CN106769578A - 橡塑密封摩擦能耗与在线智能检测模拟系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种橡塑密封摩擦能耗与在线智能检测模拟系统，包括悬垂管子组件、透明管段、电液垂向注入组件、双绞挠性空心轴、电磁激振组件、图像采集组件、红外摄像组件、光学支撑平台和型材框架；悬垂管子组件安装于型材框架内，悬垂管子组件的外周面设有光纤传感网；透明管段与悬垂管子组件的下端通过卡扣连接，悬垂管子组件内壁和透明管段内壁敷设污垢介质；电液垂向注入组件安装于型材框架内顶部，电液垂向注入组件夹着双绞挠性空心轴的顶端。本发明可用于模拟机器人现场服役黑箱环境下“密封碗‑管内壁‑介质材料”三者组成的复杂密封摩擦系统动态试验装置。
Description
技术领域
本发明涉及模拟了现场服役黑箱环境下的检测技术，尤其是一种橡塑密封摩擦能耗与在线智能检测模拟系统。
背景技术
全世界约30％的一次能源消耗于摩擦，约50％以上设备系统恶性事故都是起因于润滑失效与密封故障，因此摩擦能耗与绿色节能研究是全球工业装备、能源设施、交通航运业高度关注的焦点之一。在能源、运输、石化、深海装备、国防等国民经济中占据重要地位的行业中，针对橡塑密封、高端液压件或精密轴承等核心基础件，摩擦能耗动态研究尚处于初步探索阶段，其本质与机理尚不清楚，并与摩擦过程瞬变信号的在线智能检测密切相关。所以，针对摩擦能耗理论、摩擦学系统设计方法、机械表面界面科学等基础研究，不断提升智能装备工作效率、延长服役寿命、减少事故发生，将为解决社会发展面临的能源短缺、资源枯竭、环境污染和健康问题提供有效方案。
智能装备在流体密封压差驱动的稳定、安全、可靠服役过程，例如复杂结构活塞密封服役、特殊介质活塞密封、苛刻环境海洋悬链式系泊立管与深海立管系统等智能作业机器人领域。从摩擦学角度看，这属于“密封碗-管内壁-流体介质”三者组成的苛刻密封摩擦系统，密封摩擦界面也不是稳态行为，从运动方式可近似为非稳态的滑动密封副；现有的往复式摩擦试验仪器，例如市场上的MFT-R4000往复摩擦磨损试验仪，又如市场上的14FW往复摩擦试验机、HSR-2M型往复/环块摩擦磨损试验机，均属于微小载荷的磨耗测量试验机，不能满足黑箱环境下智能装备密封摩擦测试需求。另外，商业市场常见的密封件台架试验机(如唇封台架、旋转油封台架、核级石墨密封垫片台架)不能实现密封摩擦实时原位检测与非稳态行为。
虽然，申请号CN201110433260.4(公开号CN102519867A)的“一种直动式软摩擦试验装置”主要模拟管道内清管作业时弹性体擦除残余水的问题，进行所述的清管器清水和清管球擦除残余水等软摩擦试验，可以实时获取接触区的弹性材料表面形变图像和残存液体的分布图像，提高清管作业时弹性体擦除残余水的效率；申请号CN201210322227.9(公开号CN102866075A)的“软摩擦模拟试验装置”主要围绕模拟了铺管船用张紧器管道铺设过程中的现场实际情况，以进行张紧器与管道之间的橡胶摩擦试验；此外，申请号201210195042.6(公开号CN102706879A)的“一种用于唇形密封件的唇部表面质量检测系统”公开了智能检测橡塑密封件表面的检测系统；申请号201310334316.X(公开号CN103411761A)的“一种用于研究唇封寿命的测试实验台”公开了旋转过程中密封件保压性能、寿命特征的实验台。但是，其均不能实现密封摩擦实时原位检测与非稳态行为。
