（化工过程机械专业论文）变速调节机械密封实验系统的研制.pdf

d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e j i a n gu n i v e r s i t yo f 1 e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r r e s e a r c h d e v e l o p m e n to ft h e v a r i a b l e s p e e dt e s t i n g e q u i p m e n t f o r m e c h a n i c a ls e a l s c a n d i d a t e ：l l u y h n a d v i s o r ：s h e n g s o n g - e n p e n g x u d o n g c o l i e g eo fm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g z h e j i a n gu n i v e r s i 哆o ft e c h n o l o g y m a y 2 0 1 0 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者獬：伽l 么 嗍训“月7 ，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 、2 不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“、”) 作者签名： 导师签名： 日期：纠年6 月刍日 日期：拇，o 年占月夕日 浙江工业大学硕士学位论文 变速调节机械密封实验系统的研制 摘要 随着石油、石化等行业的快速发展，要求机械密封具有高稳定性、高可靠性和长寿命， 对于机械密封的实验技术提出更高的要求。论文以浙江工业大学化工过程机械密封实验室 为背景，为满足机械密封多功能测试的研究需要，开展了变速调节机械密封实验系统的研 制。论文的主要内容有： 首先，根据国内外机械密封技术的发展趋势，在对机械密封失效的主要原因和相关机 械密封实验系统分析的基础上，确定了实验系统的设计目标。根据实验系统的设计要求， 确定了实验系统的总体设计方案，根据功能将实验系统划分为机械本体、测试电气部分和 软件系统三部分。 其次，开展了机械本体台架和测试电气控制系统设计。基于密封实验模拟工况参数， 进行了台架整体布局以及动力、传动和密封腔体的设计，采用液压方案实现了密封腔的多 种介质、连续供液稳压系统的设计，建立了机械密封实验台架；基于变频技术，实现了系 统的实验过程变速功能设计，并进行了温度、摩擦扭矩、压力和密封间隙等测量方案设计 和传感器的选型，实现了试验系统多参数测量功能设计。 然后，开展了软件系统设计。根据实验系统的功能要求，基于l a b v i e w 实现了系统 自动控制、数据采集、数据实时显示、数据存储以及历史数据查询等功能，并详细介绍了 试验系统软件的基本流程和实现方法，给出了关键环节的设计要点和具体程序框图。 最后，基于所建立的机械密封测试平台，开展了接触式机械密封的启动特性实验测试， 检验了实验系统的可操作性。 关键词：测试系统，机械密封，l a b v i e w ，数据采集 浙江工业大学硕士学位论文 r 皿s e a r c h d e v e l o p m e n to ft h e v a r i a b l e - s p e e dt e s t i n g e q u i p m e n tf o r m e c h a n i c a ls e a l s a b s t r a c t t h em e c h a n i c a ls e a l sa r cr e q u i r e dh a v eh i g hs t a k l i 妣h i g hr e l i a b i l i t y 砒l dl o n gl i f e 、析t l lt l l e r a p i dd e v e l o p m e n to fo i l ，p e 缸d c h e r n j c a l a tt l l es 锄et i m e ，t 1 1 ee x p 耐m e n t a lt e c h l l i q u eo f m e c h a l l i c a ls e a l si sf 0 刑a r dh i g