CN112484891B - 一种动密封接触面摩擦转动力矩测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于端面密封技术领域，具体涉及一种动密封接触面摩擦转动力矩测量装置。本发明包括静部件、动部件及浮动测量部件；动部件包括轴体，轴体通过动环与静环的配合从而回转配合于浮动测量部件上；浮动测量部件外壁与静部件之间存有配合间隙，且该配合间隙内抽真空或填充有润滑液或设置气膜或形成磁悬浮间隙；本装置还包括可与浮动测量部件作同步转动动作的测量部，测量部的动作端与传感部的感应端间形成可约束测量部产生所述同步转动动作的单向抵靠配合。本发明具备了测量简便和易于实现及便于操作的优点，能有效避免外在因素所产生的摩擦阻力矩对测量结果的影响，最终确保测量数据的精确性和可靠性。

Description

一种动密封接触面摩擦转动力矩测量装置

技术领域

本发明属于端面密封技术领域，具体涉及用于密封机理研究的一种动密封接触面摩擦转动力矩测量装置。

背景技术

动密封是用来阻止工作介质沿其轴体与主机壳体间缝隙泄漏的装置，是重要的关键基础零部件，广泛应用各类旋转机械和动设备，直接或间接决定或影响主机设备的性能、效率和能耗。动密封的动、静环接触面间存在相对运转和滑动，存在着接触摩擦和磨损，因此也就存在着功率耗损。测量动密封的功耗转动力矩，具有重要的意义。接触面摩擦转动力矩的大小反映了动密封的密封性能，可以反映动密封工作时的状态、摩擦功耗、接触面摩擦温升、接触面磨损速率等参数，有利于研究动密封的摩擦磨损机理，并进行动密封的结构优化设计，提高密封工作的可靠性；同时，也有利于为主机设备的节能降耗提供数据和依据。

目前，动密封接触面摩擦转动力测量方法主要有以下几种：一是串联测量，即在电动机与动力输入轴之间串联安装扭矩传感器，通过测量动力输入轴扭矩扣除掉空载时的轴承摩擦阻力矩和动密封旋转部件在密封介质中产生的搅拌扭矩，从而获得接触面摩擦扭矩。这种方法应用普遍，测量简便，但由于轴承摩擦阻力矩以及搅拌扭矩会随着密封介质压力的变化而变化，且由于采用串联的安装方式，动密封所服务的主机部件的功耗明显大于动密封功耗数倍，且有可能不是同一个数量级，因此对传感器的要求非常高，用以排除测量误差的问题。二是专用设计测量，即将静环座设计成传递测量扭矩的传感器。这种方法是传感器安装方便，但在实际制造过程中，存在设计制造困难，未能取得实质性进展。三是在转动密封腔上安装扭矩传感器测量密封端面摩擦扭矩的方法，其利用一组轴承将密封腔支撑起来，通过在密封腔上安装扭矩仪，利用扭矩仪摆臂作用于荷重传感器，从而测量端面摩擦扭矩。该方法操作方便，但接触式轴承摩擦的影响较大，且密封腔内密封介质的搅拌功耗对接触面摩擦扭矩具有一定影响。上述三种测量方法，均存在一些不足，既不能满足获得动密封接触面摩擦转动力矩的精确测量要求，又对测量设备如传感器等提出了更高要求，显然难以满足当前开展动密封摩擦机理和可靠性研究的需求。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理而实用的动密封接触面摩擦转动力测量装置，本装置具备了测量简便和易于实现及便于操作的优点，能有效避免外在因素所产生的摩擦阻力矩对测量结果的影响，最终确保测量数据的精确性和可靠性。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种动密封接触面摩擦转动力矩测量装置，包括静部件以及位于静部件内的可相对静部件作回转动作的动部件，其特征在于：本装置还包括布置于动部件与静部件之间的可同时相对动部件和静部件间产生回转动作的浮动测量部件；动部件包括轴体，轴体通过动环与静环的配合从而回转配合于浮动测量部件上；所述浮动测量部件外壁与静部件之间存有可使浮动测量部件产生相对轴体轴线的同轴回转配合的配合间隙，且该配合间隙内抽真空或填充有润滑液或设置气膜或形成磁悬浮间隙；本装置还包括固定在浮动测量部件上的可与浮动测量部件作同步转动动作的测量部，测量部的动作端与传感部的感应端间形成可约束测量部产生所述同步转动动作的单向抵靠配合。

