蔡永朋

（中冶華天南京工程技術(shù)有限公司，江蘇南京 210019）

0 引言

密封實(shí)驗(yàn)臺是進(jìn)行密封基礎(chǔ)研究和密封應(yīng)用技術(shù)研究所必需的基礎(chǔ)設(shè)備[1]。旋轉(zhuǎn)軸可控柔性密封實(shí)驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)與開發(fā)過程，應(yīng)首先根據(jù)研究方向和研究目的確定密封實(shí)驗(yàn)臺的整體結(jié)構(gòu)，然后根據(jù)旋轉(zhuǎn)密封的實(shí)際工況確定需要采集哪些參數(shù)及參數(shù)采集方法，最后細(xì)化實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)。由于柔性密封材料的性能直接關(guān)系著密封性能，一旦失效，將會造成巨大的財產(chǎn)損失、環(huán)境污染甚至威脅人身安全[2]。因此，密封材料的密封性能實(shí)驗(yàn)是非常必要的。但是常規(guī)的旋轉(zhuǎn)密封實(shí)驗(yàn)臺只能測試密封材料在某一壓縮變形下的密封性能，并不能體現(xiàn)柔性材料密封的可控性，即徑向密封比壓不可調(diào)。為此，設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)軸可控柔性密封實(shí)驗(yàn)臺。該實(shí)驗(yàn)臺采用液壓驅(qū)動和控制，能夠控制密封比壓大小，并且能夠測量壓力、轉(zhuǎn)速、扭矩、溫度等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)研究不同柔性密封材料，運(yùn)行工況變化（如旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速、旋轉(zhuǎn)軸直徑、密封腔內(nèi)壓力等發(fā)生變化）對密封件密封工作性能和工作壽命的影響，從而為旋轉(zhuǎn)軸可控柔性密封的實(shí)際應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 系統(tǒng)組成

旋轉(zhuǎn)軸可控柔性密封實(shí)驗(yàn)臺包括液壓站系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)密封實(shí)驗(yàn)裝置、控制腔內(nèi)加載系統(tǒng)、密封腔內(nèi)加載系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。液壓站系統(tǒng)主要包括恒壓變量泵、油箱、電磁溢流閥等；旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)主要包括液壓馬達(dá)、電磁換向閥等；控制腔內(nèi)加載系統(tǒng)和密封腔內(nèi)加載系統(tǒng)主要由柱塞泵、電磁溢流閥、蓄能器組、壓力傳感器、壓力表、管線等組成；數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)主要由操作臺、工控機(jī)、電器控制元件、顯示儀表、用于數(shù)據(jù)采集的相關(guān)硬件和軟件程序等組成。由數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)對其他系統(tǒng)的動作進(jìn)行控制并且采集相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)。密封實(shí)驗(yàn)臺液壓原理如圖1所示，液壓部分主要由2種流體介質(zhì)的3個子系統(tǒng)組成：一個是以液壓油為流體工作介質(zhì)，為旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)1提供動力的液壓站系統(tǒng)3；另外2個是以水為流體工作介質(zhì)，為旋轉(zhuǎn)密封實(shí)驗(yàn)裝置2的控制腔和密封腔加載的控制腔內(nèi)加載系統(tǒng)4和密封腔內(nèi)加載系統(tǒng)5。

