（机械设计及理论专业论文）面向气油组合的多品种密封元件试验方法与工艺的研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 本文研究了一种新型的面向气油组合的多品种密封元件试验方法及工艺，并设计 台多品种密封元件试验台，完成了样机的制作。 本课题的主要思路如下：( 1 ) 根据多品种密封元件试验方法与工艺的要求，密封 试验腔体和试验轴采用特殊的结构形式使其制造简单、装配方便而且能够适应多种密 封元件的试验；( 2 ) 密封元件试验台的控制采用先进的控制方法( 如p i d 控制器和模 糊控制器) 和分布式控制系统来降低系统的成本、增加系统的可靠性和稳定性：( 3 ) 密 封元件试验台的应用软件采用多线程编程技术进行设计，减小软件的延时，提高系统 的实时性。 多品种密封元件试验台由机械系统和控制系统组成。在机械设计部分介绍了密封 元件试验台的结构设计，传动轴和试验轴之间采用带莫氏锥度的轴孔进行配合来保证 系统的定位精度和运动精度。系统中高精度传感器主要用来减小因常规检测仪器带来 的误差。采用p i d 控制方法和模糊控制方法来控制系统的试验油温和试验转速，这里 试验油温的误差范围为士3 ，转速的误差不超过3 。由于系统中存在高温油，系统 采用分布式控制系统进行控制，以降低危险。密封元件试验台的应用软件是在 w i n d o w s 平台下设计的，具有友好的图形交互界面。 作为论文一个不可缺少的部分，我们制造出了一台试验样机并对样机作了相应的 试验，并在论文的最后一章我们介绍了多品种密封元件试验台的试验结果。至今为止， 多品种密封元件试验台已经在工厂正常运行了一年左右。 关键词：莫氏锥度p i d 控制器 模糊控制器分布式控制系统可编程控制器 多线程编程技术 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = ；= = = = = = = = ；= = = ；= = = = = = = = = = = = = = = 一：= = ： a b s t r a c t n l ed i s s e r t a t i o nr e s e a r c h e so nm u l t i f o r ms e a l s t e s tm e t h o d sa n dt e c h n i c s a n d p r e s e n t s t h ed e s i g na n d p r o t o t y p ef a b r i c a t i o no f an e w t y p eo f m u l t i f o r ms e a l st e s t - b e d o u rm a i na p p r o a c hi nt h i sd i s s e r t a t i o nw a s ：( 1 ) s p e c i a l i z et h es t r u c t u r eo ft h es e a l c h a m b e ra n dt h es e a ls h a f ts ot h a ti tc a nb ee a s i l ym a n u f a c t u r e da n da s s e m b l e da n d a d a p t t o m u l t i f o r m s e a l s ，( 2 ) a d v a n c e dc o n t r o lt e c h n o l o g y ( e g ：p i dc o n t r o l l e ra n df u z z yl o g i c c o n t r o l l e r ) a n dd c s a r eu s e di nt h em u l t i f o r ms e a l st e s t - b e di no r d e rt od e c r e a s et h ec o s to f p r o d u c ta n de n h a n c et h ec o n t r o ls y s t e mr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t y , ( 3 ) m u l t i - t h r e a d sp r o g r a m m e t h o di su s e di nt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eo ft h em u l t i f o r ms e a l st e s t - b e di no r d e rt o r e d u c et h et i m e d e l a yo f s o f t w a r e t h em u l t i f o r ms e a l st e s t b e dc o n s i s t so fm e c h a n i c a ls y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e m t h i s d i m e n s i o n sm o d e l i n gw a sp r e s e n t