一种适用于干气密封迟滞特性测试装置及方法

1.本发明涉及一种适用于干气密封迟滞特性测试装置及方法，属于机械密封技术领域。


背景技术：

2.干气密封(干运转气体密封)是将开槽密封技术用于气体密封的一种新型的旋转机械轴端密封，属于非接触密封。干气密封作为现今旋转机械轴端密封中密封效果比较好的一种密封装置，被应用在许多场景中。
3.干气密封的工作原理是当动环旋转时，流体动压槽把外径侧的高压隔离气体泵入密封端面之间，从外径至槽径处气膜压力逐渐增加，而从槽径至内径处气膜压力逐渐下降，在端面处的膜压增加使所形成的开启力大于作用在密封环上的闭合力，会在摩擦副之间形成很薄的一层气膜，从而使密封在非接触状态下工作，所形成的气膜完全阻塞了相对低压的密封介质泄漏通道，实现了密封介质的零泄漏或零逸出。
4.在干气密封系统中，辅助密封圈作为干气密封结构重要的重要组成部分，被用来做辅助密封；密封圈不但起着实现保护主密封的性能的作用，还起着补偿密封端面的偏斜、振动和转轴的窜动等作用。由于辅助密封圈通常会选用选用氟橡胶、硅橡胶、聚合物密封圈等材料，属于超弹性体，所以密封圈的运动会表现出复杂的微动特性，密封圈在工作过程中会表现出相对静止、部分滑移、不连续滑移、完全滑移等多种状态。在干气密封系统中，密封圈的运动状态对干气密封系统的稳态性能和动力学特性具有一定的影响。但是由于密封圈的特殊的材料性能和安装位置，导致了干气密封系统中密封圈的摩擦力较难检测，因此现有技术中缺乏相应的检测装置。
5.而干气密封迟滞现象的产生原因是在干气密封系统中，干气密封系统在开始工作的过程中和停止工作的工程中，由于转轴在工作的时候会在转轴的轴向方向上会产生位移，当转轴在轴向方向上的位移比较大的时候，会明显地影响到干气密封结构中密封圈的摩擦力方向的变化和密封圈的摩擦力大小的变化，由于干气密封结构中密封圈的摩擦力方向和密封圈的摩擦力大小发生了变化导致了干气密封结构的闭合力在开始工作的过程中和停止工作的工程中不一致，从而影响干气密封结构的正常工作。因此，针对干气密封迟滞现象的研究对干气密封结构具有重要意义。
6.目前现有技术针对干气密封迟滞现象研究和测量的试验方法和手段较少，并且针对干气密封迟滞现象的发明研究比较少。


技术实现要素：

7.本发明提供了一种适用于干气密封迟滞特性测试装置及方法，以用于构建适用于干气密封迟滞特性测试的平台，并进一步采用该适用于干气密封迟滞特性测试装置可以实现适用于干气密封的迟滞特性测试。
8.本发明的技术方案是：一种适用于干气密封迟滞特性测试装置，包括动力系统1、
滑动螺旋传动结构、转轴支架6；所述滑动螺旋传动结构包括螺杆3、螺母结构4；动力系统1的输出端与螺杆3一端连接，螺母结构4安装在螺杆3上，转轴17一端与螺母结构4固定，转轴17通过转轴支架6支撑，以通过动力系统1的输出运动，带动转轴17随螺母结构4进行直线运动。
9.可选地，所述转轴17上安装干气密封结构5，在干气密封结构5中的壳体7和弹簧座8上开孔，用于安装距离传感器ⅰ13和距离传感器ⅱ21，以通过距离传感器ⅰ13测量干气密封结构5中的弹簧ⅰ14的距离变化，通过距离传感器ⅱ21测量干气密封结构5中的弹簧ⅱ20的距离变化。
10.可选地，所述转轴17远离螺母结构4的一端与安装在支架壳体23中的直线滑动轴承22配合，固定在支架壳体23上的拉压力传感器25使用弹簧ⅲ24与转轴17端部相连接。
11.可选地，所述螺母结构4呈上下布局，螺母结构4下部与螺杆3配合，螺母结构4上部安装推力圆柱滚子轴承与转轴17一端配合。
