CN105257618A - 一种可测量往复密封活塞泄漏的封闭式油膜可视化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可测量往复密封活塞泄漏的封闭式油膜可视化装置。包括台面可视化机构和供油系统，台面可视化机构包括顶板、基架、直线作动器、拉压力传感器、活塞和透明缸，活塞底部周围设有下部漏液收集组件，基架侧壁设有上部漏液高度检测组件和显微观察组件，活塞内设有竖直油道和水平油道，水平油道两端贯穿活塞侧壁，竖直油道与上部漏液高度检测组件连接相通，活塞中部沿周向设有环形凹槽作为油液密闭腔连接到供油系统，活塞侧面和透明缸内壁形成缝隙。本发明解决了现有装置的技术难题，提供稳定的液体压力，保证玻璃缸的承载能力和寿命，检测密封泄露量或泵回量的大小。

Description

一种可测量往复密封活塞泄漏的封闭式油膜可视化装置

技术领域

本发明属于液压往复密封领域，具体涉及了一种可测量往复密封活塞泄漏的封闭式油膜可视化装置。

背景技术

近年来随着我国飞机项目的兴起，相关的配套研究实验工作也已经陆续开始展开，液压作动器作为飞机上的主要执行器，其动密封件的性能对于作动器以及系统的安全性、可靠性、维护性和寿命具有重要影响。

针对现役及未来先进飞机液压系统的“高可靠、长寿命、准预测”的目标，必须展开流体往复动密封的机理研究，而密封性能与密封界面油膜状态直接相关，油膜厚度分布、空化区域范围等因素与泄漏量和摩擦力直接相关，因此密封油膜成膜机理与空化机理研究有助于密封性能的控制及优化，密封区域的可视化是展开上述研究的必要条件。通过透明玻璃观察密封界面的油膜状态，利用光干涉法测量密封油膜厚度是密封区域可视化的重要手段。因透明玻璃上加工进出油口对玻璃强度有较大影响，已有的往复密封可视化装置一般为开式系统，不能提供确定液体压力条件，并且现有往复密封油膜可视化装置不检测作动器活塞处泄漏量或泵回量，不能得到密封区域油膜状态与作动腔液体压力、密封泄漏量的定量关系。因此，现有密封油膜可视化装置也未考虑液体温度对密封油膜成膜的影响。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提出了一种可测量往复密封活塞泄漏的封闭式油膜可视化装置，其可实现往复密封油膜可视化的基础上，为整个作动腔提供一定的流体压力，能够检测作动器活塞处密封的泄漏量或泵回量的大小，并引入油液加热装置，结构简单，满足实验系统的使用要求。

本发明采用的技术方案是：

本发明包括台面可视化机构和供油系统，台面可视化机构包括顶板、基架、直线作动器、拉压力传感器、活塞和透明缸，直线作动器悬挂固定在顶板上，直线作动器的输出杆朝下通过传感器连接件连接拉压力传感器的一端，拉压力传感器的另一端连接经透明缸连接件与透明缸固定连接，活塞底部固定在基架的底面，活塞装于透明缸下端内腔中；活塞底部周围设有用于油液收集的下部漏液收集组件，基架侧壁设有上部漏液高度检测组件和显微观察组件，活塞的底面中心设有竖直油道，竖直油道的顶部与水平油道相通，水平油道两端贯穿活塞侧壁，竖直油道的底端与上部漏液高度检测组件连接相通；活塞中部沿周向设有环形凹槽作为油液密闭腔，油液密闭腔经活塞内部下管道与活塞底面的进油管路连通，油液密闭腔经活塞内部上管道与活塞顶面的出油管路连通，出油管路上端穿过透明缸后与进油管路一起均连接到供油系统。

所述的显微观察组件包括显微镜和CCD相机，显微镜通过安装螺栓和安装螺母安装在基架侧壁并上下可调节安装高度，显微镜的目镜被CCD相机代替，显微镜物镜对准上密封圈或下密封圈处。

