CN113340588A - 一种压强作用下密封圈动摩擦力的测量装置 - Google Patents

Abstract

一种压强作用下密封圈动摩擦力的测量装置，包括工作台、支撑架、压力腔体、进气转接件、阀杆、堵盖、法兰端盖、第一被测密封、第二被测密封、挡环、转接杆、拉压力传感器、定向支撑台、双头螺柱、直线步进电机、支架，通过直线运动机构产生直线往复运动，改变压力腔体结构内压强，研究密封圈在该工作环境范围内的动摩擦特性，弥补精密气体控制阀摩擦特性实验研究的不足。

Description

一种压强作用下密封圈动摩擦力的测量装置

技术领域

本发明涉及一种压强作用下密封圈动摩擦力的测量装置，属于机械密封技术领域。

背景技术

机械密封是气体阀门的核心部件，常用的密封件为弹性非金属材料，其摩擦力存在明显的非线性特征。在对气体流量随控或流量控制精度要求较高的阀门控制中，阀杆受到的摩擦负载是控制回路必须要考虑的因素，直接影响到阀门定位控制动作性能。气体阀门中运动的阀杆受到气体的气动压力、摩擦力及驱动力，密封圈在单侧气体压力的作用下，往复运动过程中其受到的力作用状态并不相同，导致阀杆在往复运动过程中受到的摩擦力差异较大。密封圈的最大静摩擦力既启动摩擦力较大，有研究表明是滑动摩擦力的3～4倍；同时在运动转向阶段摩擦滞后现象明显，密封圈的弹性摩擦有明显的阶段性特征。动密封结构摩擦特性的研究可以在很大程度上明确阀门的非线性摩擦负载阶段性特征，为阀门控制提供重要参考。

国内外关于运动机构及其动密封结构的摩擦现象已有大量研究，但多数应用环境并不适用于气体阀门高压和高速的实际工作环境，随气体压强、阀杆运动速度的变化，密封结构的摩擦特性也发生改变，密封结构的摩擦力特性试验数据缺乏，相关的理论和工程经验仅有参考价值，因此，研究在不同压强作用下，高速运动的阀杆密封结构动摩擦特性可以提供阀杆轴向较精确的力-位移特性，为建立更准确的摩擦模型提供试验数据，为精密气体控制阀获得更准确的控制性能提供参考与基础数据。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，密封结构的摩擦力特性试验数据匮乏的问题，提出了一种压强作用下密封圈动摩擦力的测量装置。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种压强作用下密封圈动摩擦力的测量装置，包括工作台、支撑架、压力腔体、进气转接件、阀杆、堵盖、法兰端盖、第一被测密封、第二被测密封、挡环、转接杆、拉压力传感器、定向支撑台、双头螺柱、直线步进电机、支架，支撑架设置于工作台上，支架设置于工作台一端，并通过双头螺柱穿过支撑架的通孔进行固定，所述直线步进电机通过定向支撑架安装固定于支架上，定向支撑架一端与支架固定连接，另一端与支撑架固定连接，转接杆通过螺纹配合安装于拉压力传感器上，阀杆通过螺纹配合安装于转接杆上，转接杆一端通过拉压力传感器与直线步进电机连接，另一端通过螺纹与阀杆连接，所述法兰端盖通过第二被测密封与阀杆相连，所述堵盖通过第一被测密封与阀杆连接，挡环安装于堵盖上，挡环两侧分别与第一被测密封、第二被测密封连接，阀杆依次穿过堵盖、第一被测密封、挡环、第二被测密封及法兰端盖与转接杆相连，压力腔体通过螺栓与法兰端盖、定向支撑架连接紧固，堵盖设置于气缸、法兰端盖间，堵盖与法兰端盖间设置有密封圈以防止高压气体进入挡环，法兰端盖与压力腔体间通过密封圈密封，进气转接件通过螺纹配合安装于压力腔体上。

所述步进电机、拉压力传感器、转接杆、阀杆构成直线运动机构；所述进气转接件、压力腔体、堵盖、挡环、法兰端盖、第一被测密封、第二被测密封、阀杆构成高压腔体结构，拉压力传感器用于测量密封圈的轴向摩擦力、阀杆所受气体压力的合力，所述拉压力传感器、直线步进电机与外部控制系统构成测试机构。

所述直线运动机构进行直线往复运动，通过测试机构测量高压腔体结构内，阀杆在不同运动速度下第一被测密封、第二被测密封的动摩擦力特性。

所述进气转接件通过紫铜垫进行密封。

所述第一被测密封、第二被测密封直径相同，且同向安装。

所述定向支撑架两端平行端面间设置有三根平行支柱进行固定，并用于固定、支撑直线步进电机、法兰端盖、压力腔体，保证阀杆、转接杆、拉压力传感器、直线步进电机轴线位于同一水平线。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种压强作用下密封圈动摩擦力的测量装置，采用的直线运动机构能够产生直线往复运动，运动速度小，采用的压力腔体结构能够产生小于等于20MPa的压强，以期研究密封圈在该工作环境范围内，接近实际气体阀门工作状态的动摩擦特性，弥补精密气体控制阀摩擦特性实验研究的不足；能够研究在不同气体压力，不同阀杆运动速度共同作用下，密封圈往复运动动摩擦力的变化规律；

