CN110686838A - 一种滑动摩擦副动态密封性能评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种滑动摩擦副动态密封性能评价方法，所采用的测试系统包括：压力加载模块(1)，与压力加载模块(1)连接的装夹机构(3)，夹紧机构(7)，转动台(6)，密封件，传感器(11)和压力源(13)。测试方法包括：将由待测配副材料A制成的标准试样固定到装夹机构上；将由待测配副材料B制成的另一标准试样，固定在转动台上；利用压力加载模块将两个标准试样压紧，压紧程度可以通过力传感器的示数进行调整；使转动台按照需要的转速进行旋转；利用压力源，将测试流体充入测试系统的外部管路和内部管路中；使用流量传感器或压力传感器记录滑动摩擦副转动摩擦过程中，泄露流量随时间的变化情况，将各个时刻的流量值绘制成曲线图；对滑动摩擦副动态密封性能进行评价。

Description

一种滑动摩擦副动态密封性能评价方法

技术领域

本发明涉及一种滑动摩擦副动态密封性能的评价方法，尤其涉及一种通过测量流体压力响应进行滑动摩擦副的摩擦面之间的流体密封性的评价方法。

背景技术

滑动摩擦副是指一对既直接接触，又产生相对滑动摩擦运动的物体所构成的体系。一般来说，形成良好滑动摩擦副的一对物体需要相互恰当配合，形成协同效应，以实现低摩擦系数、低磨损率、短磨合时间等特性。同时，配对合适、性能良好的滑动摩擦副，大量被用作需要进行相对滑动运动的密封面，比如，气缸的活塞滑环和缸套、转子泵的转子滑块和转子缸壁等。这些摩擦副一方面发挥减磨功能，降低整体机械的摩擦损耗、提高机械效率；另一方面承担动态密封功能，使该配合面在往复或旋转的滑动运动过程中，仍能保持良好的密封性能，使配合面两侧的流体(气体或液体)能够抵抗两侧压差的作用，不发生穿过配合面的泄漏现象。

对于滑动摩擦副的研究，一般分为材料体系研究和样机验证两个阶段。在材料体系研究阶段，研究人员一般使用专用的测试设备(如摩擦磨损试验机)对不同的备选摩擦副进行标准试验模式下的摩擦学测试，以测量这些备选摩擦副的摩擦系数、磨损率和磨合时间等性能，从而优选出摩擦学性能比较好的滑动摩擦副。在样机验证阶段，研究人员利用前一阶段选出的较优的滑动摩擦副，制造试验样机。在设备的实际或模拟工况下进行试验，从而验证该滑动摩擦副是否能用在最终的机械产品上。

对于滑动摩擦副动态密封性能的测试十分重要，因为其动态密封性能是决定该滑动摩擦副能否运用到相关机械产品的滑动密封面的重要指标。而摩擦副材料的材质、表面质量(一般指表面波纹度和粗糙度)、表面微织构(一般指利用激光等方法在摩擦副表面加工出的微小沟槽)、表面硬度以及过盈配合量等，都会影响摩擦副的动态密封性能。但是，目前尚无合适的测试方法，能够实现滑动摩擦副在材料体系研究阶段的动态密封性能测试，因而对其动态密封性能测试，只能在样机验证阶段才能进行。如果在样机验证阶段发现摩擦副的密封性能达不到要求，就要重新加工其他工艺参数的摩擦副零件，甚至只能更换其他材质的摩擦副。这将造成时间和成本的浪费，因而延长整个设备的研发周期和开发费用。

综上所示，开发一种滑动摩擦副动态密封性能的评价方法，在材料体系研究阶段进行摩擦副的密封性能评价和比较，对提升滑动摩擦副研究效率，缩短新产品的开发周期，降低研发费用，具有重要意义。

发明内容

本发明提出了一种新的滑动摩擦副动态密封性能评价方法，只需要将待测的摩擦副加工成标准试样，就可以实现对其动态密封性能的测试和评价。技术方案如下：

一种滑动摩擦副动态密封性能评价方法，待测的滑动摩擦副包括利用待测配副材料A制成的标准试样和利用待测配副材料B制成的另一标准试样，所采用测试系统包括：压力加载模块1，与压力加载模块1连接的装夹机构3，夹紧机构7，转动台6，密封件，传感器11和压力源13，其中，

