CN109932312A - 管道清管器密封橡胶盘摩擦系数测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种管道清管器密封橡胶盘摩擦系数测试装置及测试方法，包括：支架系统、径向压力测试系统和滑动摩擦力测试系统；支架系统用于固定和支撑其余两个系统；压力测试系统用于固定和支撑待测试的橡胶密封盘并测试其所受的径向压力。滑动摩擦力测试系统与电动机和扭矩测试仪相连，用于模拟橡胶密封盘在管道内的运行并测试其所受的滑动摩擦力。相对于现有技术，本发明装置适用于测量清管器橡胶密封盘与管壁间的摩擦系数，可以较真实的还原密封盘与管道形成过盈配合时的应力状态以及其运行过程中的滑动摩擦状态，保证数据的可靠性，可以测试不同的过盈尺寸、密封盘材料以及运行速度条件下的摩擦系数，显著节约了实验成本。

Description

管道清管器密封橡胶盘摩擦系数测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于管道清管器设计领域，具体地，涉及一种管道清管器密封橡胶盘摩擦系数测试装置及测试方法。

背景技术

管道清管器作为一种常用的管道维护设备，其运行的安全性和通畅性是决定清管器作业成功与否的关键。清管器由钢轴和橡胶密封盘组成。橡胶密封盘的尺寸外径略大于管道内径，在使用过程中与管道内壁形成过盈配合，对管内的污垢起到清除作用。近年来，关于清管器橡胶密封盘与金属管道间的接触摩擦特性研究，引起了国内外专家的广泛关注。其中，橡胶密封盘与金属间的摩擦系数是研究接触摩擦特性的关键参数。由于橡胶密封盘在管道内运行时，其径向压力不易测量，因此，在研究过程中通常采用数值模拟的方法进行确定。鉴于橡胶密封盘的特殊应力状态，因此使用传统的摩擦试验机无法合理地选择实验中施加的法向载荷数值。为了解决上述问题，亟需设计一种用于测试清管器橡胶密封盘径向压力和橡胶密封盘摩擦系数的实验装置。

发明内容

为克服现有的技术缺陷，本发明提供了一种测试橡胶密封盘径向压力和摩擦系数的测试装置和测试方法，运用该装置可以较真实的还原清管器橡胶密封圆盘在管道内的应力状态，并测量得到不同过盈量尺寸的橡胶密封盘和不同材质管道间的摩擦系数。为清管器橡胶密封盘的接触摩擦特性研究提供一种可靠的摩擦系数测试方法。

为实现上述目的，本发明采用下述方案：

清管器橡胶密封盘摩擦系数测试装置，包括：支架系统、径向压力测试系统和滑动摩擦力测试系统；支架系统包括基座支架和摩擦轴支架两部分，分别用于固定和支撑其余两个系统；压力测试系统由一个“C”形基座和若干个“C”形卡块组成，用于固定待测试的橡胶密封盘并测试密封盘上的径向压力。滑动摩擦力测试系统由一个与电动机相连的“腰鼓形”摩擦轴和若干个“马鞍形”摩擦块组成，用于模拟橡胶密封盘在管道内的运行并测试运行中的滑动摩擦力。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本装置适用于测量清管器橡胶密封盘与管道内壁间的摩擦系数，可以较真实的还原密封盘在与管道形成过盈配合时的应力状态，保证了实验数据的准确性。

