（机械制造及其自动化专业论文）机械密封气密性智能检测系统的研究与开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要y 3 6 8 5 9 本论文主要围绕机械密封气密性智能检测系统研制开发进行的。f 通过对机 械密封气密性检测方法的研究，确立了以智能差压传感器系统为检测信号来源， 卣工控机、可编程控制器和执行元件组成的上下位机检测系统。，) 本论文首先介绍了计算机辅助智能检测技术发展状况和涉及的相关技术， 接着分析了机械密封失效形式和机械密封气密性检测的现状。( 并提出了本论文 所要完成的主要工作。0 在第二章中，首先比较了压降法、流量法、氦气泄漏检测法等“干式”气 瓷性检测方法的优缺点，分析了差压传感器检测法用于机械密封气密性检测的 可行性。在此基础上， 提出差压传感器检测法作为系统的检测方法。通过对机 械密封气密性检测工艺的分析，确定了检测系统的工作流程和总体设计方案。 在第三章中，介绍了组成系统硬件的工控机、可编程控制器和p c i 总线的 特点，以及系统硬件组成。根据本系统的需要，设计了几种控制模块。1 在第四章中，主要设计了机械子系统的方案和各机构结构方案。 在第五章中，介绍了智能传感器系统的优点和系统组成结构。银据本系统 的特点，提出了智能传感器工作站的概念，设计了针对机械密封气密性检测的 智能差压传感器系统工作站和系统软硬件方案。，) 在第六章中，咐论了系统软件总体设计方案划分了系统软件功能模块， 介绍了检测系统流程管理、上下位机之间通讯和检测系统数据库设计。 f 第七章对本论文的工作进行了总结，同时对系统的改进方向进行了展望。l 塑坚丕兰堕主羔兰l 堡二蔓一 a b s t r a c t t h em a i nt o p i co f t h i sp a p e ri sa b o u tm a c h i n e s e a l s i ti sb a s e do nd e v e l o p m e n to fs y s t e mo f i n t e l l i g e n tc h e c k i n ga i r t i g h t b y r e s e a r c h i n g m e t h o do fm a c h i n es e a l sa i r t i g h ta v a i l a b i l i t y , i n t e l l i g e n t d i f f e r e n t i a l p r e s s u r e s e n s o rs y s t e m a s o r i g i n o fc h e c k i n g s i g n a n dd i s t r i b u t e d f r a m e w o r kc h e c k i n gs y s t e mc o m p o s e db yi n d u s t r yc o n t r o lm a c h i n ea n dp r o g r a m m i n ga v a i l a b l e c o n t r o l l e ra n de x e c u t i o nc o m p o n e n t i se s t a b l i s h e d f i r s t l y , t h ep a p e ri n t r o d u c e sd e v e l o p m e n t o fc o m p u t e ra i d e di n t e l l i g e n tc h e c k i n gt e c h n o l o g y a n do t h e rt e c h n o l o g i e si n v o l v e d ，a n dt h e na n a l y z e si n v a l i df o r mo fm a c h i n es e a l sa n dp r e s e n t s i t u a t i o no f c h e c k i n gm a c h i n es e a l sa l r t i g h t ，a n dp u t sf o r w a r dt h em a i nw o r k o ft h i sp a p e rw h i c h s h o u l db e c o m p l e t e d i nc h a p t e rt w o ，t h em e r i t sa n dd e m e r i t so fd e p r e s s u r i z i n gm e t h o da n dm e t h o do ff l u xa n d h e l i u m l e a k a g ec h e c k i n g m e t h o dt h o s en a m e da s d e h y d r a t i o nm e t h o do fc h e c k i n ga i r t i g h t a v a i l a b i l i t y i s c o m p a r e d a v a i l a b i l