所述的透明缸连接件下端周面设有凸缘，透明缸顶端的凸缘夹在透明缸连接件下端凸缘和环形夹板之间并通过缸螺栓和缸螺母连接固定。

所述的油液密闭腔上方和下方的活塞侧壁均通过密封圈和支撑环结构与透明缸内壁形成密封连接。

所述的油液密闭腔上方和下方的活塞侧壁均开有两道环形槽，上方的两道环形槽分别装有上密封圈和上支撑环，下方的两道环形槽分别装有下密封圈和下支撑环，使得活塞侧壁与透明缸内壁密封连接。

所述的水平油道位于上密封圈上方，水平油道上方的活塞侧壁与透明缸内壁之间设有缝隙。

所述的下部漏液收集组件包括放于基架底面上的两个漏液收集半月盘，两个漏液收集半月盘相对称通过卡子在两侧夹紧拼装形成环形盘，位于活塞与透明缸之间配合环面的正下方，两个漏液收集半月盘收集从下密封圈123处泄漏的油液。

所述的上部漏液高度检测组件包括高度指示表和连通器管路，高度指示表竖直固定安装在基架侧壁上，高度指示表经连通器管路与竖直油道的连通。

所述的油液供给系统包括油箱、油温表、电动机、第一单向阀、安全阀、泵出口过滤器、前油液压力表、前油液温度表、第二单向阀、油液加热器、后油液温度表、常闭型锥阀、后油液压力表、压力传感器和蓄能器；

油温表安装在油箱内，电动机连接内啮合齿轮泵带动其转动，内啮合齿轮泵的进油口连接油箱，内啮合齿轮泵的出油口依次经第一单向阀、泵出口过滤器、第二单向阀后连接到油液加热器，油液加热器的出口分别连接后油液温度表、后油液压力表、压力传感器和蓄能器，油液加热器的出口作为外出口(A)连接所述进油管路；泵出口过滤器和第二单向阀之间的油路连接有前油液压力表和前油液温度表，回油路过滤器的出油口连接油箱，回油路过滤器进油口依次经散热器、溢流阀和节流阀后作为回油口(B)，回油口(B)经常闭型锥阀同与油箱相连，油箱的油液通过空气过滤器与大气相通；第一单向阀和泵出口过滤器之间的油路与散热器、溢流阀之间的油路通过用于保证液压系统安全的安全阀连接相通。

所述的泵出口过滤器和回油路过滤器均带有光学压差指示器。

本发明主要由台面可视化机构与供油系统两部分组成；直线作动器悬挂固定于顶板上，直线作动器的输出杆通过传感器连接件、拉压力传感器、透明缸连接件同透明缸相连；安装于基架侧壁的显微镜，可通过显微镜安装螺栓、螺母上下调节高度，使其物镜对准所需观察的密封区域，调定高度后锁紧；透明缸体内密闭腔体中充满油液，直线作动器带动透明缸往复匀速上下运动，即可模拟液压缸中活塞的往复运动，显微镜观察油膜形成过程并利用光干涉法测量密封腔体内油膜厚度，由拉压力传感器检测摩擦力的大小；利用连通器原理，将油液泄漏量转变为油液高度的变化，并放大显示，即可检测活塞处密封的泄漏量或泵回量的大小；供油系统为整个装置提供压力及油液温度模拟环境，可研究压力及油液温度对密封摩擦力和泄漏量的影响。

本发明整个竖直放置，透明缸上部缸体连接部通过透明缸上部的阶梯轴同透明缸相连，缸体连接部下部圆柱同缸体内部相配合，起定位和保证同轴度的作用，缸体连接体同拉压力传感器通过螺纹连接，拉压力传感器同直线作动器通过螺纹连接，直线作动器固定于上部顶板上。

活塞内部加工用于检测油液泄漏量的油路，其一端同上部密封圈顶端流道相连，另一端同带有凸透镜的油液高度刻度表相连，两端均与空气相通，在实验开始前整个泄漏量油路充满油液，油液在活塞上部侧面同透明缸体缝隙中达到适当高度，在检测泄漏量前透明缸往复运动一定次数，油液粘附于透明缸体，静止间隔一定时间，记录油液在刻度表中的高度，开始正常试验，试验结束后，静止间隔同样的时间，记录油液在刻度表中的高度变化，利用该办法可以排除透明缸体粘附油液的影响，更精确测量泄漏量或泵回量的大小，下部密封圈泄漏油液可通过两个半月型盘收集。开始实验后，右部显微镜固定一定高度，直线作动器带动透明缸体往复上下运动，观察油膜形成过程和检测油膜厚度。

