CN106813818A - 一种机械密封环摩擦力测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械密封环摩擦力测量装置及测量方法，所述测量装置包括加载和测力模块2、位移测量模块3、转台模块4、控制模块5、框架状的基座1、固定在基座1顶部的支撑板6和固定在基座1中部的工作台7。其摩擦力测量方法采用两种方式：工况状态测量和离线状态测量。该机械密封环摩擦力测量装置采用立式加载测量结构，加载头采用浮动加载结构，避免加载力和运动方向出现偏载的问题，在旋转工况以及不同转角位置，由测力传感器和位移传感器同时测量力和位移，通过控制系统确定力、位移和时间三者之间的关系。采用该专利的优点是可以模拟机械密封环在实际工作过程中的工作状态对动环进行加载和卸载。

Description

一种机械密封环摩擦力测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及摩擦力测量技术领域，特别涉及一种机械密封环摩擦力测量装置及测量方法。

背景技术

机械密封环是一种端面密封装置，由静环、动环和弹性元件等组成，静环和动环的端面依靠弹性元件压紧而达到密封效果。因其工作可靠、泄漏量小、使用寿命长、功率消耗少等特点，在核主泵上得到了广泛的运用。核主泵是核电站中驱动高压、高温和有放射性的冷却剂在蒸汽发生器和堆芯之间循环的核心部件，而机械密封环是保证核主泵稳定、安全和可靠运行的关键零件。动环所受摩擦力是影响核主泵轴机械密封环的密封性能的重要因素，其运动特性的好坏直接决定着机械密封环的密封性和寿命，因此在机械密封环装配前，首先要对密封环摩擦力进行测量。

动环所受摩擦力主要包括弹簧弹力、密封圈摩擦力和运动部件间的接触摩擦力等多重摩擦力影响，其固持方法和测量方式与传统的测量方法不同。目前评价动环所受摩擦力的方法是工人手工按压动环，凭借经验判断动环所受摩擦力是否合适，该方法精度控制稳定性差，效率低，难以完成复杂结构和特殊形状机械密封环的测量要求。

现有的摩擦力试验机主要针对气缸和液压缸等零件在运动过程中所受摩擦力的测量，测量方法是采用拉压力传感器测量运动过程中受到的力，气缸或者液压缸的杆仅直线运动。而对于机械密封环，动环除了在轴向上做精确的直线运动外，还绕其中心轴线旋转，在不同角度所受到的摩擦力也需要测量。现有的摩擦力测量设备无法满足旋转角度变化对摩擦力测量的需求。

因此，一种能够测量机械密封环摩擦力的装置以方法亟待研发。

发明内容

本发明要解决的技术是模拟机械密封环使用工况，即在旋转或者不同转角位置下，测量机械密封环的摩擦力，发明了一种机械密封环摩擦力测量装置及测量方法。该机械密封环摩擦力测量装置采用立式加载测量结构，加载头采用浮动加载结构，避免加载力和运动方向出现偏载的问题，在旋转工况以及不同转角位置，由测力传感器和位移传感器同时测量力和位移，通过控制系统确定力、位移和时间三者之间的关系。

一种机械密封环摩擦力测量装置，其特征是，包括加载和测力模块2、位移测量模块3、转台模块4、控制模块5、框架状的基座1、固定在基座1顶部的支撑板6和固定在基座1中部的工作台7，加载和测力模块2和位移测量模块3分别固定连接在支撑板6上，转台模块4固定于工作台7上，控制模块5固定于基座1的底部；

加载和测力模块2包括伺服电缸8、测力传感器9、浮动接头10和压板11；伺服电缸8固定在支撑板6上，测力传感器9的上端固定连接在伺服电缸8的输出端，浮动接头10的上端固定连接在测力传感器9的下端，压板11固定在浮动接头10的下端，压板11可以在水平面内任意角度摆动；在加载时，静环12固定在压板11底面，伺服电缸8驱动压板11向下移动，可将静环12压在动环24上；浮动接头10的结构可保证静环12和动环24均匀接触，同时保证伺服电缸8输出的加载力方向垂直于接触面，该方案降低了测量位置精度需求，提高了测力传感器9所测量的力值的准确性，此外测力传感器9在测量的直接环节中，避免了设备精度引入的误差。