压力加载模块，用以带动其装夹机构3运动，从而将待测配副材料A压紧到待测配副材料B上；

待测配副材料A与装夹机构3固定连接，实现夹紧；

待测配副材料B通过夹紧机构7与转动台6固定连接，使待测配副材料B在转动台6的带动下，实现给定转速的回转运动；

在装夹机构内开设有用于连通待测配副材料A与待测配副材料B接触面与外部管路的内部管路15；

压力源13将测试流体以给定压力输出，通过外部管路、转接机构10、、装夹机构3的内部管路15的导流，测试流体最终被导入到两个待测配副材料的接触面处；密封件用以实现装夹机构3、待测配副材料A4接触面间的密封，使得整个测试系统可能出现测试流体泄漏的地方，就剩下两个待测配副材料的接触面处；通过传感器11测量管路中流体的流量或者压力，实现对两个待测配副材料形成的滑动摩擦副的气密性进行测量。

密封性能评价方法，包括下列步骤：

将由待测配副材料A制成的标准试样固定到装夹机构上；

将由待测配副材料B制成的另一标准试样，固定在转动台上；

利用压力加载模块将两个标准试样压紧，压紧程度可以通过力传感器的示数进行调整；

使转动台按照需要的转速进行旋转；

利用压力源，将测试流体充入测试系统的外部管路和内部管路中；

使用流量传感器或压力传感器记录滑动摩擦副转动摩擦过程中，泄露流量随时间的变化情况，将各个时刻的流量值绘制成曲线图；

分析曲线图，得出滑动摩擦副对于测试流体的动态密封性能评价指标，包括最大密封能力、密封进入时间和密封寿命，密封进入时间越短，意味着滑动摩擦副磨合时间也就越短；最大密封能力越高，说明滑动摩擦副在正常使用阶段的密封能力越强；密封寿命越长，说明滑动摩擦副可以更长时间维持正常工作的密封状态。

优选地，通过压力加载模块1的力传感器的压力值，控制压紧程度，从而精确调控待测配副材料A、待测配副材料B接触平面的接触压强。

装夹机构3通过弹性联轴器2与压力加载模块1连接，以实现两个待测配副材料的平稳接触。

本技术可以实现如下有益效果：

1、可实现滑动摩擦副动态密封性能的测试；

2、测试过程中，待测摩擦副的两种材料只需加工成相当简单的外形，形成标准样件，就可以进行动态密封性能的测试；

3、测试过程的数据具有直观、可视、易于评价、测试结果与使用实际工况联系紧密的优点；

附图说明

图1为本发明的测试系统的示意图。

图2为图1的细部图。

图3为本发明待测配副材料A所需加工成的标准试样的平面图纸。

图4为本发明待测配副材料A所需加工成的标准试样的三维外形示意图。

图5为本发明的测试结果的一般示意图。

图中标号说明：1压力加载模块；2弹性联轴器；3装夹机构；4待测配副材料A；5待测配副材料B；6转动台；7夹紧结构；8定位销；9管路；10转接机构；11压力或流量传感器；12管路；13压力源；14控制系统；15内部管路；16密封圈；17锁紧螺母；18螺纹。

具体实施方式

1、搭建如附图1所示的测试系统，包括：

1.1、将需要测试的滑动摩擦副的一种待测配副材料A加工成结构如附图3和4中所示的标准试样；

1.2、使用结构如附图1中部件3所示的装夹机构夹紧上述标准试样，并压紧在需要测试的滑动摩擦副的另一种配副材料B表面。通过压力加载模块确保压紧的压力稳定在恒定值；

1.3、使任意一种配副材料以恒定的转速转动，以实现该待测滑动摩擦副的相对运动；

1.4、利用稳定的压力源向上述装夹机构的压力输入口通入恒定压力的测试流体；

1.5、利用压力传感器或者流量传感器探测装夹机构附近的流体压力或流量。

上述的测试系统包括：压力加载模块1，通过弹性联轴器2连接装夹机构3。压力加载模块可以使用液压伺服驱动，也可以使用电机伺服驱动，作用是带动其下端安装的装夹机构3上下运动，从而将待测配副材料A4压紧到待测配副材料B5上，并通过压力加载模块1内部的力传感器的压力值，控制压紧程度，从而精确调控待测配副材料A4、待测配副材料B5接触平面的接触压强。通过弹性联轴器2，实现两个待测配副材料4、5的平稳接触。