12.根本本发明实施例的另一方面，还提供了一种适用于干气密封迟滞特性测试方法，采用上述中适用于干气密封迟滞特性测试装置进行，具体包括：
13.s1、通过在干气密封结构中壳体7的进气口通入气体，使干气密封结构中的密封腔内的压强保持不变；
14.s2、动力系统1工作，驱动转轴17移动，获取转轴17的轴向移动距离s；
15.s3、通过距离传感器ⅰ13测量干气密封结构5中的弹簧ⅰ14的距离变化
△
x1，通过距离传感器ⅱ21测量干气密封结构5中的弹簧ⅱ20的距离变化
△
x2；
16.s4、根据测量弹簧的长度变化量
△
x，安装时得到的弹簧刚度ks，通过弹性胡克定律计算得到干气密封结构中的弹簧弹力的实时变化情况，分别将干气密封结构中的弹簧ⅰ14、弹簧ⅱ20弹力记作
△
fs1、
△
fs2；其中，
△
x取
△
x1、
△
x2；
17.s5、拉压力传感器25用来测量转轴17所受到的轴向力fn；
18.s6、通过得到的弹簧ⅰ14弹力
△
fs1、弹簧ⅱ20弹力
△
fs2、转轴17所受到的轴向力fn，预先测得的转轴17与直线滑动轴承22的摩擦力ff1，通过计算得到干气密封结构中的单个密封圈摩擦力ff；
19.s7、通过获得的转轴17的轴向位移s、弹簧弹力
△
fs、密封圈摩擦力ff，绘制干气密封迟滞曲线图。
20.可选地，所述转轴17所受到的轴向力fn＝
△
fs1
△
fs2 2*ff ff1。
21.可选地，所述干气密封迟滞曲线图的横轴表示轴向位移s，纵轴表示弹簧弹力
△
fs与密封圈摩擦力ff之和；其中，弹簧弹力
△
fs与密封圈摩擦力ff表示弹簧ⅰ14的弹力与密封圈ⅰ15的摩擦力，或者表示弹簧ⅱ20的弹力与密封圈ⅱ19的摩擦力。
22.本发明的有益效果是：本发明通过滑动螺旋传动结构实现了干气密封结构中转轴进行轴向位移；利用传感器之间的配合，可以得到干气密封结构中的转轴所受到的力、干气密封结构中的弹簧的实时变化量，通过计算得到干气密封中弹簧弹力的变化、干气密封结构中密封圈的摩擦力变化；再者可以利用计算机绘制出干气密封迟滞曲线图，通过干气密封迟滞曲线图可以更为准确地、方便地、直观地测量到干气密封中迟滞现象的变化情况。
附图说明
23.图1为本发明适用于干气密封迟滞特性测试装置的结构示意图；
24.图2为本发明干气密封结构的结构示意图；
25.图3为本发明拉压力传感器安装位置图；
26.图4为本发明距离传感器光路图；
27.图5为本发明实施例3迟滞曲线示意图；
28.图6为本发明实施例4迟滞曲线示意图；
29.图7为本发明实施例5迟滞曲线示意图；
30.图中各标号为：1-动力系统，2-滑动螺旋传动结构支架，3-螺杆，4-螺母结构，5-干气密封结构，6-转轴支架，7-壳体，8-弹簧座，9-静环，10-动环，11-螺钉，12-推环，13-距离传感器ⅰ，14-弹簧ⅰ，15-密封圈ⅰ，16-密封部件，17-转轴，18-套筒，19-密封圈ⅱ，20-弹簧ⅱ，21-距离传感器ⅱ，22-直线滑动轴承，23-支架壳体，24-弹簧ⅲ，25-拉压力传感器，26-距离内针孔，27-镜片。
具体实施方式
31.下面结合附图和实施例，对发明做进一步的说明，但本发明的内容并不限于所述范围。
32.实施例1：如图1-图4所示，一种适用于干气密封迟滞特性测试装置，包括动力系统1、滑动螺旋传动结构、转轴支架6；所述滑动螺旋传动结构包括螺杆3、螺母结构4；动力系统1的输出端与螺杆3一端连接，螺母结构4安装在螺杆3上，转轴17一端与螺母结构4固定，转轴17通过转轴支架6支撑，以通过动力系统1的输出运动，带动转轴17随螺母结构4进行直线运动。
