CN112796986A - 可模拟往复泵实际运行工况的缸套及活塞密封试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及活塞往复泵用缸套及活塞密封寿命检测技术领域，具体涉及一种可模拟往复泵实际运行工况的缸套及活塞密封试验装置。本发明包括第一缸套、高压导液环及第二缸套；活塞包括用于动密封配合第一缸套的第一活塞、用于动密封配合第二缸套的第二活塞以及轴向的刚性连接两者的附加活塞杆，第一活塞或第二活塞通过主活塞杆连接用于驱动活塞产生轴向往复动作的动力源；附加活塞杆直径小于第一活塞和第二活塞直径。本装置既能模拟缸套与活塞密封作往复运动时的受力和运动状态，又能保证活塞在仅受很小轴向力的作用下以远小于正常活塞的驱动功率下完成其检测，可保证测试的准确性、高效化、快速化及智能化。

Description

可模拟往复泵实际运行工况的缸套及活塞密封试验装置

技术领域

本发明涉及活塞往复泵用缸套及活塞密封寿命检测技术领域，具体涉及一种可模拟往复泵实际运行工况的缸套及活塞密封试验装置。

背景技术

由于寿命试验成本、验证方法等各种因素限制，绝大多数情况下尚无有效获得缸套及活塞密封使用寿命的方法与手段。目前，缸套及活塞密封的寿命数据多数通过现场测试法，或实物样机测试法等方法得到。

应用现场测试法全程借助于往复泵应用现场，利用泵使用现场具备的生产装置和便利条件，在流程生产用泵过程中，对泵配缸套及活塞密封的寿命及工作状态进行跟踪、记录并最终获得它们寿命测试数据。然而，流程应用现场的前提和目标是保障安全生产，缸套及活塞密封寿命测试只是附加任务。在实际生产过程中，生产工艺总是不停在变化，决定泵的运行工况(流量、压力、转速、温度、输送介质)也都在处于变化之中，导致测试过程的边界条件常偏离预设工况但又不能调整，测试结果不能客观反映特定工况的实际情况。甚至由于条件的制约，往往这种变化还缺乏有效的统计记录，分析数据时，缺乏必要的实际运行工况和运行边界条件作为变化分析基础。同时，由于受制于现场操作者专业能力、专业技术人员难以系统参与、现场生产型仪器设备精度不够等诸多因素的影响，增加了这种测试数据的不确定性。以至于很多时候，同一缸套及活塞密封在不同渠道下得到的试验数据差别很大，甚至有成倍的偏差。因此，许多通过这种方式获得的寿命数据，由于缺乏许多必要的前提支撑，仅能作为缸套实际寿命的参考，不能用来作为精细化生产和精确定量的寿命指标依据。此外，生产线意外停机检修会带来较大的经济损失。未经试验验证直接用于实际生产进行试验验证，很容易造成意外故障停机。因此多数情况下，未经试验验证的活塞—缸套往复密封是不允许直接在生产现场进行试验测试的。

实物样机测试法就是将装配有被试缸套的实物样机安装在专用试验台架系统上，在设计工况下，对泵进行连续性运转试验，测试泵配缸套的实际运行寿命。然而，实物样机测试法的劣势也极其明显：即高耗低效，对于大功率机组这种缺陷愈加明显。高耗方面，实物样机测试法需要将缸套及活塞密封装配在实物样泵中，在泵实际工况下连续运行，直至缸套损坏为止。以中等功率的315kW活塞泵为例，如果缸套寿命按时间2000h、电费率按0.75元/kW.h估算，试验电费约为：315*2000*0.75/10000＝47.25万元。以上估算仅是对1种缸套、1种工况，如果缸套需要进行多种工况的对比测试，将会产生更大的试验费用支出。此外，还有水费、庞大试验系统等建设费用，由此可见该测试方法需要巨额成本开支作为支撑。低效是指：由工程经验可知，往复泵活塞寿命一般在1～6个月左右，大泵缸套寿命相对短一点。如果大功率、原速试验，多数企业的测试能力仅能保证一台大泵试验，将导致大量的泵正常试验无法试验。因此实物样机测试法不仅试验数据获取周期长，企业也无法承担；此外，缸套生产企业也不具备稍大功率的测试条件。