h e rr e q u i r e m e n t s v 撕a b l e s p e e dt e s t i n gs y s t e mo fn l e c 蜥c a l s e a l s ，、 ，h i c hi se n 臼脚把da i l da l s om n d e db yl a b o r a t o 巧a b o u tc h e m i c a lp r o c e s sm e c h a i l i c a l s e a l so fz h e j i a l l gu n i v e r s i 够o ft b c l l i l o l o g y ，i sd e v e l o p e di no r d e rt 0m e c tt h er e s e a r c hn e e d so f m u l t i 一缸l c t i o nt e s t t h ed i s s e r t a t i o ni s 绷l l g e d 雒f o l l o w s ： f i r s t ，d e 锄1 i l i n et l l ee x p e r i m e 删s y s t e md e s i g l lg o m sb a s e do nt l l em a i l l 筋l u r er e a s o no f m e c h a i l i c a ls e a l s 锄dr e l 砷e de x p e r i m e n t sa c c o r d i n gt 0d o m e s t i c 锄df o r e i g nm e c h 枷c a ls e a l t e c l l l l 0 1 0 9 yd e v e l o p m e n t 协e n d d e t e 加越n et l l eo v e r a l le x p e r i m e n t 础s y s t e mp r o g r a mb 邪e do nt h e e x p e r i m e n t a lr e q u h m e n t s ，t l l ee x p e r i m e n t a ls y s t e mi sd i v i d e di n t ot 1 1 】r e ep a n sw h i c ha r e m e c h a n i c a lb o d y ，e l e c 仃i c a lc o n 勺的l sa n ds o s ) r s t e m s s e c o n d l y ，m e c l l a 面c a lb o d y 锄de l e c t r i c a lc o n 仃o ls y s t e m sa r ed e s i 印e d t h e0 v e r a ul a y o u t f o rm eb e n c h 砒l d “v ea i l ds e a l i i l gc h 乏i i l l b e ra r ed e s i g n e db a s e do ne ) 【p e r i m e n t 越s i m u l a t i o n p a r 锄e t e r s ，t e s t i n gs y s t e mi sc o m p l i e db a s e do nf r e q u e n c yt e c h n o l o 既t l l et e n l p e r a t u r e s ，衔c t i o n t o r q u e ，p r e s s u i i ea 1 1 ds e 2 l lg a pm e a s e m e n tp r o 铲锄a r ed e s 适n e d ，a i l dc a r 巧o u ts e n s o rs e l e c t i o i l ， r e a l i z e dm u l t i 一眦衄e t e rn l e a s u r e m e n tt e s ts y s t e mf h n c t i o n a ld e s i g n 7 n l e n ，t l l es o 亿张r es y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do nl a b v i e w ：s o m em 句o r 劬c t i o n s ，s u c h 鹪 da _ t ac o l l e c t i o