本发明具有的有益效果是：

本发明解决了现有往复密封可视化装置无法提供确定液体压力、检测泄漏量的技术难题，在不干扰密封油膜成膜过程观察和油膜厚度检测的基础上，其通过改变活塞结构，形成密闭腔体，可提供稳定的液体压力。

本发明将缸体和活塞倒置，并将进出油管路安装于活塞两端，避免在透明玻璃上加工产生微裂纹，可防止高精度要求的玻璃缸产生破坏，一定程度上保证玻璃缸的承载能力和寿命。

同时本发明活塞上部油口作为出油口的同时可作为排气口使用，结构简单。

本发明利用连通器原理，利用活塞同缸壁间的狭小缝隙中油液高度的变化检测活塞处密封的泄漏量或泵回量的大小。

本发明提供有油液加热系统，可用于探究油液温度对密封性能的影响。

附图说明

图1是本发明的台面可视化机构示意图。

图2是本发明的活塞外观示意图。

图3是本发明的台面可视化机构剖视图。

图4是本发明油液进出油口示意图。

图5是本发明供油系统原理图。

图中：101.直线作动器；102.输出杆；103.传感器连接件；104.拉压力传感器；105.透明缸连接件；106.缸螺母；107.环形夹板；108.缸螺栓；109.透明缸；110.活塞；111.显微镜；112.安装螺栓；113.安装螺母；114.CCD相机；115.高度指示表；116.连通器管路；117.夹子；118.漏液收集半月盘；119.进油管路；120.出油管路；121.上密封圈；122.上支撑环；123.下密封圈；124.下支撑环；125.管路接头；126.基架；127.顶板；

201.油箱；202.油温表；203.电动机；204内啮合齿轮泵；205.第一单向阀；206.安全阀；207.泵出口过滤器；208.前油液温度表；209.前油液压力表；210.第二单向阀；211.油液加热器；212.压力传感器；213.后油液压力表；214.后油液温度表；215蓄能器；216.节流阀；217.常闭型锥阀；218.溢流阀；219.散热器；220.回油路过滤器；221.空气过滤器。

1.油液密闭腔；2.水平油道；3.竖直油道；4.下管道；5.上管道；6.缝隙。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明包括台面可视化机构和供油系统。如图1所示，台面可视化机构包括顶板127、基架126、直线作动器101、拉压力传感器104、活塞110和透明缸109，直线作动器101悬挂固定在顶板127上，直线作动器101的输出杆102朝下通过传感器连接件103连接拉压力传感器104的一端，拉压力传感器104的另一端连接经透明缸连接件105与透明缸109固定连接，活塞110底部固定在基架126的底面，活塞110装于透明缸109下端内腔中；活塞110底部周围设有用于油液收集的下部漏液收集组件，基架126侧壁设有上部漏液高度检测组件和显微观察组件，活塞110的底面中心设有竖直油道3，竖直油道3的顶部与水平油道2相通，水平油道2两端贯穿活塞110侧壁，竖直油道3的底端与上部漏液高度检测组件连接相通。

如图2和图4所示，活塞110中部沿周向设有环形凹槽作为油液密闭腔1，油液密闭腔1经活塞110内部下管道4与活塞110底面的进油管路119连通，油液密闭腔1经活塞110内部上管道5与活塞110顶面的出油管路120连通，出油管路120上端穿过透明缸109后与进油管路119一起均连接到供油系统200。

如图2和图3所示，油液密闭腔1上方和下方的活塞110侧壁均通过密封圈和支撑环结构与透明缸109内壁形成密封连接。具体地，油液密闭腔1上方和下方的活塞110侧壁均开有两道环形槽，上方的两道环形槽分别装有上密封圈121和上支撑环122，下方的两道环形槽分别装有下密封圈123和下支撑环124，使得活塞110侧壁与透明缸109内壁密封连接。

如图3所示，显微观察组件包括显微镜111和CCD相机114，显微镜111通过安装螺栓112和安装螺母113安装在基架126侧壁并上下可调节安装高度，显微镜111的目镜被CCD相机114代替，显微镜111物镜对准所需观察密封件——上密封圈121或下密封圈123处，调定高度后将安装螺栓112和安装螺母113锁紧。