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可模拟往复泵实际运行工况的缸套及活塞密封试验装置，本装置既能完全模拟缸套与活塞密封作往复运动时的受力和运动状态，又能保证活塞在仅受很小轴向力的作用下以远小于正常活塞的驱动功率下完成其检测，可保证测试的准确性、高效化、快速化及智能化。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种可模拟往复泵实际运行工况的缸套及活塞密封试验装置，其特征在于：包括沿活塞轴向依序同轴布置的第一缸套、高压导液环及第二缸套，第一缸套与第二缸套对称的布置于高压导液环两侧处，且高压导液环与相应缸套的相邻配合面形成密封配合关系；所述活塞包括用于动密封配合第一缸套的第一活塞、用于动密封配合第二缸套的第二活塞以及轴向的刚性连接两者的附加活塞杆，第一活塞或第二活塞通过主活塞杆连接用于驱动活塞产生轴向往复动作的动力源；所述高压导液环内环面处同轴凹设有环形积液槽，且环形积液槽的槽宽大于或等于活塞行程；所述环形积液槽、各缸套内壁、附加活塞杆外壁及两组活塞的相邻面之间共同围合形成可供介质暂存的容纳腔；附加活塞杆直径小于第一活塞和第二活塞直径。

本装置还包括用于监控活塞往复运动次数的冲次信号传感器和/或监控动力源转轴转速的转速信号传感器；所述冲次信号传感器和/或转速信号传感器的信号输出端连接至采集与控制模块的信号输入端。

优选的，第一活塞与第二活塞均通过密封环与相应缸套腔壁间形成轴向往复式的动密封配合。

优选的，容纳腔通过贯穿布置于高压导液环上的液流孔来连通加压泵，每组液流孔均包括一组介质进孔及一组介质出孔。

优选的，本装置还包括介质循环组件，介质经由介质进孔泵入容纳腔后再由介质出孔流出，并在加压泵的泵压下依序经过第二压力信号传感器、第二温度信号传感器、压力调节阀后进入储液罐，储液罐内的介质则经由冷却模组及第一温度信号传感器及第一压力信号传感器后流入介质进孔；各压力信号传感器及温度信号传感器的信号输出端均连接至采集与控制模块的信号输入端。

优选的，本装置还包括固定筒，固定筒的筒腔构成用于同轴装配第一缸套、高压导液环及第二缸套的装配腔；固定筒筒腔处对应液流孔而设置连通孔，以便连通所述介质循环组件；固定筒的两筒端处均螺纹固接有一组压盖，从而通过两组压盖的相向夹持动作来压紧第一缸套、高压导液环及第二缸套；压盖上轴向贯穿有可供主活塞杆穿过的避让孔。

优选的，各组液流孔环绕活塞周向依序均布于高压导液环环面处。

优选的，介质出孔与储液罐进口之间还布置有并联分支管路，并联分支管路上布置有起平衡水压作用的旁通阀。

优选的，储液罐上布置补液管，补液管上布置补液阀。

优选的，所述冷却模组为水冷换热器。

本发明的有益效果在于：

1)、由于缸套的磨损是活塞的往复运动造成的，但是正常状态下运行时，活塞承担着泵送介质的任务，因此需要与之相匹配的功率驱动其运动。本发明既能模拟活塞在缸套表面作往复运动时的受力和运动状态，又能保证活塞不受流量和轴向活塞力影响，使得驱动活塞工作的功率微小而恒定，一举多得。

与传统的缸套寿命试验方式相比，本发明可使得驱动活塞运动的功率与泵的设计流量和压力无关；也即在完全模拟活塞与缸套之间相对运动的情形下，剔除了泵性能参数的影响，使得无论多大功率的泵配套的缸套在进行寿命试验时，其试验所需驱动功率都极小，极大的节约了试验成本，为企业实现了节能降负的目标。同时，由于试验需要介质极少，对一些特殊、稀有、贵重试验介质来说也是一种极大的节约。此外，由于本发明的活塞几乎不对介质做功，因此活塞几乎不承受任何轴向力从而使得活塞的往复频次可以变得很高，也就是说在单位时间内可以让活塞的往复次数大幅增加，从而更快的完成对缸套寿命的检测，如此极大缩短了试验与测试周期，节约了大量的时间成本，也为新技术的开发提供了充分准备。

本发明已在全自动测试系统、关键参数自纠错系统的辅助下进行了缸套寿命的现场测试；实践证明，本发明具备节能高效的工作特点，可保证寿命测试的准确、可靠、快速及自动化进行，尤其适合大功率机组内的活塞泵缸套寿命测试所使用。