2、本装置采用“腰鼓形”的摩擦轴，与密封盘的曲面形成了曲面的摩擦副，相比于传统的摩擦试验机可以较真实的还原密封盘与管道内壁间的摩擦状况。

3、本装置采用“C形”固定基座和“C形”卡块对待测密封盘进行固定，通过在“C形”基座上安装压力传感器，可以测量橡胶密封盘与管道形成过盈配合时的径向应力。

4、本装置可通过采用不同尺寸、不同材质的“C形”卡块和“马鞍形”摩擦块，对不同过盈量的橡胶密封盘与不同材质管道间的摩擦系数进行测量，显著节约实验成本。

5、通过改变“腰鼓型”摩擦轴的转动速度，可以测试不同运行速度条件下橡胶密封盘与管道间的摩擦系数。

附图说明

图1是管道清管器橡胶密封盘摩擦系数测试装置的工作示意图。

图2是管道清管器橡胶密封盘摩擦系数测试装置的正视图。

图3是管道清管器橡胶密封盘摩擦系数测试装置的俯视图。

图4是管道清管器橡胶密封盘摩擦系数测试装置的左、右视图。

图5是安装了“C形”卡块的“C形”基座剖面示意图。

图6是测量较大过盈量时实验装置的安装示意图。

图7是测量较小过盈量时实验装置的安装示意图。

图8是“C形”卡块的结构示意图。

图9是图1中的ViewA视图。

图10是图2中的ViewB视图。

图11是图7中的ViewC视图。

图12是压力传感器的结构示意图。

图13是“腰鼓型”摩擦轴和“马鞍形”摩擦块的结构示意图。

图中：1、支架系统，101、基座支架系统，101A基座支架底座、101B、基座支架，101C、基座支撑杆，101D、清管器支撑架，101E、清管器支撑架连接孔，102、摩擦轴支架系统，102A、摩擦轴支架底座、102B、摩擦轴支架，102C、螺杆滑动轨道，2、待测试清管器，3、径向压力测试系统，301、“C形”基座，302、“C形”卡块，303、楔形砌块，304、压力传感器插槽，305、压力传感器，306、固定插销，307、压力传感器连接孔，308、计算机，4，滑动摩擦力测试系统，401、“腰鼓形”摩擦轴，402、“马鞍形”摩擦块，403、转动轴，404、转动轴承，405、滑动螺杆，406、滑动杆固定螺母，407、电动机，408、扭矩测试仪。

具体实施方式

如图1所示，管道清管器橡胶密封盘摩擦系数测试装置，包括：支架系统1、待测清管器2、径向压力测试系统3以及滑动摩擦力测试系统4；其中：支架系统包括基座支架和摩擦轴支架，分别用于固定“C形”基座和“腰鼓形”摩擦轴。径向压力测试系统包括“C形”基座、“C形”卡块和压力传感器，待测清管器放置于“C形”卡块内。橡胶密封盘与压力传感器接触，输出密封盘所受的径向压力。滑动摩擦力测试系统包括“腰鼓形”摩擦轴和“马鞍形”摩擦块，用于和“C型”块配合形成封闭的圆环，以模拟清管器橡胶密封盘在管道内的运行。

如图2～4所示，支架系统1包括：基座支架系统101、摩擦轴支架系统102，其中基座支架系统101包括基座支架底座101A、两个基座支架101B、两根基座支撑杆101C和两个清管器支撑架101D。基座支架底座101A和摩擦轴支架底座102A固定在地面上，两者相隔一段距离放置，且两者的形心处于同一条水平直线上。基座支架101B共有两个，对称设置于基座支架底座101A四边形的两个直角上并与底座垂直，基座支架101B通过两根相互平行的基座支撑杆101C进行连接。清管器支撑架101D共有两个，其上分别加工有支撑架连接孔101E。清管器支撑架101D安装于基座支架底座101A四边形的两条边上，并分别与两个基座支架101B平行。摩擦轴支架系统102包括摩擦轴支架底座102A、摩擦轴支架102B和两个螺杆滑动轨道102C。摩擦轴支架102B设置于摩擦轴支架底座102A四边形右侧边的中心位置。螺杆滑动轨道102C共有两根，垂直安装于摩擦轴支架102B上，且两者互相平行。

