申请/专利权人：沈阳工业大学

申请日：2019-01-11

公开（公告）日：2024-02-27

公开（公告）号：CN109632288B

主分类号：G01M13/005

分类号：G01M13/005

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.02.27#授权;2019.05.10#实质审查的生效;2019.04.16#公开

摘要：一种分腔施压检测密封性能的试验装置，解决了现有试验装置无法模拟橡胶密封圈在复杂工况下进行密封性能研究等问题，包括机座、组装在机座上的实验机构、换向机构、加料机构、加压机构，其技术要点是：实验机构的箱体利用外周套装密封圈的旋转活塞分隔成左、右密封腔，中心旋转轴上的旋转活塞与转矩转速传感器和液压马达连接在同一轴线上，叶轮与搅拌电机连接在同一轴线上；加料机构的左、右加料漏斗固定在左、右密封腔进料口的上方，加压机构的左、右高压接头分别与左、右密封腔连通。其结构设计合理，准确地模拟现场工况，加载均匀，调整方便，操作容易，施压范围广，完全满足在不同流体压力、不同转速、不同工作介质情况下的密封性能要求。

主权项：1.一种分腔施压检测密封性能的实验装置，包括机座、组装在机座上的实验机构、换向机构、加料机构、加压机构，动力机构，电控机构，其特征在于：所述实验机构的箱体内腔利用外周套装有密封圈的旋转活塞分隔成左、右密封腔，旋转活塞固定连接在中心旋转轴的一端，中心旋转轴的另一端利用组装在箱体右侧壁的的轴承组件支撑，并通过联轴器分别与固定在机座上的转矩转速传感器和液压马达连接在同一轴线上，液压马达控制旋转活塞的换向以及转速，转矩转速传感器读取液压马达输出的转速和扭矩；设置在左密封腔内的叶轮与箱体左侧壁支撑的传动轴一端连接，传动轴的另一端通过联轴器与搅拌电机驱动轴连接在同一轴线上；加料机构的左、右加料漏斗分别固定在箱体的左、右密封腔进料口的上方，加压机构的左、右高压接头通过高压油管分别与左、右密封腔连通；所述动力机构包括第一电机、第一液压阀块；第一电机输出端利用第一液压阀块与液压马达相连，控制液压马达的最大输出油压，进而控制液压马达的最大输出转速和扭矩；所述电控机构主要由工控机，亚当模块，采集模块，第一数字量模块，第二数字量模块、转矩转速传感器、第一压力传感器、第二压力传感器组成控制回路；电控机构的上述模块读取转矩转速传感器中的转速和转矩数值及各压力传感器测量的压强值，将实验数据显示在工控机上。