i t y o fd i f f e r e n t i a l p r e s s u r e s e n s o r c h e c k i n g m e t h o du s e d c h e c k i n gm a c h i n es e a l sa i r t i g h ta v a i l a b i l i t yi sa n a l y z e d b a s e do nt h i s ，t h em e t h o do f d i f f e r e n t i a l p r e s s u r es e n s o rc h e c k i n gm e t h o da s m e t h o do fs y s t e mi s p r e s e n t e d b ya n a l y s i so fp r o c e s so f c h e c k i n gm a c h i n es e a l sa i r t i g h ta v a i l a b i l i t y , w o r k - f l o wo f c h e c ks y s t e ma n ds c h e m eo fs y s t e mi s e s t a b l i s h e d i n c h a p t e rt h r e e ，c h a r a c t e r i s t i c o fi n d u s t r yc o n t r o lm a c h i n ea n dp r o g r a m m i n ga v a i l a b l e c o n t r o l l e ra n db u so fp c it h o s ec o m p o s e ds y s t e mh a r d w a r ea n dc o m p o s eo fs y s t e mh a r d w a r ei s i n t r e d u c e d i nc o r d i n gt ot h en e e do f s y s t e m ，s e v e r a lh a r d w a r ec o n t r o lm o d u l ei sd e s i g n e d i nc h a p t e rf o u r , s c h e m eo fm a c h i n es u b s y s t e ma n ds c h e m eo f c o m p o n e n t so f m a c h i n es u b s y s t e m i sd e s i g n e d i nc h a p t e rf i v e ，m e r i t so f i n t e l l i g e n ts e n s o rs y s t e ma n ds t r u c t u r ei si n t r o d u c e d i nc o r d i n gt o c h a r a c t e r i s t i co fs y s t e m ，c o n c e p to fi n t e l l i g e n ts e n s o rw o r k s t a t i o ni s p r e s e n t e da n di n t e l l i g e n t d i f f e r e n t i a lp r e s s u r es e n s o rs y s t e mw o r k s t a t i o nf o rc h e c k i n gm a c h i n es e a l sa i r t i g h ta v a i l a b i l i t ya n d s o f t w a r e h a r d w a r es t r u c t u r ei sd e s i g n e d i nc h a p t e rs i x ，s c h e m eo fs y s t e ms o f t w a r ei sd i s c u s s e d s y s t e mf u n c t i o nm o d u l ei sd i v i d e d m a n a g e m e n to fc h e c k i n gs y s t e mf l o wa n dc o m m u n i c a t i o no fa b o v e - l o w e r - c o m p u t e ra n dd e s i g n o f s y s t e md a t a b a s ei si n t r o d u c e d i nc h a p t e rs e v e n ，t h e w o r k o f d i s s e r t a t i o n i ss u m m a r i z e da n d p r o s p e c to f d i r e c t i o n o fs y s t e m i m p r o v e di sp r e s e n t e d 塑堑盔堂夔主堂堡垒三王一 第一章绪论 1 1 问题的提出及研究本课题的意义 当我们走进机械或化工车间、试验室，常常看到满地是油污，处处在漏气， 造成这方面的原因是密封质量不好引起的。