如图5～12所示，径向压力测试系统2包括：一个“C形”基座301、若干个“C形”卡块302、若干个楔形砌块303、三个压力传感器305和两个固定插销306。其中，“C形”基座301的顶面、底面和左侧面上分别加工有压力传感器插槽304，压力传感器插槽为变径圆柱形，整体呈上宽下窄的阶梯式结构。其中上部较宽部分的内侧设置有内螺纹。“C形”基座301安装在基座支架101B之间的基座支撑杆101C上，支架基座101B的底面与支架底座101A平行。清管器支撑架连接孔101C的圆心与“C形”基座301弧形凹槽的圆心为同轴心状态。

“C形”卡块302安装在“C形”基座301的内侧，在“C形”基座301的内侧加工两个楔形的凹槽，同时在“C形”卡块302的外侧加工两个楔形的凸块。在安装过程中，楔形凹槽和楔形凸块之间形成配合以防止在实验过程中由于摩擦和震动引起的相互错动。两个固定插销306对称安装在“C形”基座301上楔形凹槽较宽的一面，用于限制“C形”卡块302的轴向运动，增加稳定性。通过改变“C形”卡块302的数量，可以测试多种密封盘过盈量的工况。当测试过盈量较小的橡胶密封盘，即使用直径较大的“C形”卡块302时，两个楔形砌块303用来填补密封盘和“C形”卡块302之间的楔形空隙，以实现对密封盘的完全密封。

将压力传感器305插入压力传感器插槽304中，压力传感器305通过螺纹连接可实现固定和调节高度的作用，以满足测量不同过盈量情况的需求。

如图13所示，滑动摩擦力测试系统4包括：一个“腰鼓形”摩擦轴401、若干个“马鞍形”摩擦块402、两根转动轴403、两根滑动螺杆405和两个滑动杆固定螺母406。“腰鼓形”摩擦轴401两端对称连接有转动轴403，转动轴端部上设置有轴承404，并在轴承404内侧加工内螺纹。滑动螺杆405两端均加工螺纹，滑动螺杆405的一端穿过螺杆滑动轨道102C，与轴承404内螺纹相连接。滑动螺杆405另一端与滑动杆固定螺母406通过螺纹连接。安装完成后，固定螺母406与螺杆滑动轨道102C紧密贴合完成对“腰鼓形”摩擦轴401的固定。

“马鞍形”摩擦块402安装在“腰鼓形”摩擦轴401的外侧，两块“马鞍形”摩擦块可以组合成一个“腰鼓形”。通过改变“马鞍形”摩擦块402的数量，可以测试多种密封盘过盈量的工况。

管道清管器橡胶密封盘摩擦系数测试方法，如图1至13所示，采用管道清管器橡胶密封盘摩擦系数测试装置，包括下述步骤：

1、将基座支架底座101A和摩擦轴支架底座102A相隔一段距离固定于水平地面上。在基座支架底座101A上安装两个基座支架101B，两个基座支架相互平行，且均垂直于基座底座101A平面。在摩擦轴支架底座102A上安装摩擦轴支架102B，并使摩擦轴支架垂直于摩擦轴支架底座102A平面，在摩擦轴支架上安装两个螺杆滑动轨道102C且两者之间的距离应大于“腰鼓形”摩擦轴401的长度。两根轨道相互平行且均垂直于摩擦轴支架102B。

2、将加工有压力传感器插槽304的“C形”基座301安装于两根基座支撑杆101C上，使基座支撑杆穿过“C形”基座301。在“腰鼓形”摩擦轴401两端的转动轴403上安装滑动螺杆405，转动轴403末端设置轴承404，滑动螺杆405的一端和轴承404通过螺纹相连接。滑动螺杆405的另一端穿过螺杆滑动轨道102C与滑动杆固定螺母406相连接。通过拧紧滑动杆固定螺母406可以实现固定“腰鼓形”摩擦轴401的作用。

