CN107664549B - 机械密封端面摩擦扭矩精确测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种带有类似静压空气轴承的近零摩擦轴套、能准确测量机械密封端面摩擦扭矩的机械密封端面摩擦扭矩精确测量装置。它包括开U形口的轴套、穿过U形口的传动销、力传感器；主轴穿过轴套，待测端面摩擦扭矩的机械密封穿套在轴套上，动、静环由于端面摩擦产生的扭矩，与主轴通过传动销以及主轴与轴套间的摩擦传递给轴套的扭矩相平衡；当主轴与轴套间的摩擦可忽略时，该扭矩由力传感器测得的周向力和测力点的力臂的乘积决定；在主轴上开有轴向芯孔，供气管路与芯孔相连通；主轴开有与芯孔相通的径向出气孔；通过供气管路进入芯孔内的压缩气体经径向出气孔后进入轴套与主轴之间的间隙，形成对轴套气浮支撑，减小轴套与主轴之间的摩擦力。
Description
技术领域
本技术属于测试技术领域，特别是涉及一种进行机械密封端面摩擦扭矩测量的试验装置。
背景技术
中国专利ZL201510020807.6 公开了一种基于自供电和无线数据传输的机械密封端面摩擦扭矩测量装置，其包括两端同一母线上开设有U形口的轴套、穿过U形口连接在主轴上的传动销、设置在U形开口侧壁与传动销之间的力传感器；主轴穿过轴套，待测端面摩擦扭矩的机械密封穿套在轴套上，动环连接在轴套上，静环固定在密封腔上。该测量装置利用机械密封的动、静环由于端面摩擦产生的扭矩，与主轴通过传动销以及主轴与轴套间的摩擦传递给轴套的扭矩相平衡的原理来设计的。当主轴与轴套间的摩擦可以忽略时，通过测量机械密封试验装置正常运行时传动销侧壁所受的周向力乘以相应力臂得出端面摩擦扭矩。为了减小主轴与轴套之间的摩擦力对端面摩擦扭测量的影响，该测量装置在主轴和轴套间加装了滚珠，使主轴和轴套间的摩擦由原来的滑动摩擦变成了滚动摩擦，极大地改善了测量环境；但是，滚动摩擦系数取决于相互接触物体的材料性质和表面状况，这将导致运行过程中主轴与轴套间的摩擦力大小因表面接触状态变化出现波动、而难以实现端面摩擦扭矩测量的精确测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种带有类似于静压空气轴承的近零摩擦轴套、能够准确测量机械密封端面摩擦扭矩的机械密封端面摩擦扭矩精确测量装置。
本发明所述的机械密封端面摩擦扭矩精确测量装置，包括两端同一母线上开设有U形口的轴套6、穿过U形口连接在主轴1上的传动销12、设置在U形开口侧壁与传动销之间的力传感器10；主轴穿过轴套6，待测端面摩擦扭矩的机械密封穿套在轴套上，所述的机械密封的动、静环由于端面摩擦产生的扭矩，与主轴1通过传动销12以及主轴与轴套间的摩擦传递给轴套6的扭矩相平衡；当主轴与轴套间的摩擦可以忽略时，这一扭矩由力传感器10测得的周向力和测力点的力臂的乘积决定；在主轴上开有轴向芯孔5，用于向芯孔5内通入压缩气体的供气管路13与芯孔5相连通；穿套轴套处的主轴开有与芯孔相通的径向出气孔9；通过供气管路13进入芯孔5内的压缩气体经径向出气孔9后进入轴套6与主轴1之间的间隙，形成对轴套气浮支撑，减小轴套6与主轴1之间的摩擦力。
本发明的有益效果：由于压缩气体进入轴套6与主轴1之间的间隙，在压缩空气对轴套的顶升作用下，使得轴套浮动穿套在主轴上，显著减小了轴套与主轴之间的摩擦力。这样，通过力传感器10测得的周向力与测力点力臂相乘计算得到扭矩更接近于动、静环由于端面摩擦产生的实际扭矩。
作为对上述的机械密封端面摩擦扭矩精确测量装置的进一步改进，径向出气孔9有两组，分别靠近轴套6的两端处；两组径向出气孔9以轴套6的中间横截面对称。
由于两组径向出气孔9以轴套6的中间横截面对称，使得轴套两端都与主轴之间形成气浮支撑，避免轴套的一端与主轴形成实体接触而影响测量精度。
作为对上述的机械密封端面摩擦扭矩精确测量装置的进一步改进，在轴套6与驱动主轴转动的动力装置之间的主轴上设置有供气双端面机械密封装置2，供气双端面机械密封装置2包括供气密封腔体24、两个与供气动环的两侧端面密封接触的供气静环21、两端与主轴1密封相连的供气动环22；供气密封腔体24与所述供气管路13相连通，供气动环22上开有通气孔25，在安装供气动环22处的主轴上开有与芯孔相通的径向进气孔26；压缩气体通过供气管路13进入供气密封腔体24内，再经通气孔25、径向进气孔26进入芯孔5内。