位移测量模块3包括X向线性模组14、Z向线性模组13、激光位移传感器17、连接柱15和连接板16；X向线性模组14固定在支撑板6上，Z向线性模组13固定在X向线性模组14的移动部件上，连接柱15固定于Z向线性模组13的移动部件上，连接柱15和连接板16固连，用于测量动环轴向位移的激光位移传感器17固定于连接板16上，在X向线性模组14和Z向线性模组13共同作用下，移动到测量位置；X向线性模组14移动的位置根据待测机械密封环W的直径确定，以满足不同直径机械密封环W的测量需求；Z向线性模组13移动的位置根据待测机械密封环W的高度确定，保证机械密封环W的测量面在激光位移传感器17的量程范围内，以满足不同高度机械密封环W的测量需求；在测量时，X向线性模组14和Z向线性模组13固定不动，测量精度仅取决于激光位移传感器17的精度，该方案保证了摩擦力测量过程中具有非常高的位移测量精度。

转台模块4包括电机座18、电机19、轴20、传动带21、轴承22和旋转台23，电机19通过电机座18固定于工作台7下方，轴20与旋转台23连接，并通过轴承22镶嵌在工作台7中，电机19通过传送带21、轴20驱动旋转台23转动，在测量时，有两种状态，一种是工况状态，模拟机械密封环W工作时，旋转台23连续旋转，另一种是离线状态，机械密封环W的静环12和动环24对应不同转角位置时的状态，测量一组对应转角时的摩擦力后，旋转台23旋转一定角度后静止，然后再测量，周而复始；该方案可保证机械密封环W工况和离线两种状态下测量摩擦力，为机械密封环W的性能评价提供更多的参考数据。

控制模块5包括数据采集卡29、工控机30、运动控制卡31和显示装置32，数据采集卡29和运动控制卡31内置于工控机30内，运动控制卡31输出运动控制信号给伺服电缸8进行力加载；运动控制卡31输出运动控制信号给X向线性模组14和Z向线性模组13；数据采集卡29实时采集测力传感器9的力数据以及激光位移传感器17的位移数据，经处理后的数据在显示装置32上进行显示。

本发明还公开了一种机械密封环摩擦力测量方法，其特征在于具有如下步骤：

准备阶段：将待测量的机械密封环W对应直径的静环12固定在压板11底面，将待测量的机械密封环W固定在旋转台23上；

测量阶段：机械密封环W随旋转台23一起在电机19的驱动下连续旋转，同时，静环12在伺服电缸8的驱动下沿竖直方向以快进速度向下运动，待静环12下表面距离动环24上表面0.1～1mm时，静环12暂时停止向下运动，控制X向线性模组14和Z向线性模组13运动，将激光位移传感器17移动到测量位置，保证静环上表面在激光位移传感器17的有效测量量程范围内，静环12在伺服电缸8的驱动下沿竖直方向以测量速度向下运动，运动位移由人工预设，到设定位置后暂停，暂停时间由人工预设，再向上运动，待静环12下表面距离动环24上表面0.1～1mm时，静环12暂时停止向上运动，以设定测量次数，重复测量阶段过程，数据采集卡29实时采集测力传感器9的力数据以及激光位移传感器17的位移数据，经工控机30处理后的数据在显示装置32上进行显示。即上述为模拟机械密封环W工况状态下的测量方法。

本发明还公开了一种机械密封环摩擦力测量方法，其特征在于具有如下步骤：准备阶段：将待测量的机械密封环W对应直径的静环12固定在压板11底面，将待测量的机械密封环W固定在旋转台23上；

测量阶段：静环12在伺服电缸8的驱动下沿竖直方向以快进速度向下运动，待静环12下表面距离动环24上表面0.1～1mm时，静环12暂时停止向下运动，控制X向线性模组14和Z向线性模组13运动，将激光位移传感器17移动到测量位置，保证静环上表面在激光位移传感器17的有效测量量程范围内，静环12在伺服电缸8的驱动下沿竖直方向以测量速度向下运动，运动位移由人工预设，到设定位置后暂停，暂停时间由人工预设，再向上运动，待静环12下表面距离动环24上表面0.1～1mm时，静环12暂时停止向上运动，然后，机械密封环W随旋转台23一起在电机19的驱动下旋转设定的角度后停止，以设定测量次数，重复测量阶段过程，数据采集卡29实时采集测力传感器9的力数据以及激光位移传感器17的位移数据，经工控机30处理后的数据在显示装置32上进行显示。即上述为模拟机械密封环W离线状态下的测量方法。

