CN106370542B - 一种全海深模拟摩擦腐蚀学试验台的密封与冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全海深模拟摩擦腐蚀试验台的密封与冷却系统，主要包括旋转主轴密封与冷却一体化结构、高压进水管密封组件、工作电极封装结构、高压温度传感器密封组件、深海水听器密封组件。旋转主轴采用复合材料、间隙密封组件，解决了高压密封与试验力在高压釜体内、外之间精确传递的矛盾，同时间隙处的泄漏海水能带走绝大部分摩擦产热，使得系统具有良好的散热能力；工作电极采用先封装后密封的结构，具有受力平衡、耐压强度高的特点，使试验台具备研究不同海深压力条件下的腐蚀和磨损能力。本发明能够模拟任意海深环境压力，实现模拟海深环境下不同配对副的摩擦磨损试验和动态腐蚀试验。

Description

一种全海深模拟摩擦腐蚀学试验台的密封与冷却系统

技术领域

本发明属于摩擦腐蚀试验台设计领域，具体涉及一种利用高压釜模拟全海深极端海洋环境，进行摩擦副试验的摩擦腐蚀的试验台，更具体地涉及一种全海深模拟摩擦腐蚀试验台的密封与冷却系统。

背景技术

随着陆上各类资源日益枯竭，进行海洋资源的勘探、开采对改善人类生存和发展环境具有重要战略意义。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》进一步指出加强深海、深地、深空、深蓝等领域的战略高技术部署。2016年，我国启动了“深海关键技术与装备”专项，重点研究全海深潜水器相关的技术。因为深海装备是海洋技术发展的基础，而在全海深极端高压环境下具有优异摩擦学性能的配对副是深海海洋装备运动系统研制的基础。

目前，深海装备中部分关键元、器件的摩擦副直接在苛刻的海洋环境下工作，如海水泵的滑靴/斜盘、柱塞/柱塞套、潜器浮力调节系统、系泊链、推进器等，配对副的摩擦磨损、腐蚀及其相互作用严重制约着深海装备的效率、寿命和可靠性。然后，现有摩擦学相关研究尚未延伸至深海领域，人们缺乏对各种材料配对副在深海水环境中的摩擦性能、磨损机理的系统认识。沿用陆地的摩擦副的设计经验，已无法全海深装备的研究需求。因而需要研制“全海深全海深模拟摩擦腐蚀试验台”，用于探索不同材料配对副在极端海洋环境下的摩擦磨损腐蚀行为、规律以及服役失效机理，从而完成海洋材料筛选、找到改善材料摩擦学性能的方法，进而保障海洋装备安全可靠运行的目的，填补深海摩擦学领域空白，推进海洋技术向深海发展，具有重要的现实意义。

由于大直径的超高压釜体制作成本高昂，加之适应全海深高压环境压力的水密接插件、深海电机、高压电极等元件极度匮乏，全海深模拟摩擦腐蚀试验台通常采用高压泵压缩海水，在高压釜内模拟深海高压，试验试件放置在高压釜体内，加载系统、测量系统位于高压釜体外。因此，试验力、加载力需要在高压釜体内、外精确传递与准确测量。然而，运动部件在高压釜上的超高压密封为接触密封，接触密封产生的轴向摩擦力及摩擦力矩难以从测量数据中剔除，直接影响试验力、加载力的测量精度。

全海深模拟摩擦腐蚀试验台需在密闭的高压釜内进行摩擦学实验，考虑到高压釜的制作成本，通常高压釜具有容积小、壁厚大的特点，散热条件差。同时，高压釜内的实验试件摩擦磨损产热量大。

因此，有必要设计一种摩擦学试验系统，用于解决全海深模拟摩擦腐蚀试验台面临的密封与冷却问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种摩擦学试验系统，旨在解决全海深模拟摩擦腐蚀试验台所面临的密封与冷却问题，降低高压釜内的实验试件摩擦磨损产热对模拟温度环境的影响。

为了实现上述目的，本发明提供了一种全海深模拟摩擦腐蚀试验台的密封与冷却系统，包括：高压釜、旋转主轴密封组件、高压进水管接头、水箱；高压釜用于注入海水模拟压力海水环境，包括下罐体以及注水口；高压进水管接头安装在高压釜的注水口上并密封；旋转主轴密封组件包括第一锁紧螺母、轴套、旋转主轴、加载轴、泄漏水接头；

第一锁紧螺母沿轴向从上至下开设有轴套孔、连通孔、加载轴孔，连通孔连通轴套孔和加载轴孔；轴套下部置于轴套孔内，加载轴上部置于加载轴孔内；旋转主轴依次穿过轴套和连通孔，与加载轴对接，以使加载轴能够带动旋转主轴旋转；旋转主轴与轴套为间隙配合，加载轴与第一锁紧螺母的加载轴孔之间形成空腔；第一锁紧螺母沿径向开设连通空腔的出水口，泄漏水接头安装在出水口上；加载轴与第一锁紧螺母的加载轴孔之间的密封位置设在出水口下方；