在现代工业设备中，广泛使用各种 各样的密封装置，密封件的性能是影响产品性能的重要因素之一。密封件的泄 漏直接影响机器或系统的可靠性、经济性与整机性能，导致机器失灵、运行异 常、效率降低、寿命缩短、油料浪费和环境污染等问题，对潜水电泵用机械密 封泄漏而言轻则烧毁电机，重则会造成人员伤亡事故。为此国内外都投入大量 的人力、物力进行机械密封件密封性能的检测研究。 传统的气密性检测方法采用没水式泄漏检测法，又称“湿式法”，即在被检 工件的密封腔内充入一定压力的气体，然后浸入水中或油中一段时间，由人工 观察是否有气泡产生。并由人工判断工件的泄漏是否在容许的范围内。这种方 法简单、直观、投入少且容易实现，为大多数需要进行气密性检测的厂家所采 用。杭州斯莱特泵业有限公司是家中美合资企业，它的前身杭州水泵厂是国 家二级企业，它所生产的潜水电泵在我国具有很高的知名度，其中的关键部件 机械密封的检测就是采用“湿式法”检验的。但“湿式法”存在不少缺点： 、工件必须浸入水中才能进行检测，工件容易生锈，如果用油来代替水， 这就会提高检测成本。 二、检测结果易受操作人员个人能力的限制，难以严格控制产品质量。尤 其对气密性要求严的工件，很容易造成漏检。 三、作业环境恶劣，工人双手每日必须长时间浸泡在水或油中，容易造成 身体伤害。而且工人还需不断重复地把工件从液体中搬进搬出，劳动强度大。 四、由于主要依靠人工观察、判断，无法代之以自动检测，不能满足现代 化生产的需要。 由于存在上述缺点，杭州斯莱特泵业有限公司现在不敢接受外方机械密封 定单加工。用“干式法”检测密封件泄漏成为密封检测技术需要解决的问题。7 0 年代以来国外有些场合已采用“干式法”代替传统的“湿式法”，国内也在着手 这方面实用化研究。 随着计算机技术、传感器技术等的飞速发展，改变传统的机械密封检测方 法，代之以先进的机械密封智能检测已成为可能。受杭州斯莱特泵业有限公司 委托9 8 年我们开始了机械密封检测方法的研究，提出了一套机械密封气密性 智能检测系统方案，9 9 年4 月通过杭i l , i 斯莱特泵业有限公司评审。 通过对机械密封气密性智能检测方法的研究，对提高我国机械密封产品的 塑坚盔堂堡主竺垡j 垒蔓| _ 质量、检测自动化水平、提高劳动生产率、降低成本、增加我国机械密封产品 在国际市场的竞争力都有深远的意义。 1 2 计算机辅助智能检测技术 1 , 2 1 检测技术的发展 检测技术的发展是与现代工业的发展、科学技术的进步密切相关的。检测 水平的提高促进了生产和科学技术的发展，而检测技术的发展又依赖于科学技 术的不断进步，两者相辅相成，从而促进工业技术不断向前发展。 一 随着生产和科学的发展，检测技术经历了三个主要发展阶段： 一、人工检测 人工检测是指人使用测量工具和测量仪器所完成的检测方式。人的动作器 官、感觉器官、思维器官参与测试的全过程。由于人的主观能动性，使人工检 测具有良好的灵活性和适应性，且设备投入较少；但由于劳动强度大和入主观 判断差异上的影响，使质量和经济性受到了一定限制。人们也曾设计制造了一 些机械装置替代人的部分劳动，但在检测判断上还离不开人的感觉器官和思维 器官。这种检测方式往往满足不了高速度，高精度和高效率的检测要求。 二、自动检测 自动检测即人的劳动被测量装置所取代进行的检测，在自动装置控制下， 由传感器或变送器将被测量进行必要而有效的处理，自动显示和记录。自动检 测提高了检测的准确性、可靠性和效率。但自动检测装置通用性差，系统灵活 性和柔性都较差。只适用于简单的大量重复性的检测工作。 三、计算机辅助检测 计算机辅助检测，也称为计算机辅助测试即c a t ( c o m p u t e ra i d e dt e s t ) 。计 算机辅助测试系统用计算机及其外部设备取代人的动作和感觉功能，还具有人 的部分思维能力，以计算机为主体完成测试全过程。 四、计算机辅助智能检测 计算机辅助智能检测是在计算机辅助检测的基础上，运用微电子等硬件技 术和模糊技术、神经网络等软件技术使检测系统具有自适应、自学习等智能化 功能，保证检测系统具有更高的可靠性、稳定性和检测精度。它既能适应大批 量工件的检测，也能适应小批量、多品种的现代生产方式的需要。计算机辅助 智能检测代表了检测技术的发展方向，是检测技术今后研究的重点。 1 2 2 计算机辅助智能检测技术的定义 堑至查堂堡三二一堂j 曼兰 _ 墨一 计算机辅助智能检测技术是在大规模集成电路和微型计算机为代表的微电 子技术高度发展，并向传统机械工业领域迅速渗透、机械电子技术深度结合的 现代工业基础上，终合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、信息技术、 传感测试技术、电力电子技术、信号变换技术、模糊技术、神经网络技术以及 软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织结构目标，合理布置 机械本体、执行机构、动力驱动单元、传感测试元件、微电子信息接收、分析、 加工、处理、生产、传输单元和线路，以及接口元件等硬件元素，并使之在软 件程序和微电子电路逻缉的有目的的信息流向导引下，相互协调，有机融合和 集成，形成物质和能量的有序规则运动，在高功能、高质量、高可靠性、低能 耗的义意上实现特定检测功能，同时还具有自诊断、自适应、自学习、自我完 誊功能的系统工程技术。 