附图说明

图1为本发明的工作状态剖视图。

本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：

11-第一活塞 12-第二活塞 13-附加活塞杆 14-主活塞杆

20-第一缸套 30-高压导液环

31-环形积液槽 32-介质进孔 33-介质出孔

40-第二缸套 50-密封环 60-动力源

71-冲次信号传感器 72-转速信号传感器 73-采集与控制模块

74-第二压力信号传感器 75-第二温度信号传感器

76-第一温度信号传感器 77-第一压力信号传感器

81-加压泵 82-压力调节阀 83-储液罐 84-冷却模组

85-旁通阀 86-补液阀

91-固定筒 91a-连通孔 92-压盖

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：

本发明的具体实施例结构参照图1所示，检测对象为图中的缸套及相应的活塞密封结构。在图1中，本发明主要结构包括三大部分，也即活塞运动组件、介质循环组件以及采集控制组件。其中：

一、活塞运动组件

本发明的一个主要发明点是创新性的设计了活塞-缸套对称结构，并保持泵腔容积固定且无轴向力。整个机构的两端完全对称的布置缸套，也即内置第一活塞11的第一缸套20和内置第二活塞12的第二缸套40。第一缸套20和第二缸套40中间安装一组高压导液环30，通过缸套两端的压盖92将两边缸套完全固定压紧在高压导液环30上，最终形成一个轴向开放式的容腔。高压导液环30内壁中部设计一组环形积液槽31，在中部设计不少于四组对称贯穿孔，孔径应足够大，以便形成介质进孔32和介质出孔32。由于缸套和高压导液环30均位于固定筒91内，因此在固定筒91上相应位置涉及两组连通孔91a，从而确保有足够流量的介质过流以冷却活塞与缸套摩擦产生的热量。

两端对称布置的第一活塞11和第二活塞12，搭配位于中段处的用于容纳高压介质的容纳腔，且两活塞之间由附加活塞杆13刚性联接，运动一致，故容纳腔内容积始终不变。同时，同时，活塞轴向力经刚性联接的附加活塞杆13传递相互抵消。因此，容纳腔内容积固定且与活塞往复运动速度无关；驱动活塞运动的功率仅需克服缸套与活塞之间的摩擦功耗即可，可大大减少试验功耗。

各缸套、活塞及密封环50可完全按实际产品设计，确保完全符合泵实际运行情况。

活塞的驱动端采用通用的往复泵动力端形式即曲柄连杆结构，将电动机或柴油机等动力源60输出的旋转运动转换为活塞的往复运动，并通过主活塞杆14传递给第一活塞11、附加活塞杆12及第二活塞13。动力源60转速可调。

由于动力源60的驱动力只要提供克服缸套与活塞密封运动的摩擦力即可，所以动力源60的动力通常可以在一定范围内用于多种型号缸套及活塞密封的试验驱动。同时，由于驱动力小，只要适当提高驱动功率就可实现柱塞高速往复运动，可达实际运行泵速的5～10倍，能显著的提高试验效率。

二、介质循环组件

介质循环组件主要由循环管路、压力调节阀82、储液罐83、冷却模组84、加压泵81、分支管路、补液管等组成。从加压泵81至高压导液环30，再从高压导液环30至压力调节阀82输入端间的一段循环管路为高压管段，能承受试验压力。压力调节阀82为自动高压调节阀，压力能承受试验压力、具有远程自动控制功能。储液罐83的设计使得介质可以被循环使用及有序补充。而由于活塞10在运动过程中会产生大量的热能使得介质温度升高，因此需要在循环管路中接入冷却模组84，也即如图1所示的水冷换热器，对介质进行冷却，以确保介质的物态属性与实际情况相符，从而降低试验误差。

介质循环组件是本发明的通用系统，一般设计一到两组基本可以满足所有试验需要。

三、采集与控制组件

采集与控制组件是本发明的电气与自动控制部分，主要由数据采集子系统和电力拖动及自动控制子系统两部分组成。

数据采集子系统主要包括第一压力信号传感器77、第二压力信号传感器74、第一温度信号传感器76、第二温度信号传感器75、冲次信号传感器71、转速信号传感器72等多个传感器和采集与控制模块73等构成。电力拖动及自动控制子系统主要有变频调节器、电控柜、电气元件执行器等组成。

采集与控制组件是通用系统，一套系统通过简单修正某些设计参数，基本也可以满足所有试验需要。

实际工作时，通过介质循环组件的加压泵81向高压导液环30内的固定压力腔内注入寿命试验带压所用的介质，介质的压力要完全符合泵实际运行时缸套表面所受压力，压力调整通过压力调节阀82来进行，介质的温度等属性也完全参照实际情况给定。系统中介质的总量需求很少，一般以满足循环带走摩擦产生的热量即可，其注入量可由变频调节来进行加压泵81转速控制获得。在向固定压力腔也即环形积液槽31内注入介质后，通过压盖92将两组缸套及一组高压导液环30夹紧固定，夹紧力根据实际缸套所受力给定。如此，即可保证活塞10和相应缸套之间的运动完全符合实际情况。在动力源60动力的带动下，两组缸套开始在与实泵完全一致的工况下接受寿命考核。在寿命试验考核过程中，由于活塞10不需要承担在实泵中的高压流体的排出任务，仅需要克服往复运动过程中摩擦阻力即可，因此，其驱动端功率大大下降，一般为对应泵的实际功率的3％～5％。

