一种静环可移动的机械密封径向膜压分布测试装置

1.本技术涉及机械密封性能参数测试技术领域，尤其涉及一种静环可移动的机械密封径向膜压分布测试装置。


背景技术：

2.机械密封端面膜压是表征端面间流体膜状态的重要参数。对接触式机械密封来言，端面膜压不仅反映了密封端面摩擦状态，而且决定了端面液膜承载力的大小；而对于非接触式机械密封而言，端面膜压分布还直接决定了流体膜的承载能力和刚度。在数值模拟中，往往都是先计算出密封端面膜压分布，在此基础上进一步求解流体膜承载力、刚度和泄漏率等性能参数，而膜压分布的数值模拟结果正确性还有待试验测试的进一步验证。
3.目前传统的密封端面膜压测试方法是在静环端面适当位置处开设引压孔，通过引压管将端面流体膜压力引至压力传感器，或直接在静环背部安装微型压力传感器测量。这种测试方式具有结构简单、操作方便、测量成本低的优点。
4.在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
5.目前该方法测压时由于测压点的位置固定，其只能实现定点膜压测试，若要得到密封端面多点处的膜压数值，则需要开多个引压孔和安装多个压力传感器，这对于静环的结构要求和试验成本有较大的考验。在带压带速条件下，机械密封端面不同径向位置处任意点的膜压测试还难以实现。


技术实现要素：

6.本技术实施例的目的是提供一种静环可移动的机械密封径向膜压分布测试装置，以解决相关技术中存在的只能进行定点膜压测试的技术问题。
7.根据本技术实施例的第一方面，提供一种静环可移动的机械密封径向膜压分布测试装置，包括：
8.动环，所述动环用于在机械密封运行时形成流体膜；
9.静环组件，所述静环组件用于进行所述流体膜的膜压测试；
10.静环位移驱动组件，所述静环位移驱动组件用于驱动所述静环组件径向移动，从而使得所述静环组件进行所述流体膜的径向膜压分布测试；及
11.固定壳体组件，所述固定壳体组件用于安装所述静环位移驱动组件。
12.进一步地，所述动环安装在转轴上。
13.进一步地，所述静环组件包括：
14.静环座，所述静环座与所述静环位移驱动组件的输出端相连接；
15.静环，所述静环安装于所述静环座内，并与所述静环座相配合；及
16.压力传感器，所述压力传感器用于进行所述流体膜的膜压的测试。
17.进一步地，所述静环座的外周面上对称设置有两个平端面，所述平端面与静环移动方向平行，所述平端面通过导向块安装在所述固定壳体组件上。
18.进一步地，所述静环的端面上设有引压孔，所述静环的背面设有安装孔，所述压力传感器安装于所述安装孔内，所述引压孔与所述安装孔相连通。
19.进一步地，所述静环位移驱动组件包括：
20.调节螺钉，所述调节螺钉的一端安装在所述固定壳体组件上，所述调节螺钉的另一端抵接在所述静环组件上，用于驱动所述静环组件径向移动；
21.位移传感器，所述位移传感器用于检测所述静环组件的径向位移。
22.进一步地，所述静环位移驱动组件包括：
23.若干气压驱动顶块，所述气压驱动顶块的一端安装在所述固定壳体组件上，所述气压驱动顶块的另一端抵接在所述静环组件上，用于驱动所述静环组件径向移动；
24.位移传感器，所述位移传感器用于检测所述静环组件的径向位移。
25.进一步地，所述若干气压驱动顶块包括至少一个安装在所述静环组件上方的气压驱动顶块和至少一个安装在所述静环组件下方的气压驱动顶块。
26.进一步地，所述气压驱动顶块包括：
27.气动接头安装座，所述气动接头安装座上安装有一气动接头，所述气动接头用于向所述气动接头安装座与顶块之间的腔室输入带压气体；及
28.顶块，所述顶块的一端通过弹性件与所述气动接头相连接，所述顶块的另一端与所述静环组件相连接。
29.进一步地，所述固定壳体组件包括：
30.第一固定壳体，所述第一固定壳体用于保护所述动环；
31.第二固定壳体，所述第二固定壳体用于安装所述静环位移驱动组件；及
32.第三固定壳体，所述第三固定壳体用于安装所述静环组件。
33.本技术的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