33.可选地，所述转轴17上安装干气密封结构5，在干气密封结构5中的壳体7和弹簧座8上开孔，用于安装距离传感器ⅰ13和距离传感器ⅱ21，以通过距离传感器ⅰ13测量干气密封结构5中的弹簧ⅰ14的距离变化，通过距离传感器ⅱ21测量干气密封结构5中的弹簧ⅱ20的距离变化。
34.需要说明的是，所述干气密封结构为双端面干气密封结构，即面对面安装两套干气密封，经实验，采用双端面干气密封结构，转轴受力平衡、密封腔内气体压力能保持一个稳定的数值。具体地，本发明所用到的干气密封结构安装在转轴17上，其结构图，如图2所示，包括壳体7，干气密封结构5的壳体7分为两个部分，通过螺钉11连接；壳体7通过干气密封结构支架支撑固定；还包括两组弹簧座8、静环9、动环10、推环12、弹簧、密封圈、密封部件16、套筒18(其中，弹簧、密封圈即弹簧ⅰ14、密封圈ⅰ15、密封圈ⅱ19、弹簧ⅱ20)；弹簧ⅰ14和弹簧ⅱ20分别对称安装在推环12与弹簧座8之间，使用距离传感器ⅰ13、距离传感器ⅱ21测量干气密封结构5中的推环12与弹簧座8之间的距离变化，因为弹簧ⅰ14和弹簧ⅱ20的两端均分别与对应侧的推环12和弹簧座8紧贴，推环12与弹簧座8之间的距离变化与弹簧ⅰ14/弹簧ⅱ20的长度变化相等，故使用距离传感器ⅰ13测量干气密封结构5中的弹簧ⅰ14的距离变化，使用距离传感器ⅱ21测量干气密封结构5中的弹簧ⅱ20的距离变化，本发明中距离传感器ⅰ13与距离传感器ⅱ21的工作原理如图4所示，距离传感器的光线通过镜片27射到推环12，在推环表面反射到距离传感器中，通过内针孔26接收处理；根据距离传感器ⅰ13测得的
数据计算得到干气密封结构5中的弹簧ⅰ14的弹力变化，根据距离传感器ⅱ21测得的数据计算得到干气密封结构5中的弹簧ⅱ20的弹力变化。这样，上述方式设置的距离传感器ⅰ13和距离传感器ⅱ21不需要与推环12直接接触，就可以有效地用于测量干气密封结构5中的推环12与弹簧座8之间的距离变化；同时，推环移动没有阻力的影响，对弹簧变化没有影响，使得测量的结果更加精确。
35.可选地，所述转轴17远离螺母结构4的一端与安装在支架壳体23中的直线滑动轴承22配合，固定在支架壳体23上的拉压力传感器25使用弹簧ⅲ24与转轴17端部相连接。
36.可选地，所述螺母结构4呈上下布局，螺母结构4下部与螺杆3配合，螺母结构4上部安装推力圆柱滚子轴承与转轴17一端配合。
37.具体地，本发明所用到的拉压力传感器安装位置图，如图3所示，安装在转轴端面侧的转轴支架6上部的支架壳体中，拉压力传感器25一端固定在支架壳体上23中，拉压力传感器25另外一端使用弹簧ⅲ24与转轴17相连接，这样，当转轴17受力产生移动时，弹簧ⅲ24发生形变，通过弹簧ⅲ24的作用使得转轴17受到的力与拉压力传感器25受到的力相同，弹簧ⅲ24可以保证转轴可以稳定地轴向移动足够长的位移，保证拉压力传感器25准确测出转轴受到的力；即通过拉压力传感器25可以间接测得干气密封结构5中转轴17所受到力的大小。