优选的，所述测量部为沿轴体径向延伸的测量杆，测量部的延伸端构成所述动作端；感应部为载荷传感器，且感应部的感应端位于测量部的延伸端的动作路径上。

优选的，所述浮动测量部件包括气体静压轴承；静环装配于内腔支撑的内壁处，内腔支撑的外壁与气体静压轴承内圈形成固接配合，气体静压轴承的外圈与静部件的内壁间形成带有气膜的所述配合间隙；静部件上布置进气通道从而连通所述配合间隙。

优选的，所述静部件包括第一气静壳，所述第一气静壳外形呈具备二段阶梯式筒腔的套筒状，第一气静壳的大孔径端布置压盖，从而使得第一气静壳的大孔径段构成用于配合气体静压轴承的外圈的容纳腔；第一气静壳的大孔径段所在的外壁处凹设有环形凹槽；第一气静壳的大孔径段的外壁同轴的套设有第二气静壳，第二气静壳的筒壁与环形凹槽围合形成环形的气室；径向贯穿第二气静壳的进气通道连通所述气室，气室再通过径向贯穿第一气静壳的进气孔连通所述配合间隙。

优选的，所述配合间隙布置于第一气静壳的孔肩与气体静压轴承的外圈右端面之间、压盖内侧面与气体静压轴承的外圈左端面之间以及第一气静壳的大孔径段孔壁与气体静压轴承的外圈外壁之间，且各配合间隙彼此连通；所述第一气静壳的孔肩和/或压盖上轴向的贯穿布置出气孔，所述出气孔经由返流通道连通所述气室。

优选的，第一气静壳和压盖上相应布置连通所述出气孔的环形导流槽，环形导流槽通过封盖轴向压紧从而形成环形导流腔，环形导流腔通过径向沿压盖外侧面开设的返流通道从而连通所述气室。

优选的，形成所述进气通道、气室及环形导流腔的各部件的装配间隙处布置有起到气体防泄露功能的密封环和/或密封垫。

优选的，所述内腔支撑包括具备三段式的阶梯状外壁的左支撑，所述左支撑的大轴径端法兰配合右支撑，内腔支撑的筒腔形成固定静环座的固定腔，静环座配合静环套，静环套再与轴体上的动环间形成回转配合关系；左支撑的中轴径段设置可供气体静压轴承的内圈套设和固定的定位面，并通过压环实现内圈的轴向限位。

所述左支撑的中轴径段处布置有环形的凹槽部，凹槽部上同轴套设轴瓦状的隔离套，隔离套内壁与凹槽部配合形成隔热腔；所述隔离套的外壁构成所述定位面。

优选的，轴体上套设有轴套，动环安装于轴套外壁处，轴套通过锁紧环紧固配合在轴体上。

本发明的有益效果在于：

1)、本发明抛弃了传统的必须动部件直接配合静部件的回转组合结构，并打破了传统的测量设备必须外置或替换待测部件的固有思路，转而提供了一种内置式的、不破坏原有待测部件且参与待测部件的转动过程的测量装置。实际使用时，在传统的动部件与静部件的装配结构的基础上，通过在两者的配合面之间塞入浮动测量部件，这样：一方面，浮动测量部件与静部件的回转配合完全模拟传统的动部件与静部件的回转配合方式，以便实现对传统动部件与静部件间摩擦转动力F的准确测量。另一方面，浮动测量部件与动部件之间又通过诸如真空膜或气膜或液体膜或磁悬浮等几乎零摩擦的配合方式，实现浮动测量部件与动部件之间的无摩擦回转配合。通过上述配合方式，一旦轴体产生回转动作，浮动测量部件随之产生回转趋势，该回转趋势又被测量部及传感部的配合面所限制，使得测量部对传感部施压，从而获取到施压的力，该力即为上述摩擦传动力F。通过摩擦转动力F的大小，结合测量部自行形成的力臂L，即可根据力矩公式：M＝F·L，获得动密封接触面摩擦转动力矩的准确数值。

综上可知，由于真空膜或气膜或液体膜的几乎零摩擦的配合方式，因此F的获取尽可能的减小甚至避免了浮动测量部件与动部件之间的传动影响，也即有效的避免了外在因素所产生的摩擦阻力矩对测量结果的影响性，并使得本发明具备了测量简便和易于实现及便于操作的优点，显著的确保了测量数据的精确性和可靠性。