2 旋轉(zhuǎn)密封實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

旋轉(zhuǎn)密封實(shí)驗(yàn)臺的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由旋轉(zhuǎn)馬達(dá)、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、軸承座、傳動軸、密封實(shí)驗(yàn)腔組成。將以上組件安裝在一個鋼結(jié)構(gòu)的平臺上，并做調(diào)整使各組件的回轉(zhuǎn)中心重合，保證實(shí)驗(yàn)裝置運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。旋轉(zhuǎn)馬達(dá)作為動力元件，為實(shí)驗(yàn)臺提供旋轉(zhuǎn)動力；扭矩轉(zhuǎn)速傳感器可以檢測旋轉(zhuǎn)馬達(dá)輸出扭矩和輸出轉(zhuǎn)速；軸承座對中心回轉(zhuǎn)軸起到支撐作用；傳動軸將馬達(dá)輸出的轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞給密封實(shí)驗(yàn)腔中的旋轉(zhuǎn)軸，模擬實(shí)際工況中需要密封的旋轉(zhuǎn)部件。旋轉(zhuǎn)馬達(dá)輸出軸與扭矩轉(zhuǎn)速傳感器輸入軸之間、傳感器輸出軸與中心回轉(zhuǎn)軸之間采用聯(lián)軸器方式連接傳動，中心回轉(zhuǎn)軸與傳動軸之間、傳動軸與密封腔中回轉(zhuǎn)軸之間采用法蘭方式連接。

圖1 密封實(shí)驗(yàn)臺液壓原理

圖2 旋轉(zhuǎn)密封實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)組成

密封實(shí)驗(yàn)腔是密封實(shí)驗(yàn)臺的重要組成部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示，主要由法蘭盤、端蓋、旋轉(zhuǎn)軸、擋環(huán)、隔套、密封缸體、密封擋板、密封體及缸體支座組成。密封缸體上徑向加工有3個螺紋通孔，上端的螺紋通孔為密封腔進(jìn)液口，下端的2個螺紋通孔為控制腔進(jìn)液口。密封實(shí)驗(yàn)腔中共有兩組密封結(jié)構(gòu)，分別處于密封腔體的兩端。每組密封結(jié)構(gòu)由兩塊密封擋板、一個擋環(huán)、一個柔性密封體組成。密封擋板處于柔性密封體的兩側(cè)，對柔性密封體起到限位作用，密封擋板與密封缸體接觸面之間使用O形圈密封，防止控制腔與密封腔之間、控制腔與外界發(fā)生液體泄漏；擋環(huán)處于兩塊密封擋板之間，保證2個密封擋板之間的軸向距離，防止柔性密封體在密封腔壓力作用下發(fā)生變形，影響實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果；在擋環(huán)的圓周方向均勻分布4個徑向通孔，可使控制腔帶壓水通過密封缸體上的控制腔進(jìn)液口注入到由兩個密封擋板側(cè)面、擋環(huán)內(nèi)環(huán)面、密封體外環(huán)面圍成的環(huán)形控制腔中；隔套處于兩組密封結(jié)構(gòu)的中間位置，保證兩組密封結(jié)構(gòu)具有一定的軸向距離。隔套圓周方向均勻分布4個徑向通孔，位置與缸體上密封腔進(jìn)液口相對應(yīng)，可使密封腔帶壓水通過密封缸體上的密封腔進(jìn)液口注入到由兩塊密封擋板側(cè)面、隔套內(nèi)環(huán)面、旋轉(zhuǎn)軸圍成的環(huán)形密封腔中；端蓋與密封缸體通過螺紋連接，夾緊密封實(shí)驗(yàn)腔體內(nèi)的組件，防止密封體竄動，影響密封性能。將密封實(shí)驗(yàn)腔體安裝在一對支座上，保證旋轉(zhuǎn)軸與旋轉(zhuǎn)馬達(dá)輸出軸處于同一回轉(zhuǎn)中心。

圖3 密封實(shí)驗(yàn)腔結(jié)構(gòu)

3 密封實(shí)驗(yàn)臺測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)用于對整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行集中控制，對實(shí)驗(yàn)參數(shù)及實(shí)驗(yàn)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測、記錄及圖表輸出。數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)主要的控制對象包括：電機(jī)的啟停、電磁閥換向的動作；所要采集的信號有旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的入口壓力、旋轉(zhuǎn)扭矩、旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、控制腔壓力、密封腔壓力和密封副處的溫度等。