此外，系统压力、介质温度、冲次等试验数据均可由采集与控制组件采集并控制，系统压力由第一压力信号传感器77和第二压力信号传感器74采集，并通过系统控制压力调节阀82来实现，以便将压力调整到试验需要压力。由第一压力信号传感器77和第二压力信号传感器74的平均值为试验系统的压力有效值，并且对第一压力信号传感器77和第二压力信号传感器74实时进行比较分析，当二者相差超过一定限值时，报警停车分析差值原因，解决问题后继续试验。

介质温度由第一温度信号传感器76和第二温度信号传感器75测得，第一温度信号传感器76永远小于第二温度信号传感器75。两者温度都不能高于缸套试验要求温度，当两者温度高于要求温度时，通过换热器来调节保证第一温度信号传感器76和第二温度信号传感器75的平均值满足试验介质要求温度。通过调节加压泵81流量来保证第一温度信号传感器76和第二温度信号传感器75差值满足预定需求。

本发明通过冲次信号来记录活塞10的往复次数并累计，此信号非常关键，不容出错，本发明采用同源异源双比对方法进行自校纠错：活塞10的起始位置安装如图1所示的两个同源的冲次信号传感器71，测量记录活塞10往复次数作为试验有效冲次数并自检；在与活塞10连接无减速低速旋转处安装转速信号传感器72，转速信号传感器72可转换成冲次信号，与冲次信号传感器71异源，将其记录并与冲次信号传感器71的记录进行对比，以相互校验。

动力源60采用变频驱动方式，转速可调，活塞10每单位时间内的往复次数亦随之变化。由于本发明的独特结构设计方式，使得本发明的活塞10所需要的功率及轴向力较原始活塞10大大降低，因此可以在原始活塞10寿命的转速基础上相应提高泵的转速，最大可至实际运行泵速的5～10倍，从而减少试验所需时间。甚至在必要时，可同时对两个相同的活塞-缸套结构进行相同或不同对比试验，以增加试验的透明度，降低试验的偶然性。

综上可知，本发明相对于传统的缸套寿命实验方式，存在以下优点：

1)节能减耗

本发明采用泵腔容积固定的无轴向活塞力的结构形式，在完全模拟缸套及活塞密封运动和工作状态情况下，试验所需介质极少，所需佩带驱动功率极小，极大节约试验成本，提高了缸套及活塞密封试验效率。

2)试验周期短

本发明使得活塞运动所需要的功率及轴向力大大降低，因此能大幅提高试验转速，极大缩短缸套及活塞密封试验并快速获得寿命数据，缩短试验周期，节省时间成本。

3)智能化程度高

本发明试验边界条件通过数据控制系统自动控制，试验记录自动记录、自动控制，消除了人为因素干扰，符合企业面向智能化转型需求。

4)精确度高

本发明试验系统中，关键数据(如压力、往复次数等)都采用多参数相互校验，保证试验边界始终处于设计状态，确保试验条件的一致性和试验数据的准确，提高了试验准确性。

本发明结构设计便于同时无差别多缸套—活塞试验，无差别同时获得多样本数据，便于对试验结果准确性进行进一步甄别，提高试验准确性的实际效果。

由于成本低，实现容易，更便于广泛开展针对性、多样性试验，可以针对诸多影响缸套及活塞密封寿命因素进行针对性试验，使得不同种缸套寿命数据更为精准。

5)实用性超强，便于实现推广

综上，本发明的试验系统，便于更低成本、更高效、更快速、更广泛的试验开展，便于柱缸套及活塞密封生产企业、整泵生产企业装备该系统，为缸套及活塞密封试验大规模开展带来可能，为多种缸套及活塞密封的科研带来方便，可快速、大幅提高缸套及活塞密封的可靠性，进而提高整体设备的使用寿命。

