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专利名称：一种双侧充压高压动密封试验台及试验方法
技术领域：
本发明涉及一种双侧充压高压动密封试验台及试验方法，用于深井石油天然气开采、深海电机和潜艇的高压动密封试验研究，属于人工环境下的模拟试验设备。
背景技术：
机械密封作为一种旋转动密封，目前已经广泛应用于石油化工、电力、船舶、航天等领域，涡轮钻井中用动密封来保护减速器和轴承，深海电机和深水机器人要用动密封来保护电机，所以密封一旦失效，往往会造成重大的经济损失。普通的机械密封工作压力都比较低，工作寿命比较长，但是在深井和深海这些高压环境下，密封要承受几十兆帕的压力， 常规的单侧充压式密封机构是不可能正常工作的，通常都是在机械密封的另一侧充入稍高于介质压力的高压油来平衡密封两侧的压差，借助压力平衡机构保证油的压力始终高于介质压力。现有的动密封试验由于结构设计和动力输入处密封PV值的限制，导致动密封的高压试验有一定的问题1、试验台压力虽然满足密封试验的要求，但是不能长时间工作，主要是由于动力输入轴处高压动密封产生的PV值远远大于常用密封材料的最大PV值；同时这类试验台主要用来做密封破坏性试验，不能配合传感器实时采集密封端面的工作状态； 2、单侧充压的密封试验台虽然可以长时间运转，并能够采集到密封面的温度和扭矩等信号，但试验压力都很低，和高压环境下的试验条件相比有较大的差距；3、测试密封面摩擦扭矩的常规方法都是在电机和轴承座之间安装扭矩传感器，由于动力输入处密封圈和密封腔内介质搅拌会产生很大的反扭矩，所以这种方法测来的误差比较大。

发明内容
本发明目的在于克服现有技术不足，在综合分析现有试验台的基础上，提供一种高压工况下能长时间工作并较精确的采集端面信息的一种双侧充压高压动密封试验台及试验方法。本发明的技术方案是本发明一种双侧充压高压动密封试验台，主要包括增速系统、密封腔平衡系统、循环系统和信号采集系统。所述增速系统主要由电机、变频器、齿轮增速箱和缓冲油缸组成。通过变频器控制电机以较低的转速输入齿轮增速箱，从而获得空心轴上测试机械密封的高转速，齿轮增速箱体与一缓冲油缸相通，可缓冲增速箱中的齿轮发热引起的压力不稳。所述密封腔平衡系统主要由手压泵、平衡缸、密封腔、空心轴和两组机械密封组成。所述机械密封由动环和静环组成，通过手压泵向平衡缸中注入高压油，经高压管线进入齿轮增速箱中，然后通过空心轴进入测试静环和静环座组成的的空腔中；电动试压泵将高压介质充入平衡缸另一侧，然后进入密封腔内，与测试静环和静环座形成的的空腔中的润滑油形成第一个平衡；同时齿轮增速箱内的润滑油和密封腔内的高压介质通过连接套处的机械密封形成第二个平衡。
所述循环系统主要由电动试压泵、缓冲罐、活塞可调式减压阀、循环泵和水箱组成。通过电动试压泵向缓冲罐中注入高压介质，缓冲稳定后注入密封腔，最终经密封腔出口设置的活塞可调式减压阀减压后回到水箱左侧中，形成一条循环回路；循环泵吸水后进入增速箱中的冷凝管，对润滑油进行冷却后回到水箱右侧中，形成另一条回路。所述信号采集系统主要由封装热电偶、扭矩传感器、微量位移传感器、数据采集卡、计算机组成。通过微量位移传感器间接测得弹簧压缩量，结合弹簧的劲度系数，测得密封端面比压；通过封装热电偶和温度变送器测得密封端面的温度；双向推力轴承限制了测试静环的轴向自由度，通过静环座和小轴把测试动环和测试静环的摩擦扭矩传递到扭矩传感器，配合固定支座测得测试静环和测试动环密封面的摩擦扭矩。本发明一种双侧充压高压动密封的试验方法，主要包括以下步骤
接通电源，然后打开电脑和信号采集系统，检查传感器和采集卡的线路连接，完成
信号采集的初期工作；
I.启动微量位移传感器的采集界面，转动调节丝杆的手轮来移动密封腔底座，则密封
腔整体可以在连接套上移动，从而对空心轴上得弹簧压缩量进行调节，根据实际需要的试验压力对试验密封环的接触比压进行调整，保证接触比压不小于0. 8Mpa，并保存采集的位移信号；
+ 缓慢用手压泵向平衡缸左侧中充入润滑油，润滑油经管线进入齿轮增速箱，然后通
过空心轴充入测试静环和静环座组成的的空腔中，打开齿轮增速箱顶部的截止阀排出空气，待油从截止阀口冒出时，关闭截止阀；
.继续压动手压泵向平衡缸左侧中充油，待压力升高到接近0. SMpa时，开动电动试压
泵以小流量向密封腔中充入高压介质，调节活塞可调式减压阀的出口压力，实现高压介质和高压油压力相同，保持一种动态的平衡；
I启动电机和变频器，通过变频器控制电机以较低的转速输入齿轮增速箱，空心轴经