e df o rm e c h a n i c a ld e s i g n m o r s et a p e ri su s e di nt h e s t r u c t u r eo ft h ei n t e r f a c eb e t w e e nd r i v e rs h a f ta n ds e a ls h a f tt oe n h a n c et h e i r c o a x i a l i t y t h e s e n s o r si nt h i ss y s t e mi n t e n d e df o r p r e c i s i o nm e a s u r e m e n t a n da v o i d e dt h ee l t o ro f m e a s u r e b r o u g h tb yc o m n l o ni n s t n n n e m f u z z yc o n t r o lm e t h o da n dp i dm e t h o da r eu s e dt oc o n t r o l t h eo i l t e m p e r a t u r ea n dr e v o l u t i o ns p e e do ft h ed r i v e rs h a f t t h et o l e r a n c er a n g eo fo i l t e m p e r a t u r ei s 士3 t h r e ep e r c e n te r r o r i sp e r m i r e dt or e v o l u t i o ns p e e do f t h ed r i v e rs h a f t f o rt h ed a n g e r o u so f h e a t e d o i l ( 1 7 04 c ) d i s t r i b u t i o nc o n t r o ls y s t e m i su s e di nt h i st e s t b e d t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r eo ft h em u l t i f o r ms e a l st e s t - b e di sd e s i g n e df o rw i n d o w s p l a t f o r m w i t h g r a p h i c u s e ri n t e r f a c e a sa p a r to f t h i sd i s s e r t a t i o n ，t h ee x p e r i m e n tw a si m p l e m e n t e d , a n dt h er e s e to ft e s t e x p e r i m e n tw a sp r e s e n t e d a tt h ee n do f t h i st h e s i s t ot h i sd a y , t h em u l t i f o r ms e a l st e s t - b e d h a sb e e nu s e di nf a c t o r yw i t h o u tm a t t e rf o ro n e y e a r k e y w o r d s ：m o r s et a p e r p 1 dc o n t r o l l e r d i s t r i b u t e dc o n t r o l l i n gs y s t e m f u z z yl o g i cc o n t r o l l e r p l cm u l t i t h r e a d sp r o g r a mm e t h o d 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：募童西每 日期：2 蚪年，月占日 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，即：学校有 权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。本人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书a 本论文属于 不保罾团。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：象酬 日期：2 印中年 恳 目 指导教师签名：焉猁 日期：刎妒年期g 日 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = _ = = = ；2 = = ；# = ；= = = = # = 一- l 。l 课题的来源 1 绪论 本课蹶是与国营万山特种车辆厂的合作开发项目，其主要任务是研究一种新型的 西向气漓缀合的多晶稀密封元件试验方法及工艺，并设计一台面肉气注缀合靛多箍稀 密封元件试验台，其主要试验对象是国营万山特种车辆厂生产的熬型汽车上所使用的 6 静o 澎潮和l o 静油鹭。 1 2 谍麓麓究豹目的翔意义 1 2 。