2)、作为上述方案的进一步优选方案，本发明优选使用气膜方式填充配合间隙，并进一步的选用气体静压轴承来形成所述气膜。气体轴承由于气体粘度比液体低得多，在室温下空气粘度仅为十号机械油的五千分之一，而轴承的摩阻与粘度成正比，所以气体轴承的摩阻比液体润滑轴承等要低得多，更利于避免外在因素所产生的摩擦阻力矩对测量结果的影响。气体静压轴承的供气压力一般不超过0.6兆帕，且能在配合间隙内形成足以支承载荷的静压气膜，使用成效显著，不仅能满足本发明的使用精度需求，同时市场可直接购置，使用成本上可得到显著降低。

3)、对于测量部而言，其可以是沿轴体轴线、径向甚至斜向伸出的杆体或板体或其他延伸结构，只需能实现随浮动测量部件同步动作，从而感应浮动测量部件的动作趋势并传递给作为感应部的载荷传感器即可。同理，载荷传感器也可使用其他传感结构来实现，只需达到针对测量部施加力的数据读取目的即可，此处就不再赘述。

4)、作为静部件：一方面，依靠第一气静壳和第二气静壳及压盖的配合从而形成整个外壳体，以便包覆气体静压轴承的外圈，并形成所述配合间隙。另一方面，整个外壳体内还相应布置气室及进气通道，从而实现对配合间隙的持续供气功能，以利于形成所述气膜。当然，当压缩空气等由进气通道经由气室进入配合间隙时，部分气体会经由静部件与浮动测量部件的装配缝隙外泄，这也利于形成气体通路和快速形成所需气膜。也可以进一步的如本发明所述的，设置出气孔及返流通道，以便形成循环气体通路，以提升气膜形成的效率性和稳定性。

5)、对于浮动测量部件与动部件之间的配合，可以借鉴甚至直接模拟传统的动部件和静部件的配合方式，以有效确保实际测量数据的准确性。动环与静环之间的配合方式以及静环与浮动测量部件之间的配合方式同理。

附图说明

图1为本发明的正视图；

图2为图1的左视图的半剖示意图；

图3为动部件、浮动测量部件及静部件的装配状态剖视图；

图4为图3的I部分局部放大图。

本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：

a-动环 b-静环座 c-静环套

A-进气通道 B-进气孔 C-气室 D-出气孔

E-环形导流腔 F-返流通道

10-静部件 11-第一气静壳 12-压盖 13-第二气静壳 14-封盖

15-密封环 16-密封垫

20-动部件 21-轴体 22-轴套 23-锁紧环

30-浮动测量部件 31-气体静压轴承

32-内腔支撑 32a-左支撑 32b-右支撑 32c-凹槽部

33-压环 34-隔离套

41-测量杆 42-载荷传感器

具体实施方式

为便于理解，此处对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：

描述之前，需作以下解释：对于二段式阶梯孔而言，其孔腔具备的大孔径段和小孔径段两部分，而大孔径段所在的远离小口径段的孔端口即形成大孔径端；同理，对于三段式的阶梯轴而言，其外壁形成的也即小轴径段、中轴径段及大轴径段，以区分彼此。

在上述解释的基础上，本发明的具体实施结构以图1-2为例，其主要结构包括由内而外依序布置的动部件20、浮动测量部件30及静部件 10。为便于表示三者，此处对图2的剖视结构的剖面线作了隐藏处理。动部件20及浮动测量部件30上安装有待测部件。其中：

动部件20包括轴体21以及套设在轴体21上的轴套22，轴套22上安装作为待测部件之一的动环a，从而与位于浮动测量部件30上的静环间形成回转配合关系。必要时，待测部件的左右动密封也即动环a与静环的配合宜采用对称布置的方式。

浮动测量部件30包括作为核心构件的气体静压轴承31。如图3-4 所示的，气体静压轴承31的内圈通过内腔支撑32处的左支撑32a配合压环33来实现定位及紧固。左支撑32a与右支撑32b则通过法兰配合形成一体结构，并在该一体结构的内部设置作为静环的静环座b及静环套c。静环套c与所述动环a间形成如图2-3所示的回转配合关系。左支撑32a的中轴径段上设置隔热腔，实际使用时依靠隔离套34与凹槽部32c配合形成，具体参照图4所示。

对于静部件10而言，包括第一气静壳11、第二气静壳13、压盖12 及封盖14。在图3-4所示中可看出，第一气静壳11与第二气静壳13配合形成气室C，而第一气静壳11搭配压盖12形成用于容纳气体静压轴承31的外圈的容纳腔。进气通道A径向的贯穿第二气静壳13后进入气室C，再由第一气静壳11处的进气孔B进入上述容纳腔内。此处需注意，气体静压轴承31与容纳腔的各腔壁间均应当存在一定的配合间隙，参照图4所示。此外，第一气静壳11和压盖12上相应布置连通所述出气孔D的环形导流槽，环形导流槽通过封盖14轴向压紧从而形成环形导流腔E，环形导流腔E通过径向沿压盖12外侧面开设的返流通道F从而连通所述气室C，最终形成如图4所示的气路循环。为保证气路循环的可靠性和气密性，形成所述进气通道A、气室C及环形导流腔E的各部件的装配间隙处布置有起到气体防泄露功能的密封环15和/或密封垫 16。