发明内容
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种橡塑密封摩擦能耗与在线智能检测模拟系统，可用于模拟机器人现场服役黑箱环境下“密封碗-管内壁-介质材料”三者组成的复杂密封摩擦系统动态试验装置。
本发明解决上述技术问题的方案如下：
橡塑密封摩擦能耗与在线智能检测模拟系统，包括悬垂管子组件、透明管段、电液垂向注入组件、双绞挠性空心轴、电磁激振组件、图像采集组件、红外摄像组件、光学支撑平台和型材框架；
所述悬垂管子组件安装于型材框架内，悬垂管子组件的外周面设有光纤传感网；
所述透明管段与悬垂管子组件的下端通过卡扣连接，悬垂管子组件内壁和透明管段内壁敷设污垢介质；
所述电液垂向注入组件安装于型材框架内顶部，电液垂向注入组件夹着双绞挠性空心轴的顶端；
所述双绞挠性空心轴位于悬垂管子组件、透明管段的轴心位置，双绞挠性空心轴顶部有空心轴夹具，双绞挠性空心轴与悬垂管子组件之间设有弹性扶正器，悬垂管子组件为弹性材料，双绞挠性空心轴的硬度大于悬垂管子组件的硬度；光纤传感网检测双绞挠性空心轴滑动时与悬垂管子组件内壁之间的非线性接触应力应变，双绞挠性空心轴的末端设有电磁检测组件，电磁检测组件外套有若干密封圈；电液垂向注入组件带动双绞挠性空心轴、电磁检测组件、密封圈在悬垂管子组件和透明管段内部来回滑动，构成橡胶柔软密封接触副；
所述电磁激振组件安装在型材框架上，电磁激振组件包括两根水平的、互相垂直的伺服激振杆，两根伺服激振杆的振动头与悬垂管子组件外周面接触，两个振动头带动悬垂管子组件作径向悬垂摆动；
所述图像采集组件水平垂直于透明管段，红外摄像组件纵向垂直于透明管段，红外摄像组件检测橡胶柔软密封接触副的摩擦变形区，图像采集组件通过导轨安装在光学支撑平台上，红外摄像组件固定安装在光学支撑平台上。
所述图像采集组件包括高速摄像机、高速摄像连接部、遮光聚焦环、聚焦物镜和水平方向图像采集组件，高速摄像连接部通过螺纹连接或者铆接安装在光学支撑平台的导轨，高速摄像连接部一端接口位置连接高速摄像机，高速摄像机经由数据电缆连接至计算机系统，高速摄像连接部另一端接口位置设置为聚焦物镜，聚焦物镜外圆面设置有遮光聚焦环，水平方向图像采集组件设置于透明管段的末端。
所述红外摄像组件包括管子连接部、凸座、传感器连接部、光源和红外传感器组件，凸座安放在光学支撑平台的顶部，管子连接部固定透明管段，凸座的顶部设置光源和传感器连接部，红外传感器组件竖向聚焦采集信息经由数据电缆连接至计算机系统。
所述光学支撑平台的上表面覆盖一层绝缘垫。
所述型材框架包括底座和底座上方的主框架，主框架后面设有一块方形面板，悬垂管子组件和电液垂向注入组件安装在方形面板上。
所述污垢介质为钻井液化学药剂、压裂液化学剂、原油、胶质、沥青质、石蜡、天然气、水、沙粒、硫化氢、二氧化碳、铁屑、岩屑的至少2种混合物。
所述电磁检测组件为机械臂接触探测阵列、声波探测阵列、磁记忆检测阵列、漏磁检测阵列、电磁检测阵列、光波检测阵列、超声导波探测阵列或者非接触式探测传感器。
本发明相对于现有技术具有如下的优点：