1 2 3 计算机辅助智能检测系统的基本结构要素 一个较完善的计算机辅助智能检测系统，应包括以下几个基本要素：机械 本体、动力部分、测试传感部分、执行机构、驱动部分、控制及信息处理单元， 各要素之间通过接口相联系。 一、机械本体系统所有功能元素的机械支持结构，包括机身、框架、机 械联接等。由于自动检测产品技术性能、水平和功能的提高，机械本体要在机 械结构、材料、加工工艺性以及几何尺寸等方面适应产品高效、多功能、可靠 和节能、小型、轻量、美观等要求。 二、动力部分按照系统控制要求，为系统提供能量和动力，使系统正常 运行。用尽可能小的动力输入，达到系统所需的要求。 三、测试传感部分对系统运行中所需要的本身和外界环境的各种参数及 状态进行检测，变成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析、处理后产 生相应的控制信息，其功能一般由专门的传感器和仪表完成。 四、执行机构根据控制信息和指令，完成要求的动作。执行机构是运动 部件，一般采用机械、电磁、气液等机构。根据检测系统的匹配性要求，须要 考虑改善性能，提高刚性，减轻重量，实现模块化、标准化和系列化。 五、驱动部分在控制信息作用下提供动力，驱动各种执行机构完成各种 动作和功能。检测系统一方面要求驱动的高效率和快速响应特性，同时要求对 水、油、温度、尘埃等外部环境有较好的适应性和可靠性。由于几何尺寸上的 限制，动作范围狭窄，还需考虑维修和标准化。随着电力电子技术的高速发展， 将会有越来越新的驱动机构用于检测系统。 六、控制及信息处理单元将来自各传感器的检测信息和外部输入命令进 行集中、储存、分析、加工，根据信息处理结果，按照一定的程序和节奏发出 一3 一 塑垩盔兰l 主羔笪j 垒里i _ 一 相应的指令，控制整个系统的运行。一般有计算机、可编程控制器( p l c ) 、数 控装置以及逻辑电路、a d 与d a 转换、i o ( 输入输出) 接口和计算机外部 设备等组成。检测系统对控制和信息处理单元的基本要求是：提高信息处理速 度和可靠性，增强抗干扰能力，以及完善系统自诊断功能，实现信息处理智能 化。 1 2 4 计算机辅助智能检测系统所涉及的相关技术 计算机辅助自动检测系统是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制 技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统 1 程。 一、机械技术 机械技术是检测设备的基础。随着高新技术引入机械行业，机械技术面临 着挑战和变革。在检测设备中，它不再是单一地完成系统间的连接，而是在系 统结构、重量、体积、刚性与耐用性方面对检测系统有着重要的影响。机械技 术的着眼点在于如何与其它相关技术相适应。利用其它高新技术来更新概念， 实现结构上、材料上、性能上的变更，满足减轻重量、缩小体积、提高精度、 提高刚性、改善性能的要求。 经典的机械技术应借助于计算机的辅助技术，同时采用人工智能与专家系 统等，形成新代机械制造技术。 二、计算机信息处理技术 信息处理技术包括信息的交换、存取、运算、判断和决策，实现信息处理 的工具是计算机，因此计算机技术与信息处理技术是密切相关的。计算机技术 包括计算机的软件技术和硬件技术、网络与通信技术、数据库技术等。 在经典一体化系统技术中，计算机与信息处理部分指挥整个系统的运行。 信息处理是否正确、及时，直接影响到系统工作的质量和效率，因此计算机应 用及信息处理技术已成为促进检测技术发展和变革的最活跃因素。 人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术等都属于计算机信息处理技 术。 三、系统技术 系统技术就是以整体的概念组织应用各种相关技术，从全局角度和系统目 标出发。将总体分解成相互有机联系的若干概念单元，以功能和单元为子系统 进行二次分解，生成功能更为单一的子功能与单元。这些子功能和单元同样可 继续逐层分解，直到能够找出一个可实现的技术方案。深入了解系统内部结构 和相互关系，把握系统外部联系，对系统设计和产品开发十分重要。 接口技术是系统技术中的一个重要方面，它是实现系统各个部分有机连接 塑堑查兰一塑- 二蔓羔上堕l 塞一 的保证。接口包括电气接口、机械接口、人一机接口。电气接口实现系统间电信 号连接；机械接口则完成机械与机械部分、机械与电气装置部分的连接；人一机 接口提供了人与系统间的交互界面。 四、自动控制技术 自动控制技术范围很广，主要包括：基本控制理论；在此理论指导下，对 具体控制装置或控制系统的设计；设计后系统仿真、现场调试：最后使研制的 系统能可靠的投入运行。由于控制对象种类繁多，所以控制技术的内容极其丰 富，例如高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现、 检索等等。 