全文数据：分腔施压检测密封性能的实验装置技术领域本发明涉及一种用于测试盾构机主驱动密封性能的实验装置，特别是一种分腔施压检测密封性能的试验装置。主要是模拟主驱动的密封圈，在与旋转活塞凹槽底面和侧面以及外圈内壁形成面接触摩擦副，左右密封腔在含润滑脂、泥沙等介质以及不同流体压力的工况下，测试密封圈的密封性能的摩擦磨损试验。背景技术目前，泥水盾构机在挖掘地下或海底隧道中应用广泛。在实际使用过程中，泥水盾构机的工况比较复杂，既需要承受一定的流体压力，又需要密封住泥水等介质。传统的土压平衡盾构机用唇形密封圈来保证密封性能，但是唇形密封圈承受最大流体压力在0.8MPa，而海底隧道中流体压力一般在1.5MPa，因此，需要重新选择合理的密封圈，来保证盾构机主驱动的密封性能，现阶段应用O形密封圈和星形密封圈的实例比较多，当前实验阶段优先选择这两种密封圈。为了防止外界的渣土、泥水等腐蚀性介质的侵入，无论橡胶密封圈应用在动密封还是静密封，都必须保证合理的密封性能。橡胶密封圈不仅受到外界的渣土、泥水等腐蚀性介质中固体颗粒的挤压与剪切造成材料的流失，而且还受到液体介质本身的溶胀腐蚀，致使橡胶材料的密封性能大大降低。投入使用时，为了保证密封圈有合理的压缩率，密封圈与外轴之间初始压缩率一般选用最大值。当旋转运动一段时间后，沙粒的切削以及外轴的挤压与剪切，将使橡胶密封圈发生磨损，橡胶密封圈与外轴之间的压缩率就会减小，当压缩率减小到一定程度，受挤压产生的接触应力小于流体压力，橡胶密封圈发生密封失效。可以看出，橡胶密封圈在动密封的运动过程中，随着密封圈的磨损，压缩率会变小，压缩率选择过大，橡胶密封圈与外轴接触面积过大，又会发生过热卡死。橡胶密封圈从初始压缩率到磨损失效的问题，会直接关系到泥水盾构机的使用性能及寿命，这一直是泥水盾构机领域最为关注的问题。为了研究并提高橡胶密封圈的耐磨性能和使用寿命，必须选用合适的与实际工况相适应的摩擦磨损试验机，来对橡胶密封圈进行耐压摩擦磨损试验。目前针对盾构橡胶密封技术，国内先进技术能达到1.7MPa，国外先进技术却能达到4.4MPa。满足上述要求的实验装置正常工作水压应达0~3MPa，要求可以良好地模拟高水压环境。当橡胶密封圈受到流体压力作用时，不仅仅在接触面上发生形变和接触应力，还将在接触面上产生附加应力，即高水压在橡胶密封圈与上下接触面产生的接触应力大于液体压力时，亦应满足密封性能。如专利公告号为CN105158100B的“磨损间隙调整式环块摩擦磨损试验机”，记载的是一种橡胶试块与金属试环配副在含固体颗粒的液体介质中进行摩擦学性能研究的磨损间隙调整式环块摩擦磨损试验机。其公开的技术方案：包括机座，固定在机座上的动力与传动机构和设置有加载机构、试验机构的料箱，以及测量控制回路，动力与传动机构包括通过联轴器连接在同一轴心线上的组装在主轴箱中的主轴、固定有转矩转速传感器的传动轴和伺服电机的输出轴，试验机构采用由试环和橡胶试块构成的线接触摩擦副。其主要解决了现有技术中存在的在试验过程中，无法模拟在混杂泥沙等现实工况中橡胶环的摩擦磨损等问题。该实验机构虽然可以对满足橡胶试块与试环有间隙时在含固体颗粒的粘稠液体介质工况下的摩擦学性能进行研究，但是，却满足不了模拟在橡胶环的侧面施加流体压力等复杂工况下，研究橡胶密封圈在水下等需要承受压强环境下的密封性能和摩擦磨损实验的要求。目前国内泥水的盾构机主要难题就是选择合适的密封件。盾构机工作环境一般是泥浆和沙子等介质组成的混合物，这些介质进入机器中，会对机器内部零件造成不可估量的摩擦损伤，大大降低机器使用寿命。另外，液体介质有布朗运动的特点，介质中会有少量的泥沙随布朗运动，穿过橡胶密封件。盾构机工作环境一般1~1.5MPa，当液体中介质刚要进入腔内，腔内需要喷出润滑脂，并大于另一侧的工作压强。所以设计一种在承受不同压强和介质环境的情况下，仍能保证密封性的橡胶密封件的试验机，是十分必要的。发明内容本发明的目的在于提供一种分腔施压检测密封性能的试验装置，解决了现有密封试验装置无法模拟橡胶密封圈在复杂工况下进行密封性能研究等问题，其结构设计合理，准确地模拟现场工况，加载均匀，调整方便，操作容易，施压范围广，完全满足在不同流体压力、不同转速、不同工作介质情况下的密封性能要求。