实践可知，本发明可节约90％～92％的能耗，同时能将原试验周期缩短至1/10以内，成效显著。

当然，以上为本发明的其中一种具体的实施例。实际操作时，对作为动力源60的变频电机的动力结构进行常规性替换，如将齿轮齿条机构来取代曲柄摇杆结构，使用活塞缸来取代变频电机等；以及对高压导液环30、缸套乃至活塞10的外形作适应性变化，对常用电学件作常规性的替换，甚至将本发明的方案常规性的辐射至相邻的缸体寿命测试领域等等，这类在已知本发明的技术方案的基础上所作的常规变化，均应当作为等同或相似设计而落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种可模拟往复泵实际运行工况的缸套及活塞密封试验装置，其特征在于：包括沿活塞轴向依序同轴布置的第一缸套(20)、高压导液环(30)及第二缸套(40)，第一缸套(20)与第二缸套(40)对称的布置于高压导液环(30)两侧处，且高压导液环(30)与相应缸套的相邻配合面形成密封配合关系；所述活塞包括用于动密封配合第一缸套(20)的第一活塞(11)、用于动密封配合第二缸套(40)的第二活塞(12)以及轴向的刚性连接两者的附加活塞杆(13)，第一活塞(11)或第二活塞(12)通过主活塞杆(14)连接用于驱动活塞产生轴向往复动作的动力源(60)；所述高压导液环(30)内环面处同轴凹设有环形积液槽(31)，且环形积液槽(31)的槽宽大于或等于活塞行程；所述环形积液槽(31)、各缸套内壁、附加活塞杆(13)外壁及两组活塞的相邻面之间共同围合形成可供介质暂存的容纳腔；附加活塞杆(13)直径小于第一活塞(11)和第二活塞(12)直径。

本装置还包括用于监控活塞(10)往复运动次数的冲次信号传感器(71)和/或监控动力源(60)转轴转速的转速信号传感器(72)；所述冲次信号传感器(71)和/或转速信号传感器(72)的信号输出端连接至采集与控制模块(73)的信号输入端。

2.根据权利要求1所述的一种可模拟往复泵实际运行工况的缸套及活塞密封试验装置，其特征在于：第一活塞(11)与第二活塞(12)均通过密封环(50)与相应缸套腔壁间形成轴向往复式的动密封配合。

3.根据权利要求1或2所述的一种可模拟往复泵实际运行工况的缸套及活塞密封试验装置，其特征在于：容纳腔通过贯穿布置于高压导液环(30)上的液流孔来连通加压泵(81)，每组液流孔均包括一组介质进孔(32)及一组介质出孔(33)。

4.根据权利要求3所述的一种可模拟往复泵实际运行工况的缸套及活塞密封试验装置，其特征在于：本装置还包括介质循环组件，介质经由介质进孔(32)泵入容纳腔后再由介质出孔(33)流出，并在加压泵(81)的泵压下依序经过第二压力信号传感器(74)、第二温度信号传感器(75)、压力调节阀(82)后进入储液罐(83)，储液罐(83)内的介质则经由冷却模组(84)及第一温度信号传感器(76)及第一压力信号传感器(77)后流入介质进孔(32)；各压力信号传感器及温度信号传感器的信号输出端均连接至采集与控制模块(73)的信号输入端。

5.根据权利要求4所述的一种可模拟往复泵实际运行工况的缸套及活塞密封试验装置，其特征在于：本装置还包括固定筒(91)，固定筒(91)的筒腔构成用于同轴装配第一缸套(20)、高压导液环(30)及第二缸套(40)的装配腔；固定筒(91)筒腔处对应液流孔而设置连通孔(91a)，以便连通所述介质循环组件；固定筒(91)的两筒端处均螺纹固接有一组压盖(92)，从而通过两组压盖(92)的相向夹持动作来压紧第一缸套(20)、高压导液环(30)及第二缸套(40)；压盖(92)上轴向贯穿有可供主活塞杆(14)穿过的避让孔。

6.根据权利要求4所述的一种可模拟往复泵实际运行工况的缸套及活塞密封试验装置，其特征在于：各组液流孔环绕活塞(10)周向依序均布于高压导液环(30)环面处。

7.根据权利要求4所述的一种可模拟往复泵实际运行工况的缸套及活塞密封试验装置，其特征在于：介质出孔(33)与储液罐(83)进口之间还布置有并联分支管路，并联分支管路上布置有起平衡水压作用的旁通阀(85)。

8.根据权利要求4所述的一种可模拟往复泵实际运行工况的缸套及活塞密封试验装置，其特征在于：储液罐(83)上布置补液管，补液管上布置补液阀(86)。

9.根据权利要求4所述的一种可模拟往复泵实际运行工况的缸套及活塞密封试验装置，其特征在于：所述冷却模组(84)为水冷换热器。

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