n ，r e a l t i m ed a t ad i s p l a y s ：d a t as t o r a g e 孤dh i s t o r i c a l ( i a t aq u e 巧鼬1 c t i o n sa r e p r o v i d e df o rt 1 1 es y s t e m g i v i n gm ei m p l e m e n t a t i o nm e t l l o do ft h es y s t e m ，t l l ed e s i g nf e a t u r e s 肌dm es p e c i f i cp r o 酽a mb l o c kd i a g r a mo ft l l ek e ya s p e c t sa r ei 1 1 仃o d u c e d f i n a l l y ，s t a na n ds t o pc h a r a c t e r i s t i c st e s to fc o n t a c tm e c h a i l i c a ls e a l si sc a r r i e do u tb a s e do n t 1 1 es e a lt e s tp l a t f o n nw h i c hi se 虹b l i s h e d ，t b s tt 1 1 ee x p e r i m e n t a ls y s t e mo p e r a b i l i 够 浙江工业大学硕士学位论文 k e yw o r d s ：t e s ts y s t e m ，m e c h a i l i c a ls e a l ，l a b v i e wd a t aa c q u i s i t i o n 浙江工业大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题来源及意义l 1 2 国内外研究现状2 1 3 第2 章 2 1 2 2 2 3 2 4 第3 章 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 第4 章 4 1 4 2 1 2 1 机械密封的组成、工作原理与优缺点2 1 2 2 机械密封的生产概况4 1 2 3国内外机械密封试验的主要研究内容5 1 2 4 国内外机械密封试验的研究现状。5 本论文的主要研究内容一7 实验台设计方案和机械台架的设计9 弓l 言9 系统总体设计方案的确立9 2 2 1 机械密封实验台总体设计要求9 2 2 2 实验系统总体设计方案的确定l o 机械密封实验台本体的设计1 1 2 3 1 动力系统的设计1 1 2 3 2 密封腔的设计12 2 3 3 压力系统的设计1 3 本章小结1 4 实验台测试系统电气部分的设计1 5 弓l 言l5 测试系统电气部分设计方案15 实验系统变速调节设计1 6 3 3 1 变频调速技术的概述及发展现状1 6 3 3 2 变频调速原理l7 3 3 3 试验台变频调速的实现1 8 传感器的选定1 9 3 4 1 温度传感器的选择1 9 3 4 2 压力传感器的选择2 0 3 4 3 扭矩仪2 l 3 4 4 密封间隙测量传感器2 3 本章小结2 4 实验台测试系统软件设计2 5 弓i 言：1 5 虚拟仪器2 5 4 2 1概述2 5 4 2 2 虚拟仪器的工作原理2 6 浙江工业大学硕士学位论文 4 3 4 4 4 5 4 6 第5 章 5 1 5 2 5 3 5 4 4 2 3 基于l a b e w 的数据采集系统结构2 6 测试系统总体设计2 7 4 3 1 测试系统软件设计总体方案确定2 8 4 3 2 开发工具的选择与数据采集卡的操作2 9 4 3 3 多线程技术的运用3 0 测试系统数据采集与处理3l 4 4 1 数据的传输原理31 4 4 2 采集数据的转换3 2 4 4 3 测试系统结构流程图和软件程序流程图3 2 软件主要功能模块及其设计要点3 4 4 5 1 数据传递方式和程序语法结构3 5 4 5 2 用户界面设计3 5 4 5 3 参数设置模块3 6 4 5 4 数据采集和数据显示模块的设计3 8 4 5 5 数据定时保存模块的设计4 2 4 5 6 系统转速自动控制模块的设计4 2 4 5 7 历史数据回放模块的设计4 3 本章小结4 3 机械密封实验系统初步测试4 5 弓i 言4 5 实验系统概况4 5 实验台调试4 6 5 3 1 j c 型扭矩传感器与j w - 3 扭矩仪的安装4 6 5 3 2 扭矩仪参数的设置4 7 5 3 - 3 扭矩调零4 7 启停实验4 8 5 4 1 实验参数设置4 8 5 4 2 实验数据分析和数据历史波形回放4 8 5 5 本章小结5 0 第6 章结论与展望5 1 6 1 结论5l 6 2 展望5 1 致谢5 3 参考文献5 4 攻读学位期间参加的科研项目和成果5 7 v 浙江工业大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 课题来源及意义 机械密封是机械设备防止泄漏、节约能源、控制环境污染的重要功能部件i 卜。