本发明的装置可进行不同外形、不同尺寸、不同类型材料(悬垂管子、透明管段、双绞挠性空心轴、密封圈)的、不同污垢介质、不同密封圈滑动速度的密封摩擦动态试验，模拟智能机器人在调峰储库立管或煤田煤层气抽采立管或深海立管作业效率，包括了智能装备在深海等立管采用机械臂接触探测阵列、声波探测阵列、磁记忆检测阵列、漏磁检测阵列、电磁检测阵列、光波检测阵列、超声导波探测阵列或者非接触式探测传感器，从而在各种污垢介质(腐蚀性颗粒和淤积垢层)可真实模拟机器人作业时候机械构件和电子器件的机械和化学作用动态诱导的复合损伤失效，能实时获得密封摩擦过程的力学特性和动态实时图像，针对不同类型污垢介质去除、正交切削、淤积卡堵微观行为实时采集动态数据，可以选择合适的密封圈尺寸、弹性模量、表面粗糙度，采用合适的滑动速度和时间窗口周期，为提高智能装备密封摩擦效率及作业工艺参数优化研究提供依据，可以为新一代智能装备设计、制造、试验和安全维护提供全面的理论基础。
智能装备现场服役黑箱环境下污垢介质存在复杂多相流动、振动、气蚀问题。由于非线性振动深海立管在海流、海冰、海浪、管外涡流等动态悬垂振动多变，而且非线性悬垂管道输送流体涵盖了钻井液化学药剂、压裂液化学剂、原油、胶质、沥青质、石蜡、天然气、水、沙粒、硫化氢、二氧化碳、铁屑、岩屑，非线性悬垂立管智能化作业时各种腐蚀性颗粒和淤积垢层会造成机械构件和电子器件的动态损伤失效，另外，高温、高压、强振动、腐蚀环境易引起密封摩擦部件磨损断裂、界面剥层和润滑失效，因此，建立橡塑密封摩擦能耗与在线智能检测模拟系统，验证机器人在苛刻环境下的动态适应性，是保证机器人高精度、准确可靠应用的重要手段。机器人现场服役黑箱环境下的“流固热动”四相耦合复杂动态系统下，处于流体动力学、固体结构力学、热力学、振动波动等耦合状态。由于作业环境特殊，智能机器人具有区别于其他行业的狭长受限空腔显著特征，围绕机器人在不同海洋区块、不同水下生产模式、不同井型、不同立管配置、不同油气井产出物和不同开采条件下风险概率，且如何验证机器人性能的可靠性，怎样针对不同类型污垢介质去除、正交切削、淤积卡堵微观行为实时采集动态数据，保证其在苛刻环境中的适应性，成为一个必须解决的问题，本发明根据试验数据得到的参数和规律等，用于提高密封摩擦效率与可靠性。
本发明的橡塑密封摩擦能耗与在线智能检测模拟系统可以进行耦合了机器人现场作业时特殊润滑介质工况及特殊载荷谱加载载荷工况下、非线性振动或二者组合条件的密封摩擦动态模拟试验。在各种腐蚀性颗粒和淤积垢层可真实模拟机器人作业时候机械构件和电子器件的机械和化学作用动态诱导的复合损伤失效，适用于机器人在不同海洋区块、不同水下生产模式、不同井型、不同立管配置、不同油气井产出物和不同开采条件下安全可靠性，为提高智能装备密封摩擦效率及作业工艺参数优化研究提供依据，可以为可靠性试验和评价给予全面的动态试验数据。
附图说明
图1是本发明的橡塑密封摩擦能耗与在线智能检测模拟系统的立体图。
图2是图1另一角度的立体图。
图3是电磁检测组件的结构图。
图4是另一种电磁检测组件的结构图。
图5是第三种电磁检测组件的结构图。
附图标号说明：
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1、图2、图3所示，橡塑密封摩擦能耗与在线智能检测模拟系统，包括悬垂管子组件6、透明管段4、电液垂向注入组件8、双绞挠性空心轴7、电磁激振组件5、图像采集组件1、红外摄像组件2、光学支撑平台3和型材框架9，
悬垂管子组件6安装于型材框架9内，悬垂管子组件6的外周面设有光纤传感网61；