轴套通过第一锁紧螺母固定在下罐体上，相对于下罐体静止，且与下罐体密封；旋转主轴与轴套之间的间隙的上部暴露在高压釜内；

水箱通过高压输水管路连接高压进水管接头，出水口连接水箱，高压输水流量大于旋转主轴与轴套之间的间隙泄漏流量，以使水箱中的海水加压后通过高压进水管接头注入高压釜制造高压海水环境，高压釜内的一部分海水通过旋转主轴与轴套之间的间隙泄漏到第一锁紧螺母与加载轴之间的空腔，再经出水口引回水箱。

进一步地，高压进水管接头与注水口之间采用锥面硬密封，密封压力由高压进水管密封组件提供，高压进水管密封组件包括依次套在高压进水管接头外的防松螺母、防松套、第二锁紧螺母；防松螺母与高压进水管接头通过螺纹连接，第二锁紧螺母通过螺纹与注水口连接，防松套的外锥面与第二锁紧螺母内锥面接触，防松套与螺母抵接。

进一步地，高压进水管接头及螺母的螺纹方向相同，与第二锁紧螺母的螺纹方向相反。

进一步地，高压进水管接头与注水口之间的密封锥面为59°。

进一步地，加载轴与第一锁紧螺母的加载轴孔之间通过迷宫密封动环和迷宫密封静环配合密封；迷宫密封动环固定在加载轴上，跟随加载轴同步旋转，迷宫密封静环位于第一锁紧螺母下端面。

进一步地，迷宫密封动环与加载轴之间采用第二O形圈密封。

进一步地，迷宫密封动环在加载轴轴向的位置可调，以使迷宫密封动环与迷宫密封静环的间隙可调。

进一步地，高压釜上还设有测温口，高压温度传感器密封组件安装在测温口上，包括：高压温度传感器、紫铜垫；高压温度传感器的主体部分固定在测温口内，紫铜垫紧压于高压温度传感器在测温口外的部分与测温口的外端面之间。

进一步地，测温口的外端面开设有锯齿状的密封槽与紫铜垫配合密封。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1.水箱中的海水加压后通过高压进水管接头注入高压釜制造高压海水环境，高压釜内的一部分海水通过旋转主轴与轴套之间的间隙泄漏到第一锁紧螺母与加载轴之间的空腔，将受到摩擦热影响的海水排出高压釜，并不断补充新的海水，从而将摩擦热通过海水的循环带走，降低了摩擦热对模拟海洋温度环境的影响，保持模拟海洋温度环境的稳定；

2.旋转主轴采用组合密封形式，位于高压釜内承受海水高压的高压端采用间隙密封，通过间隙泄漏的海水采用径向的迷宫密封实现二次密封，较之传统摩擦试验台的接触式密封，排除了动密封产生的轴向摩擦力及摩擦力矩对精确测量加载力、摩擦力矩的干扰；

3.旋转主轴间隙密封处泄漏的海水通过径向迷宫密封的形式完成二次密封，并将海水引回水箱；由于高压釜内的海水通过间隙泄漏不断与水箱中的海水交换，循环水带走高压釜内绝大部分产热；因此，该摩擦学试验系统具有良好的散热能力；

4.高压输水工作流量大于旋转主轴与轴套之间的最大间隙泄漏流量，故高压釜仍能根据使用需求模拟相应海深环境；

5.高压水入口采用59°锥面硬密封，带防松功能的接头能避免因高压管震动引起接头螺母松动而造成的泄漏；这种接头既能防震，抗疲劳，而且结构紧凑。

附图说明

附图1所示为水循环示意图；

附图2所示为旋转主轴密封组件剖视图；

附图3所示为高压进水管密封组件剖视图；

附图4所示为高压温度传感器密封组件剖视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，且所有位置关系中的方向均是针对图示方向而言，当组件、元件的安装位置发生变化时，其相应的方向也会变化，但是相对位置关系并未改变。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

附图1为水循环示意图，图中有旋转主轴密封组件1、水箱2、高压进水管密封组件3、工作电极密封组件4、水听器密封组件5、温度传感器密封组件6、高压釜7。通过动力源将水箱中的海水压缩并流经高压进水管密封组件注入高压釜，从而模拟深海高压环境。高压釜7内的部分压力海水通过旋转主轴处的密封间隙泄漏回水箱，形成完整的水循环回路。因为动力源的注水流量大于主轴密封处的泄漏流量，所以高压釜内仍能安装实验需求建立相应的压力海水环境。