j 。近几十 年来，机械密封技术有了很大的发展。为适应机械密封技术的迅速发展，研究开发机械密 封性能参数测试装置具有极其重要的实际意义。 流体密封包括流体动密封和流体静密封，这是流体机械和动力机械不可缺少的零部 件。虽然它在整台机器设备中仅仅是一个组件，但其作用对整台机器设备、整套装置，甚 至对整个工厂的影响都是必不可少的。在石油化工企业中，所处理的流体大多数具有腐蚀 性、可燃性、易爆性，一旦密封失效、介质外漏，不仅会造成环境的污染、能源的浪费及 财产的损失，严重的可能造成安全事故。因此对机械密封进行深入的研究，以提高机械密 封的性能与使用寿命，减少由于机械密封失效带来的损失显得尤为重要。 自机械密封问世以来，人们在应用和试验过程中对机械密封有了一定的认识。机械密 封的理论研究也有了很大的进展，但由于其结构和工况千差万别，至今还没有形成一个完 整的理论体系，学术界对密封机理的分析理解还很不一致【4 】。要形成一个完整的机械密封 理论体系，尚需大量的理论和试验研究。在实际应用中，机械密封的设计参数在很大程度 上还依赖于经验，装置中机械密封一般并不处于最佳工况。对于工况一定、结构参数一定 的机械密封，其性能及使用寿命受密封端面比压的影响。端面比压大，泄漏量小，密封面 的磨损大；端面比压小，密封面的磨损小，但泄漏量大。 在安装过程中，机械密封的端面比压也很难控制。在实际使用过程中人们只能凭经验 公式给出一个粗略的端面比压范围。而具体装置上采用的机械密封的端面比压该是多少， 没有定值；另一方面，机械密封处于机器的内部，弹性元件的压缩量究竟是多少，难以测 量，使得实际运行时端面比载荷的大小无法知晓。因此，对于某一具体装置而言，即使是 采用加工质量最佳的机械密封，也难以使它工作在最佳工况。 从机械密封产品的测试手段来看，目前国内大多数生产厂家还都停留在外观检测和静 压试验的水平上1 5 1 ，产品质量难以控制。 机械密封技术的发展仍处于理论和实践相结合的阶段。虽然现在某一些密封的理论研 浙江工业大学硕士学位论文 究己有相当大的发展且不乏精辟的分析【6 l ，但是将理论数据直接用于设备数据仍存在着巨 大出入，这是因为许多分析结论和数据在特定条件下仍有局限性，因此目前大多数密封的 设计还是依靠经验的积累和实验技术进行统计分析。 设计变速调节机械密封实验台的主要目的就是为变工况条件下机械密封的实验研究 提供有效的实验场所，并且通过建立适当的测试手段，完成机械密封变工况实验过程中所 需试验数据的采集与分析，找出在变工况条件下工作的机械密封主要参数变化的规律，提 出提高机械密封使用寿命的具体方法。同时也可以判断设计的机械密封是否具有规定的性 能，为在原有理论的基础上，逐步完善变工况密封理论，研制开发变工况机械密封奠定基 础，使机械密封的抗变能力得到提高。 综上所述，机械密封试验装置的研制，对机械密封的设计、使用、产品质量控制及科 研开发都是十分重要的。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 机械密封的组成、工作原理与优缺点 机械端面密封是一种轴向端面密封( m e c h a n i c a lf a c es e a l ) ，简称机械密封( m e c i 掰l i c a l s e a l ) ，又称端面密封( f a c es e a l ) ，是常用的转轴密封，在流程装置的机泵设备中应用十 分普遍7 9 】。机械密封种类繁多，不同种类的机械密封结构也各不相同，但从总体上来说， 基本上所有的机械密封都由四个部分组成：由动环和静环组成的密封端面，这是机械密 封最核心的组成部分；由弹性元件或磁性元件组成的缓冲补偿装置，这是保证机械密封 可靠性能的重要条件；辅助密封圈；带动动环随旋转轴一起回转的传动机构。 典型机械动密封结构如图1 1 所示，由于其具有工作可靠、泄漏量少，使用寿命长以及 适用范围广等优点，在化工、制药、航空航天、军事等领域得到了广泛的使用。 