由于微型机的广泛应用，自动控制技术越来越多地与计算机控制技术联系 在一起，成为检测系统中十分关键的技术。 五、传感与检测技术 传感与检测装置是系统的感受器官，它与信息系统的输入端相连，并将检 测到的信号输送到信息处理部分，传感与检测是实现自动化的关键环节，它的 功能越强，系统的自动化程度越高。 随着自动化领域的不断扩展，需要测量的参量日益增加，对传感器进一步 提出了数字化、智能化、标准化的紧迫要求， 智能技术代表了传感器技术的发展方向，智能传感器系统已逐渐成为检测 装置首选设备。 六、伺服传动技术 伺服传动包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置，由微型计算机通 过接口与这些传动装置相连接，控制它们的运动，带动工作机械做回转、直线 及其它各种复杂的运动。伺服系统是实现电信号到机械动作的转换装置与部件， 对系统的动态性能、控制质量和功能具有决定性的影响。常见的伺服驱动执行 器有电液马达、脉冲油缸、部进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等。 1 3 机械密封检测研究发展现状 1 3 1 机械密封泄漏情况分析 为了适应各种不同场合不同设备的需要，机械密封现已发展出了多种结构、 不同系列密封产品，潜水电泵用机械密封为双端面非平衡型机械密封，图1 为 此种机械密封典型结构。 当轴套在电机轴带动下旋转时，两动环在弹簧力作用下，紧贴静环相对滑 动，由于两密封端面具有良好配合，这样就使被密封介质无法从此泄漏出去， 加上动、静环辅助密封，就成为一个良好的密封装置。 塑坚盔堂吐兰l 垒_ 三生一 从图中我们可以看出，当动、静环配合端面质量不好，动、静环辅助密封 不良、轴套密封配合不符合规定，机械密封就会失效。 对一个待检机械密封，产生泄漏的主要原因有： 1 动、静环端面加工质量达不到规定要求； 2 静环的材质不良； 3 动环的镶嵌质量不佳； 4 辅助密封圈的质量和尺寸达不到规定要求； 5 其它零件的加工质量达不到规定要求。 造成机械密封泄漏的原因还与操作者的安装操作也有一定关系，它包括安 装尺寸的计算，动、静环端面的清洁、密封安装后是否有扭动、浮动性是否良 好等都有不同程度的影响。 1 、1 1 静环辅助密封2 、1 0 静环3 、9 动环4 、8 动环辅助密封 5 ，弹簧6 拔叉机构7 轴套1 2 轴套密封环 图1u u 4 0 3 型潜水电泵用机械密封 1 3 2目前国内外机械密封检测状况 自从1 8 8 5 年机械密封在英国出现以来，机械密封已从当初结构简单，使用 条件要求苛刻向大型化、高参数、节能型方向发展。机械密封的检测也从原始 向现代化发展。 为了提高机械密封质量，我国早在7 0 年代就制定了机械密封部颁检测标 准，并随着机械密封设计制造的更新而不断更新，目前已发布了9 9 版标准。根 据机械电子工业部颁标准j b t 4 1 2 7 3 - 1 9 9 9 机械密封产品验收技术条件规 定，潜水电泵机械密封出厂时必须做气密性检测，检测压力为工作压力的1 2 5 倍，检测流体为清水或油，保压5 分钟无气泡的机械密封方为合格产品。国内 生产机械密封的厂家都根据标准要求，制订相应的检测规范。 早期，由于检测技术落后，机械密封件气密性检测方法大都采用没水检测 法和涂肥皂水法，这两种方法操作简单、方便，对设备要求很低，到目前为止 仍被广泛采用。但其缺点是效率低、精度低、劳动强度大，不能适应现代化生 产的要求。随着检测技术的发展，真空法、流量检测法、压降法等检测方法被 研究用于机械密封气密性检测，这些方法在检测精度方面比没水检测法有了明 显地提高，但是，真空法所需设备要求较高、检测过程繁琐，只能适合实验室 应用或对单个大件的应用，不适应象机械密封件这样小件的大批量检测；而保 压法仅适合实验压力较低，且精度要求不高的场合：流量检测法采用闭环结构， 除结构复杂外，响应速度太慢而难以满足高效率计算机辅助检测的要求。国外 在气密性方面也有不少成熟的产品。如已应用于冰箱压缩机密封检测上的氦气 泄漏检测法，在检测精度和泄漏定位方面有着诸多独特的优点。 近年来，随着传感器制造技术的发展，许多先进的检测手段不断被用于机 械密封检测，一种高精度、微差压传感器受到高度重视，国内外不断有报道被 用于气密性检测的实例。如天津自动化仪表成套设计所研制的“密封件泄漏检 测装置微机控制系统”、华中理工大学研制的“微量泄漏检测仪”、南京常青测 控技术公司开发的“k i l - 1 0 0 0 型空气微泄漏检测仪”以及中科院合肥智能机械 研究所高技术开发公司研制开发的“z c 系列智能测漏仪”等都是采用差压传感 器作为检漏方法，这些检测设备有的用于汽车水箱气密性检测，有的用于阀门 等密封件检测。但由于存在这样那样的问题，目前我国机械密封行业还是普遍 采用手动或半自动方式作为产品出厂检验手段。 虽然对机械密封件的气密性检测，国内外学者和研究机构都做了许多相应 的研究工作，但分析起来，尚存在下述问题： 1 、缺乏经济、适用的检测手段和方法。要么精度不高、要么设备复杂，价 格昂贵，很难在一般性加工企业中得到推广应用。 2 、缺乏对机械密封微泄漏系统的合理的评价指标和分析方法。