如图1～3，本发明优选实施例的全海深模拟摩擦腐蚀试验台的密封与冷却系统，包括：高压釜7、旋转主轴密封组件1、高压进水管接头3.5、水箱2；高压釜7用于注入海水模拟压力海水环境，包括下罐体7.1以及注水口；高压进水管接头3.5安装在高压釜7的注水口上并密封。

旋转主轴密封组件1包括第一锁紧螺母1.11、轴套1.2、旋转主轴1.3、加载轴1.5、泄漏水接头1.10；第一锁紧螺母1.11沿轴向从上至下开设有轴套孔、连通孔、加载轴孔，连通孔连通轴套孔和加载轴孔；轴套1.2下部置于轴套孔内，加载轴1.5上部置于加载轴孔内。

旋转主轴1.3依次穿过轴套和连通孔，与加载轴1.5对接，以使加载轴1.5能够带动旋转主轴1.3旋转；旋转主轴1.3与轴套1.2为间隙配合，加载轴1.5与第一锁紧螺母1.11的加载轴孔之间形成空腔；第一锁紧螺母1.11沿径向开设连通空腔的出水口，泄漏水接头1.10安装在出水口上；加载轴1.5与第一锁紧螺母1.11的加载轴孔之间的密封位置设在出水口下方。

加载轴1.5与第一锁紧螺母1.11的加载轴孔之间通过迷宫密封动环1.6和迷宫密封静环配合密封；迷宫密封动环1.6固定在加载轴1.5上，可跟随加载轴1.5同步旋转，其在加载轴1.5轴向的位置可调，迷宫密封静环位于第一锁紧螺母1.11下端面；迷宫密封动环1.6与加载轴1.5之间采用第二O形圈1.8密封。

轴套1.2通过第一锁紧螺母1.11固定在下罐体7.1上，相对于下罐体7.1静止，且与下罐体7.1密封；旋转主轴1.3与轴套1.2之间的间隙的上部暴露在高压釜7内。

水箱2通过高压输水管路连接高压进水管接头3.5，出水口连接水箱2，高压输水流量大于旋转主轴1.3与轴套1.2之间的间隙泄漏量，以使水箱中的海水加压后通过高压进水管接头3.5注入高压釜7制造高压海水环境，高压釜7内的一部分海水通过旋转主轴1.3与轴套1.2之间的间隙泄漏到第一锁紧螺母1.11与加载轴1.5之间的空腔，再经出水口引回水箱2。

如图3，高压进水管接头3.5与注水口之间采用锥面硬密封，密封压力由高压进水管密封组件3提供，高压进水管密封组件3包括依次套在高压进水管接头3.5外的防松螺母3.2、防松套3.3、第二锁紧螺母3.4；防松螺母3.2与高压进水管接头3.5通过螺纹连接，第二锁紧螺母3.4通过螺纹与注水口连接，防松套3.3的外锥面与第二锁紧螺母3.4内锥面接触，防松套3.3与螺母3.2抵接。高压进水管接头3.5及螺母3.2的螺纹方向相同，与第二锁紧螺母3.4的螺纹方向相反。

如图4，高压釜7上还设有测温口，测温口位置可以根据需要设置，以图4为例，是设置在下罐体7.1上。高压温度传感器密封组件6安装在测温口上，包括：高压温度传感器6.1、紫铜垫6.2；高压温度传感器6.1的主体部分固定在测温口内，紫铜垫6.2设于高压温度传感器6.1在测温口外的部分与测温口的外端面之间；测温口的外端面开设有锯齿状的密封槽与紫铜垫6.2配合密封。锯齿状的密封槽，用于减小加工精度要求，保证可靠密封。

下面介绍本发明的工作原理、工作过程以及效果。

如图2，旋转主轴1.3与轴套1.2为间隙配合，旋转主轴采用复合材料结构，不锈钢基体表面喷涂硬质合金材料。因此，该结构较之传统摩擦试验台所采用的接触密封，具有摩擦阻力小，耐磨性良好等优点。轴套1.2相对于下罐体静止，采用组合密封件完成轴向密封，高压海水作用在轴套上端面的轴向力通过第一锁紧螺母1.11传递给下罐体7.1，下罐体固定在试验台支架上。组合密封件由第一O形圈1.4和J形密封环1.12组成。迷宫密封动环1.6通过紧定螺钉1.7固定在加载轴1.5上，可跟随加载轴同步旋转，其在加载轴轴向的位置可调，即动环与迷宫密封静环之间的密封间隙可调，迷宫密封静环位于第一锁紧螺母1.11下端面。迷宫密封动环1.6与加载轴1.5之间采用第二O形圈1.8密封，因迷宫密封动环1.6与加载轴之间相对静止，故该密封组件对摩擦力矩的测量没有影响。