泄漏是机械密封的主要失效形式之一，机械密封的可能泄漏途径有1 肚1 5 】： ( 1 ) 密封端盖与密封腔体的辅助密封圈处泄漏。此处密封为静密封。 ( 2 ) 动环与轴的辅助密封圈处泄漏，和静环与密封压盖的辅助密封圈处泄漏。这两处 辅助密封面是决定机械密封密封性和动环追随性的关键。特别是动环与轴之间的辅助密封 圈，工作时会随动环在轴套上移动，因此对密封圈的特性要求很高。波纹管型机械密封不 需要在轴与动环之间通过辅助密封圈防止泄漏。因此，在高温或低温场合常常采用波纹管 机械密封，以避免辅助密封圈的失效带来严重事故。 ( 3 ) 动环与静环密封端面处泄漏点。动环与静环贴合形成的密封端面是机械密封的主 2 浙江工业大学硕士学位论文 要密封面，是决定机械密封摩擦、磨损和密封性能的关键，也是决定其工作寿命的主要因 素。据统计，机械密封的泄漏大约有8 0 9 5 是由于密封端面的密封副造成的。使用表 面较光滑的机械密封，并保证接触面的平行，是减小该处泄漏的主要措施。 l 一轴套；2 一轴套o 型圈；3 紧定螺钉；4 弹簧o 型圈；5 弹簧金波动环组件； 6 压盖垫片；7 压盖；8 静环组件；9 静环o 型圈：1 0 紧定螺钉； l1 驱动环；1 2 一限位块：1 3 圆柱头螺钉； 图1 1 典型机械密封示意图 机械密封之所以能够比其它各种密封方法更适合使用于石油化工等高要求的场合，是 因为与一般的密封方法相比，机械密封有着以下的很多优点【1 5 1 7 】： ( a ) 使用寿命长。我国目前机械密封的使用寿命基本在1 年左右，而国外机械密封使 用寿命一般在3 5 年； ( b ) 密封性能好。正常使用的机械密封可以达到非常少的泄漏量，这是机械密封与其 它密封方式相比的最大优点； ( c ) 功率损耗小。机械密封端面的接触面积小，摩擦功耗小。据统计，机械密封的摩 擦功耗仅为软填料密封的1 0 5 0 ； ( d ) 运动中不需要调整。由于机械密封靠弹簧力和流体压力使摩擦副贴合，在运转中 自动保持接触，装配后不需要像普通软填料密封那样调整和压紧； ( e ) 抗震性好。缓冲补偿机构缓减了机械密封的振动； ( f ) 适用范围广。机械密封能应用于低温、高温、真空、高压、不同转速以及各种腐 蚀性的、含有杂质的介质中； 3 浙江工业大学硕士学位论文 机械密封也存在一些缺点： ( a ) 安装和更换比较麻烦，需要培训有一定技术水平的工人来操作； ( ”结构复杂，对设计、加工的要求很高； ( c ) 发生故障时维修处理比较麻烦，且较耗时间； ( d ) 价格高； 1 2 2 机械密封的生产概况 从本世纪初，机械密封已经获得了非常广泛的应用和发展。1 8 8 5 年，在英国首先有人 申请了机械密封的专利，并在1 8 9 0 年用于轴承密封。1 9 2 0 年，机械密封开始在制冷压缩 机和内燃机冷却水泵上获得了数量较多的应用。1 9 2 0 年，美国的e g & g s e a l o l 公司率 先研制出了平衡型机械密封1 8 】。第2 次世界大战前后，机械密封技术有了较快的发展，机 械密封的使用参数有了很大的提高。1 9 5 7 年美国e g & g s e a l o l 公司率先研制出焊接金 属波纹管机械密封。机械密封开始获得了更加广泛的应用，美国、西欧、日本、苏联等国 家都开始正规的生产机械密封。在石油工业中规定炼油厂、泵厂和油轮必须使用机械密封。 近几十年来，随着原子能、宇航、核电工业的发展，人们环境保护意识的加强，机械密封 技术达到了较高的水平。新技术、新材料、新产品不断出现，机械密封也开始在各行各业 广泛使用。 我国自从5 0 年代末期，兰州炼油厂开始研制泵用机械密封的配件以来，机械密封技术 也获得很大的发展。特别自8 0 年代以来，我国主要机械密封厂相继引进了美、英、日本和 德国的先进机械密封技术，使我国机械密封技术水平迅速提高。 近l o 年来，随着计算机技术的发展，开始利用有限元分析法( f e a ) 和计算机辅助设 计( c a d ) 来模拟和预测各种条件下的密封性能，并通过选择合理的目标函数而得到针对 某一具体工况下机械密封的优化结构参数；同时，应用先进生产设备和统计生产控制获得 了可靠性更高、工作寿命更长的零缺陷密封【1 9 ，2 0 1 。 随着机械密封技术的发展，各种新型机械密封的不断出现，使机械密封在生产中起到 了越来越重要的作用，其使用范围也越来越大。据调查，在石化工艺装置机泵中，有8 6 以上使用机械密封。国外爱克西翁公司的威尔在其文中提到，离心泵的维修费大约有7 0 是由于密封故障【2 1 2 4 1 。 