目前的检测 方法仅仅检测出其泄漏量和泄漏点，对整个系统包括管道、阀门、密封件、检 测系统及仪器等缺乏合理的评价理论和评价指标。 3 、目前国内被检测工件的装夹大多是人工的或半自动的，劳动效率低下， 自动化装夹系统不完善。 4 、检测系统智能化水平低下。目前虽然有一些带微机的检测仪器和系统， 但其仅仅在测量数据的处理、数字显示、检测状态选择等方面作了部分研究， 在系统误差的自我校正、对工作环境参数变化的自适应性、采样数据的合理性 及专家系统与检测手段的有机结合等方面尚缺乏研究。 塑婆盔茎堡主兰垡堡苎一 1 4 本论文所研究的主要内容 机械密封气密性智能检测系统已与杭州斯莱特泵业有限公司签定合作协 议，并申报了浙江省重点课题，为了解决机械密封气密性检测过程存在的问题， 本论文主要进行以下几个方面的探讨： 1 、通过对气密性检测理论和方法的研究，在实验的基础上提出一套机械密 封气密性智能检测方法。 2 、通过对工控机在工业控制领域应用优点的分析，提出一套适合机械密封 检测的计算机软、硬件控制方案。 3 、设计被检对象装夹的自动化，可以减轻工人劳动强度，提高工作效率， 1 杲证装夹质量，减小人为因素的影响，保证检测质量，并能满足种类繁多、形 状各异的机械密封件气密性自动检测的需求。 4 、通过对智能传感器理论研究，结合本课题的需要，设计一套智能差压传 感器系统，从理论上探讨应用神经网络等信号处理技术，消除多参数状态下交 叉灵敏度的影响，从而保证多参数状态下对特定参数测量的分辨能力。 理。 第二章机械密封气密性智能检测 系统总体方案设计 2 1 检测装置功能要求 检测设备应以满足使用要求和保证生产率为前提，做到技术先进，经济合 一套好的检测设备应具有： 1 、良好的使用性能 ( 1 ) 运动平稳准确。具有足够的强度和刚度，能保持规定的运动精度。 ( 2 ) 可靠性高。设备在规定的条件下，在规定的时间内，完成或保持其 规定的工作能力称为可靠性。故障率越小，可靠性越高。 ( 3 ) 检测精度稳定。 ( 4 ) 使用维修方便，操作简单安全。 2 、合理的技术性能指标 ( 1 ) 具有一定的灵活性，能适应一定范围产品规格、品种变化的要求。 ( 2 ) 具有合理的自动化程度。要根据需要和可能性来综合考虑，不能脱 离具体条件而盲目追求先进性。 ( 3 ) 贯彻标准化、通用化和系列化。 ( 4 ) 结构简单，制造容易，成本低。 ( 5 ) 生产率高、效率高、能耗少。 ( 6 ) 材料节约。 3 、其它 ( 1 ) 减轻劳动强度，改善劳动条件，不污染环境，讲求技术美学，创造 文明生产条件。 ( 2 ) 留有发展的余地，需要改进时而不致造成全机废弃。 针对机械密封气密性检测，杭州斯莱特泵业有限公司提出如下要求： 能根据机械工业部颁标准j b t 4 1 2 7 3 - 1 9 9 9 机械密封产品验收技术条 件对公司内潜水泵用机械密封准确地进行气密性检测，工作压力为 1 m p a ； 能感知最小的压力变化为s p a ； 能进行径向、轴向两方向上的气密性检测： 能自动完成上料、装夹、充气、保压、检测、排气等一系列过程，并能 塑婆盔 兰堡 主一兰笪羔l 三王一 自动分拣合格品与不合格品，对不合格品还能区分径向或轴向检试不合 格，对径向试验不合格的还可进一步区分是上端泄漏还是下端泄漏； 能一次完成同种型号的十只机械密封的气密性检测，检测时间为3 分钟； 能测试轴径变化从2 0 5 0 m m 的各型号机械密封，夹具装拆简便； 能根据要求进行质量历史数据统计。 为了满足厂家要求，找出一种适合机械密封自动检测的原理，制定一个切 实可行的检测总体方案是本章所要研究的主要内容。 2 2 几种主要干式检测法工作原理 2 2 i 压降检测法原理 压降法是在被测工件内腔中充入一定压力的气体，如果内腔存在泄漏现象， 则经过一段时间后压力就会下降。比较压力的变化，可确定该工件是否有泄漏。 通过计算还可测定泄漏量的大小。图2 1 是这种方法的原理图。 图2 i 压降检测法原理图 如果将整个检测过程视作等温过程，则由理想气体状态方程可得 尸( 矿i 一炸) = ( 尸一a s ) v l ( 2 1 ) 式中尸一检测腔压力 矿t 一检测腔气体占有容积( 包括相应管线容积) 一检测压力状态下泄漏气体的容积 p 一两次检测压差 泄漏气体在一般情况下都是直接排向大气，在大气状态下有： p o v o = p a ( 2 2 ) 将式( 2 1 ) 代入式( 2 2 ) 并整理得： 回 甲 塑坚丕 堂 堡一主兰笪羔l _ 三l 一 a v 。= 尸。 ( 2 已知检测腔容积n ，只要测出检测时的大气压力及检测腔泄漏压力差p ， 代入式( 2 3 ) 就可测出被测件泄漏量a v o 。 对常用u u 4 0 3 型潜水泵用机械密封，测试腔的容积( 包括管路等) 大约为 2 0 0 毫升，若用这种方法测试o 1 毫升的泄漏( 约为一个气泡的体积) ，那么就 需检测约二千分之一的压力变化，就目前的压力传感器制造技术来说，还很难 达到此精度。这种方法只能用在精度要求不高的工件的气密性检测。 2 2 2 流量测量检测法原理 流量测量检测法是在被测工件腔内充以一定压力的气体，而工件又与充气 管路、电磁阀、流量计联结在一起。当压力平衡后，关闭电磁阀进气回路，如 果被测工件有泄漏存在，则串联在气路中的流量计将会检测到。