测量时，静环12和动环24有一个相对的转动，以模拟机械密封环W真实的工作环境；伺服电缸8驱动静环12向动环24做线性运动，在运动路线的同一位置处，动环12及推环25与底座26间的轴向摩擦力和推环25与密封圈27之间的摩擦力的合力能够通过向下运动和向上运动到该位置处所测量的压力得出。测力传感器9可以测得运动路线上任一点处动环24所受压力，向下或者向上运动的加速度和速度均取决于伺服电缸8的加载速度和加速度，数据处理后可以得到摩擦力的压力-位移曲线，并能得到压力-时间曲线，位移-时间曲线，以方便分析机械密封环W的性能。

本发明具有以下优点：

1、模拟了机械密封环实际工作状态，以更加接近机械密封环的真实工作条件，提高了机械密封环性能评价的可靠性。同时，机械密封环旋转带来的角度位置变化使机械密封环摩擦力的测量更加全面；

2、实验原理简单，配合数据的处理，实时显示测量结果，提高了测量效率；

3、压板为浮动结构，能够保证压板在加载前适应机械密封环的表面以实现标准的轴向加载；

4、伺服电缸能够带动压板以设定好的加载方式进行加载，既可以使动环做匀速运动，简单方便地求出动摩擦力，也可以模拟机械密封环在实际工作过程中的工作状态对动环进行加载和卸载。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的一种机械密封环摩擦力测量装置的结构示意图。

图2是本发明加载和测力模块的结构示意图。

图3是本发明位移测量模块的结构示意图。

图4是本发明转台模块的结构示意图。

图5是本发明具体实施例的机械密封环的剖视图。

图6是本发明控制模块的控制示意图。

图7是本发明摩擦力测量所得的压力-位移曲线示意图。

图中，1基座，2加载和测力模块，3位移测量模块，4转台模块，5控制模块，6支撑板，7工作台，8伺服电缸，9测力传感器，10浮动接头，11压板，12静环，13Z向线性模组，14X向线性模组，15连接柱，16连接板，17激光位移传感器，18电机座，19电机，20带轮，21传动带，22主轴，23旋转台，24动环，25推环，26底座，27密封圈，28弹簧，29数据采集卡，30工控机，31运动控制卡，32显示装置。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种机械密封环摩擦力测量装置，包括为动环24施加压力的加载和测力模块2、测量动环24的位移的位移测量模块3、驱动机械密封环W沿其轴线旋转的转台模块4、控制模块5、框架状的基座1、固定在基座1顶部的支撑板6和固定在基座1中部且水平设置的工作台7，加载和测力模块2和位移测量模块3分别固定连接在支撑板6上，转台模块4固定于工作台7上，控制模块5固定于基座1的底部；

如图2所示，加载和测力模块2包括伺服电缸8、测力传感器9、浮动接头10和压板11；伺服电缸8固定在支撑板6上，测力传感器9的上端固定连接在伺服电缸8的输出端，浮动接头10的上端固定连接在测力传感器9的下端，压板11固定在浮动接头10的下端，压板11可以在水平面内任意角度摆动，保证安装固定在压板11下方的静环12也可自由转动，从而保证静环12的下表面与动环24的上表面紧密贴合，施压均匀，静环12可以更换；伺服电缸8驱动压板11向下移动，可将静环12压在动环24上，移动的速度有伺服电缸8决定；

如图3所示，位移测量模块3包括X向线性模组14、Z向线性模组13、激光位移传感器17、连接柱15和连接板16，激光位移传感器17为非接触式传感器，通过发生光到动环24的表面，然后接收反射光，从而计算动环24移动的相对位移。连接板16用于将激光位移传感器17固定在连接柱15上，连接柱15为方形柱，强度高，可以保证激光位移传感器17示数稳定，X向线性模组14固定在支撑板6上，根据待测机械密封环W的直径，确定X向线性模组14的移动位置，Z向线性模组13固定在X向线性模组14上，根据待测机械密封环W的高度，确定Z向线性模组13的移动位置。

如图4所示，转台模块4包括电机座18、电机19、轴20、传动带21、轴承22和旋转台23，电机19通过电机座18固定于工作台7下方，轴20与旋转台23连接，并通过轴承22镶嵌在工作台7中，电机19通过传送带21、轴20驱动旋转台23转动；

如图5所示，为本发明的具体实施方式中测量过程中所涉及的机械密封环W的剖视图，机械密封环W由静环12、动环24、推环25、密封圈27、底座26和弹簧28组成，动环24与推环25固定连接，一同镶嵌在底座26中，密封圈27用于底座26和推环25之间的动密封，弹簧28用于托起推环25。