我国主要的机械密封生产品种，按使用设备分有通用水泵用机械密封、轻型泵用机械 密封、热油泵用机械密封、耐酸泵用机械密封、耐碱泵用机械密封。从机械密封的结构来 4 浙江工业大学硕士学位论文 讲，包括单端面机械密封、双端面机械密封、经向双端面机械密封、弹簧型机械密封、焊 接金属波纹管机械密封和橡胶波纹管机械密封等。 机械密封技术的研究与发展是与流体力学、材料、机械工程等学科相关的，这些学科 的技术水平也必将推动机械密封技术水平的发展。机械密封技术水平近几年随着生产的发 展有了很大提高，但是与国外相比还是存在一定差距，主要表现在以下几方面： ( 1 ) 基础研究工作薄弱。 ( 2 ) 机械密封制造企业加工装备落后。 ( 3 ) 机械密封用材料性能差距大。 ( 4 ) 企业管理落后。 1 2 3国内外机械密封试验的主要研究内容 机械密封试验主要目的是研究各个因素对机械密封的密封性能和使用寿命的影响，从 而改善机械密封设计、生产和应用，从根本上提高机械密封产品整体质量和技术水平。因 此，国内外企业和研究机构开展机械密封试验研究的主要内容有【2 m 9 】： ( 1 ) 研究不同的温度、压力和转速等对机械密封性能和使用寿命的影响。 ( 2 ) 测量转矩，研究密封端面的摩擦功耗。 ( 3 ) 研究弹簧比压对机械密封密封特性和使用寿命的影响，保证机械密封在最佳弹簧 比压下工作。 ( 4 ) 测量机械密封的转轴、密封腔体或动环的跳动量，研究振动对机械密封性能和使 用寿命的影响。 ( 5 ) 测量密封端面的温度梯度、端面膜压和液膜厚度等，研究不同条件下密封端面 摩擦特性及其对密封特性和使用寿命的影响。 1 2 4国内外机械密封试验的研究现状 从上世纪六十年代始，研究者对密封的热效应即展开了实验研究。d e i u l y 【2 5 1 和o r c 眦【2 6 】 的实验结果表明密封端面间隙流体泄漏方向存在温升，并且温升幅度随着转速的增加而增 加。随后，t o u r n e r i e 等【2 刀得到了同样的结果，并通过改变操作参数，得到了流体膜及密封 端面温度场的变化规律。西方发达国家机械密封试验的技术已经达到比较高的水平，已经 形成了比较完善的试验系统。很多大企业，包括英国j o l l i lc m e 、美国f 1 0 w s e r v e 和日本e a g e l 等国际知名密封公司都有他们专门的实验中心，并引领着行业的发展方向。其中美国 5 浙江工业大学硕士学位论文 f l o w s e r v e 公司在新加坡建立的实验中心最具有代表性，测试用的密封腔体和管路都采用透 明的聚脂材料，并安装各种测试数据采集探头进行实验信号采集。 在国外，些专门用于实时监控机械密封工作状态的实验设备也被开发出来。比如意 大利某公司利用微处理器设计了一台多功能机械密封试验设备s e a l s a 传，该设备支持实时检 测和调节机械密封腔内介质温度和压力，定时测量密封端面的泄漏量，并且可以将采集的 数据进行分析和处理，并根据这些数据调节机械密封转速、温度和压力等，从而保持其良 好的工作状态【2 引。 a w c h e s t e r t o nc o 的工程师们在虚拟机械密封试验方面有很大的贡献，他们利用 计算机仿真方法建立了机械密封的模型，突破了试验条件的限制，并且利用流体仿真软件 制作了密封腔内的流体动力场和温度场，然后让机械密封数字模型在计算机的控制下工作 起来，并可以很方便地分析其各种参数，并且预期可能会出现的问题【2 9 1 。该项技术被广泛 用于c h e s t e n o n 的多种机械产品设计过程中，取得了很好的效果，但计算机模拟的方法毕竟 与实际情况下有很大的区别，该方法不能代替试验台在型式试验和出厂试验时的作用。 在我国，计算机仿真测试技术在机械密封试验及研究上也得到广泛应用，廖和滨等【3 1 】 将有限元的分析方法应用在机械密封试验上，他们尝试利用a n s y s 建立某机械密封温度场 和应力场的模型，以分析温度和压力对机械密封的影响。同时搭建了机械密封试验台进行 试验，测量温度和压力变化并进行分析，最后将两个过程中分析的结果进行对比和验证。 机械密封测试技术的研究主要还是局限于某些大学和大公司的研究所，其中一些石油 化工类学校在机械密封的试验和研究方面做出了巨大贡献。而大部分大学的研究主要局限 于用m a t l a b 和c 语言等编程软件建立密封温度场和应力场的模型，以分析温度和压力对机 械密封的影响，而实际开展机械密封实验的研究并不多。在不断的应用、实践、研究以及 与国外先进技术的交流和引进过程中，我国机械密封技术也得到了较快的发展，并逐步缩 小与世界先进水平的差距。 