适用于多工况的机械密封端面性能测试工装及其测试方法

本发明涉及机械密封性能检测，具体是一种适用于多工况的机械密封端面性能测试工装及其测试方法。

背景技术：

1、机械密封广泛应用于离心泵、压缩机、水力测功机等旋转流体装备，密封副端面的摩擦特性、磨损规律与泄漏性能直接决定机组运行可靠性。在机械密封新产品研发阶段，需要开展大量试验，模拟不同端面比压、介质压力、介质温度、转轴转速工况，完成密封综合性能检测。

2、现有机械密封性能测试工装普遍①采用弹簧直接顶推动环的结构形式，轴向预紧力直接作用于动环，容易造成动环受力不均；②介质流道布局单一，介质难以同时对弹簧腔与密封端面进行浸润、冲洗，实验室试验环境与装备实际的工况差异较大；③同时工装内部组件拆装流程繁琐，不方便快速更换被测密封件，难以开展多工况对比试验。

3、如公告号为cn102589821b，名为“一种机械密封性能试验装置”，采用主轴穿过密封腔壳体上的左端盖和右端盖，在密封腔壳体内左右两端的主轴上装有尺寸相同的两对被测密封环，在任何试验介质压力下无附加轴向力产生；与主轴间隙配合的长轴套上加工……推动左、右二个压簧分别压紧二个动环，保证了左右二对密封端面上所受的比压相同。即在主轴上采用分体式的承压轴套，通过载荷经轴套推动环承接弹簧的预紧力，扭矩与轴向压紧力分件传递，装配间隙、热变形差、偏心偏载会直接干扰摩擦扭矩、泄漏量检测精度；且拆装流比较繁琐，无法快速更换密封完成多工况的对比试验。

4、因此，亟须开发一种受力结构稳定、能够还原真实介质冲洗环境、适配多工况试验的机械密封端面性能测试工装。为了解决上述问题，本案由此而生。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种适用于多工况的机械密封端面性能测试工装及其测试方法，解决了上述背景技术中提出的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：适用于多工况的机械密封端面性能测试工装，包括安装有工装腔体的工装支座，所述工装腔体左右两端分别装配腔体左端盖、腔体右端盖，三者合围形成密闭介质容纳腔，所述工装腔体上横向贯穿地设置有主轴，沿所述主轴的轴向及介质的流向依次布置有静环和动环；所述主轴一体成型设有法兰凸台作为受力骨架，所述工装腔体内设有弹簧座，所述弹簧座和法兰凸台之间形成有弹簧，所述弹簧的轴向预紧力沿法兰凸台、主轴、动环的单一路径传递;所述弹簧座的周向上开设有多个轴向过流孔，其中弹簧座与腔体右端盖共同围合成环形缓冲腔，所述轴向过流孔与环形缓冲腔形成侧部介质通道；介质经环形缓冲腔后，由多个轴向过流孔周向均匀分流至弹簧腔和密封端面区域并排出，介质流道无滞留死区。

3、作为优选方案，进一步地，所述腔体左端盖上开设有介质出口，腔体右端盖上开设有介质进口，形成单向循环介质流道。

4、作为优选方案，进一步地，所述腔体左端盖和腔体右端盖上分别设有轴套，并共同形成对主轴的转动支撑，所述主轴的左端伸出腔体左端盖，伸出段用于外接外部驱动机构。

5、作为优选方案，进一步地，所述静环限位装配在腔体左端盖内侧，所述动环轴向固定装配于主轴上并随主轴同步回转。

6、作为优选方案，进一步地，所述主轴与弹簧座之间采用间隙配合。

7、作为优选方案，进一步地，所述腔体左端盖和腔体右端盖分别与工装腔体通过螺栓可拆卸连接。

8、适用于多工况的机械密封端面性能测试方法，包括如下步骤：

9、s1、装配阶段：拆卸腔体右端盖，装配静环于工装腔体、装配动环于主轴，依次装入主轴、弹簧、弹簧座后，锁紧腔体右端盖；介质进口外接外部介质供给系统，主轴的左端连接外部驱动机构；

10、s2、介质循环：介质在环形缓冲腔内缓冲，沿多组轴向过流孔周向均匀分流进入弹簧腔与动静环密封摩擦副，同时浸润弹簧和密封端面，并由腔体左端盖的介质出口排出；

11、s3、不同工况切换：通过更换不同刚度的弹簧，调整作用在主轴法兰凸台上的轴向预紧力，改变密封副端面压紧力；配合调节介质温度、压力以及主轴转速，完成不同工况条件下的机械密封端面泄漏、摩擦磨损性能的对比测试；