本发明所采用的技术方案是：该分腔施压检测密封性能的实验装置包括机座、组装在机座上的实验机构、换向机构、加料机构、加压机构，其技术要点是：所述实验机构的箱体内腔利用外周套装有密封圈的旋转活塞分隔成左、右密封腔，旋转活塞固定连接在中心旋转轴的一端，中心旋转轴的另一端利用组装在箱体右侧壁的轴承组件支撑，并通过联轴器分别与固定在机座上的转矩转速传感器和液压马达连接在同一轴线上，液压马达控制旋转活塞的换向以及转速，转矩转速传感器读取液压马达输出的转速和扭矩；设置在左密封腔内的叶轮与箱体左侧壁支撑的传动轴一端连接，传动轴的另一端通过联轴器与搅拌电机驱动轴连接在同一轴线上；加料机构的左、右加料漏斗分别固定在箱体的左、右密封腔进料口的上方，加压机构的左、右高压接头通过高压油管分别与左、右密封腔连通。所述实验机构包括箱体，组装在箱体内的搅拌电机驱动的叶轮，带有密封圈的旋转活塞及中心旋转轴、转矩转速传感器、液压马达及相关联轴器，由旋转活塞分隔成的左密封腔和右密封腔。所述加料机构包括与装有流体介质料箱连通的带有左球阀开关的左加料漏斗及带有右球阀开关的右加料漏斗。所述加压机构包括与液压油缸连通的左高压接头、右高压接头。所述换向机构由第二电机及其控制的换向阀和带有减压阀的第二液压阀块构成。本发明具有的优点及积极效果是：由于本发明实验机构的箱体内腔利用外周套装有密封圈的旋转活塞分隔成左、右密封腔，设置在左密封腔内的叶轮搅拌后，液体介质分布均匀，固定连接旋转活塞的中心旋转轴，通过联轴器分别与固定在机座上的转矩转速传感器和液压马达连接在同一轴线上，液压马达控制旋转活塞的换向以及转速，转矩转速传感器读取液压马达输出的转速和扭矩；利用加压机构的通过高压油管分别与左、右密封腔连通的左、右高压接头，加料机构的分别固定在箱体的左、右密封腔进料口上方的左、右加料漏斗，可以在左、右密封腔分别加载压强和添加水、润滑油、润滑脂、泥沙等流体介质，所以其结构设计合理，能够准确地模拟现场工况，且加载均匀，调整方便，操作容易。左、右密封腔内施压范围广，可以相互独立加压，变化的精度较高，能够比较精确地分析密封圈在复杂工况下的受力受压强的变化情况，完全满足在不同流体压力、不同转速、不同工作介质情况下的密封性能要求。固定连接旋转活塞的中心旋转轴可以正、反转换向，转速和转矩可以调整，实现密封圈在静密封的条件下，受不同流体压力、不同流体介质的挤压与剪切的摩擦磨损试验，也可以检测密封圈在不同流体压力、不同转速、不同流体介质情况下密封圈动密封的密封性能，还可以根据密封圈的磨损量进行寿命计算。综上所述，本发明解决了现有密封试验装置无法模拟橡胶密封圈在复杂工况下进行密封性能研究等问题。经过试验证明，该密封试验装置施加流体压力的可调范围为：0MPa~3MPa，中心轴的转速的可调范围为：0~300rmin，转矩的可调范围为-500N.m~500N.m。附图说明以下结合附图对本发明作进一步描述。图1是本发明的一种结构示意图；图2是图1的俯视图；图3是本发明的电控原理图；图4是本发明的液压系统控制结构图。图中序号说明：1机座、2密封圈、3叶轮、4左卸油口、5左密封腔、6搅拌电机、7左高压接头、8左球阀开关、9右球阀开关、10旋转活塞、11右密封腔、12右高压接头、13转矩转速传感器、14液压马达、15中心旋转轴、16右卸油口、17左加料漏斗、18右加料漏斗、19第二压力传感器、20第一压力传感器、21工控机、22第七换向阀、23第六换向阀、24第五换向阀、25第四换向阀、26第三换向阀、27第二换向阀、28第一换向阀、29采集模块、30第二数字量模块、31第一数字量模块、32亚当模块、33第一电机、34第二电机、35第一液压阀块、36减压阀、37第二液压阀块、38液压油缸。具体实施方式结合图1～4详细说明本发明的具体结构，该分腔施压检测密封性能的实验装置包括机座1、组装在机座1上的实验机构、换向机构，加料机构、加压机构以及动力机构和电控机构等件。其中实验机构包括箱体，组装在箱体内的搅拌电机6驱动的叶轮3，带有密封圈2的旋转活塞10及中心旋转轴15、转矩转速传感器13、液压马达14及相关联轴器，由旋转活塞10分隔成的左密封腔5和右密封腔11等件。其中实验机构的箱体采用分体式结构，在箱体的底部设置有左卸油口4、右卸油口16，比较容易清理箱体中的流体介质，方便下次做试验时使用。箱体内腔利用外周套装有密封圈2的旋转活塞10分隔成左密封腔5、右密封腔11。旋转活塞10固定连接在中心旋转轴15的一端，中心旋转轴15的另一端利用组装在箱体右侧壁的轴承组件支撑，并通过联轴器分别与固定在机座1上的转矩转速传感器13和液压马达14连接在同一轴线上。液压马达14控制旋转活塞10的换向以及转速，转矩转速传感器13读取液压马达14输出的转速和扭矩。加料机构包括与装有水、润滑油、润滑脂、泥沙等流体介质料箱连通的带有左球阀开关8的左加料漏斗17及带有右球阀开关9的右加料漏斗18。