旋轉軸可控柔性密封實驗臺設計

蔡永朋

（中冶華天南京工程技術有限公司，江蘇南京 210019）

0 引言

密封實驗臺是進行密封基礎研究和密封應用技術研究所必需的基礎設備[1]。旋轉軸可控柔性密封實驗臺的設計與開發過程，應首先根據研究方向和研究目的確定密封實驗臺的整體結構，然后根據旋轉密封的實際工況確定需要采集哪些參數及參數采集方法，最后細化實驗臺結構。由于柔性密封材料的性能直接關系著密封性能，一旦失效，將會造成巨大的財產損失、環境污染甚至威脅人身安全[2]。因此，密封材料的密封性能實驗是非常必要的。但是常規的旋轉密封實驗臺只能測試密封材料在某一壓縮變形下的密封性能，并不能體現柔性材料密封的可控性，即徑向密封比壓不可調。為此，設計了旋轉軸可控柔性密封實驗臺。該實驗臺采用液壓驅動和控制，能夠控制密封比壓大小，并且能夠測量壓力、轉速、扭矩、溫度等參數，實現研究不同柔性密封材料，運行工況變化（如旋轉軸轉速、旋轉軸直徑、密封腔內壓力等發生變化）對密封件密封工作性能和工作壽命的影響，從而為旋轉軸可控柔性密封的實際應用提供實驗依據。

1 系統組成

旋轉軸可控柔性密封實驗臺包括液壓站系統、旋轉驅動系統、旋轉密封實驗裝置、控制腔內加載系統、密封腔內加載系統和數據采集控制系統。液壓站系統主要包括恒壓變量泵、油箱、電磁溢流閥等；旋轉驅動系統主要包括液壓馬達、電磁換向閥等；控制腔內加載系統和密封腔內加載系統主要由柱塞泵、電磁溢流閥、蓄能器組、壓力傳感器、壓力表、管線等組成；數據采集控制系統主要由操作臺、工控機、電器控制元件、顯示儀表、用于數據采集的相關硬件和軟件程序等組成。由數據采集控制系統對其他系統的動作進行控制并且采集相關實驗參數。密封實驗臺液壓原理如圖1所示，液壓部分主要由2種流體介質的3個子系統組成：一個是以液壓油為流體工作介質，為旋轉驅動系統1提供動力的液壓站系統3；另外2個是以水為流體工作介質，為旋轉密封實驗裝置2的控制腔和密封腔加載的控制腔內加載系統4和密封腔內加載系統5。

2 旋轉密封實驗臺結構設計

旋轉密封實驗臺的整體結構如圖2所示，主要由旋轉馬達、扭矩轉速傳感器、軸承座、傳動軸、密封實驗腔組成。將以上組件安裝在一個鋼結構的平臺上，并做調整使各組件的回轉中心重合，保證實驗裝置運轉的穩定性。旋轉馬達作為動力元件，為實驗臺提供旋轉動力；扭矩轉速傳感器可以檢測旋轉馬達輸出扭矩和輸出轉速；軸承座對中心回轉軸起到支撐作用；傳動軸將馬達輸出的轉速和扭矩傳遞給密封實驗腔中的旋轉軸，模擬實際工況中需要密封的旋轉部件。旋轉馬達輸出軸與扭矩轉速傳感器輸入軸之間、傳感器輸出軸與中心回轉軸之間采用聯軸器方式連接傳動，中心回轉軸與傳動軸之間、傳動軸與密封腔中回轉軸之間采用法蘭方式連接。

圖1 密封實驗臺液壓原理

圖2 旋轉密封實驗臺結構組成

密封實驗腔是密封實驗臺的重要組成部分，結構設計如圖3所示，主要由法蘭盤、端蓋、旋轉軸、擋環、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液口，下端的2個螺紋通孔為控制腔進液口。密封實驗腔中共有兩組密封結構，分別處于密封腔體的兩端。每組密封結構由兩塊密封擋板、一個擋環、一個柔性密封體組成。密封擋板處于柔性密封體的兩側，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、控制腔與外界發生液體泄漏；擋環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生變形，影響實驗分析結果；在擋環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液口注入到由兩個密封擋板側面、擋環內環面、密封體外環面圍成的環形控制腔中；隔套處于兩組密封結構的中間位置，保證兩組密封結構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液口相對應，可使密封腔帶壓水通過密封缸體上的密封腔進液口注入到由兩塊密封擋板側面、隔套內環面、旋轉軸圍成的環形密封腔中；端蓋與密封缸體通過螺紋連接，夾緊密封實驗腔體內的組件，防止密封體竄動，影響密封性能。將密封實驗腔體安裝在一對支座上，保證旋轉軸與旋轉馬達輸出軸處于同一回轉中心。

圖3 密封實驗腔結構

3 密封實驗臺測控系統設計

數據采集控制系統用于對整個實驗系統設備進行集中控制，對實驗參數及實驗狀態進行監測、記錄及圖表輸出。數據采集控制系統主要的控制對象包括：電機的啟停、電磁閥換向的動作；所要采集的信號有旋轉馬達的入口壓力、旋轉扭矩、旋轉轉速、控制腔壓力、密封腔壓力和密封副處的溫度等。

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

實驗中各壓力信號為（4～20）mA的電流信號，旋轉速度為脈沖信號，將以上信號轉換為與其成線性的電壓信號，送入到模擬量輸入模塊中，再將電壓信號并聯到顯示儀表上。通過工控機上運行的數據采集軟件，根據用戶設置將采集到的信號轉換成相應的實驗參數。

使用顯示儀表可以將實驗重要參數的實時變化進行直觀顯示，而使用采集軟件實現了實驗數據的實時采集，通過實驗曲線直觀顯示變化趨勢，并能夠存儲實驗數據，便于后續的實驗總結與查詢。應用測控系統使得在實驗進行的同時，實現實驗狀態監測、數據記錄和繪制實驗參數曲線等功能。

4 旋轉密封實驗臺工作原理

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

表1 PLC控制系統的I/O分配

以旋轉軸可控柔性密封實驗臺為載體可以進行以下實驗：在旋轉軸轉速不變的情況下，通過改變環形密封腔注入水壓力，研究密封壓力與控制壓力之間的關系，并可以同時分析控制壓力與轉速之間的關系；也可以通過改變旋轉軸直徑、密封結構等研究不同密封體材料的密封性能。

5 結束語

旋轉軸可控柔性密封的工作方式有別于傳統的旋轉密封，其密封失效機理與常規的填料密封或者其他類型的柔性密封有所不同，不能用常規的密封性能測試方式反映可控柔性密封的實際工作性能。旋轉式可控柔性密封實驗臺的研制，可以模擬多種可控柔性密封工作環境和工作狀態，能夠測試不同密封材料的密封性能并研究不同工作參數對密封性能的影響。還可以測試不同工作壓力、工作介質、旋轉速度、溫度等復合工況作用，對材料密封壽命的影響。可控柔性密封實驗臺能夠為現有柔性密封材料的可控性研究提供實驗平臺，同時也為新型柔性密封材料的可控性開發提供實驗測試。