38.可选地，所述动力系统1采用电机，具体使用时，可以将计算机与电机相连，计算机控制电机工作，电机的转子与螺杆3通过联轴器相连接，电机1的转子旋转带动螺杆3旋转，螺杆3通过滑动螺旋传动结构支架2固定，螺杆3与螺母结构4相连，利用螺杆3与螺母结构4的相对运动，将旋转运动变为直线运动；螺母结构4上方安装推力圆柱滚子轴承与转轴17配合，转轴17使用转轴支架6固定，当螺杆3旋转带动螺母结构4进行水平移动，螺母结构4的水平移动带动转轴17水平移动；在支撑固定转轴17另一侧的转轴支架中，转轴17使用直线滑动轴承22固定。其中，螺母结构呈上下布局，可以确保螺杆3、转轴在互不干涉的情况下，实现动力的传递。
39.这样，应用本实施例的技术方案，通过动力系统1提供动力，可以保证转轴稳定地进行轴向移动，具体地：一方面，螺杆3、转轴均通过支架支撑，使得受力更加均匀、稳定性更强；另一方面，采用推力圆柱滚子轴承与转轴17一端配合，而推力圆柱滚子轴承具有滚子与滚道面之间压力分布均匀，可以承受单向轴向负荷，轴向负荷能力大，轴向刚性强，可以保证干气密封转轴可以稳定地进行轴向移动；再者，转轴17另一端使用直线滑动轴承22固定，直线滑动轴承工作时会产生动摩擦阻力，动摩擦阻力极其小，直线滑动轴承的摩擦系数稳定，具备长期保持精度不变的特点，从而可以进一步保证干气密封转轴可以稳定地进行轴向移动。
40.实施例2：一种适用于干气密封迟滞特性测试方法，其特征在于：采用上述所述的适用于干气密封迟滞特性测试装置进行，具体包括：
41.s1、通过在干气密封结构中壳体7的进气口通入气体，使干气密封结构中的密封腔内的压强保持不变；
42.s2、动力系统1工作，驱动转轴17移动，获取转轴17的轴向移动距离s；
43.s3、通过距离传感器ⅰ13测量干气密封结构5中的弹簧ⅰ14的距离变化
△
x1，通过距离传感器ⅱ21测量干气密封结构5中的弹簧ⅱ20的距离变化
△
x2；
44.s4、根据测量弹簧的长度变化量
△
x，安装时得到的弹簧刚度ks，通过弹性胡克定律计算得到干气密封结构中的弹簧弹力的实时变化情况(即
△
fs＝ks*|
△
x|)，分别将干气密封结构中的弹簧ⅰ14、弹簧ⅱ20弹力记作
△
fs1、
△
fs2；其中，
△
x取
△
x1、
△
x2；即通过如下公式，当代入
△
x1获得
△
fs1，当代入
△
x2则获得
△
fs2；
45.s5、拉压力传感器25用来测量转轴17所受到的轴向力fn；
46.s6、通过得到的弹簧ⅰ14弹力
△
fs1、弹簧ⅱ20弹力
△
fs2、转轴17所受到的轴向力fn，预先测得的转轴17与直线滑动轴承22的摩擦力ff1，通过计算得到干气密封结构中的单个密封圈摩擦力ff；
47.s7、通过获得的转轴17的轴向位移s、弹簧弹力
△
fs、密封圈摩擦力ff，使用计算机绘制干气密封迟滞曲线图。
48.可选地，所述转轴17所受到的轴向力fn＝
△
fs1
△
fs2 2*ff ff1
49.可选地，所述绘制干气密封迟滞曲线图的横轴表示轴向位移s，纵轴表示弹簧弹力
△
fs与密封圈摩擦力ff之和；其中，弹簧弹力
△
fs、密封圈摩擦力ff表示弹簧ⅰ14的弹力、密封圈ⅰ15的摩擦力，或者表示弹簧ⅱ20的弹力、密封圈ⅱ19的摩擦力。
50.在具体实施过程中，可以将动力系统1与计算机相连接，通过计算机控制动力系统的工作，计算机控制输出脉冲控制信号，经过驱动电路放大，使得动力系统按所需的方向和速度工作，获得螺母结构的直线移动距离；而动力系统1的转子与螺杆3相连，通过滑动螺旋传动结构中的螺杆3运动带动安装在螺杆3上的螺母结构4进行水平移动；将转轴与螺母结构4上方安装推力圆柱滚子轴承连接，实现转轴随螺母结构4进行水平移动，进而获得动力系统控制转轴的轴向移动距离s。另外，滑动螺旋传动结构，螺母形式选用整体式，螺纹形式选用梯形螺纹，螺母材料为铸铁，螺杆材料为45号钢，螺纹线数为1；转轴17材料选用45号钢，密度7.85g/cm^3，体积看成圆柱体，半径4.5cm，高40cm，计算结果约为19.98kg；直线滑动轴承22摩擦系数为0.005～0.015，具体实例中选0.01；密封圈材料选用氟橡胶材料。