实际测试和试验时，如图1-4所示的，首先将气体静压轴承31套入第一气静壳11的大孔径段内，然后整体装入第二气静壳13并进行固接。随后，依序安装密封垫16、封盖14及密封环15，形成静部件10，并同时形成气室C。再后，将左支撑32a套入静部件10内，并用压环33固接。将图3所示的左侧的静环座b装入左支撑32a，并将左侧的静环套c与左侧的静环座b形成配合。再后，单独进行轴套22与轴体21 的装配，并通过锁紧环23锁紧轴套22位置，再在轴体21上装配动环a。将带有动环a的轴体21装入左支撑32a的筒腔内，在装配右支撑32b 前确保各动环a与各静环的一一配合关系。此时，气体静压轴承31、作为待测部件的各个静环与动环a、相应的压环33、右支撑32b、左支撑 32a共同构成浮动测量部件30。最后，如图1所示，安装测量杆41、载荷传感器42和相应的传感器支架，构成力反馈式的外部测力结构。

当开始工作时，压缩气源通过图1-3所示的进气通道A通入可调流量的压缩空气，一定压力的压缩空气进入气室C，再通过进气孔B向气体静压轴承31供气，并由出气孔D出气和经由返流通道F返流，产生流体静压效应，形成气静悬浮，使整个浮动测量部件30在一定力下可自如回转。当外部电机带动轴体21旋转时，作为待测部件的动环a和静环在密封接触面间将会因摩擦而产生摩擦阻力。在摩擦阻力的反作用下，使浮动测量部件30产生旋转的趋势，并通过测量杆41将力传递到载荷传感器42。

具体测算时，通过读取载荷传感器42所获取的摩擦转动力F的大小，通过测量杆41的杆长获取力臂L，即可根据力矩公式：M＝F·L，获得动密封接触面摩擦转动力矩的准确数值。显然的，无论测量杆41如何伸出，是径向还是斜向，或者是轴向伸出后再弯折，最终力臂L的数值都是能准确获得的，也不会影响最终数据的准确性。

通过上述方案可知，本发明利用接触面摩擦力矩与阻力矩相平衡的物理力学原理，通过利用压缩空气，在气体静压轴承31处产生流体静压效应，形成具有一定刚度的静压气膜，使浮动测量部件30产生气静悬浮。在动密封接触面转动摩擦力的反作用驱使下，浮动测量部件30 产生旋转趋势，并利用载荷传感器42进行接触摩擦反力的测量，最终通过基本的公式计算，获得动密封接触面摩擦转动力矩的准确数值，其产生的优势主要体现在：

1)、本发明减少了外在因素对动密封接触面端面摩擦转动力矩测量的影响，提高了测量的精确程度。本发明利用压缩空气，在气体静压轴承31处产生流体静压效应，形成具有一定刚度的静压气膜，使浮动测量部件30产生气静悬浮。由于气膜的摩擦阻力非常小，可以忽略不计，因而消除了外在因素所产生的摩擦阻力矩的影响，使动密封接触面端面摩擦转动力矩测量的精确度得以大幅度提高。

2)、本发明提高了动密封接触面端面摩擦转动力矩测量的可靠度。本发明所采用的测量方法原理符合物理力学定律，所设计的测量结构采用流体力学的气体静压原理，摩擦转动力矩的力信号直接传递和读取，故而其测量方法和原理可靠，结构可靠，测量的可靠性可以得到有效的保证。

3)、本发明为实现动密封接触面端面摩擦转动力矩提供了普适性的测量方法。本发明所采用的主要结构由机械部件组成，采用的载荷传感器42为通用标准型传感器，无需定制和专业研制，测量简便，易于实现和操作。

当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (8)