由于外部的供气管路13通过供气双端面机械密封装置2经主轴上径向进气孔26向芯孔5供气，芯孔5的轴向两端是等径的、密闭的，作用在芯孔5轴向两侧密闭端的轴向力大小相等，方向相反，避免了芯孔内的压缩气体对主轴产生不平衡轴向作用力；同时，供气双端面机械密封装置2既解决了外部静止的供气管路13与旋转的主轴1之间的连接问题，也实现了供气压力下供气双端面机械密封的两个密封面上的端面比压等值，避免了不平衡轴向力的产生，保证了轴承运行的环境。
作为对上述的机械密封端面摩擦扭矩精确测量装置的进一步改进，它还包括信号处理器、无线发射模块、无线接收模块、自供电模块，所测的周向力由信号处理器处理并经无线发射模块传输至无线接收模块；利用主轴或轴套旋转切割磁力线产生的电能通过自供电模块向信号处理器和无线发射模块供电，实现采集扭矩信号的无线数据传输。
自供电模块巧妙借助机械密封试验高速旋转的主轴，利用主轴高速旋转带动线圈绕组围绕固定于密封腔的磁铁转动，旋转的线圈绕组切割磁力线产生感应电动势而作为电源。机械密封性能试验机主轴一旦开始运转，自供电模块便开始发电，只要机械密封性能试验机不停止运转，自供电模块持续供电，解决了自供电模块对信号处理器和无线发射模块长周期供电要求，避免了干电池或锂电池供电系统出现试验过程中需要停机拆卸装置更换电池现象的发生。自供电模块、信号处理器、无线发射模块、无线接收模块等详细内容详见中国专利ZL201510020807.6，不再详细描述。
附图说明
图1是机械密封端面摩擦扭矩精确测量装置的示意图。
图2是图1中的供气双端面机械密封装置2示意图。
图3是图2的A-A剖视图。
图中，主轴1，供气双端面机械密封装置2，侧漏腔端盖3，密封腔4，端盖41，芯孔5，轴套6，端板61，U形口62，被测机械密封7（包括静环O形圈71、静环72、动环73、动环O形圈74、托环75、弹簧76、动环座77、螺母78、短销79），工作介质进口8，径向出气孔9，力传感器10，堵头11，传动销12，供气管路13，安置盒14，供气静环21，供气动环22，紧定螺钉23，供气密封腔体24，通气孔25，径向进气孔26，气体流出通道27，法兰28，O型圈29，施压弹簧30，螺孔31，磁铁101，跟随主轴旋转的线圈绕组102，整流电路103，稳压电路104。
具体实施方式
参见图1所示的机械密封端面摩擦扭矩精确测量装置，主轴1伸入轴套6内，主轴1和轴套6共同穿过两端具有端盖41的密封腔4，密封腔4上设置工作介质进口8。密封腔右端固定有侧漏腔端盖3。轴套6的右端具有端板61，用于通过螺钉与位于侧漏腔端盖内的安置盒14相连。
被测机械密封7包括静环O形圈71、静环72、动环73、动环O形圈74、托环75、弹簧76、动环座77、螺母78、短销79等。在动环座77与动环73之间依次设置有弹簧76、托环75、动环O形圈74；动环73通过动环O形圈74与轴套之间密封。托环75与动环座77在轴向滑动连接，并且被压缩的弹簧76设置在托环75与动环座77之间，动环73与动环座77在轴向滑动在周向定位相连。静环72通过设置在静环72外周上的静环O形圈71与端盖上的中心孔密封相连；静环72与动环73在轴向相对。轴套6中部有两段螺距相等、旋向相反的螺纹；两个螺母78分别与所述螺纹配合；与轴套轴线平行的短销79同时伸入在两个螺母上所开的短销孔内；两个螺母的背侧分别是两个动环座77；动环座77与轴套在轴向滑动在周向定位相连。被测机械密封7的详细结构及工作过程参见ZL201310162335.9。
轴套6伸出端盖的两端开设有中心线在同一母线上的U形口62，在对应于U形口处的主轴1上通过螺钉连接有传动销12。在与U形口侧壁对应的传动销侧壁上黏贴有力传感器10，用于检测U形口侧壁与传动销之间周向力的大小。
从主轴右端加工轴向等径芯孔5后以堵头11封闭芯孔5右端。穿套轴套处的主轴开有与芯孔相通的两组径向出气孔9；每组出气孔由多个均布在周向的出气孔组成。两组径向出气孔9，分别靠近轴套6的两端处，并以轴套6的中间横截面对称。