3、如图5所示，在测试过盈量较大的工况时，可以根据所需过盈量的大小，选择不同数量的“C形”卡块和“马鞍形”摩擦块。将“C形”卡块按顺序插入“C形”基座内，并用固定插销进行固定。将三个压力传感器305分别插入压力传感器插槽304，通过调节螺纹的圈数使传感器触头的探测面与“C形”卡块的内表面处于同一平面。将待测清管器推入“C形”卡块内，使橡胶密封盘充分与三个压力传感器305的触头接触。安装完成后，将清管器连接杆的两端固定于清管器支撑架101D上。根据所需的过盈量选择不同数量的“马鞍形”摩擦块402并安装于“腰鼓形”摩擦轴401上。安装完成后，将滑动螺杆405向靠近“C形”卡块301的方向推动，直至“C形”卡块302和由“马鞍形”摩擦块402组合成的“腰鼓形”摩擦轴形成一个闭合的圆环，旋转固定螺母406对“腰鼓形”摩擦轴401进行固定。将压力传感器305与计算机308相连接。将电动机407、扭矩测试仪408分别与转动轴403相连接，扭矩测试仪408和计算机308连接。打开电动机407，在电动机的驱动下，“腰鼓形”摩擦轴401匀速旋转，对待测密封盘进行摩擦测试。从计算机中读取稳定状态下，压力传感器305和扭矩测试仪408测量的数值并记录。

4、如图6所示，在测试过盈量较小的工况时不需安装“C形”卡块302和“马鞍形”摩擦块402，将三个压力传感器305分别插入压力传感器插槽304中，通过调节螺纹的圈数使传感器触头的探测面与“C形”基座301的内表面处于同一平面。将待测清管器推入“C形”基座301内，使橡胶密封盘充分与三个压力传感器305的触头接触。安装完成后，将清管器连接杆的两端固定于清管器支撑架101D上。将滑动螺杆405向靠近“C形”基座301的方向推动，直至“C形”基座301和“腰鼓形”摩擦轴401形成一个闭合的圆环，旋转固定螺母406对“腰鼓形”摩擦轴401进行固定。将压力传感器305与计算机308相连接。将电动机406、扭矩测试仪407分别与转动轴403相连接，扭矩测试仪407和计算机308连接。打开电动机406，在电动机的驱动下，“腰鼓形”摩擦轴401匀速旋转，对待测密封元盘进行摩擦测试。从计算机中读取稳定状态下，压力传感器和扭矩测试仪测量的数值并记录。

5、测试橡胶密封盘与不同材质管道间的摩擦系数时，只需要选择与管道同材质的“C形”卡块301和“马鞍形”摩擦块402进行安装即可，实验方法与上述方法相同。

6、通过调整电动机407的转动频率来改变“腰鼓形”摩擦轴401的转动速度，从而得到橡胶密封盘的径向压力和摩擦系数与清管器运行速度之间的变化关系，具体实验方法与上述方法相同。

7、从计算机中的记录数据可以得到：径向压力P(MPa)、扭矩M(N·m)，通过测量可以得到：压力传感器305的触头接触面面积A(m²)和转动轴404半径R(m)，由计算公式：可计算得到摩擦系数。

Claims (9)

1.一种管道清管器密封橡胶盘摩擦系数测试装置，包括：支架系统、径向压力测试系统和滑动摩擦力测试系统；其特征在于：支架系统包括基座支架和摩擦轴支架两部分，分别用于固定和支撑其余两个系统；径向压力测试系统由一个“C”形基座和若干个“C”形卡块组成，用于固定待测试的橡胶密封盘并测试密封盘上的径向压力。滑动摩擦力测试系统由一个与电动机相连的“腰鼓形”摩擦轴和若干个“马鞍形”摩擦块组成，用于模拟橡胶密封盘在管道内的运行并测试运行中的滑动摩擦力。