(2)本发明采用的压力腔体容积足够大，能够保证阀杆运动不会引起腔体内压强的变化，同时采用直线步进电机能带动阀杆产生轴向往复运动，着重研究不同压强作用下，不同阀杆运动速度时密封圈的动摩擦力特性。

附图说明

图1为发明提供的压强作用下密封圈动摩擦力的测量装置示意图；

具体实施方式

一种压强作用下密封圈动摩擦力的测量装置，研究密封圈在该工作环境范围内，接近实际气体阀门工作状态的动摩擦特性，弥补精密气体控制阀摩擦特性实验研究的不足，并能够研究在不同气体压力，不同阀杆运动速度共同作用下，密封圈往复运动动摩擦力的变化规律。

装置的具体结构包括工作台1、支撑架2、密封圈3、密封圈4、压力腔体5、进气转接件7、阀杆8、堵盖9、法兰端盖10、第一被测密封11、第二被测密封13、挡环12、转接杆14、拉压力传感器15、定向支撑架16、双头螺柱17、直线步进电机18、支架19，其中：

支撑架设置于工作台上，支架设置于工作台一端，并通过双头螺柱穿过支撑架的通孔进行固定，所述直线步进电机通过定向支撑架安装固定于支架上，定向支撑架一端与支架固定连接，另一端与支撑架固定连接，转接杆通过螺纹配合安装于拉压力传感器上，阀杆通过螺纹配合安装于转接杆上，转接杆一端通过拉压力传感器与直线步进电机连接，另一端通过螺纹与阀杆连接，所述法兰端盖通过第二被测密封与阀杆相连，所述堵盖通过第一被测密封与阀杆连接；

挡环安装于堵盖上，挡环两侧分别与第一被测密封、第二被测密封连接，阀杆依次穿过堵盖、第一被测密封、挡环、第二被测密封及法兰端盖与转接杆相连，压力腔体通过螺栓与法兰端盖、定向支撑架连接紧固，堵盖设置于气缸、法兰端盖间，堵盖与法兰端盖间设置有密封圈以防止高压气体进入挡环，法兰端盖与压力腔体间通过密封圈密封，进气转接件通过螺纹配合安装于压力腔体上。

具体的，步进电机、拉压力传感器、转接杆、阀杆构成直线运动机构，进气转接件、压力腔体、堵盖、挡环、法兰端盖、第一被测密封、第二被测密封、阀杆构成高压腔体结构，拉压力传感器用于测量密封圈的轴向摩擦力、阀杆所受气体压力的合力，拉压力传感器、直线步进电机与外部控制系统构成测试机构，直线运动机构进行直线往复运动，通过测试机构测量高压腔体结构内，阀杆在不同运动速度下第一被测密封、第二被测密封的动摩擦力特性。

其中，进气转接件通过紫铜垫进行密封，第一被测密封、第二被测密封直径相同，且同向安装，定向支撑架两端平行端面间设置有三根平行支柱进行固定，并用于固定、支撑直线步进电机、法兰端盖、压力腔体，保证阀杆、转接杆、拉压力传感器、直线步进电机轴线位于同一水平线。

下面结合具体实施例进行进一步说明：

在本实施例中，如图1所示，测量压强作用下密封圈动摩擦力的装置中，安装于工作台1上的支架19，通过双头螺柱17穿过支架19上的通孔，依次安装固定在支架19上的定向支撑架16与直线步进电机18，通过螺纹配合安装在直线步进电机18上的拉压力传感器15，螺纹配合安装在拉压力传感器15上的转接杆14，螺纹配合安装在转接杆14上的阀杆8，转接杆14一端通过拉压力传感器15与直线步进电机18连接，另一端通过螺纹与阀杆8连接，所述步进电机18，拉压力传感器15，转接杆14和阀杆8构成了直线运动机构；定向支撑架16在两个平行的端面之间设有与端面垂直的三根平行支柱，定向支撑架16用于固定并支撑直线步进电机18，法兰端盖10及压力腔体5的同时，起到确保阀杆8、转接杆4、拉压力传感器15和直线步进电机18的轴线在在同一水直线上。还包括通过螺栓螺母安装在定向支撑架16与工作台1上的支撑架2，通过第二被测密封13与阀杆8连接的法兰端盖10，通过第一被测密封11与阀杆8连接的堵盖9，安装在堵盖9上的挡环12，挡环12两侧分别与第一被测密封11与第二被测密封13相连接，阀杆8依次穿过堵盖堵盖9，通过第一被测密封11、挡环12、第二被测密封13和法兰端盖10与转接杆14连接，通过螺栓螺母与法兰端盖10，定向支撑架16连接紧固的压力腔体5，堵盖9安装于气缸5与法兰端盖10之间，堵盖9与法兰端盖10之间设有密封圈4，用以防止高压气体进入挡环12，法兰端盖10与压力腔体5之间通过密封圈3进行密封，螺纹配合安装在压力腔体5上的进气转接件7，通过紫铜垫6密封，上述进气转接件7，压力腔体5，堵盖9，挡环12，法兰端盖10，密封结构，阀杆8，第一被测密封11与第二被测密封13构成了压力腔体结构；拉压力传感器15用于测量密封圈的轴向摩擦力及阀杆所受气体压力的合力，拉压力传感器15，直线步进电机18及外部控制系统构成测试机构。