如图6所示，控制模块5包括数据采集卡29、工控机30、运动控制卡31和显示装置32，数据采集卡29用于采集力信号和位移信号，运动控制卡31用于控制X向线性模组14和Z向线性模组13运动，数据采集卡29和运动控制卡31内置于工控机30内，运动控制卡31输出运动控制信号给伺服电缸8进行力加载；运动控制卡31输出运动控制信号给X向线性模组14和Z向线性模组13，以适应不同直径和高度规格的机械密封环W摩擦力测量；数据采集卡29实时采集测力传感器9的力数据以及激光位移传感器17的位移数据，经处理后的数据在显示装置32上进行显示。

如图7所示，实施例中的一种机械密封环W的压力-位移曲线，横坐标是所测得的力F，纵坐标是所测得的位移S，零位为预设工作位置，在压缩过程中，斜线的斜率表示弹性系数，机械密封环W的动摩擦力为x/2。测量过程中，激光位移传感器17的位置不发生变化，且实时测量动环24的位移数据，测力传感器9能实时测量动环24所受压力的数值信息，浮动接头10能使静环12与机械密封环W进行自适应。力和位移数据经采集卡29采集，并经由处理转化为数字信号，测量结果以曲线(压力-位移曲线，压力-时间曲线，位移-时间曲线)的形式显示在操作界面上。

实施例2

一种机械密封环摩擦力测量方法，具有如下步骤：

准备阶段：将待测量的机械密封环W对应直径的静环12固定在压板11底面，将待测量的机械密封环W固定在旋转台23上，机械密封环W的高度和直径等固有参数输入到测量界面，并给定控制信息以使伺服电缸8能按一定规律进行运动；

测量阶段：机械密封环W随旋转台23一起在电机19的驱动下连续旋转(通过传送带21带动旋转台23转动，由于机械密封环W固定在旋转台23上，进而电机19能够带动机械密封环W以一定的速度进行周向旋转，从而保证了机械密封环W与静环12的相对转动)，同时，静环12在伺服电缸8的驱动下沿竖直方向以快进速度向下运动，待静环12下表面距离动环24上表面0.1～1mm时，静环12暂时停止向下运动，控制X向线性模组14和Z向线性模组13运动，将激光位移传感器17移动到测量位置，保证静环上表面在激光位移传感器17的有效测量量程范围内，检查安全距离和预加载距离是否合适，静环12在伺服电缸8的驱动下沿竖直方向以测量速度向下运动，运动位移由人工预设，到设定位置后暂停，暂停时间由人工预设，再向上运动，待静环12下表面距离动环24上表面0.1～1mm时，静环12暂时停止向上运动，以设定测量次数，重复测量阶段过程，数据采集卡29实时采集测力传感器9的力数据以及激光位移传感器17的位移数据，经工控机30处理后的数据在显示装置32上进行显示。

实验过程中，若操作界面的曲线发生异常，随时按动急停按钮，并对测量装置进行复位操作。

一种机械密封环摩擦力测量装置的数据点的采样时间为1-10ms，激光位移传感器16的测量精度为0.01mm，测力传感器9的测量精度为0.01N。

实施例3

一种机械密封环摩擦力测量方法，具有如下步骤：

准备阶段：将待测量的机械密封环W对应直径的静环12固定在压板11底面，将待测量的机械密封环W固定在旋转台23上；

测量阶段：静环12在伺服电缸8的驱动下沿竖直方向以快进速度向下运动，待静环12下表面距离动环24上表面0.1～1mm时，静环12暂时停止向下运动，控制X向线性模组14和Z向线性模组13运动，将激光位移传感器17移动到测量位置，保证静环上表面在激光位移传感器17的有效测量量程范围内，静环12在伺服电缸8的驱动下沿竖直方向以测量速度向下运动，运动位移由人工预设，到设定位置后暂停，暂停时间由人工预设，再向上运动，待静环12下表面距离动环24上表面0.1～1mm时，静环12暂时停止向上运动，然后，机械密封环W随旋转台23一起在电机19的驱动下旋转设定的角度后停止，以设定测量次数，重复测量阶段过程，数据采集卡29实时采集测力传感器9的力数据以及激光位移传感器17的位移数据，经工控机30处理后的数据在显示装置32上进行显示。