34.由上述实施例可知，本技术通过静环位移驱动组件驱动静环组件径向移动，以实现静环端面引压孔对动环端面径向位置的全覆盖，从而使得静环组件实现带速带压条件下机械密封径向膜压分布测试，改善了现有的机械密封端面膜压测试装置只能测试固定点的密封端面膜压的不足。
35.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
36.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。
37.图1是根据一示例性实施例示出的一种静环可移动的机械密封径向膜压分布测试装置的径向剖面示意图。
38.图2是根据一示例性实施例示出的一种静环可移动的机械密封径向膜压分布测试装置的轴向剖面示意图。
39.图3是根据一示例性实施例示出的静环位移驱动组件的结构示意图。
40.图4是根据一示例性实施例示出的气压驱动顶块的结构示意图。图5是根据一示例性实施例示出的静环位于下部极限位置时一种静环可移动的机械密封径向膜压分布测试
装置的径向剖面示意图。
41.图6是根据一示例性实施例示出的静环位于下部极限位置时，通过气动调节的静环位移驱动组件示意图。
42.图7是根据一示例性实施例示出的静环位于下部极限位置时，通过调节螺钉调节的静环位移驱动组件示意图。
43.图8是根据一示例性实施例示出的静环位于上部极限位置时一种静环可移动的机械密封径向膜压分布测试装置的径向剖面示意图。
44.图9是根据一示例性实施例示出的静环位于上部极限位置时，通过气动调节的静环位移驱动组件示意图。
45.图10是根据一示例性实施例示出的静环位于上部极限位置时，通过调节螺钉调节的静环位移驱动组件示意图。
46.图中的附图标记包括：
47.1、动环；2、静环组件；21、静环；211、第一辅助密封圈；212、引压孔；213、安装孔；22、静环座；221、第二辅助密封圈；23、压力传感器；23a、上部压力传感器；23b、下部压力传感器；3、固定壳体；31、第一固定壳体；32、第二固定壳体；33、第三固定壳体；34、轴承；35、螺钉；4、静环位移驱动组件；41、第一气压驱动顶块；411、气动接头安装座；412、压缩弹簧；413、顶块；414、气动接头；415、第三辅助密封圈；42、第二气压驱动顶块；43、第三气压驱动顶块；44、第四气压驱动顶块；45、位移传感器；46、调节螺钉。
具体实施方式
48.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
49.在本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
50.应当理解，尽管在本技术可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本技术范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”。
51.图1是根据一示例性实施例示出的一种静环21可移动的机械密封径向膜压分布测试装置的径向剖面示意图，图2是根据一示例性实施例示出的一种静环21可移动的机械密封径向膜压分布测试装置的轴向剖面示意图，如图1和图2所示，该装置可以包括动环1、静环组件2、静环位移驱动组件4及固定壳体3组件，所述动环1用于在机械密封运行时形成流体膜；所述静环组件2用于进行所述流体膜的膜压测试；所述静环位移驱动组件4用于驱动所述静环组件2径向移动，从而使得所述静环组件2进行所述流体膜的径向膜压分布测试；
所述固定壳体3组件用于安装所述静环位移驱动组件4。
52.由上述实施例可知，通过静环位移驱动组件4驱动静环组件2径向移动，以实现静环21端面引压孔212对动环1端面径向位置的全覆盖，从而使得静环组件2实现带速带压条件下机械密封径向膜压分布测试，改善了现有的机械密封端面膜压测试装置只能测试固定点的密封端面膜压的不足。
53.具体地，所述动环1安装在转轴上，并随所述转轴转动。实现与静环21配合从而形成气膜，并产生膜压。