本发明的工作原理为：

高压气源通过进气转接件给压力腔填充一定压强的气体，待腔内气体压强稳定后进行试验；

阀杆通过转接件、拉压传感器与直线步进电机相连，传感器数据经信号放大器后由时基测试仪处理并存储。当步进电机带动阀杆做匀速往复直线运动时，步进电机的驱动力应当等于阀杆所受气动力与摩擦力的合力，而步进电机的驱动力可由拉压传感器实时获得。

拉压力传感器的输出端连接有信号放大器，进行试验时，在阀杆开始运动前开启信号放大器并调零，信号放大器将此时刻的拉压传感器受力情况作为零点，故当存在轴向气动载荷时，信号放大器将以气动载荷的大小作为零点，采集卡采集到的实时数据即为阀杆密封动摩擦力的大小。

装置采用的直线运动机构能够产生直线往复运动，运动速度小于等于60mm/s，采用的压力腔体结构能够产生小于等于20MPa的压强，以期研究密封圈在该工作环境范围内，接近实际气体阀门工作状态的动摩擦特性，弥补精密气体控制阀摩擦特性实验研究的不足；能够研究在不同气体压力，不同阀杆运动速度共同作用下，密封圈往复运动动摩擦力的变化规律。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种压强作用下密封圈动摩擦力的测量装置，其特征在于：包括工作台、支撑架、压力腔体、进气转接件、阀杆、堵盖、法兰端盖、第一被测密封、第二被测密封、挡环、转接杆、拉压力传感器、定向支撑台、双头螺柱、直线步进电机、支架，支撑架设置于工作台上，支架设置于工作台一端，并通过双头螺柱穿过支撑架的通孔进行固定，所述直线步进电机通过定向支撑架安装固定于支架上，定向支撑架一端与支架固定连接，另一端与支撑架固定连接，转接杆通过螺纹配合安装于拉压力传感器上，阀杆通过螺纹配合安装于转接杆上，转接杆一端通过拉压力传感器与直线步进电机连接，另一端通过螺纹与阀杆连接，所述法兰端盖通过第二被测密封与阀杆相连，所述堵盖通过第一被测密封与阀杆连接，挡环安装于堵盖上，挡环两侧分别与第一被测密封、第二被测密封连接，阀杆依次穿过堵盖、第一被测密封、挡环、第二被测密封及法兰端盖与转接杆相连，压力腔体通过螺栓与法兰端盖、定向支撑架连接紧固，堵盖设置于气缸、法兰端盖间，堵盖与法兰端盖间设置有密封圈以防止高压气体进入挡环，法兰端盖与压力腔体间通过密封圈密封，进气转接件通过螺纹配合安装于压力腔体上。

2.根据权利要求1所述的一种压强作用下密封圈动摩擦力的测量装置，其特征在于：

所述步进电机、拉压力传感器、转接杆、阀杆构成直线运动机构；所述进气转接件、压力腔体、堵盖、挡环、法兰端盖、第一被测密封、第二被测密封、阀杆构成高压腔体结构，拉压力传感器用于测量密封圈的轴向摩擦力、阀杆所受气体压力的合力，所述拉压力传感器、直线步进电机与外部控制系统构成测试机构。

3.根据权利要求1所述的一种压强作用下密封圈动摩擦力的测量装置，其特征在于：

所述直线运动机构进行直线往复运动，通过测试机构测量高压腔体结构内，阀杆在不同运动速度下第一被测密封、第二被测密封的动摩擦力特性。

4.根据权利要求1所述的一种压强作用下密封圈动摩擦力的测量装置，其特征在于：

所述进气转接件通过紫铜垫进行密封。

5.根据权利要求1所述的一种压强作用下密封圈动摩擦力的测量装置，其特征在于：

所述第一被测密封、第二被测密封直径相同，且同向安装。

6.根据权利要求1所述的一种压强作用下密封圈动摩擦力的测量装置，其特征在于：

所述定向支撑架两端平行端面间设置有三根平行支柱进行固定，并用于固定、支撑直线步进电机、法兰端盖、压力腔体，保证阀杆、转接杆、拉压力传感器、直线步进电机轴线位于同一水平线。

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