图2 2 为流量 测量法工作原理图。 图2 2 流量检测法原理图 目前使用的流量传感器主要有节流式、容积式、涡流式、动量式、电磁式、 热式、超声波式、多相流式等许多种。其中涡流式流量传感器是近年来常用的 传感器类型，其流量计算公式为： g ：c 皂f 4 t o 式中c 为流量修正系数 尸。为测试系统稳压段压力 n 为测试系统稳压段温度 f 为检测管路临界截面积 浙江大学硕士学位论文 在绝热等熵的流体里，压力p o 和温度r o 是不变的，由上式可以看出，流量 g 与喷管临界截面积f 成正比。如果检测精度要求很高，则必然要求泄漏孔很 小，才能达到测量很小的流量，这就对测量仪表提出了很高的要求。由于实际 上很难制造这样高精度的流量传感器，所以这种方法也只能用于测量大泄漏工 件的场合。另一方面，这里还涉及到当测量泄漏很小时，气阻将很大，这就意 味着要达到最终值时就需要较长的时间，这对大批量工件测量来说，就显得很 不经济。 2 2 3 氮气泄漏检测法原理 这种方法的工作原理是把被检工件放在一个密封箱体中，将箱体及被检工 件抽成真空，然后将氦气充入被检工件内腔，通过氦气检测传感器就可测知工 件是否泄漏，以及工件的确切的泄漏点。每检测完一个工件后还得把密封箱体 内的氦气回收，再开箱取出工件。图2 3 是氦气泄漏检测法原理图。这种检测 方法具有很高的精度，可达到1 0 p am l s 。对气密性检测要求很高的工件， 这种方法是非常适合的。但这种检测方法除设备投入大外，运行检测费用也很 高，而且当箱体内残存的氦气去除不尽时，在定程度会影响检测精度。 图2 3 氦气泄漏检测法原理图 2 3 差压检测法原理和系统检测方案 2 3 1 差压检测法原理 塑婆盔兰夔主堂焦鲨二生一 从上一节可以看出：传统“湿式法”方法落后，压降法和流量测量法检测 精度低，而氦气泄漏检测法成本又太高，这些方法都不适应机械密封件的大批 量出厂检测。随着微电子技术、传感器制造技术的不断发展，对工件气密性检 测方法也不断丰富，一种高精度、微差压传感器正越来越多地被用于工件气密 性检测，目前国内外在这方面都有成功应用报道。 首先让我们从差压检测法原理来讨论此种检测方法用在机械密封气密性检 测系统中的可行性。 差压检测法的工作原理如图2 4 所示。在这个系统中，差压传感器两端分 别接被测工件工作腔及参考腔。工作时，压缩空气经电磁阀同时进入布置在差 压传感器两端的参考腔和工作腔，差压传感器采集两端压力变化，通过处理， 一就可精确测出泄漏量。 由2 2 1 节计算泄漏量公式( 2 3 ) 知，只要由差压传感器测得压差p 及工作腔当量容积v 就可计算出在常压下气体泄漏量。工作腔当量容积这是一 个常量，它可以通过人工计算各个部分体积得出，但这种方法不精确。可以通 过标定的方法得出准确的工作腔当量容积。由泄漏量计算公式还可得知：泄漏 量引起的压差与测试系统当量容积成反比( 泄漏模型曲线见图2 5 所示) ，测试 系统当量容积越小，泄漏量引起的压差就越大，这对提高测试系统的精度有利， 但是测试系统当量容积受到被检工件的容积、工作腔大小、管线及阀门等容积 的限制。由于被检工件的容积无法改变，为了得到高的检测精度，必须尽量减 少工作腔的容积、合理选择气动管线及阀门的直径和缩短安装距离。 图2 4 差压检测法原理图 塑坚盔 堂生- 二生兰丝皇l _ 三l 一 。 图2 5 泄漏模型曲线 v 与压降检测法相比，对同样2 0 0 毫升的工作容积，要检测0 1 毫升的泄漏 只要差压传感器有大约5 0 p a 的分辨率即可。这对目前差压传感器设计生产来 说，是非常容易做到的，目前市售差压传感器的分辨率可达1 p a 以下，但选用 差压传感器的原则并不是分辨率越高越好，这除了因为分辨率越高价格也越高 外，还有越高的分辨率对环境、检测系统本身的气密性要求也就越严，如果一 味追求高的传感器分辨率，检测系统不但达不到设计检测精度，还会丧失检测 功能。目前检测系统所能达到的水平为可分辨出0 0 1 毫升体积的变化，对工作 容积为2 0 0 毫升的测试系统，我们选用5 p a 分辨率的差压传感器就可达到这一 水平。 从上面讨论可知：对一个其它条件已定的测试系统，设计工作腔的容积要 遵循达到一定的分辨率为原则。对机械密封气密性智能检测系统来说，就要接 近可分辨0 0 1 毫升体积的变化为原则，可根据机械密封的大小，确定工作腔的 容积。 为了标定工作腔的容积，要求工作腔与比较腔的容积相同，假定它们都是 刚性的，加压后容积不变。根据理想气体状态方程得： p v = ( p 一p ) ( y + z x v ) ( 2 4 ) 式中p 一检测要求压力； 矿一工作腔的当量容积( 包括工作侧管线、阀门等的容积) ； p 一比较腔与工作腔之间的压差； a v 一标定时的容积变化。 由式( 2 4 ) 可得： v + a v = 尸( ) ( 2 5 ) 一1 4 塑坚 盔一兰耍主兰些堕塞一 a v 由于与v 相比很小可略去不计， 矿= p ( ) 由( 2 5 ) 式可得： ( 2 6 ) 在标定时根据测出的p ，由式( 2 6 ) 就可得出工作腔的当量容积。 综上所述，差压检测法用于机械密封气密性检测系统不但是可行的，而且 是目前发现的一种较佳的机械密封气密性检测方法。