左、右加料漏斗17和18分别固定在箱体的左、右密封腔5、11进料口的上方，可以向左、右密封腔5、11中加入水、润滑油、润滑脂、泥沙等流体介质。加压机构包括与液压油缸38连通的左高压接头7、右高压接头12。左高压接头7通过高压油管与左密封腔5连通，右高压接头12通过高压油管与右密封腔11相连，将流体压力输入左、右密封腔5、11。实验机构的由密封圈2与旋转活塞10及箱体内壁构成的面接触摩擦副，使密封圈2产生接触应力和初始压缩率。连接在中心旋转轴15上的旋转活塞10，由于装卸更换方便，可以根据实际需要选择密封圈2的规格，所以能随时更换不同尺寸的旋转活塞10进行实验，满足准确地模拟现场工况的要求。设置在左密封腔5内的叶轮3与箱体左侧壁支撑的传动轴一端连接，传动轴的另一端通过联轴器与搅拌电机6驱动轴连接在同一轴线上，搅拌电机6用固定在左密封箱体上的电机连接法兰支撑；叶轮3与搅拌电机6相连，搅拌电机6驱动叶轮3转动，从而使流体介质比较均匀地分布在左密封腔5内，加载更符合现实工况。液压马达14控制旋转活塞10的正、反转转向以及转速，转矩转速传感器13读取液压马达14输出的转速和扭矩。动力机构包括第一电机33、第一液压阀块35。第一电机33输出端利用第一液压阀块35与液压马达14相连，控制液压马达14的最大输出油压，进而控制液压马达14的最大输出转速和扭矩。换向机构由第二电机34及其控制的第一换向阀28、第二换向阀27、第三换向阀26、第四换向阀25、第五换向阀24、第六换向阀23、第七换向阀22和带有减压阀36的第二液压阀块37等构成。其中第二电机34控制上述各换向阀的启闭，第一换向阀28控制液压马达14启闭，第二换向阀27、第三换向阀26控制液压马达14正、反转换向。而第四换向阀25、第五换向阀24控制加压机构调整右密封腔11的压强，第六换向阀23、第七换向阀22控制加压机构调整左密封腔5的压强，加压机构的压强幅度由第二液压阀块37上的减压阀36控制。当控制同一个液压元件启闭的两个换向阀同时开启，程序默认无效，保护实验装置。电控机构主要由工控机21，亚当模块32，采集模块29，第一数字量模块31，第二数字量模块30、转矩转速传感器13、第一压力传感器20、第二压力传感器19组成控制回路。电控机构的上述模块读取转矩转速传感器13中的转速和转矩数值及各压力传感器测量的压强值，将实验数据显示在工控机21上。具体控制过程是：亚当模块32与工控机21相连，读取另外三个模块获取的实验数值。第一数字量模块31与第一电机33、第二电机34、第一换向阀28、第二换向阀27、第三换向阀26、第四换向阀25、第五换向阀24相连组成控制回路，控制第一电机33的正、反转换向和第二电机34启闭及控制换向阀启闭，控制第二数字量模块30与控制搅拌电机6启动，第六换向阀23、第七换向阀22启闭。采集模块29读取转矩转速传感器13中的转速和转矩数值及第一压力传感器20及第二压力传感器19测量的压强值，并将实验数据显示在工控机21上。转矩转速传感器13上端与电控机构的转矩转速信号转换器相连，转速的可控范围为0~300rmin，转矩的可控范围为-500N.m~500N.m。施加流体压力的范围为0~3MPa，精度为0.01MPa。该实验机的工作过程为：首先，将箱体拆开，把密封圈2套装在旋转活塞10外周凹槽中，将箱体分隔成左密封腔5和右密封腔11。密封圈2与旋转活塞10及箱体内壁构成面接触摩擦副，使得密封圈2产生初始压缩率，并在接触面处生成接触应力。打开加料机构的左球阀开关8和右球阀开关9，从左加料漏斗17添加水和沙粒，从右加料漏斗18添加润滑油或润滑脂。打开加压机构，施加较小压强，运行数次，确保左、右密封腔5、11内无气体，关闭加料机构的左球阀开关8和右球阀开关9。开启搅拌电机6，带动叶轮3转动，将混合流体介质搅动，使液体介质分布均匀，比较真实地模拟泥水盾构机现实工况。开启加压机构为左、右密封腔5、11内施加流体压力，调节第二液压阀块37中的减压阀36，来改变施加压强的大小，待电控机构中压强读数稳定，开启动力机构的第一电机33，换向机构控制液压马达14驱动中心旋转轴15正、反转换向，带动旋转活塞10随之旋转，并调整转速和扭矩。观察工控机21显示的压力，转数，扭矩的变化，如果压强值与之前的稳定值相差较大，或者左、右密封腔5、11中压强值趋于相等，证明密封圈2已经发生泄漏，否则，按照预定的实验方案继续实验。当实验结束，先关闭加压装置，再关闭实验装置，打开左密封腔5的左卸油口4和右密封腔11的右卸油口16，清理工作介质。

