在机座1上的侧面水平滑轨64配合。

所述的温度控制台5内置发热单元和温度传感器，所述的发热电源、所述的温度传感器分别与数据采集控制系统电连接，所述的温度控制台5固定在上述的滑块63上。

所述的弧形容纳槽34的横截面形状呈矩形、槽深与待测的上试件31的尺寸确定且小于上试件31的线径。

所述的下夹具4置于所述的介质槽2内并穿过温度控制台5的中心通孔固定在所述的水平往复运动装置6上。

本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包涵本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。

Claims (6)

1.一种密封圈摩擦磨损的试验方法，包括以下步骤：

1)将下试件固定在下夹具上，并将下试件的半圆柱形凹槽的中心轴线与水平往复运动装置的运动方向保持一致；

2)将上试件嵌入上夹具座与夹紧盖之间的弧形容纳槽后，通过调整调节螺栓控制上试件的轴向压缩率并使其固定在上夹具上；调整二维可调移动台的位置使得上夹具的半圆柱形端面中心轴线与下试件的半圆柱形凹槽中心轴线在同一垂直平面内；

3)在介质槽内加入试验介质并通过控制系统设定试验温度、法向载荷以及摩擦频率；

4)二维力学传感器动态采集并实时分析试验过程中的上试件和下试件之间的法向载荷和切向力，并将数据传送给控制系统，控制系统一方面对二维可调移动台的垂向位置进行实时反馈控制，确保上、下试件间始终保持恒定的法向载荷，另一方面控制系统控制水平往复运动装置以设定的往复位移和频率作周期性往复运动，使上、下试件产生往复的摩擦磨损，并同步计算上试件和下试件之间的摩擦系数；

使用密封圈摩擦磨损的试验专用装置，包括机座、介质槽、上夹具、下夹具、温度控制台、水平往复运动装置、二维可调移动台和控制系统，所述的二维可调移动台固定在所述的机座的上部，并且所述的二维可调移动台下部安装二维力学传感器；所述的二维力学传感器上固定夹持上试件的上夹具；所述的介质槽安装在所述的水平往复运动装置上方，并且所述的介质槽内固定夹持下试件的下夹具，所述的介质槽内填充试验介质；所述的水平往复运动装置固定在所述的机座上；所述的二维可调移动台、所述的水平往复运动装置、所述的温度控制台均与所述的控制系统电连接；

所述的二维可调移动台包括垂直滑块、垂直导轨、垂直丝杠、垂直电机、水平电机、水平滑块、水平丝杠和水平导轨，所述的垂直电机和所述的水平电机均固定在所述的机座的上方，且所述的垂直电机与所述的水平电机与所述的控制系统电连接；所述的垂直电机的输出端连接垂直丝杠的上端，所述的垂直丝杠的下端与所述的垂直滑块螺接；所述的垂直滑块的后部设置与所述的垂直导轨配合的导槽；所述的水平导轨固定在所述的机座上；所述的水平电机的输出轴与所述的水平丝杠的一端连接，所述的水平丝杠的另一端与所述的水平滑块螺接，所述的水平直滑块的上部设置的导槽与固定在垂直滑块上的水平导轨配合。

2.如权利要求1所述的试验方法，其特征在于：所述的上夹具包括上夹具座、夹紧盖和调节螺栓，所述的上夹具座和夹紧盖通过所述的调节螺栓相互固定组成的下端面为等直径半圆柱形，所述的上夹具座在半圆柱形端面设有台阶结构，与所述的夹紧盖配合形成与作为上试件的密封圈匹配的弧形容纳槽；所述的下试件沿轴向开有与上试件匹配的贯通半圆柱形凹槽。

3.如权利要求2所述的试验方法，其特征在于：所述的水平往复运动装置包括驱动电机、曲柄连杆机构、滑块和侧面水平滑轨，所述的驱动电机竖直安装在机座底部，所述的驱动电机通过曲柄连杆机构与所述的滑块连接；上述的下夹具通过所述的介质槽固定在所述的滑块上；所述的滑块两侧与固定在机座上的侧面水平滑轨配合。

4.如权利要求3所述的试验方法，其特征在于：所述的温度控制台内置发热单元和温度传感器，所述的发热电源、所述的温度传感器分别与控制系统电连接，所述的温度控制台固定在上述的滑块上。

5.如权利要求4所述的试验方法，其特征在于：所述的弧形容纳槽的横截面形状呈矩形、槽深与待测的上试件的尺寸确定且小于上试件的线径。

6.如权利要求5所述的试验方法，其特征在于：所述的下夹具置于所述的介质槽内并穿过温度控制台的中心通孔固定在所述的水平往复运动装置上。