待测配副材料A4与装夹机构3通过锁紧螺母17拧紧到装夹机构3下端的螺纹18上，实现夹紧，如果测试环境较为恶劣，担心锁紧不可靠，还可以通过定位销8进一步提高装夹机构3、待测配副材料A4连接的可靠性。

待测配副材料B5通过夹紧机构7与转动台6连接。该待测配副材料B5可加工成任意形状，只要其可以被固连到转动台上，并且其上表面是一个可以被待测配副材料A4压紧的平面即可。上述夹紧机构可以是三爪或四爪卡盘，也可以采用螺栓压板甚至胶粘的方法，目的是实现待测配副材料B5和转动台6之间的固连，从而使待测配副材料B5在转动台6的带动下，实现给定转速的回转运动。由于待测配副材料A4通过锁紧螺母17固连在装夹机构3上，并在压力加载模块1的作用下，向下运动，压紧待测配副材料B5，这两个待测配副材料4、5的接触面最终可以形成相对的滑动运动。

压力源13将测试流体以给定压力输出。通过管路12、转接机构10、管路9、装夹机构3的内部管路15的导流(内部管路15可以通过在装夹机构零件上钻孔形成)，测试流体最终被导入到两个待测配副材料4、5的接触面处，参见附图1的局部放大图中的箭头方向。密封件即密封圈16可以实现装夹机构3、待测配副材料A4接触面间的密封。这样，整个测试系统可能出现测试流体泄漏的地方，就剩下两个待测配副材料4、5的接触面处。如果两个待测配副材料4、5形成的滑动摩擦副可以形成良好的动态密封，那么测试流体就泄漏的慢，测试系统管路的流体压力就接近压力源的输出压力值；反之，测试流体泄漏的快，测试系统管路的流体压力就会出现大幅降低。通过传感器11测量管路中流体的流量或者压力，就可以实现对两个待测配副材料4、5形成的滑动摩擦副的气密性进行测量。控制系统14实现对传感器11的数据采集、记录和分析，以及对压力加载模块1、转动台6、压力源13的转速、压力输出控制。

2、记录上述流体压力或流量值随时间的变化，并绘制成曲线图。一般的典型曲线图的形式可参考附图5；

3、通过分析上述曲线图，可以得出该滑动摩擦副的动态密封性能，包括最大密封能力、最小泄露量、密封寿命、密封进入时间等。

如附图5所示，一般的滑动摩擦副在整个摩擦生命周期中，会出现磨合、正常使用、磨损3个阶段。在磨合阶段，摩擦副的相互配合的平面在相对运动过程中相互摩擦，产生的磨屑填补进表面的凹坑中，进一步使摩擦力降低。这一阶段的摩擦副的密封性能逐渐提高，测试系统的管路中的流体泄露量逐渐减小、压力逐渐增大。在正常使用阶段，摩擦副已经完成了磨合，进入比较平稳的摩擦过程。这一阶段的摩擦副的密封性能也比较稳定，测试系统的管路中的流体泄露量维持在最低水平、压力也保持在最高值。在磨损阶段，摩擦副的老化使得其配合状况逐渐恶劣，摩擦系数上升，发热严重。一般这一过程中，摩擦副的密封性能也有所下降，直至最终完全无法密封。这一过程中，测试系统的管路中的流体泄露量逐渐增大，压力也逐渐降低，直至最终完全失效。

通过附图5的示例，可以容易的评价滑动摩擦副的密封性能：密封进入时间越短，意味着摩擦副可以越快完成磨合，从而未来机械产品磨合时间也就越短；最大密封能力越高，说明摩擦副在正常使用阶段的密封能力越强；密封寿命越长，说明摩擦副可以更长时间维持正常工作的密封状态，从而未来机械产品维修、更换相关部件的周期也就越长。