实验过程中，若操作界面的曲线发生异常，随时按动急停按钮，并对测量装置进行复位操作。

一种机械密封环摩擦力测量装置的数据点的采样时间为1-10ms，激光位移传感器16的测量精度为0.01mm，测力传感器9的测量精度为0.01N。

以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种机械密封环摩擦力测量装置，其特征是，包括加载和测力模块2、位移测量模块3、转台模块4、控制模块5、框架状的基座1、固定在基座1顶部的支撑板6和固定在基座1中部的工作台7，加载和测力模块2和位移测量模块3分别固定连接在支撑板6上，转台模块4固定于工作台7上，控制模块5固定于基座1的底部；

加载和测力模块2包括伺服电缸8、测力传感器9、浮动接头10和压板11；伺服电缸8固定在支撑板6上，测力传感器9的上端固定连接在伺服电缸8的输出端，浮动接头10的上端固定连接在测力传感器9的下端，压板11固定在浮动接头10的下端，压板11可以在水平面内任意角度摆动；在加载时，静环12固定在压板11底面，伺服电缸8驱动压板11向下移动，可将静环12压在动环24上；

位移测量模块3包括X向线性模组14、Z向线性模组13、激光位移传感器17、连接柱15和连接板16；X向线性模组14固定在支撑板6上，Z向线性模组13固定在X向线性模组14的移动部件上，连接柱15固定于Z向线性模组13的移动部件上，连接柱15和连接板16固连，用于测量动环轴向位移的激光位移传感器17固定于连接板16上；

转台模块4包括电机座18、电机19、轴20、传动带21、轴承22和旋转台23，电机19通过电机座18固定于工作台7下方，轴20与旋转台23连接，并通过轴承22镶嵌在工作台7中，电机19通过传送带21、轴20驱动旋转台23转动；

控制模块5包括数据采集卡29、工控机30、运动控制卡31和显示装置32，数据采集卡29和运动控制卡31内置于工控机30内，运动控制卡31输出运动控制信号给伺服电缸8进行力加载；运动控制卡31输出运动控制信号给X向线性模组14和Z向线性模组13；数据采集卡29实时采集测力传感器9的力数据以及激光位移传感器17的位移数据，经处理后的数据在显示装置32上进行显示。

2.一种机械密封环摩擦力测量方法，其特征在于具有如下步骤：

准备阶段：将待测量的机械密封环W对应直径的静环12固定在压板11底面，将待测量的机械密封环W固定在旋转台23上；

测量阶段：机械密封环W随旋转台23一起在电机19的驱动下连续旋转，同时，静环12在伺服电缸8的驱动下沿竖直方向以快进速度向下运动，待静环12下表面距离动环24上表面0.1～1mm时，静环12暂时停止向下运动，控制X向线性模组14和Z向线性模组13运动，将激光位移传感器17移动到测量位置，保证静环上表面在激光位移传感器17的有效测量量程范围内，静环12在伺服电缸8的驱动下沿竖直方向以测量速度向下运动，运动位移由人工预设，到设定位置后暂停，暂停时间由人工预设，再向上运动，待静环12下表面距离动环24上表面0.1～1mm时，静环12暂时停止向上运动，以设定测量次数，重复测量阶段过程，数据采集卡29实时采集测力传感器9的力数据以及激光位移传感器17的位移数据，经工控机30处理后的数据在显示装置32上进行显示。

3.一种机械密封环摩擦力测量方法，其特征在于具有如下步骤：

准备阶段：将待测量的机械密封环W对应直径的静环12固定在压板11底面，将待测量的机械密封环W固定在旋转台23上；

测量阶段：静环12在伺服电缸8的驱动下沿竖直方向以快进速度向下运动，待静环12下表面距离动环24上表面0.1～1mm时，静环12暂时停止向下运动，控制X向线性模组14和Z向线性模组13运动，将激光位移传感器17移动到测量位置，保证静环上表面在激光位移传感器17的有效测量量程范围内，静环12在伺服电缸8的驱动下沿竖直方向以测量速度向下运动，运动位移由人工预设，到设定位置后暂停，暂停时间由人工预设，再向上运动，待静环12下表面距离动环24上表面0.1～1mm时，静环12暂时停止向上运动，然后，机械密封环W随旋转台23一起在电机19的驱动下旋转设定的角度后停止，以设定测量次数，重复测量阶段过程，数据采集卡29实时采集测力传感器9的力数据以及激光位移传感器17的位移数据，经工控机30处理后的数据在显示装置32上进行显示。