1.一种动密封接触面摩擦转动力矩测量装置，包括静部件（10）以及位于静部件（10）内的可相对静部件（10）作回转动作的动部件（20），其特征在于：本装置还包括布置于动部件（20）与静部件（10）之间的可同时相对动部件（20）和静部件（10）间产生回转动作的浮动测量部件（30）；动部件（20）包括轴体（21），轴体（21）通过动环（a）与静环的配合从而回转配合于浮动测量部件（30）上；所述浮动测量部件外壁与静部件（10）之间存有可使浮动测量部件产生相对轴体（21）轴线的同轴回转配合的配合间隙，且该配合间隙内抽真空或填充有润滑液或设置气膜或形成磁悬浮间隙；本装置还包括固定在浮动测量部件（30）上的可与浮动测量部件（30）作同步转动动作的测量部，测量部的动作端与传感部的感应端间形成可约束测量部产生所述同步转动动作的单向抵靠配合；

所述浮动测量部件（30）包括气体静压轴承（31）；静环装配于内腔支撑（32）的内壁处，内腔支撑（32）的外壁与气体静压轴承（31）内圈形成固接配合，气体静压轴承（31）的外圈与静部件（10）的内壁间形成带有气膜的所述配合间隙；静部件（10）上布置进气通道（A）从而连通所述配合间隙；

所述静部件（10）包括第一气静壳（11），所述第一气静壳（11）外形呈具备二段阶梯式筒腔的套筒状，第一气静壳（11）的大孔径端布置压盖（12），从而使得第一气静壳（11）的大孔径段构成用于配合气体静压轴承（31）的外圈的容纳腔；第一气静壳（11）的大孔径段所在的外壁处凹设有环形凹槽；第一气静壳（11）的大孔径段的外壁同轴的套设有第二气静壳（13），第二气静壳（13）的筒壁与环形凹槽围合形成环形的气室（C）；径向贯穿第二气静壳（13）的进气通道（A）连通所述气室（C），气室（C）再通过径向贯穿第一气静壳（11）的进气孔（B）连通所述配合间隙。

2.根据权利要求1所述的一种动密封接触面摩擦转动力矩测量装置，其特征在于：所述测量部为沿轴体（21）径向延伸的测量杆（41），测量部的延伸端构成所述动作端；感应部为载荷传感器（42），且感应部的感应端位于测量部的延伸端的动作路径上。

3.根据权利要求1所述的一种动密封接触面摩擦转动力矩测量装置，其特征在于：所述配合间隙布置于第一气静壳（11）的孔肩与气体静压轴承（31）的外圈右端面之间、压盖（12）内侧面与气体静压轴承（31）的外圈左端面之间以及第一气静壳（11）的大孔径段孔壁与气体静压轴承（31）的外圈外壁之间，且各配合间隙彼此连通；所述第一气静壳（11）的孔肩和/或压盖（12）上轴向的贯穿布置出气孔（D），所述出气孔（D）经由返流通道（F）连通所述气室（C）。

4.根据权利要求3所述的一种动密封接触面摩擦转动力矩测量装置，其特征在于：第一气静壳（11）和压盖（12）上相应布置连通所述出气孔（D）的环形导流槽，环形导流槽通过封盖（14）轴向压紧从而形成环形导流腔（E），环形导流腔（E）通过径向沿压盖（12）外侧面开设的返流通道（F）从而连通所述气室（C）。

5.根据权利要求4所述的一种动密封接触面摩擦转动力矩测量装置，其特征在于：形成所述进气通道（A）、气室（C）及环形导流腔（E）的各部件的装配间隙处布置有起到气体防泄露功能的密封环（15）和/或密封垫（16）。

6.根据权利要求1所述的一种动密封接触面摩擦转动力矩测量装置，其特征在于：所述内腔支撑（32）包括具备三段式的阶梯状外壁的左支撑（32a），所述左支撑（32a）的大轴径端法兰配合右支撑（32b），内腔支撑（32）的筒腔形成固定静环座（b）的固定腔，静环座（b）配合静环套（c），静环套（c）再与轴体（21）上的动环（a）间形成回转配合关系；左支撑（32a）的中轴径段设置有可供气体静压轴承（31）的内圈套设和固定的定位面，并通过压环（33）实现内圈的轴向限位。

7.根据权利要求6所述的一种动密封接触面摩擦转动力矩测量装置，其特征在于：所述左支撑（32a）的中轴径段处布置有环形的凹槽部（32c），凹槽部上同轴套设轴瓦状的隔离套（34），隔离套（34）内壁与凹槽部配合形成隔热腔；所述隔离套（34）的外壁构成所述定位面。

8.根据权利要求7所述的一种动密封接触面摩擦转动力矩测量装置，其特征在于：轴体（21）上套设有轴套（22），动环（a）安装于轴套（22）外壁处，轴套（22）通过锁紧环（23）紧固配合在轴体（21）上。

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