实施例1：

一种钢-黄铜滑动摩擦副的动态液压油密封性能测试方法

1)将待测的钢质材料加工成如附图3和4中所示的标准试样；

2)将上述钢质标准试样通过紧固螺母安装到装夹机构上；

3)将待测的黄铜材料加工成扁平圆盘，并通过三爪卡盘安装在由步进电机带动的转动台上；

4)使用滑动导轨将钢质标准样件与黄铜质方形盘压紧，压紧程度可以通过力传感器的示数进行调整；

5)使转动台步进电机按照需要的转速进行旋转；

6)利用液压泵作为压力源，将液压油以恒定压力泵入测试系统的管路中；

7)使用流量传感器记录待测摩擦副转动摩擦过程中，泄露流量随时间的变化情况。将各个时刻的流量值绘制成曲线图；

8)分析曲线图，得出钢-黄铜滑动摩擦副对于液压油的动态密封性能，包括最大密封能力、密封进入时间和密封寿命。

实施例2：

一种碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料-氧化锆陶瓷滑动摩擦副的动态气密封性能测试方法

1)将待测的氧化锆陶瓷材料加工成如附图3和4构件所示的标准试样；

2)将待测的碳纤维增强碳化硅陶瓷基复合材料加工成扁平方块体，并通过四爪卡盘安装在由步进电机带动的转动台上；

3)各组件和试样的安装方法同实施例1；

4)利用气泵以恒定压力向测试系统的管路中通入压缩空气。

5)使用压力传感器记录待测摩擦副转动摩擦过程中，气体压力随时间的变化情况；

6)其他数据处理方法同实施例1。

Claims (3)

1.一种滑动摩擦副动态密封性能评价方法，待测的滑动摩擦副包括利用待测配副材料A制成的标准试样和利用待测配副材料B制成的另一标准试样，所采用测试系统包括：压力加载模块(1)，与压力加载模块(1)连接的装夹机构(3)，夹紧机构(7)，转动台(6)，密封件，传感器(11)和压力源(13)。其中，

压力加载模块，用以带动其装夹机构(3)运动，从而将待测配副材料A压紧到待测配副材料B上；

待测配副材料A与装夹机构(3)固定连接，实现夹紧；

待测配副材料B通过夹紧机构(7)与转动台(6)固定连接，使待测配副材料B在转动台(6)的带动下，实现给定转速的回转运动；

在装夹机构内开设有用于连通待测配副材料A与待测配副材料B接触面与外部管路的内部管路(15)，

压力源(13)将测试流体以给定压力输出，通过外部管路、转接机构(10)、装夹机构(3)的内部管路(15)的导流，测试流体被导入到两个待测配副材料的接触面处；密封件用以实现装夹机构(3)、待测配副材料A接触面间的密封，使得整个测试系统可能出现测试流体泄漏的地方，仅剩下两个待测配副材料的接触面处；通过传感器(11)测量管路中流体的流量或者压力，实现对两个待测配副材料形成的滑动摩擦副的气密性的测量；

密封性能评价方法，包括下列步骤：

将由待测配副材料A制成的标准试样固定到装夹机构上；

将由待测配副材料B制成的另一标准试样，固定在转动台上；

利用压力加载模块将两个标准试样压紧，压紧程度可以通过力传感器的示数进行调整；

使转动台按照需要的转速进行旋转；

利用压力源，将测试流体充入测试系统的外部管路和内部管路中；

使用流量传感器或压力传感器记录滑动摩擦副转动摩擦过程中，泄露流量随时间的变化情况，将各个时刻的流量值绘制成曲线图；

分析曲线图，得出滑动摩擦副对于测试流体的动态密封性能评价指标，包括最大密封能力、密封进入时间和密封寿命，密封进入时间越短，意味着滑动摩擦副磨合时间也就越短；最大密封能力越高，说明滑动摩擦副在正常使用阶段的密封能力越强；密封寿命越长，说明滑动摩擦副可以更长时间维持正常工作的密封状态。

2.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，通过压力加载模块(1)的力传感器的压力值，控制压紧程度，从而精确调控待测配副材料A、待测配副材料B接触平面的接触压强。

3.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，装夹机构(3)通过弹性联轴器(2)与压力加载模块1连接，以实现两个待测配副材料的平稳接触。

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