54.具体地，所述静环组件2包括静环座22、静环21及压力传感器23，所述静环座22与所述静环位移驱动组件4的输出端相连接；所述静环21安装于所述静环座22内，并与所述静环座22相配合；所述压力传感器23用于进行所述流体膜的膜压的测试。所述静环座22能帮助所述静环21更好的安装和拆卸，也能起到保护静环21的作用；所述静环座22直接与所述静环位移驱动组件4连接，起到通过对静环位移驱动组件4的移动实现静环座22的移动，从而实现静环21的移动。
55.具体地，所述静环座22的外周面上对称设置有两个平端面，所述平端面与静环21移动方向平行，所述平端面通过导向块安装在所述固定壳体3组件上。所述平端面可以实现对所述静环21的径向移动，而不会使静环21转动，进而实现在直线上的对流体膜压的测量。
56.具体地，所述静环21的端面上设有引压孔212，所述静环21的背面设有安装孔213，所述压力传感器23安装于所述安装孔213内，所述引压孔212与所述安装孔213相连通。所述安装孔213用来安装压力传感器23；所述引压孔212能够将流体膜压引至安装孔213中的压力传感器23，实现膜压的测量。
57.在具体实施中，静环21与动环1组成一对机械密封副，静环21安装于静环座22上，静环21与静环座22径向间设有第一辅助密封圈211以防止密封介质从该间隙泄漏。静环21端面设有引压孔212，静环21背面设有用于安装压力传感器23的安装孔213，引压孔212与安装孔213相连通。在一实施例中，为了提高端面膜压测试的精度，在静环21端面周向相隔180
°
的位置对称布置有两个压力传感器23。
58.在一实施例中，所述静环位移驱动组件4包括调节螺钉35及位移传感器45，所述调节螺钉35的一端安装在所述固定壳体3组件上，所述调节螺钉35的另一端抵接在所述静环组件2上，用于驱动所述静环组件2径向移动；所述位移传感器45用于检测所述静环组件2的径向位移。调节螺钉35、位移传感器45都固定于第二密封壳体上，调节螺钉35端部和位移传感器45探头都与静环座22外周面相接触，且调节螺钉35、位移传感器45轴线方向与静环座22的移动方向一致，其中调节螺钉35可用于对静环座22径向平移的调节，位移传感器45则用于测试静环座22的实际位移量。
59.在另一实施例中，如图3所示，所述静环位移驱动组件4包括若干气压驱动顶块413及位移传感器45，所述气压驱动顶块413的一端安装在所述固定壳体3组件上，所述气压驱动顶块413的另一端抵接在所述静环组件2上，用于驱动所述静环组件2径向移动；所述位移传感器45用于检测所述静环组件2的径向位移。
60.具体地，所述若干气压驱动顶块413包括至少一个安装在所述静环组件2上方的气压驱动顶块413和至少一个安装在所述静环组件2下方的气压驱动顶块413。如图4所示，以第一气压驱动顶块413为例，所述第一气压驱动顶块413包括气动接头安装座411及顶块
413，所述气动接头安装座411上安装有一气动接头414，所述气动接头414用于向所述气动接头安装座411与顶块413之间的腔室输入带压气体；所述顶块413的一端通过弹性件与所述气动接头414相连接，所述顶块413的另一端与所述静环组件2相连接。在具体实施中，所述弹性件可以为压缩弹簧412，也可以为弹性橡胶，该设置为本领域内常见的设置，此处不作赘述。
61.优选地，所述静环位移驱动组件4包括四个气压驱动顶块413，安装于第二密封壳体上部且对称布置的第一气压驱动顶块413和第二气压驱动顶块413用于控制静环座22和静环21向下移动，安装于第二密封壳体下部且对称布置的第三气压驱动顶块413和第四气压驱动顶块413用于控制静环座22和静环21向上移动，且4个气压驱动顶块413的结构完全一致。第一气压驱动顶块413包括气动接头安装座411、压缩弹簧412、顶块413、气动接头414，气动接头安装座411上安装有气动接头414，压缩弹簧412两端分别与气动接头安装座411、顶块413顶紧，顶块413与第二密封壳体径向间设有第三辅助密封圈415，气动接头安装座411与顶块413之间形成封闭压力腔，可通过调节该压力腔内气压以实现对顶块413作用在静环座22上作用力的控制；顶块413端面与静环座22外周面相接触，可以通过气动调节静环座22的位置。