如图1和3所示，透明缸连接件105下端周面设有凸缘，透明缸109顶端的凸缘夹在透明缸连接件105下端凸缘和环形夹板107之间并通过缸螺栓108和缸螺母106连接固定。

如图3所示，水平油道2位于上密封圈121上方，水平油道2上方的活塞110侧壁与透明缸109内壁之间设有缝隙6。

如附图1所示，下部漏液收集组件包括放于基架126底面上的两个漏液收集半月盘118，两个漏液收集半月盘118相对称通过卡子117在两侧夹紧拼装形成环形盘，位于活塞110与透明缸109之间配合环面的正下方，两个漏液收集半月盘118收集从下密封圈123处泄漏的油液。

上部漏液高度检测组件包括高度指示表115和连通器管路116，高度指示表115竖直固定安装在基架126侧壁上，高度指示表115经连通器管路116与竖直油道3的连通。

如图5所示，油液供给系统包括油箱201、油温表202、电动机203、第一单向阀205、安全阀206、泵出口过滤器207、前油液压力表209、前油液温度表208、第二单向阀210、油液加热器211、后油液温度表214、常闭型锥阀217、后油液压力表213、压力传感器212和蓄能器215。

油温表202安装在油箱201内，电动机203连接内啮合齿轮泵204带动其转动，内啮合齿轮泵204的进油口连接油箱201，内啮合齿轮泵204的出油口依次经第一单向阀205、泵出口过滤器207、第二单向阀210后连接到油液加热器211，油液加热器211的出口分别连接后油液温度表214、后油液压力表213、压力传感器212和蓄能器215，油液加热器211的出口作为外出口A连接所述进油管路119；泵出口过滤器207和第二单向阀210之间的油路连接有前油液压力表209和前油液温度表208，回油路过滤器220的出油口连接油箱201，回油路过滤器220进油口依次经散热器219、溢流阀218和节流阀216后作为回油口B，回油口B经常闭型锥阀217同与油箱相连，油箱201的油液通过空气过滤器221与大气相通；第一单向阀205和泵出口过滤器207之间的油路与散热器219、溢流阀218之间的油路通过用于保证液压系统安全的安全阀206连接相通。

具体实施中的泵出口过滤器207和回油路过滤器220均带有光学压差指示器。

本发明的具体实施工作过程如下：

油液通过进油管路120，活塞110内的下流道4进入油液密闭腔1内，随着油液密闭腔1内油液的充满，缸内气体通过活塞110内上流道5、出油管路120排出，出油管路120在排完空气后作为出油管路，在实验过程中油液密闭腔1保持恒定压力。

缝隙经活塞内水平油道2、竖直油道3、接头126、连通器管路116一透明细管相连，透明细管116同空气相连通，在实验开始前油液充满水平油道2、竖直油道3，并在缝隙6中达到适当高度，缝隙6和连通器管路116均与空气相通，其油液高度保持一致，油液高度刻度表115的竖直方向上标有密集刻度，外部由平凸透镜放大，可放大油液高度的变化；实验初，透明缸往复运动数次，静止一定时间t后，透过油液高度刻度表115记录连通器管路116中的油液高度，随后进行正常往复实验，实验结束后，静止同样的时间t后，再次记录连通器管路116中的油液高度(排除透明缸体表面粘附油液的影响)，两者高度差乘以缝隙6的截面面积即为泄漏量或泵回量的大小。因为本发明密封圈泄漏量非常小，活塞顶部的空腔没有油液，是通过缝隙6观察油液高度变化。

密闭腔体1中充满油液，保持一定压力，直线作动器101带动透明缸109往复匀速上下运动，即可模拟液压缸中活塞的往复运动，显微镜观察油膜形成过程并测量油膜厚度，由下部漏液收集组件和上部漏液高度检测组件获得密封泄漏量的大小，具体是显微镜观察密封区域油膜形成过程并利用光干涉法测量油膜厚度，由CCD相机113记录显微镜观察图像。再由由拉压力传感器104检测拉力的大小，拉力即为活塞110与透明缸109之间的摩擦力。