权利要求：1.一种分腔施压检测密封性能的实验装置，包括机座、组装在机座上的实验机构、换向机构、加料机构、加压机构，其特征在于：所述实验机构的箱体内腔利用外周套装有密封圈的旋转活塞分隔成左、右密封腔，旋转活塞固定连接在中心旋转轴的一端，中心旋转轴的另一端利用组装在箱体右侧壁的的轴承组件支撑，并通过联轴器分别与固定在机座上的转矩转速传感器和液压马达连接在同一轴线上，液压马达控制旋转活塞的换向以及转速，转矩转速传感器读取液压马达输出的转速和扭矩；设置在左密封腔内的叶轮与箱体左侧壁支撑的传动轴一端连接，传动轴的另一端通过联轴器与搅拌电机驱动轴连接在同一轴线上；加料机构的左、右加料漏斗分别固定在箱体的左、右密封腔进料口的上方，加压机构的左、右高压接头通过高压油管分别与左、右密封腔连通。2.根据权利要求1所述的分腔施压检测密封性能的实验装置，其特征在于：所述实验机构包括箱体，组装在箱体内的搅拌电机驱动的叶轮，带有密封圈的旋转活塞及中心旋转轴、转矩转速传感器、液压马达及相关联轴器，由旋转活塞分隔成的左密封腔和右密封腔。3.根据权利要求1所述的分腔施压检测密封性能的实验装置，其特征在于：所述加料机构包括与装有流体介质料箱连通的带有左球阀开关的左加料漏斗及带有右球阀开关的右加料漏斗。4.根据权利要求1所述的分腔施压检测密封性能的实验装置，其特征在于：所述加压机构包括与液压油缸连通的左高压接头、右高压接头。5.根据权利要求1所述的分腔施压检测密封性能的实验装置，其特征在于：所述换向机构由第二电机及其控制的换向阀和带有减压阀的第二液压阀块构成。

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