旋轉(zhuǎn)式密封實(shí)驗(yàn)臺采用S7-200 PLC（Programmable Logic Controller，可編程邏輯控制器）作為控制器。按照密封實(shí)驗(yàn)操作流程的先后順序，PLC輸入輸出分配情況如表1所示。

實(shí)驗(yàn)中各壓力信號為（4～20）mA的電流信號，旋轉(zhuǎn)速度為脈沖信號，將以上信號轉(zhuǎn)換為與其成線性的電壓信號，送入到模擬量輸入模塊中，再將電壓信號并聯(lián)到顯示儀表上。通過工控機(jī)上運(yùn)行的數(shù)據(jù)采集軟件，根據(jù)用戶設(shè)置將采集到的信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

使用顯示儀表可以將實(shí)驗(yàn)重要參數(shù)的實(shí)時變化進(jìn)行直觀顯示，而使用采集軟件實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時采集，通過實(shí)驗(yàn)曲線直觀顯示變化趨勢，并能夠存儲實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，便于后續(xù)的實(shí)驗(yàn)總結(jié)與查詢。應(yīng)用測控系統(tǒng)使得在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的同時，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)狀態(tài)監(jiān)測、數(shù)據(jù)記錄和繪制實(shí)驗(yàn)參數(shù)曲線等功能。

4 旋轉(zhuǎn)密封實(shí)驗(yàn)臺工作原理

液壓站將壓力油注入液馬達(dá)中，驅(qū)動液馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，通過傳動軸及法蘭盤的傳遞作用，進(jìn)而使旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，通過扭矩轉(zhuǎn)速傳感器可以檢測馬達(dá)輸出扭矩和輸出轉(zhuǎn)速；由密封腔注液泵向環(huán)形密封腔內(nèi)注入帶壓水，當(dāng)水壓達(dá)到一定值時會有水從旋轉(zhuǎn)軸處的密封副間隙溢出；然后啟動控制腔注液泵向環(huán)形控制腔注入帶壓水，環(huán)形控制腔中帶壓水作用在密封體的外環(huán)面，使密封體在徑向上發(fā)生壓縮變形，可以通過改變控制腔注入水的壓力改變密封件與旋轉(zhuǎn)軸之間的作用力，控制密封比壓大小，進(jìn)而對環(huán)形密封腔中的帶壓水進(jìn)行有效密封控制。

表1 PLC控制系統(tǒng)的I/O分配

以旋轉(zhuǎn)軸可控柔性密封實(shí)驗(yàn)臺為載體可以進(jìn)行以下實(shí)驗(yàn)：在旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過改變環(huán)形密封腔注入水壓力，研究密封壓力與控制壓力之間的關(guān)系，并可以同時分析控制壓力與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系；也可以通過改變旋轉(zhuǎn)軸直徑、密封結(jié)構(gòu)等研究不同密封體材料的密封性能。

5 結(jié)束語

旋轉(zhuǎn)軸可控柔性密封的工作方式有別于傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)密封，其密封失效機(jī)理與常規(guī)的填料密封或者其他類型的柔性密封有所不同，不能用常規(guī)的密封性能測試方式反映可控柔性密封的實(shí)際工作性能。旋轉(zhuǎn)式可控柔性密封實(shí)驗(yàn)臺的研制，可以模擬多種可控柔性密封工作環(huán)境和工作狀態(tài)，能夠測試不同密封材料的密封性能并研究不同工作參數(shù)對密封性能的影響。還可以測試不同工作壓力、工作介質(zhì)、旋轉(zhuǎn)速度、溫度等復(fù)合工況作用，對材料密封壽命的影響?？煽厝嵝悦芊鈱?shí)驗(yàn)臺能夠?yàn)楝F(xiàn)有柔性密封材料的可控性研究提供實(shí)驗(yàn)平臺，同時也為新型柔性密封材料的可控性開發(fā)提供實(shí)驗(yàn)測試。