水箱中的海水通过高压泵压缩，注入高压釜，高压釜内的一部分海水通过主轴处的间隙泄漏到第一锁紧螺母1.11与加载轴1.5之间的空腔，空腔中的海水通过接头1.10引回水箱，即高压釜内的海水与水箱中的海水能不断的循环。循环水带走绝大部分摩擦产热，因此该系统具有良好的散热性能。高压泵的工作流量大于旋转主轴间隙处的最大泄漏流量，故高压釜仍能根据试验需求提供压力海水，模拟相应的海深环境。

转动第二锁紧螺母3.4，带动防松套3.3、螺母3.2轴向移动，即可将密封力传递给进水管接头3.5。进水管接头3.5小端及螺母3.2均为左旋螺纹，第二锁紧螺母3.4为右旋螺纹，该结构使得连接螺纹始终承受一定的轴向力，能有效解决因管道震动、压力冲击等造成锁紧螺母松动而引起泄漏的问题。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种全海深模拟摩擦腐蚀试验台的密封与冷却系统，其特征在于，包括：高压釜、旋转主轴密封组件、高压进水管接头、水箱；

高压釜用于注入海水模拟压力海水环境，包括下罐体以及注水口；高压进水管接头安装在高压釜的注水口上并密封；

旋转主轴密封组件包括第一锁紧螺母、轴套、旋转主轴、加载轴、泄漏水接头；

第一锁紧螺母沿轴向从上至下开设有轴套孔、连通孔、加载轴孔，连通孔连通轴套孔和加载轴孔；轴套下部置于轴套孔内，加载轴上部置于加载轴孔内；旋转主轴依次穿过轴套和连通孔，与加载轴对接，以使加载轴能够带动旋转主轴旋转；旋转主轴与轴套为间隙配合，加载轴与第一锁紧螺母的加载轴孔之间形成空腔；第一锁紧螺母沿径向开设连通空腔的出水口，泄漏水接头安装在出水口上；加载轴与第一锁紧螺母的加载轴孔之间的密封位置设在出水口下方；

轴套通过第一锁紧螺母固定在下罐体上，相对于下罐体静止，且与下罐体密封；旋转主轴与轴套之间的间隙的上部暴露在高压釜内；

水箱通过高压输水管路连接高压进水管接头，出水口连接水箱，高压输水流量大于旋转主轴与轴套之间的最大间隙泄漏流量，以使水箱中的海水加压后通过高压进水管接头注入高压釜制造高压海水环境，高压釜内的一部分海水通过旋转主轴与轴套之间的间隙泄漏到第一锁紧螺母与加载轴之间的空腔，再经出水口引回水箱。

2.如权利要求1所述的一种全海深模拟摩擦腐蚀试验台的密封与冷却系统，其特征在于，高压进水管接头与注水口之间采用锥面硬密封，密封压力由高压进水管密封组件提供，高压进水管密封组件包括依次套在高压进水管接头外的防松螺母、防松套、第二锁紧螺母；防松螺母与高压进水管接头通过螺纹连接，第二锁紧螺母通过螺纹与注水口连接，防松套的外锥面与第二锁紧螺母内锥面接触，防松套与螺母抵接。

3.如权利要求2所述的一种全海深模拟摩擦腐蚀试验台的密封与冷却系统，其特征在于，高压进水管接头及螺母的螺纹方向相同，与第二锁紧螺母的螺纹方向相反。

4.如权利要求2或3所述的一种全海深模拟摩擦腐蚀试验台的密封与冷却系统，其特征在于，高压进水管接头与注水口之间的密封锥面为59°。

5.如权利要求1所述的一种全海深模拟摩擦腐蚀试验台的密封与冷却系统，其特征在于，加载轴与第一锁紧螺母的加载轴孔之间通过迷宫密封动环和迷宫密封静环配合密封；迷宫密封动环固定在加载轴上，跟随加载轴同步旋转，迷宫密封静环位于第一锁紧螺母下端面。

6.如权利要求5所述的一种全海深模拟摩擦腐蚀试验台的密封与冷却系统，其特征在于，迷宫密封动环与加载轴之间采用第二O形圈密封。

7.如权利要求5或6所述的一种全海深模拟摩擦腐蚀试验台的密封与冷却系统，其特征在于，迷宫密封动环在加载轴轴向的位置可调，以使迷宫密封动环与迷宫密封静环的间隙可调。

8.如权利要求1所述的一种全海深模拟摩擦腐蚀试验台的密封与冷却系统，其特征在于，高压釜上还设有测温口，高压温度传感器密封组件安装在测温口上，包括：高压温度传感器、紫铜垫；高压温度传感器的主体部分固定在测温口内，紫铜垫紧压于高压温度传感器在测温口外的部分与测温口的外端面之间。

9.如权利要求8所述的一种全海深模拟摩擦腐蚀试验台的密封与冷却系统，其特征在于，测温口的外端面开设有锯齿状的密封槽与紫铜垫配合密封。