2.根据权利要求1所述的管道清管器密封橡胶盘摩擦系数测试装置，其特征在于；支架系统包括：基座支架系统、摩擦轴支架系统，其中基座支架系统包括基座支架底座、两个基座支架、两根基座支撑杆和两个清管器支撑架。基座支架底座和摩擦轴支架底座固定在地面上，两者相隔一段距离放置，且两者的形心处于同一条水平直线上。基座支架共有两个，对称设置于基座支架底座四边形的两个直角上并与底座垂直，基座支架通过两根相互平行的基座支撑杆进行连接。清管器支撑架共有两个，其上分别加工有支撑架连接孔。清管器支撑架安装于基座支架底座四边形的两条边上，并分别与两个基座支架平行。摩擦轴支架系统包括摩擦轴支架底座、摩擦轴支架和两个螺杆滑动轨道。摩擦轴支架设置于摩擦轴支架底座四边形右侧边的中心位置。螺杆滑动轨道共有两根，垂直安装于摩擦轴支架上，且两者互相平行。

3.根据权利要求1-2所述的管道清管器密封橡胶盘摩擦系数测试装置，其特征在于；径向压力测试系统，包括：一个“C形”基座、若干个“C形”卡块、若干个楔形砌块、三个压力传感器和两个固定插销。其中，“C形”基座的顶面、底面和左侧面上分别加工有压力传感器插槽，压力传感器插槽为变径圆柱形，整体呈上宽下窄的阶梯式结构，其中上部较宽部分的内侧设置有内螺纹。“C形”基座安装在基座支架之间的基座支撑杆上，支架基座的底面与支架底座平行。清管器支撑架连接孔的圆心与“C形”基座的圆心为同轴心状态。

4.根据权利要求1-3所述的管道清管器密封橡胶盘摩擦系数测试装置，其特征在于：“C形”卡块安装在“C形”基座的内侧，在“C形”基座的内侧加工两个楔形的凹槽，同时在“C形”卡块的外侧加工两个楔形的凸块。在安装过程中，楔形凹槽和凸块形成配合以防止在实验过程中由于摩擦和震动引起的相互错动。固定插销安装在“C形”卡块上楔形凸块较宽的一面，用于限制“C形”卡块的轴向运动，增加稳定性。通过改变“C形”卡块的数量，可以测试多种密封盘过盈量的工况。当测试过盈量较小的橡胶密封盘即使用直径较大的“C形”卡块时，两个楔形砌块用来填补密封盘和“C形”卡块之间的楔形空隙，以实现对密封盘的完全密封。

5.根据权利要求1-4所述的管道清管器密封橡胶盘摩擦系数测试装置，其特征在于：压力传感器与压力传感器插槽通过内螺纹连接，可实现固定和调节高度的作用，以满足测量不同过盈量情况的需求。

6.根据权利要求1-5所述的管道清管器密封橡胶盘摩擦系数测试装置，其特征在于；滑动摩擦力测试系统，包括：一个“腰鼓形”摩擦轴、若干个“马鞍形”摩擦块、两根转动轴、两根滑动螺杆和两个滑动杆固定螺母。“腰鼓形”摩擦轴两端对称连接有转动轴，转动轴端部上设置有轴承，并在轴承内侧加工内螺纹。滑动螺杆穿过螺杆滑动轨道，与轴承内螺纹相连接。滑动螺杆另一端与滑动杆固定螺母通过螺纹连接。安装完成后，固定螺母与螺杆滑动轨道紧密贴合完成对“腰鼓形”摩擦轴的固定。

7.根据权利要求1-6所述的管道清管器密封橡胶盘摩擦系数测试装置，其特征在于：“马鞍形”摩擦块安装在“腰鼓形”摩擦轴的外侧，两块“马鞍形”摩擦块可以组合成一个“腰鼓形”。通过改变“马鞍形”摩擦块的数量，可以测试多种密封盘过盈量的工况。

8.根据权利要求1-7所述的管道清管器密封橡胶盘摩擦系数测试装置，其特征在于：“马鞍形”摩擦块与“腰鼓形”摩擦轴的材质可根据测试需要进行选择，通过选择不同材质的摩擦副可以实现对多种材料间摩擦系数的测试。