与国外一样，我国也有一些企业和大学研究机构对机械密封端面信息的采集进行了多 方面的研究。胡小云等【3 2 】将机械密封端面信息分为静态信息( 主要是机械密封端面摩擦副 材料信息、封端面几何信息) 和动态信息( 温度信息、摩擦状态信息、扭矩信息) ，并通 过电偶式温度传感器和扭矩传感器，获取在不同工况下的端面信息，并分析它们对机械密 封性能和使用寿命的影响。蔡晓君等f 3 0 ，3 3 1 首先对变工况下机械密封动环端面状况作了理论 分析，然后搭建变工况机械密封试验台，通过在试验台介质出口安装调压溢流阀调节腔内 压力，通过加热棒加热水箱温度进行腔内温度调节，以此模拟变工况机械密封的工作环境， 6 浙江工业大学硕士学位论文 然后开发软件进行数据采集，最后将采集的数据进行处理，得到动环端面轴向位移随温度 和压力变化的规律。 国内一些高校的研究机构通过搭建专用的试验平台来研究温度、压力、转速和振动等 因素对机械密封性能和使用寿命的影响。赵增顺等【3 6 l 为研究高参数热流体动压机械密封的 性能，设计了高参数机械密封试验台，并改进了供油系统、数据采集的硬件设施，并开发 了相应的测试软件，以研究在高参数工况下压力、主轴转速、弹簧比压、配对材料等因素 对热流体机械密封性能的影响。魏龙等【4 】在研究g y 型机械密封性能时搭建了机械密封试验 台，在实验台上安装测漏传感器，扭矩传感器等传感器获取端面泄漏量和端面摩擦功耗信 息。利用单片机构建数据采集系统，并将处理后的数据通过r s - 2 3 2 接口送入微型计算机 处理，通过设定不同的机械密封工作条件进行多组试验，分析它们对机械密封泄漏量与摩 擦功耗等的影响。同时他们还引入分形理论分析了弹簧比压对平衡型机械密封泄漏率和端 面摩擦特性的影响。m a y e r 【3 8 】提出了用于重载场合的端面开有弧形循环槽的机械密封结构， 由于弧形槽具有泵吸作用，因此密封环边缘得到了良好的冷却，同时弧形槽具有排除杂质 的能力，其在密封端面上对称循环分布，与转向无关，工作十分可靠。m a y e r 在大量实验 的基础上对其密封机理进行了阐述。实验结果表明，随着密封面上载荷与滑动速度的提高， 此类密封摩擦系数反而减小。通过实验验证和现场的应用，证明这种密封具有高的可靠性。 国内学者关雅贤、李松虎等【3 9 】对圆弧槽机械密封也进行了相关实验研究，得出的结论与 m a v e r 相同。 1 3 本论文的主要研究内容 在我国，机械密封实验设备主要存在于大的密封生产企业和大的研究所及高校。由于 机械密封种类繁多，使用目的不同，所以要根据不同的对象有目的开发机械密封实验台， 以满足实验的要求。 本实验台主要用来确定理论研究与实际数据的统一，对理论所得出的数据做进一步的 验证，以便于研究人员对机械密封做进一步的分析。 论文主要研究的内容有： 说明了实验台的设计要求，确定了实验台的设计方案，将实验台划分为机械本体部分 和测试部分。并详细说明了机械密封实验台机械本体的主要组成和实现方法。 阐述了测试部分的组成；测试部分分为电气部分和计算机软件部分，其中重点说明了 电气部分的转速调节装置。并给出了现场采集传感器的主要选型原则，并完成了数据采集 7 浙江工业大学硕士学位论文 设备的选型以及温度、压力，转速等传感器的选型。 根据测试系统的要求，提出了测试系统的设计方案，采用虚拟仪器的开发方法，以 l a b v i e w 8 2 为软件开发平台，以u s b 接口的数据采集卡r b h 8 2 5 8 为下位机，设计并实现了 上下位机的通信，实现了系统自动控制、数据采集、实时显示( 文本和连续波形显示) 、 数据存储以及历史数据查询功能。并详细说明了软件开发的流程和具体的实现过程。 最后，对机械密封实验系统进行了初步测试，并对实验的结果做简要的分析，进一步 验证了实验设计的可靠性和可行性。 8 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章实验台设计方案和机械台架的设计 2 1 引言 机械密封装置主要用于机械密封的型式试验和机械密封的研究开发。型式试验是在一 定的试验条件下，测试机械密封产品是否达到规定性能指标的实验。研究开发的目的是通 过试验，研究一定工况条件下机械密封的最佳工作参数、结构等，探索机械密封工作机理。 具体表现在服务于理论研究、产品开发和工程应用。 结合实际的需要及密封行业的发展需求，符合国家标准的机械密封试验方法要求， 提出了满足不同试验任务的需要，性能可靠的机械密封试验方案。 