12、s4、采集密封端面泄漏量、摩擦扭矩、温升、磨损量参数数据并记录，对多组工况采集的数据进行滤波处理，剔除异常扰动数据，从泄漏水平、摩擦功耗、热稳定性、耐磨性能多个维度综合评估被测机械密封的综合性能。

13、其中，泄漏量采集：收集密封副端面外泄介质，采用流量计量或容积计时方式获取单位时间泄漏数据；

14、摩擦扭矩采集：由扭矩传感器实时采集主轴传递的摩擦扭矩信号，得到密封副的摩擦功耗；

15、温升采集：布置于密封副附近的温度传感器采集动环、静环区域温度，得到密封端面工作温升；

16、磨损量：试验完成后停机拆解工装，对动环、静环密封端面进行轮廓与厚度检测，获取端面磨损量；

17、采用上述技术方案后，本发明提供的适用于多工况的机械密封端面性能测试工装，与现有技术相比具有以下有益效果：

18、优化工装内部介质流通结构，模拟机械密封真实介质冲洗环境；同时降低驱动端振动向密封副的传递，实现多变量工况组合试验，提升试验结果真实性，并且方便被测密封件拆装更换，具体如下：

19、1、主轴一体化法兰凸台耦合传力结构带来的技术优势

20、本发明设置弹簧作用在主轴一体车削成型法兰凸台，预紧力传递路径为弹簧→法兰凸台→主轴→动环，其中弹簧直接抵靠主轴一体式法兰凸台，轴向预紧力依托主轴整体同步传递至动环，旋转扭矩与弹簧压紧载荷共用主轴单一基准基体,完全消除分体零件之间的装配间隙，杜绝高速运转下动环局部偏心偏磨，显著降低摩擦扭矩、泄漏量测试误差。其次，主轴与法兰凸台为同材质一体结构，升温时同步发生热膨胀，无相对位移，高温长周期耐久试验过程中弹簧压缩量、密封端面比压无漂移，试验数据稳定性强。

21、2、弹簧座周向均布轴向过流孔侧部介质通道带来的技术优势

22、区别于常规工业密封单侧开孔的间断冲洗结构，本发明在弹簧座上周向均匀布置轴向过流孔，介质经腔体右端盖介质进口进入环形缓冲腔后，沿周向对称分流进入弹簧腔；流体径向作用力360°相互抵消，不会对主轴产生单侧径向推力，避免主轴微偏移造成密封端面压力分布不均，从流场维度消除测试干扰。

23、其次，介质可同步冲刷弹簧间隙与动静环密封摩擦副，实时带走磨损颗粒、介质结晶，全程避免弹簧卡滞失效。介质沿右进左出单向贯穿腔体，全域同步换热，无介质滞留死区，真实还原工业设备介质持续全域冲洗的服役环境，缩小实验室工况与现场实际工况的差异。

24、3、主轴一体法兰凸台与周向对称介质流道的协同增效作用。

25、①空间布局协同：一体主轴取消外置分体承压轴套，释放腔体右侧完整环形空腔，为环形缓冲腔、周向均布过流孔的侧部介质通道提供充足布置空间，两种结构在腔体内部空间上相互适配，若采用分体轴套结构则无法实现360°全域对称流道布局。

26、②偏心抑制协同：一体主轴无装配间隙，自身具备高同轴度；周向对称流道抵消单侧流体冲击力，二者从零件结构、介质流场两个源头同步抑制主轴径向偏移，双重保障密封端面全周均匀贴合，极大降低多组平行试验的数据离散度。

27、③温度稳定协同：一体主轴与法兰凸台同质同步热变形，避免载荷随温度漂移；对称分流介质全域均匀换热，消除腔体局部高温区域；两类结构配合同时解决零件热形变、腔体温场不均两类干扰因素，长周期试验下端面预紧力恒定。

28、④试验适配协同：一体主轴简化密封、弹簧拆装流程，周向对称流道精准复刻工业介质环境，二者结合可快速完成“不同弹簧刚度、不同介质温压”正交多工况对比测试，兼顾试验操作效率与数据横向可比性。

29、4、多工况通用适配优势

30、通过更换不同刚度弹簧即可灵活调节密封端面压紧力，配合外部驱动调速、介质压力温度调节，可实现转速、端面载荷、介质条件多变量组合试验；工装腔体两端采用可拆卸端盖结构（仅拆卸腔体右端盖即可快速完成弹簧、动静环组件的更换），腔体内部预留充足传感器安装空间，可集成温度、压力、扭矩、泄漏采集组件；工装整体形成密闭介质循环腔体，介质不易外泄，适配清水、润滑油等多种液态介质测试场景，通用性较强。