62.在另一实施例中，静环位移驱动组件4上包括气压驱动顶块413和调节螺钉35。首先，在静环21驱动组件上安装有四个完全相同并且对称分布的气压驱动顶块413，对气压驱动顶块413通入气压可以调节静环21的位置。当对位于上部的气压驱动顶块413输气并使静环21位于下部极限位置时，即位移传感器45的示数不再变化，可以测得下部外径处的膜压和上部内径处的膜压；对下部的气压驱动顶块413输气时，可以使静环21向上移动，从而实现径向各点的膜压测量。其次，同理，可以通过手动调节调节螺钉35的位置实现静环21的径向移动。在当前对于移动式膜压测试平台的试验装置较少，仅靠单点测试多次膜压需要较大成本的情况下，该设计通过第二密封壳体上部和下部对称布置的多个气压驱动顶块413，调节气体压力的方式即可实现静环21的往复平移运动，且气压驱动顶块413中压缩弹簧412的设置保证了静环21径向平移过程的平稳性。另外，设计了两种气动和手动的方式调节位移，有效提高了装置的容错率。
63.参考图5、6，图5表示为当静环座22位于最下方的极限状态时一种静环21可移动的机械密封径向膜压分布测试装置的径向剖面示意图，如图5、6所示，静环21上部的引压孔212对应于动环1内径处位置，也即位于上部的位移传感器45所测为密封端面内径处压力；静环21下部的引压孔212对应于动环1外径处位置，也即位于下部的位移传感器45所测为密封端面外径处压力；位于下部的位移传感器45探头和位于上部的调节螺钉35端部始终与静环座22外周面保持接触。此时，位于上部的第一气压驱动顶块413和第二气压驱动顶块413中的压缩弹簧412压缩量最小，而位于下部的第三气压驱动顶块413和第四气压驱动顶块413中的弹簧压缩量最大。
64.如图7所示，当使用调节螺钉35来调节静环座22位于下方极限状态时，位于上部的第一气压驱动顶块413和第二气压驱动顶块413中的压缩弹簧412压缩量不变，而下部的第三气压驱动顶块413和第四气压驱动顶块413中的弹簧压缩量最大。
65.参考图8、9，图8表示为当静环座22位于最上方的极限状态时一种静环21可移动的机械密封径向膜压分布测试装置的径向剖面示意图，如图8、9所示，静环21上部的引压孔
212对应于动环1外径处位置，也即位于上部的位移传感器45所测为密封端面外径处压力；静环21下部的引压孔212对应于动环1内径处位置，也即位于下部的位移传感器45所测为密封端面内径处压力；位于下部的位移传感器45探头和位于上部的调节螺钉35端部始终与静环座22外周面保持接触。此时，位于上部的第一气压驱动顶块413和第二气压驱动顶块413中的压缩弹簧412压缩量最大，而位于下部的第三气压驱动顶块413和第四气压驱动顶块413中的弹簧压缩量最小。
66.如图10所示，当使用调节螺钉35来调节静环座22位于上方极限状态时，位于上部的第一气压驱动顶块413和第二气压驱动顶块413中的压缩弹簧412压缩量最大，而下部的第三气压驱动顶块413和第四气压驱动顶块413中的弹簧压缩量不变。
67.具体地，所述固定壳体3组件包括第一固定壳体3、第二固定壳体3及第三固定壳体3，所述第一固定壳体3用于保护所述动环1；所述第二固定壳体3用于安装所述静环位移驱动组件4；所述第三固定壳体3用于安装所述静环组件2。
68.在具体实施中，固定壳体3包括第一密封壳体、第二密封壳体、第三密封壳体，三个密封壳体之间通过螺钉35轴向紧固。静环座22与第二密封壳体之间设有第二辅助密封圈221以防止密封间隙从该间隙泄漏。第二密封壳体上与第二辅助密封圈221相接触的端面应具有较高的平面度和粗糙度要求，从而保证静环座22在径向平移过程中，第二密封壳体与第二辅助密封圈221之间具有较小的摩擦阻力。在垂直于静环21径向平移方向上，第二密封壳体内周面对称布置有2个导向块，静环座22外周面的对应位置也对称设置有2个平端面，平端面与径向移动方向平行，通过2个导向块以保证静环座22和静环21沿着特定方向移动。第三密封壳体上安装有多个万向球轴承34，静环座22背部端面由万向球轴承34支承，万向球轴承34与静环座22之间的滚动摩擦可使静环座22移动过程中具有较小的摩擦阻力。