对于油液供给系统200：

1)排气过程：调定安全阀206的启动压力低于玻璃缸所承受最高压力，打开节流阀216，打开锥阀217连通油路、启动泵204，待系统油液经出油口A、腔体1、回油B后经锥阀217回油箱后，排气过程完成；

2)实验过程分两种模式：

a)若研究油液温度的影响，则油液需循环加热，关闭锥阀217，调节溢流阀218的开启压力，待腔体1内油压(压力表213示数)稳定为所需压力时停止调节溢流阀218，则系统稳定为所需流体压力，打开并调节油液加热器211，控制后油液温度表214的示数同所需温度相同；控制直线作动器101带动透明缸109往复匀速运动，进行实验；

b)若无需温度控制，关闭油液加热器211电源，关闭锥阀217,此时油液经节流阀216、溢流阀218、散热器219、过滤器220回油箱，调节溢流阀218的开启压力，待腔体1内油压压力表213示数稳定为所需压力时关闭电机203，再关闭节流阀216，由于蓄能器215和单向阀210的存在，整个系统仍稳定为所需压力，控制直线作动器101带动透明缸109往复匀速运动，进行实验。

本发明整体结构通过将直线作动器101、透明缸109和活塞110竖直放置，避免了机构部件重力所引起的偏载，对油膜成膜观察的影响，将活塞110放于下部同机架126相连，便于泄漏量的收集和检测，通过将进出油路4、5开于活塞上，避免在透明缸109上加工产生微裂纹，可防止高精度要求的玻璃缸产生破坏，并通过两个上密封121和下密封123构成油液密闭腔，可用于研究不同液体压力对密封摩擦和泄漏量的影响。

活塞上部油口B作为出油口的同时可作为排气口使用，结构简单方便，将活塞110上部同透明缸109壁间的缝隙6中油液高度的变化根据连通器原理同连通器管路116中油液高度保持一致，油液高度刻度表115的竖直方向上标有密集刻度，外部由平凸透镜放大，可放大油液高度的变化，即可精确检测密封泄漏量或泵回量的大小。

同时本发明的油液供给系统200中加入油液加热器211和相关油液回路，可用于探究油液温度对密封性能的影响。由此，本发明技术效果显著突出，其解决了现有装置的技术难题，提供稳定的液体压力，保证玻璃缸的承载能力和寿命，检测密封泄露量或泵回量的大小。

Claims (10)

1.一种可测量往复密封活塞泄漏的封闭式油膜可视化装置，其特征在于：包括台面可视化机构和供油系统，台面可视化机构(100)包括顶板(127)、基架(126)、直线作动器(101)、拉压力传感器(104)、活塞(110)和透明缸(109)，直线作动器(101)悬挂固定在顶板(127)上，直线作动器(101)的输出杆(102)朝下通过传感器连接件(103)连接拉压力传感器(104)的一端，拉压力传感器(104)的另一端连接经透明缸连接件(105)与透明缸(109)固定连接，活塞(110)底部固定在基架(126)的底面，活塞(110)装于透明缸(109)下端内腔中；活塞(110)底部周围设有用于油液收集的下部漏液收集组件，基架(126)侧壁设有上部漏液高度检测组件和显微观察组件，活塞(110)的底面中心设有竖直油道(3)，竖直油道(3)的顶部与水平油道(2)相通，水平油道(2)两端贯穿活塞(110)侧壁，竖直油道(3)的底端与上部漏液高度检测组件连接相通；活塞(110)中部沿周向设有环形凹槽作为油液密闭腔(1)，油液密闭腔(1)经活塞(110)内部下管道(4)与活塞(110)底面的进油管路(119)连通，油液密闭腔(1)经活塞(110)内部上管道(5)与活塞(110)顶面的出油管路(120)连通，出油管路(120)上端穿过透明缸(109)后与进油管路(119)一起均连接到供油系统(200)。

2.根据权利要求1所述的一种可测量往复密封活塞泄漏的封闭式油膜可视化装置，其特征在于：所述的显微观察组件包括显微镜(111)和CCD相机(114)，显微镜(111)通过安装螺栓(112)和安装螺母(113)安装在基架(126)侧壁并上下可调节安装高度，显微镜(111)的目镜被CCD相机(114)代替，显微镜(111)物镜对准上密封圈(121)或下密封圈(123)处。