透明管段4与悬垂管子组件6的下端通过卡扣41连接，悬垂管子组件6内壁和透明管段4的内壁42敷设污垢介质，模拟了特殊工况深海立管在海流、海冰、海浪、管外涡流等动态悬垂振动多变的非线性振动，在透明管段4提前敷设的各种腐蚀性颗粒和淤积垢层，可真实模拟双绞挠性空心轴7滑动时候机械构件和电子器件的机械和化学作用动态诱导的复合损伤失效。
电液垂向注入组件8安装于型材框架9内顶部，电液垂向注入组件8夹着双绞挠性空心轴7的顶端；
双绞挠性空心轴7位于悬垂管子组件6、透明管段4的轴心位置，双绞挠性空心轴7顶部有空心轴夹具71与电液垂向注入组件8固定，双绞挠性空心轴7与悬垂管子组件6之间设有弹性扶正器72，悬垂管子组件6为弹性材料，双绞挠性空心轴7的硬度大于悬垂管子组件6的硬度；光纤传感网61检测双绞挠性空心轴7滑动时与悬垂管子组件6内壁之间的非线性接触应力应变，双绞挠性空心轴7的末端设有电磁检测组件73，电磁检测组件73外套有5个密封圈74；电液垂向注入组件8带动双绞挠性空心轴7、电磁检测组件73、密封圈74在悬垂管子组件6和透明管段4内部来回滑动，构成橡胶柔软密封接触副；
电磁激振组件5安装在型材框架9上，电磁激振组件5包括两根水平的、互相垂直的伺服激振杆51，两根伺服激振杆51的振动头52与悬垂管子组件6外周面接触，两个振动头52带动悬垂管子组件6作径向悬垂摆动，模拟了深海立管在海流、海冰、海浪、管外涡流等动态悬垂振动多变的非线性振动；
图像采集组件1水平垂直于透明管段4，红外摄像组件2纵向垂直于透明管段4，红外摄像组件2检测橡胶柔软密封接触副的摩擦变形区，图像采集组件1通过导轨安装在光学支撑平台3上，红外摄像组件2固定安装在光学支撑平台3上。图像采集组件1、红外摄像组件2实时原位检测到密封圈运动过程中经由透明管段4强振动、强腐蚀环境诱发的橡胶柔软密封圈部件温度场、界面剥层失稳、密封摩擦变化、磨损断裂、润滑失效，即实时原位获得了“流固热动”四相耦合复杂动态系统下的密封损伤演化特征。
图像采集组件1包括高速摄像机11、高速摄像连接部12、遮光聚焦环13、聚焦物镜14和水平方向图像采集组件15，高速摄像连接部12通过螺纹连接安装在光学支撑平台3的导轨，高速摄像连接部12一端接口位置连接高速摄像机11，高速摄像机11经由数据电缆连接至计算机系统，高速摄像连接部12另一端接口位置设置为聚焦物镜14，聚焦物镜14外圆面设置有遮光聚焦环13，水平方向图像采集组件15设置于透明管段4的末端。
红外摄像组件2包括管子连接部21、凸座22、传感器连接部23、光源24和红外传感器组件25，凸座22安放在光学支撑平台3的顶部，管子连接部21固定透明管段4，凸座22的顶部设置光源24和传感器连接部23，红外传感器组件25竖向聚焦采集信息经由数据电缆连接至计算机系统。
光学支撑平台3的上表面覆盖一层绝缘垫32。
型材框架9包括底座91和底座上方的主框架92，主框架92后面设有一块方形面板93，悬垂管子组件6和电液垂向注入组件8安装在方形面板93上。
污垢介质为钻井液化学药剂、压裂液化学剂、原油、胶质、沥青质、石蜡、天然气、水、沙粒、硫化氢、二氧化碳、铁屑、岩屑的至少2种混合物。
电磁检测组件73为机械臂接触探测阵列，如图3所示。弹性扶正器72可减少纯机械划伤、老化剥层。电磁检测组件73可探测双绞挠性空心轴7滑动时候机械构件和电子器件的损伤程度与变化规律，可检测模拟了深海立管在海流、海冰、海浪、管外涡流等动态悬垂振动多变的特殊工况下机器人机械构件和电子器件的机械和化学作用动态诱导的复合损伤失效，
实施例2：
如图4所示，电磁检测组件73为声波探测阵列。
实施例3：