69.本发明的工作原理是：
70.当机械密封在运行时，动环1随转轴旋转，流体介质在动环1粘性剪切作用和密封环内外径端面压差作用下进入密封间隙而形成流体膜。初始时，静环21保持静止，静环21端面上开设有引压孔212，在静环21背部端面开设有用于安装压力传感器23的安装孔213，安装孔213与引压孔212相连通，密封间隙内的带压流体进入安装孔213，其压力由压力传感器23测出，如此即可实现密封端面某特定径向位置处膜压值的测试。
71.静环21安装于静环座22内，静环21与静环座22径向间设有辅助密封圈以防止介质两者之间的间隙泄漏。当需改变测压点位置时，静环位移驱动组件4作用于静环座22外周面，并通过静环21与静环座22的紧密装配关系以带动静环21移动。本发明提供了两种调节静环21径向位移的方法，第一种是通过多个对称布置气压驱动顶块413的气压式方法，第二种通过调节螺钉35的机械式方法。为了保证静环21能沿着某一半径方向做直线运动，在静环座22垂直于移动方向的外周面上设置了两对称布置的平端面，对应地在第二密封壳体上安装了两对称布置的导向块以对静环座22移动方向进行约束。静环21端面较动环1端面更宽，从而保证静环21端面上的引压孔212在动环1内径和外径这两个极限位置时，静环21端面仍能保持对动环1端面的全覆盖。静环座22端面与第二密封壳体端面之间设有辅助密封圈以避免密封介质通过该通道泄漏。为了降低静环座22移动过程中的摩擦阻力，静环座22由固定于第三密封壳体上的多个万向球轴承34支承，通过将滑动摩擦转换为滚动摩擦以降低摩擦阻力。在第二密封壳体上还安装有位移传感器45，位移传感器45探头与静环座22外
周面相接触以测试静环座22的径向移动位移。在静环21背部中心对称位置各安装一个压力传感器23，通过对比两个压力传感器23测出的端面径向膜压分布以提高端面膜压的测试精度。
72.当采用机械式方法调控静环21径向位移时，安装于第二密封壳体上的调节螺钉35端部与静环座22外周面相接触，手动调控调节螺钉35，通过调节螺钉35的不断旋进和旋出以带动静环座22的径向移动，同时位移传感器45可测出静环座22的实际移动位移。
73.当采用气压式方法调控静环21径向位移时，安装于第二密封壳体上部且对称布置的第一和第二气压驱动顶块413用于实现静环座22的下移，安装于第二密封壳体下部且对称布置的第三和第四气压驱动顶块413用于实现静环座22的上移。当需要静环座22向下移动时，向第一和第二气压驱动顶块413中气动接头安装座411与顶块413之间的腔室内注入带压气体，顶块413在压缩弹簧412作用力和气体压力的共同作用下推动静环座22移动，通过改变该腔室内的气体压力可控制顶块413作用于静环座22外周面的作用力大小。当静环座22从上往下移动时，位于上部的第一和第二气压驱动顶块413中的压缩弹簧412压缩量逐渐减小，而位于下部的第三和第四气压驱动顶块413中的压缩弹簧412压缩量则逐渐增加，也即其弹簧作用力增加，如此使得静环座22移动过程更加平稳；反之亦然，当需要静环座22向上移动时，增加向位于下部的第三和第四气压驱动顶块413中的气体压力以推动静环座22向上移动。静环座22实际径向移动位移可通过位移传感器45测出。
74.本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本技术的其它实施方案。本技术旨在涵盖本技术的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本技术的一般性原理并包括本技术未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本技术的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
75.应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。