参见图2、3，在轴套6左端与驱动主轴转动的动力装置之间的主轴上设置有供气双端面机械密封装置2，供气双端面机械密封装置2整体上是以主轴横截面对称的结构，包括供气密封腔体24、两个供气静环21、一个供气动环22、紧定螺钉23、两个法兰28、数个O型圈29。供气动环22通过紧定螺钉23固定在主轴上，供气动环内孔的轴向两端通过O型圈29与主轴1密封相连。两个法兰28通过螺栓连接在供气密封腔体24两侧。两个供气静环21位于供气动环22的两侧，并通过O型圈29与供气密封腔体24密封接触。在两个法兰28与两个供气静环之间设置有向供气静环施加轴向力以使得供气静环与供气动环密封接触的施压弹簧30。供气密封腔体24通过螺孔31与外部供气管路13相连通。供气动环22上开有通气孔25，在安装供气动环22处的主轴上开有与芯孔相通的径向进气孔26。压缩气体通过供气管路13进入供气密封腔体24内，再经通气孔25、径向进气孔26进入芯孔5内，进入芯孔5内的压缩气体经径向出气孔9后进入轴套6两端与主轴1之间的间隙，形成对轴套气浮支撑，减小轴套6与主轴1之间的摩擦力。为了不妨碍压缩气体通过轴套右端与主轴之间的间隙向轴套外部流出，在端板61上及端板与安置盒14之间开有气体流出通道27。
轴套通过压缩气体浮动支撑在主轴上，轴套与主轴之间可以看作有一个近零摩擦的静压空气轴承，因此主轴与轴套之间的摩擦相对于端面摩擦扭矩几乎可忽略不计，从而将动、静环摩擦扭矩几乎无损失地通过轴套传递给主轴，依据机械密封动、静环由于端面摩擦产生的扭矩和主轴通过传动销传递给轴套的扭矩相平衡的原理，将黏贴在传动销上的力传感器测出的周向力与测力点的力臂相乘即可得出端面摩擦扭矩。
基于线圈切割磁力线而产生电动势的原理设计的自供电模块包括固定在测漏腔端盖5上的磁铁101、跟随主轴旋转的线圈绕组102、整流电路103和稳压电路104，线圈绕组102的主体部分伸入到磁铁101内，线圈绕组的输出端与整流电路、稳压电路相连。有关信号处理器、无线发射模块、无线接收模块、自供电模块、安置盒、力传感器的设置、连接等详细内容参见ZL201510020807.6。根据电磁感应原理，线圈绕组固定在安置盒中跟随主轴高速转动不断切割固定于测漏腔端盖上的磁铁而产生的磁场磁通量变化，产生感应电动势；产生的感应电动势，经整流和稳压处理后获得稳定的供电电压，避免了因使用普通干电池或锂电池供电电容量有限造成实验时间过短，需频繁中止实验拆卸装置更换电池，无法持续获得端面摩擦扭矩有效数据的情况。
Claims (4)
1.机械密封端面摩擦扭矩精确测量装置，包括两端同一母线上开设有U形口的轴套(6)、穿过U形口连接在主轴(1)上的传动销(12)、设置在U形开口侧壁与传动销之间的力传感器(10)；主轴穿过轴套(6)，待测端面摩擦扭矩的机械密封穿套在轴套上，所述的机械密封的动、静环由于端面摩擦产生的扭矩，与主轴(1)通过传动销(12)以及主轴与轴套间的摩擦传递给轴套(6)的扭矩相平衡；忽略主轴与轴套间的摩擦，这一扭矩由力传感器(10)测得的周向力和测力点的力臂的乘积决定；其特征是：在主轴上开有轴向芯孔(5)，用于向芯孔(5)内通入压缩气体的供气管路(13)与芯孔(5)相连通；穿套轴套处的主轴开有与芯孔相通的径向出气孔(9)；通过供气管路(13)进入芯孔(5)内的压缩气体经径向出气孔(9)后进入轴套(6)与主轴(1)之间的间隙，形成对轴套气浮支撑，减小轴套(6)与主轴(1)之间的摩擦力。
2.如权利要求1所述的机械密封端面摩擦扭矩精确测量装置，其特征是：径向出气孔(9)有两组，分别靠近轴套(6)的两端处；两组径向出气孔(9)以轴套(6)的中间横截面对称。
3.如权利要求1所述的机械密封端面摩擦扭矩精确测量装置，其特征是：在轴套(6)与驱动主轴转动的动力装置之间的主轴上设置有供气双端面机械密封装置(2)，供气双端面机械密封装置(2)包括供气密封腔体(24)、两个与供气动环的两侧端面密封接触的供气静环(21)、两端与主轴(1)密封相连的供气动环(22)；供气密封腔体(24)与所述供气管路(13)相连通，供气动环(22)上开有通气孔(25)，在安装供气动环(22)处的主轴上开有与芯孔相通的径向进气孔(26)；压缩气体通过供气管路(13)进入供气密封腔体(24)内，再经通气孔(25)、径向进气孔(26)进入芯孔(5)内。
4.如权利要求1所述的机械密封端面摩擦扭矩精确测量装置，其特征是：还包括信号处理器、无线发射模块、无线接收模块、自供电模块，所测的周向力由信号处理器处理并经无线发射模块传输至无线接收模块；利用主轴或轴套旋转产生的电能通过自供电模块向信号处理器和无线发射模块供电。
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