如图5所示，电磁检测组件73为磁记忆检测阵列或电磁超声检测阵列或漏磁检测阵列。
Claims (7)
1.橡塑密封摩擦能耗与在线智能检测模拟系统，其特征在于：包括悬垂管子组件、透明管段、电液垂向注入组件、双绞挠性空心轴、电磁激振组件、图像采集组件、红外摄像组件、光学支撑平台和型材框架，
所述悬垂管子组件安装于型材框架内，悬垂管子组件的外周面设有光纤传感网；
所述透明管段与悬垂管子组件的下端通过卡扣连接，悬垂管子组件内壁和透明管段内壁敷设污垢介质；
所述电液垂向注入组件安装于型材框架内顶部，电液垂向注入组件夹着双绞挠性空心轴的顶端；
所述双绞挠性空心轴位于悬垂管子组件、透明管段的轴心位置，双绞挠性空心轴与悬垂管子组件之间设有弹性扶正器，悬垂管子组件为弹性材料，双绞挠性空心轴的硬度大于悬垂管子组件的硬度；光纤传感网检测双绞挠性空心轴滑动时与悬垂管子组件内壁之间的非线性接触应力应变，双绞挠性空心轴的末端设有电磁检测组件，电磁检测组件外套有若干密封圈；电液垂向注入组件带动双绞挠性空心轴、电磁检测组件、密封圈在悬垂管子组件和透明管段内部来回滑动，构成橡胶柔软密封接触副；
所述电磁激振组件安装在型材框架上，电磁激振组件包括两根水平的、互相垂直的伺服激振杆，两根伺服激振杆的振动头与悬垂管子组件外周面接触，两个振动头带动悬垂管子组件作径向悬垂摆动；
所述图像采集组件水平垂直于透明管段，红外摄像组件纵向垂直于透明管段，红外摄像组件检测橡胶柔软密封接触副的摩擦变形区，图像采集组件通过导轨安装在光学支撑平台上，红外摄像组件固定安装在光学支撑平台上。
2.根据权利要求1所述的橡塑密封摩擦能耗与在线智能检测模拟系统，其特征在于：所述图像采集组件包括高速摄像机、高速摄像连接部、遮光聚焦环、聚焦物镜和水平方向图像采集组件，高速摄像连接部通过螺纹连接或者铆接安装在光学支撑平台的导轨，高速摄像连接部一端接口位置连接高速摄像机，高速摄像机经由数据电缆连接至计算机系统，高速摄像连接部另一端接口位置设置为聚焦物镜，聚焦物镜外圆面设置有遮光聚焦环，水平方向图像采集组件设置于透明管段的末端。
3.根据权利要求1所述的橡塑密封摩擦能耗与在线智能检测模拟系统，其特征在于：所述红外摄像组件包括管子连接部、凸座、传感器连接部、光源和红外传感器组件，凸座安放在光学支撑平台的顶部，管子连接部固定透明管段，凸座的顶部设置光源和传感器连接部，红外传感器组件竖向聚焦采集信息经由数据电缆连接至计算机系统。
4.根据权利要求1所述的橡塑密封摩擦能耗与在线智能检测模拟系统，其特征在于：所述光学支撑平台的上表面覆盖一层绝缘垫。
5.根据权利要求1所述的橡塑密封摩擦能耗与在线智能检测模拟系统，其特征在于：所述型材框架包括底座和底座上方的主框架，主框架后面设有一块方形面板，悬垂管子组件和电液垂向注入组件安装在方形面板上。
6.根据权利要求1所述的橡塑密封摩擦能耗与在线智能检测模拟系统，其特征在于：所述污垢介质为钻井液化学药剂、压裂液化学剂、原油、胶质、沥青质、石蜡、天然气、水、沙粒、硫化氢、二氧化碳、铁屑、岩屑的至少2种混合物。
7.根据权利要求1所述的橡塑密封摩擦能耗与在线智能检测模拟系统，其特征在于：所述电磁检测组件为机械臂接触探测阵列、声波探测阵列、磁记忆检测阵列、漏磁检测阵列、电磁检测阵列、光波检测阵列、超声导波探测阵列或者非接触式探测传感器。
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