增速后带动测试动环旋转，然后开动循环泵循环冷却水来稳定齿轮增速箱内润滑油的温度；
g试验台正常工作后开始采集温度和扭矩信号，温度包括测试静环的内侧和外侧两
路信号，通过封装热电偶和温度变送器采集到测试静环端面的温度；通过静环座和小轴把扭矩传递到扭矩传感器，从而采集到密封面的摩擦扭矩，完成试验测试任务。本发明的有益效果和优点如下
1、可以通过电机、变频器和齿轮增速箱来保证动力输入轴处高压动密封产生的PV值小于密封材料的最大PV值；2、动密封在高压下能长时间工作，可以更全面的了解密封在实际工作中的摩擦状态；3、通过双向推力轴承把密封面的摩擦扭矩传递到密封腔外，克服了常规测试摩擦扭矩误差大的缺点，能更精确的测得密封面的摩擦扭矩。4、本方案形成的平
4衡系统可以模拟高压工况下机械密封的工作状态，并能实时进行信号的采集，更好地了解机械密封端面的工作状态。


图1是本发明一种双侧充压高压动密封试验台及试验方法的原理示意图； 图2是本发明的结构示意图3是本发明信号采集方案设计的示意图； 图4是本发明增速箱和连接结构的示意图。图中1.电机，2.缓冲油缸，3.活塞可调式减压阀，4.截止阀，5.齿轮增速箱，
6.机械密封，7.密封腔，8.空心轴，9.机械密封，10.封装热电偶，11.扭矩传感器，12.封装热电偶，13.数据采集卡，14.计算机，15.微量位移传感器，16.平衡缸，17.手压泵，18. 缓冲罐，19.循环泵，20.变频器，21.电动试压泵，22.水箱，23.连接套，24.固定支座，25. 调节丝杆，26.密封腔底座，27.双向推力轴承，28.静环座，29.小轴，30.测试静环，31.测试动环，32.弹簧，33.动环，34.静环。
具体实施例方式在图1、图2、图3、图4中，本发明一种双侧充压高压动密封试验台，主要包括增速系统、密封腔平衡系统、循环系统和信号采集系统。在图1中，所述增速系统主要由电机1、变频器20、齿轮增速箱5和缓冲油缸2组成。通过变频器20控制电机1以较低的转速输入齿轮增速箱5，从而获得空心轴8上测试动环31的高转速，齿轮增速箱5与缓冲油缸2相通，可缓冲增速箱5中的齿轮发热引起的压力不稳。在图1、图3和图4中，所述密封腔平衡系统主要由手压泵17、平衡缸16、密封腔
7、空心轴8和两组机械密封(6，9)组成。所述机械密封6由动环33和静环34组成，所述机械密封9由测试静环30和测试动环31组成，通过手压泵17向平衡缸16中注入高压油， 然后经高压管线进入齿轮增速箱5，再通过空心轴8进入测试静环30和静环座28组成的的空腔中；电动试压泵21将高压介质充入平衡缸16另一侧，然后进入密封腔7内，与测试静环30和静环座观形成的空腔内的润滑油形成第一个平衡；同时齿轮增速箱5内的润滑油和密封腔7内的高压介质通过连接套23处的机械密封6形成第二个平衡。在图1和图2中，所述循环系统主要由电动试压泵21、缓冲罐18、活塞可调式减压阀3、循环泵19和水箱22组成。通过电动试压泵21向缓冲罐18中注入高压介质，缓冲稳定后注入密封腔7，最终经密封腔7出口设置的活塞可调式减压阀3减压后到水箱22左侧中，形成一条循环回路；循环泵19吸水后进入增速箱5中的冷凝管，对润滑油进行冷却后回到水箱22右侧中，形成另一条回路。在图2和图3中，所述信号采集系统主要由封装热电偶(10，12)、扭矩传感器11、 微量位移传感器15、数据采集卡13和计算机14组成。通过微量位移传感器15测得测试弹簧32的压缩量，结合弹簧32的劲度系数，得到机械密封9面上的端面比压信息；通过封装热电偶10和12及温度变送器测得测试静环30的端面温度；双向推力轴承27限制了测试静环30的轴向自由度，所以可通过小轴四把测试静环30和测试动环31的摩擦扭矩引出到扭矩传感器11，然后配合固定支座M测得测试静环30和测试动环31密封面的摩擦扭矩。 本发明一种双侧充压高压动密封的试验方法，主要包括以下步骤
I接通电源，打开电脑14和信号采集系统，检查传感器和数据采集卡13的线路连接，
完成信号采集的初期工作；
1启动微量位移传感器15的采集界面，转动调节丝杆25的手轮来移动密封腔底座
26，则密封腔7整体可以在连接套23上移动，实现对空心轴8上弹簧32的压缩量进行调节，根据实际需要的试验压力对机械密封9的接触比压进行调整，保证接触比压不小于 0. 8Mpa,并保存采集的信号曲线；
t缓慢用手压泵17向平衡缸16左侧中充入润滑油，润滑油经管线进入齿轮增速箱5，