本机械密封气密性智能检 测系统就采用这种检测原理。 2 3 2系统检测方案 按照确定的检测原理，设计出符合检测要求的方案是是本小节讨论的内容。 按照厂家提出的一次测试1 0 只机械密封的要求，最初我们提出了如图2 6 所示 检测方案。 g 图2 6 系统检测方案l 1 气源：2 标准腔；3 进气控制电磁阀 4 气路分配用电磁阀；5 气路分配板； 6 平衡阀：7 微差压传感器 8 - - 进气控制用电磁阀：9 被测机械密封。 该方案的特点是用一只标准腔与1 0 路被测工件腔比较，检测时由气源同时 向标准腔及被测件腔充入规定压力的气体，稳定一段时间后关闭所有电磁阀， 检测被测件是否泄漏；如果某路被测件泄漏，则打开该路平衡阀，保护该路传 感器，其余各路继续测试，直到测完为止。该方案结构上比较简单。 从图中我们看到：虽然l o 路测试管线互不干涉，但通过实验发现，如果检 测过程中有某路发生泄漏须打开平衡阀时，其它各路检测也出现不正常情况。 通过分析发现：当打开平衡阀时，由于气体流动以及一侧压力减少，引起另外 塑坚盔 堂 堡_ 二兰堂鱼竺蔓_ 一 被测件及标准腔气体压力振荡，从而影响其它测试管路的检测。 为了消除此种情况对测试结果的影响，我们如图2 7 所示的检测方案。 图2 7 系统检测方案2 系统检测方案2 与方案1 比较，每个被检工件都与各自相应的比较腔比较 压差，任何一方开、闭都不会影响其它检测管路。该方案从成本上来看，虽然 增加了九只比较腔及相应的管线、阀门等，但从总体评价，该方案提高了系统 检测的可靠性，所以决定采用该方案。 2 4 检测系统工作流程设计 为了使检测流程设计达到更好的工作效果且符合公司已制定的检测规范， 让我们首先了解公司现在采用的“湿式法”检测流程。 机械密封检测分三道工序： 首先进行径向密封检测。将密封件放入专用检测工具并夹紧，充入规定压 力的气体，然后浸入水中并保压一分钟，期间要求转动密封件轴套，使机械密 封保持良好配合，观察是否有气泡漏出，并判断泄漏点；无气泡泄漏的密封件 转入下道工序，有泄漏的重新返修。 其次是进行轴向密封检测。此道工序也须把密封件放入轴向专用工具并夹 紧，充入规定压力的气体，然后浸入清水中并保压一分钟，观察有否气泡漏出， 塑坚 盔 堂堡圭兰篁笪苎一 合格品可转入下道工序。 最后是将己检测合格的机械密封放置2 4 小时后，重复进行第一道工序，只 是保压时间减到半分钟。经过这样三道工序检测合格的机械密封才可出厂。 参照工厂的“湿式法检测工艺，设计出了符合本检测系统需要的检测流 程。图2 8 为检测流程框图。 图2 8 系统检测流程框图 本系统由于选用的是高性能的差压传感器，检测精度可达个气泡的十分 之一，所以保压时间不需手工检测那么长。本系统规定保压时间3 0 秒，只有手 工检测的一半，这样既保证了检测精度，又可以提高生产效率。 检测时一般情况为同时检测十只机械密封，如果某个检测工位没有密封件， 需预先输入计算机，以便关闭该路电磁阀，保护差压传感器。检测项目可以按 照检测流程顺序依此检测，亦可选择抽检方式，如只测径向或轴向泄漏。当检 测出机械密封径向泄漏后，就不用再检测轴向。 塑坚盔兰堡主堂童l l _ 三蔓一 检测时也可选择自动或半自动工作方式。当选择自动工作方式时，检测系 统将从装填机械密封开始，自动按顺序完成到输出检测报告：若选择半自动工 作方式，检测系统将按手动输入的流程顺序依此动作。 在流程框图中，当径向气密性检测不合格时，还需在轴向充气后继续检测 径向，这是因为设计任务书中要求对径向泄漏还要进一步区分是上端面泄漏还 是下端面泄漏，以方便机械密封的返修。在径向密封检测时，若有泄漏，则高 压空气既可能往上端亦可能往下端泄漏。而在轴向、径向同时进气后，则在机 械密封下端加入了相同压力的空气，相当于进行了气封，故若机械密封还有泄 漏，则判定为上端泄漏，若无泄漏，则可知原先是下端泄漏。 2 5 机械密封智能检测系统总体方案设计 根据对测试方法和检测流程进行的设计和分析，在综合目前国内外气密性 智能检测系统的发展状况和趋势的基础上，提出了一个2 级的机械密封气密性 智能检测系统的总体结构。该系统采用压缩空气为动力源，结构简单、实用。 其框图如图2 9 所示。 该总体方案由上位机系统和下位机系统两部分构成。上位机系统由工控机、 打印机、数据采集卡等构成，下位机由可编程控制器、装夹及位置控制模块、 半自动控制模块、单元气路控制模块、智能差压传感器系统模块等五大部分及 夹具等执行元件所组成。各单元气路控制模块相对独立，这样可方便检测单元 的增减。 采用图2 9 所示的检测系统能对十只机械密封自动或半自动完成上料、装 夹、径向、轴向检测、下料、分拣、输出检测结果等检测全过程。其检测结果 由差压传感器；温度、压力、电压传感器；以及调理放大电路、a d 转换卡、 工控机等组成的智能传感器系统，进行分析、判断，并把结果显示、打印。 系统各部分功能和作用如下： 一、上位机系统 由工控机、打印机等组成的上位机系统，主要实现监督控制级和管理级的 功能。完成对整个检测流程的控制，获取检测数据，并对已处理数据进行相应 的存储、显示、打印输出和统计查询等工作。 二、下位机系统 1 、可编程控制器。可编程控制器是下位机系统的控制中心，方面担负着 与上位机的通讯功能，另