9.一种管道清管器密封橡胶盘摩擦系数测试方法，采用权利要求1-8之一所述的管道清管器密封橡胶盘摩擦系数测试装置，其特征在于，包括下述步骤：

(1)将基座支架底座和摩擦轴支架底座相隔一段距离固定于水平地面上。在基座支架底座上安装两个基座支架，两个基座支架相互平行，且均垂直于基座底座平面。在摩擦轴支架底座上安装摩擦轴支架，并使摩擦轴支架垂直于摩擦轴支架底座平面，在摩擦轴支架上安装两个螺杆滑动轨道，且两者之间的距离应大于“腰鼓形”的长度。两根轨道相互平行且均垂直于摩擦轴支架。

(2)将加工有压力传感器插槽的“C形”基座安装于两根基座支撑杆上，使基座支撑杆穿过“C形”基座。在“腰鼓形”摩擦轴两端的转动轴上安装滑动螺杆，转动轴末端设置轴承，滑动螺杆和轴承通过螺纹相连接。滑动螺杆的另一端穿过螺杆滑动轨道与滑动杆固定螺母相连接。通过调整滑动杆固定螺母可以实现固定“腰鼓形”摩擦轴的作用。

(3)在测试过盈量较小的工况时不需安装“C形”卡块和“马鞍形”摩擦块，将三个压力传感器分别插入压力传感器插槽中，通过调节螺纹的圈数使传感器触头的探测面与“C形”基座的内表面处于同一平面。将待测清管器推入“C形”基座内，使橡胶密封盘充分与三个压力传感器的触头接触。安装完成后，将清管器连接杆的两端固定于清管器支撑架上。将滑动螺杆向靠近“C形”基座的方向推动，直至“C形”基座和“腰鼓形”摩擦轴形成一个闭合的圆环，旋转固定螺母对“腰鼓形”摩擦轴进行固定。将压力传感器与计算机相连接。将电动机、扭矩测试仪分别与转动轴相连接，扭矩测试仪和计算机连接。打开电动机，在电动机的驱动下，“腰鼓形”摩擦轴匀速旋转，对待测密封元盘进行摩擦测试。从计算机中读取稳定状态下，压力传感器和扭矩测试仪测量的数值。

(4)在测试过盈量较大的工况时，可以根据所需过盈量的大小，选择不同数量的“C形”卡块和“马鞍形”摩擦块。将“C形”卡块按顺序插入“C形”基座内，并用固定插销进行固定。将三个压力传感器分别插入压力传感器插槽中，通过调节螺纹的圈数使传感器触头的探测面与“C形”卡块的内表面处于同一平面。将待测清管器推入“C形”卡块内，使橡胶密封盘充分与三个压力传感器的触头接触。安装完成后，将清管器连接杆的两端固定于清管器支撑架上。根据所需的过盈量选择不同数量的“马鞍形”摩擦块并安装于“腰鼓形”摩擦轴上。安装完成后，将滑动螺杆向靠近“C形”卡块的方向推动，直至“C形”卡块和由“马鞍形”摩擦块组合成的“腰鼓形”摩擦轴形成一个闭合的圆环，旋转固定螺母对“腰鼓形”摩擦轴进行固定。将压力传感器与计算机相连接。将电动机、扭矩测试仪分别与转动轴相连接，扭矩测试仪和计算机连接。打开电动机，在电动机的驱动下，“腰鼓形”摩擦轴匀速旋转，对待测密封盘进行摩擦测试。从计算机中读取稳定状态下，压力传感器和扭矩测试仪测量的数值并记录。

(5)测试橡胶密封盘与不同材质管道间的摩擦系数时，只需要选择与管道同材质的“C形”卡块和“马鞍形”摩擦块进行安装即可，实验方法与上述方法相同。

(6)通过调整电动机的转动频率来改变“腰鼓形”摩擦轴的转动速度，从而得到橡胶密封盘的径向压力和摩擦系数随运行速度的变化关系，具体实验方法与上述方法相同。

(7)从计算机中的记录数据可以得到：径向压力P(MPa)、扭矩M(N·m)，通过测量可以得到：压力传感器的触头接触面面积A(m²)和转动轴半径R(m)，由计算公式：可计算得到摩擦系数。