51.干气密封结构5在工作时干气密封结构5中密封圈ⅰ15、密封圈ⅱ19受到壳体7上进气口进来的气体的压力和推环12、静环9的挤压产生变形，而双端面干气密封结构可以平衡气体的压力，使密封腔内气体压力保持一个稳定的数值。当动力系统提供动力时，推环12随着转轴17的移动而移动，会与弹簧座8之间产生摩擦力，由于密封圈ⅰ15、密封圈ⅱ19属于超弹性体，变形难以预测，且计算比较复杂，通过力平衡方法进行计算，使用干气密封结构5中的弹簧ⅰ14的弹力变化、干气密封结构5中的弹簧ⅱ20的弹力变化和拉压力传感器25测量干气密封结构5中的转轴17的受力变化，安装前得到的直线滑动轴承22的摩擦力，通过力平衡原理来计算密封圈ⅰ15和密封圈ⅱ19的摩擦力，由于干气密封结构5中的密封圈ⅰ15和密封圈ⅱ19的材料和规格相同，密封圈ⅰ15和密封圈ⅱ19的工作条件基本相同，可以计算得到干气密封结构5中单个密封圈的摩擦力；
52.本发明迟滞曲线图绘制方法通过干气密封结构5中的转轴17的位移、干气密封结构5中的弹簧ⅱ20的弹力变化和干气密封结构5中的密封圈ⅱ19的摩擦力变化绘制干气密封迟滞曲线；在迟滞曲线图中，横坐标使用干气密封结构5中的转轴17的位移量表示，纵坐标使用干气密封结构5中的弹簧ⅱ20的弹力和干气密封结构5中的密封圈ⅱ19的摩擦力的和表示。
53.下面对适用于干气密封迟滞特性测试方法可选的实施方式进行详细说明。
54.实施例3：
55.(1)通过在干气密封结构中壳体的进气口通入气体，使干气密封结构中的密封腔内的压强保持在2mpa；
56.(2)将动力系统与计算机相连接，通过计算机控制动力系统的工作，计算机控制输出脉冲控制信号，经过驱动电路放大，使得动力系统按所需的方向和速度工作，使用动力系统控制转轴的轴向移动距离，控制干气密封结构中的转轴的轴向移动1mm；
57.(3)将动力系统的转子与滑动螺旋传动结构的螺杆相连，通过动力系统的转子旋转带动滑动螺旋传动结构中的螺杆运动，通过滑动螺旋传动结构中的螺杆运动带动滑动螺旋传动结构中的螺母结构进行水平移动，使螺母结构进行水平移动1mm；
58.(4)通过在螺母结构上方安装推力圆柱滚子轴承，将螺母结构上方安装的推力圆柱滚子轴承与干气密封结构的转轴相连，得到干气密封结构中的转轴的轴向位移s为1mm；
59.(5)通过在干气密封结构中的弹簧座上分别安装距离非接触式位移传感器，选用高精度激光测距传感器，此高精度激光测距传感器用来测量干气密封结构中弹簧长度的变化量，分别得到干气密封结构中弹簧长度的变化量
△
x1为-1mm、
△
x2为1mm；
60.(6)根据测量弹簧的长度变化量
△
x，并与安装时的压缩长度相比较，安装时得到的弹簧刚度ks为63.36n/mm，通过弹性胡克定律计算得到干气密封结构中的弹簧弹力的实时变化情况，分别得到干气密封结构中的弹簧弹力
△
fs1最大变化量为63.36n、
△
fs2最大变化量为63.36n；
61.(7)通过在转轴的另一端安装支架，在支架内安装直线滑动轴承，此支架用来保护转轴进行移动，并在转轴一侧的支架支架中安装拉压力传感器，此拉压力传感器用来测量转轴所受到的轴向力，测量得到干气密封系统中转轴所受到的轴向力fn约为357.067n，预计实际最大值约为360n；