然后通过空心轴8充入测试静环30和静环座28组成的空腔内，打开齿轮增速箱5顶部的截止阀4排出空气，待油从截止阀4的出口冒出时，关闭截止阀4 ；
继续压动手压泵17向平衡缸16左侧中充油，待压力表示数接近0. SMpa时，开动电
动试压泵21以小流量向密封腔7中充入高压介质，调节活塞可调式减压阀3的出口压力， 实现高压介质和高压油压力相同，保持一种动态平衡；
f启动电机1和变频器20，通过变频器20调整电机1以较低的转速输入齿轮增速箱
5，空心轴8经增速后带动测试动环31旋转，然后开动循环泵19来循环冷却水，稳定齿轮增速箱5内润滑油的温度；
f试验台正常工作后开始采集温度和扭矩信号，温度包括测试静环30的内侧和外侧
两路信号，通过封装热电偶10和12及温度变送器采集到测试静环30端面的温度曲线；通过静环座28和小轴四把测试静环30和测试动环31的摩擦扭矩传递到扭矩传感器11，从而采集到摩擦扭矩曲线，完成试验测试任务。
权利要求
1.一种双侧充压高压动密封试验台，主要包括增速系统、密封腔平衡系统、循环系统和信号采集系统，其特征在于所述增速系统主要由电机(1)、变频器(20)、齿轮增速箱(5)和缓冲油缸(2)组成；所述密封腔平衡系统主要由手压泵(17)、平衡缸(16)、密封腔(7)、空心轴(8)和两组机械密封(6，9)组成，通过手压泵(17)向平衡缸(16)中注入高压油，然后经高压管线进入齿轮增速箱(5 )，再通过空心轴(8 )进入测试静环(30 )和静环座(28 )组成的的空腔中；电动试压泵(21)将高压介质充入平衡缸(16 )另一侧，然后进入密封腔(7 )内，与测试静环(30)和静环座(28)形成的空腔内的润滑油形成第一个平衡；同时齿轮增速箱(5)内的润滑油和密封腔(7)内的高压介质通过连接套(23)处的机械密封(6)形成第二个平衡； 所述循环系统主要由电动试压泵(21)、缓冲罐(18)、活塞可调式减压阀(3)、循环泵(19)和水箱(22)组成；所述信号采集系统主要由封装热电偶(10，12)、扭矩传感器(11)、微量位移传感器(15)、数据采集卡(13)和计算机(14)组成，双向推力轴承(27)限制了测试静环(30) 的轴向自由度，所以可通过小轴(29)把测试静环(30)和测试动环(31)的摩擦扭矩引出到扭矩传感器(11)，然后配合固定支座(24)测得测试静环(30)和测试动环(31)密封面的摩擦扭矩。
2.一种双侧充压高压动密封试验台试验方法，其特征在于主要包括以下步骤 X检查传感器和数据采集卡(13)的线路连接，完成信号采集的初期工作；1启动微量位移传感器(15)的采集界面，根据实际需要对测试动环(31)和测试静环 (30)的接触比压进行调整，保证接触比压不小于0. 8Mpa，并保存采集的信号曲线；5缓慢用手压泵(17)向平衡缸(16)左侧中充入润滑油，通过空心轴(8)充入测试静环 (30)和静环座(28)组成的空腔内，待油从截止阀(4)冒出时，关闭截止阀(4)；X继续压动手压泵(17)，待压力接近0. SMpa时，开动电动试压泵(21)向密封腔(7)中充入高压介质，调节活塞可调式减压阀(3)的出口压力，实现高压介质和高压油压力相同， 保持一种动态平衡；.1通过变频器(20)调整电机(1)以较低的转速输入齿轮增速箱(5)，空心轴(8)经增速后带动测试动环(31)旋转；启动循环泵(19)来稳定齿轮增速箱(5)的工作温度；.S试验台正常工作后开始采集测试静环(30)的内侧和外侧两路温度信号及机械密封 (9)的摩擦扭矩信号，完成试验测试任务。
全文摘要
本发明涉及一种双侧充压高压动密封试验台及试验方法，用于深井石油天然气开采、深海电机和潜艇的高压动密封试验研究。它主要包括增速系统、密封腔平衡系统、循环系统和信号采集系统，所述增速系统主要由电机、变频器、齿轮增速箱和缓冲油缸组成，所述密封腔平衡系统主要由手压泵、平衡缸、密封腔、空心轴和两组机械密封组成；所述循环系统主要由电动试压泵、缓冲罐、活塞可调式减压阀、循环泵和水箱组成；所述信号采集系统主要由封装热电偶、扭矩传感器、微量位移传感器、数据采集卡、计算机组成。该试验方法主要包括6个步骤。本方案形成的平衡系统可以模拟高压工况下机械密封的工作状态，并能进行信号采集，更好了解机械密封的工作状态。
文档编号G01M13/00GK102507166SQ201110313349
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月17日 优先权日2011年10月17日
发明者张晓东, 张毅, 张群群, 王海娟, 谢先华, 龚彦 申请人:西南石油大学