3.根据权利要求1所述的一种可测量往复密封活塞泄漏的封闭式油膜可视化装置，其特征在于：所述的透明缸连接件(105)下端周面设有凸缘，透明缸(109)顶端的凸缘夹在透明缸连接件(105)下端凸缘和环形夹板(107)之间并通过缸螺栓(108)和缸螺母(106)连接固定。

4.根据权利要求1所述的一种可测量往复密封活塞泄漏的封闭式油膜可视化装置，其特征在于：所述的油液密闭腔(1)上方和下方的活塞(110)侧壁均通过密封圈和支撑环结构与透明缸(109)内壁形成密封连接。

5.根据权利要求4所述的一种可测量往复密封活塞泄漏的封闭式油膜可视化装置，其特征在于：所述的油液密闭腔(1)上方和下方的活塞(110)侧壁均开有两道环形槽，上方的两道环形槽分别装有上密封圈(121)和上支撑环(122)，下方的两道环形槽分别装有下密封圈(123)和下支撑环(124)，使得活塞(110)侧壁与透明缸(109)内壁密封连接。

6.根据权利要求1所述的一种可测量往复密封活塞泄漏的封闭式油膜可视化装置，其特征在于：所述的水平油道(2)位于上密封圈(121)上方，水平油道(2)上方的活塞(110)侧壁与透明缸(109)内壁之间设有形成容置油液的缝隙(6)。

7.根据权利要求1所述的一种可测量往复密封活塞泄漏的封闭式油膜可视化装置，其特征在于：所述的下部漏液收集组件包括放于基架(126)底面上的两个漏液收集半月盘(118)，两个漏液收集半月盘(118)相对称通过卡子(117)在两侧夹紧拼装形成环形盘，位于活塞(110)与透明缸(109)之间配合环面的正下方，两个漏液收集半月盘(118)收集从下密封圈123处泄漏的油液。

8.根据权利要求1所述的一种可测量往复密封活塞泄漏的封闭式油膜可视化装置，其特征在于：所述的上部漏液高度检测组件包括高度指示表(115)和连通器管路(116)，高度指示表(115)竖直固定安装在基架(126)侧壁上，高度指示表(115)经连通器管路(116)与竖直油道(3)的连通。

9.根据权利要求1所述的一种可测量往复密封活塞泄漏的封闭式油膜可视化装置，其特征在于：所述的油液供给系统(200)包括油箱(201)、油温表(202)、电动机(203)、第一单向阀(205)、安全阀(206)、泵出口过滤器(207)、前油液压力表(209)、前油液温度表(208)、第二单向阀(210)、油液加热器(211)、后油液温度表(214)、常闭型锥阀(217)、后油液压力表(213)、压力传感器(212)和蓄能器(215)；

油温表(202)安装在油箱(201)内，电动机(203)连接内啮合齿轮泵(204)带动其转动，内啮合齿轮泵(204)的进油口连接油箱(201)，内啮合齿轮泵(204)的出油口依次经第一单向阀(205)、泵出口过滤器(207)、第二单向阀(210)后连接到油液加热器(211)，油液加热器(211)的出口分别连接后油液温度表(214)、后油液压力表(213)、压力传感器(212)和蓄能器(215)，油液加热器(211)的出口作为外出口(A)连接所述进油管路(119)；泵出口过滤器(207)和第二单向阀(210)之间的油路连接有前油液压力表(209)和前油液温度表(208)，回油路过滤器(220)的出油口连接油箱(201)，回油路过滤器(220)进油口依次经散热器(219)、溢流阀(218)和节流阀(216)后作为回油口(B)，回油口(B)经常闭型锥阀(217)同与油箱相连，油箱(201)的油液通过空气过滤器(221)与大气相通；第一单向阀(205)和泵出口过滤器(207)之间的油路与散热器(219)、溢流阀(218)之间的油路通过用于保证液压系统安全的安全阀(206)连接相通。

10.根据权利要求9所述的一种可测量往复密封活塞泄漏的封闭式油膜可视化装置，其特征在于：所述的泵出口过滤器(207)和回油路过滤器(220)均带有光学压差指示器。