62.(8)干气密封结构的转轴使用直线滑动轴承保证转轴可以稳定地轴向移动，直线滑动轴承在工作中会产生很小的摩擦力，在安装前测得直线滑动轴承的动摩擦力ff1；
63.(9)通过得到的干气密封系统中的弹簧弹力
△
fs1、得到的干气密封系统中的弹簧弹力
△
fs2、得到的干气密封系统中的转轴所受到的轴向力fn，安装前计算得到的直线滑动轴承的摩擦力ff1为1.958n；通过计算得到干气密封系统中的密封圈摩擦力ff约为114.1946n，预计干气密封系统中的单个密封圈摩擦力ff实际最大值约为115n；
64.(10)通过得计算机控制得到的转轴的轴向位移s、计算得到的干气密封结构中的弹簧ⅱ20的弹力变化
△
fs2、计算得到的干气密封结构中的密封圈ⅱ19的摩擦力ff，使用计算机绘制干气密封迟滞曲线图，在干气密封迟滞曲线图中，横轴使用干气密封结构中的转轴轴向位移s表示，纵轴使用干气密封结构中的密封圈ⅱ19摩擦力ff与干气密封结构中的弹簧ⅱ20弹力
△
fs2之和表示。
65.图5为本实施例得到的干气密封迟滞曲线示意图。
66.实施例4：与实施例3基本相同，其不同之处在于：控制干气密封结构中的转轴的轴向移动2mm；干气密封结构中弹簧长度的变化量
△
x1为-2mm、
△
x2为2mm；得到干气密封结构中的弹簧弹力
△
fs1最大变化量为126.72n、
△
fs2最大变化量为126.72n；测量得到干气密封系统中转轴所受到的轴向力fn约为483.7873n，预计实际最大值约为485n；安装前测得到的直线滑动轴承的摩擦力ff1为1.958n；通过计算得到干气密封系统中的密封圈摩擦力ff
约为114.1946n，预计干气密封系统中的单个密封圈摩擦力ff实际最大值约为115n；图6为本实施例得到的干气密封迟滞曲线示意图。
67.实施例5：与实施例3基本相同，其不同之处在于：通过在干气密封结构中壳体的进气口通入气体，使干气密封结构中的密封腔内的压强保持在1mpa；控制干气密封结构中的转轴的轴向移动2mm；干气密封结构中弹簧长度的变化量
△
x1为-2mm、
△
x2为2mm；得到干气密封结构中的弹簧弹力
△
fs1最大变化量为126.72n、
△
fs2最大变化量为126.72n；测量得到干气密封系统中转轴所受到的轴向力fn约为390.534n，预计实际最大值约为392n；安装前测得到的直线滑动轴承的摩擦力ff1为1.958n；通过计算得到干气密封系统中的密封圈摩擦力ff约为67.568n，预计干气密封系统中的单个密封圈摩擦力ff实际最大值约为70n；图7为本实施例得到的干气密封迟滞曲线示意图。
68.本发明所绘制的迟滞曲线示意图，是表明由于密封圈摩擦力方向的影响导致了干气密封闭合力的变化(闭合力即背部压力、弹簧弹力
△
fs、密封圈摩擦力ff之和)。需要说明的是，由于干气密封静环的背部压力是不会变化的，并且静环背部压力要远大于弹簧力和摩擦力，因此为了更好地展示迟滞曲线，在绘制曲线时，通过删除背部压力来体现闭合力。
69.在理想状态下(不受密封圈摩擦力的影响)，两条线应该是重叠，但是由于受到了密封圈摩擦力的影响，所以在压缩阶段和恢复阶段，会呈现出两条曲线。由此，表明通过本发明结构可以有效地得到干气密封迟滞曲线，而干气密封迟滞曲线可以更好地观察干气密封迟滞现象。
70.上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。