2 2 系统总体设计方案的确立 2 2 1机械密封实验台总体设计要求 图2 1 系统整体流程图 对于机械密封特别是非接触机械密封而言，开启和停车阶段密封端面的摩擦磨损是导 致密封失效的主要原因之一，这要求实验台能够模拟不同速度和不同介质等复杂工况条 件，并根据国家标准机械密封试验方法【3 4 1 ，整个机械密封实验系统的工作和控制流程 如图2 1 所示，其主要功能要求包括： ( 1 ) 实验装置具有通用性，能够模拟不同的机械密封不同工况下现场工作情况，转速 可调节范围是晰o o om m 。 ( 2 ) 可以进行不同液体介质密封试验。 ( 3 ) 试验台密封腔内介质压力可调，以模拟不同压力状态下的机械密封工作状况。根 据试验的要求，压力可调节范围是s 1 5 m p a ，并要求长时间实验时的密封压力稳定。 9 浙江工业大学硕士学位论文 ( 4 ) 试验系统可以提供温度、压力、转速、摩擦转矩、膜厚等多参数测量功能，并具 备实验数据的采集、存储和控制功能。 2 2 2 实验系统总体设计方案的确定 根据系统设计要求，整个机械密封实验系统总体方案设计如图2 2 所示，由机械本体、 测试电气部分和软件系统三部分组成。 机械密封实验台 实验台机械本体部分 密 封 腔 传 动 机 构 介 质 压 力 调 节 装 置 介 质 温 度 调 节 装 置 端 面 泄 漏 收 集 装 置 测试部分 电气部分 转 速 调 节 装 置 系 统 供 电 部 分 图2 2 系统总体方案图 现 场 信 号 采 集 模 块 数 据 采 集 卡 辅 助 测 试 系 统 软 件 机械部分的主要功能是模拟机械密封工况环境的模拟和测量功能的实现，其主要功能 包括密封试件运动、密封压力调节、密封介质供给等。 测试电气部分的主要功能是实现对速度的控制、测试信号采集等，主要包括： ( 1 ) 转速调节装置，实现机械密封试验转速可调功能。 ( 2 ) 信号采集模块，主要是温度、压力、转速、密封间隙等现场传感器。 ( 3 ) 数据采集卡，i o 接口设备，进行信号的采集并且和上位机软件进行通信。 测试系统软件，是指系统的上位机软件，软件部分实现了数据采集、数据处理、数 据存储以及历史数据查询等功能。 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 机械密封实验台本体的设计 图2 3 是机械密封实验台机械本体部分组成示意图。实验台机械本体主要由电机、扭转 仪、轴承箱和密封腔组成，并包括供液压力辅助系统。根据不同的密封实验测试要求，可 加装温度、压力、密封间隙等传感器，实现不同功能密封实验测试【3 孓舶】。 2 l 1 支架；瑚液口；3 一密封腔；纠验介质入口；纠验介质出口；仁压力表； 7 一主轴；8 、l o 一联轴器；9 扭矩转速传感器；1 1 一电机；1 2 一液压泵站； 图2 3 机械密封实验台机械本体部分 为了减小试验中电机转动和负载运行所引起的整个试验台架的震动，所以在整个系统 中，系统支架采用三角架连接型，以提高整个系统的刚度，避免系统由于震动频率过低导 致的启动过程中的共振现象。 2 3 1动力系统的设计 如图2 3 所示，整个动力系统由电机、联轴器等组成，实现机械密封试件的运动功能。 设计中，采用变频技术进行电机转速的调节，实现实验系统的转速调节功能4 3 川】。因 此，实验台选用南京中科机电有限公司生产的w f 系列的变频调速三相异步电机。w f 系 列变频调速电动机是一种交流、高效、节能型调速电动机，与变频器配合使用，是机电一 体化的调速新产品，具有噪音低、振动小、起动力矩大、起动电流小，结构简单、运行稳 定、使用可靠、维护方便、运用范围广等特点。能在5 1 0 0 h z 甚至更宽的范围内平滑无级 调速，单独装有轴流风机，在不同转速下均有较好的冷却效果。 根据转速参数调节要求，具体选用w f l 8 0 l 6 型号的三相异步电动机，w f l 8 0 l 6 型号的三相异步电动机恒转矩变频范围是2 5 0 h z ，恒功率变频范围5 0 1 0 0 h z ，其它主 要技术参数如下表2 1 所示。 l l 浙江工业大学硕士学位论文 表2 1 y v f l8 0 l 6 型号的三相异步电动机的主要技术参数 额定功率1 5 k w 额定频率 额定电压 额定电流 额定转矩 5 0 h z 3 8 0 v 3 4 6 a 3 4 7 a 2 3 2 密封腔的设计 以多弹簧，平衡型机械密封为例设计密封腔4 1 4 2 1 ，图2 - 4 所示是密封腔结构及安装示 意图。为减小主轴长度，减低主轴转动误差，设计时