l 课糕意义 机械嬲封产品所涉及的领域栩当广，它涉及别化学、材料科学、机械科学、渤力 学、簧热学等多静领域；它包会熬蠹容毽缀多，宗包含密麓方式瓣选择，密封元 譬材 料的化学成分及配方，密封元件的制作工慧，密封装置的几何结构设计，散热设计等 建銮 ”。密舞在工她中静淼建分广泛，它最基本熬功憩就是分凑。在飒壤设冬中， 设计密封装置来阻止液体、气体工作介质或润滑嗣泄漏，防止灰呶、水分进入润滑部 位，它不仅姥大鬃苇终滤漤裁，辍涯枫器豹菱拳王俸，提糍瓤器麴寿会，嚣置慰竣善 工厂环境卫生、保证安全和保障忑人健康也有很大的作用 2 1 。 近年激蠢予蜜鼓兹失效嚣号| 发各耱事教不诗茭数，绘入类繁来了巨大魏损失。密 封技术从某种意义上讲，暇然不是领先性技术，德却是决定性技术，密封元件虽然不 夫，只是拿零邦转，毽帮辘决定瓤器设套瓣安全瞧、可黎性窥 | l 重久注搠。撰絮：焚螯 挑战号航天飞机由于密封事故而账落；核电站循环泵为了安全可靠，由肖轴封泵潋成 毛轴封泵，改进糕械密封爱因工髂毒靠，又郯务辘势泵毅罄藏毒辘封泵，麸瑟舞舞了 电动机效率；在耐油化工厂机泵整中的轴封不大，一旦发生产品泄漏事故，不仅会影 甄至l 辊泵设备懿工作，还会发生燃烧或爆炸，逢簸工艺装爱箨工髑又奏镑亡等【3 】。 造成各种泄漏事故的根源是密封失效，其损必极其巨大。国内一些密封元件生产 厂家酶生产设备陈 鏊、生产工艺落后，捻溺手段不全，产箍兹凌避难戳褥弱绦谣，毽 此，开展以密封为主题的相关研究有着熏要的意义。根据实际经验，由予国内密封件 产晶矮蠹不离，密封薛产蠢蠹墓不婷是遮戏密嚣失效静烹簧蒙嚣之一。密封元佟经溺 华中科技大学硕士学位论文 时的性能试验，对确保密封元件质量和密封型式的有效性有很重要的意义。根据密封 的原理和方法的不同，密封元件的种类规格各不相同，它们试验的条件也各不相同， 为每一种规格的密封元件设计一台试验机，其成本太高，但在军事工业上对密封元件 使用前进行性能测试是必须的，因此研究开发一台面向多品种的密封元件试验台来适 应各种不同密封元件的试验条件是很有必要的。 1 2 2 课题目的【副【” 密封技术发展至今仍处于理论与试验相结合的阶段。虽然现在许多密封理论研究 已经有相当大的发展，不乏精辟的分析，可是将理论数据直接用于设计计算，尚有一 定出入。因为许多分析结论与数据是在特定条件下取得的，故有一定的局限性。因此， 目前大多数的密封设计还是依靠经验的累积和对试验技术进行统计分析。本文所研究 的密封元件试验台主要是进行密封性能试验，其试验的目的是为判断密封元件是否具 有其规定的性能。密封试验主要有以下几点作用： ( 1 ) 对新设计的产品进行技术验证； ( 2 ) 对市场上已批量生产的产品，定期的进行抽样试验，以确保产品质量； ( 3 ) 对特殊工矿下使用的密封产品进行适应性试验； ( 4 ) 在密封机理的研究中，通过试验研究，进行理论分析，来指导开发新型结 构、新型材料。 本课题的目的在于为国营万山特种车辆厂进行密封技术的研究提供可行的试验 方法及工艺，并为该厂开发一台密封元件试验台样机。 1 3 国内外相关研究工作的现状 1 9 世纪末，英国工业革命使机械工业得到了飞速的发展，液压传动、蒸汽机和机 床的出现促进了机械密封产品的发展，1 8 8 5 年在英国出现了第一个机械密封专利，它 标志着机械密封技术的诞型8 1 。经过一百多年的发展，机械密封从以前结构形式简单、 材料单一向复杂化、参数化方向发展。机械密封的测试技术也由以前的不规范变得规 范起来。为提高机械密封的质量，我国早在1 9 8 5 年就制定了有关机械密封的检测标 准，并随着机械密封的设计制造技术不断更新，这些测试的相关标准也在不断的修改。 国家就机械密封先后颁布了机械密封试验方法和机械密封产品验收技术条件 两个机械密封试验有关的标准。 2 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 机械密封的介质只有气体和液体两种。早期，由于检测技术落后，机械密封件密 封性检测方法大都采用无水检测法和涂肥皂水检测法，这两种方法操作简单、方便， 对设备要求低，到目前为止，仍被广泛采用，但其缺点是只能作定性分析，完全不能 满足现代制造业的要求1 5 “。随着传感器技术的发展，针对以气体为试验介质的机械密 封产品的试验，国内有些单位参照国家的相关标准设计了自己的检测装置，如华中科 技大学机械学院研制的“微量泄漏检测仪”、天津自动化仪表成套设计所研制的“密 封件微量泄漏检测装置”、南京常青测控技术公司开发的“k j l 1 0 0 0 型空气为泄漏检 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的“z c 系列智能测漏仪” 等【卯】。国外也有不少公司研制了一些机械密封元件试验装置来检测机械密封件的相关 性能，如f e o d o rb u r g m a n 公司的超高压机械密封试验装置、p f a u d l e r 工厂的搅拌器用 机械密封试验装置、k o p p e r s 公司的泵用高速机械密封试验装置等 6 1 。这些机械密封 试验装置试验介质单一( 要么是气体，要么只熊是液体) 、适用范围小( 大多都是针对专 门的产品设计的) 等问题。因此我国机械行业在没有特殊规定的条件下，仍采用涂肥皂 水的方法对装配后的机械密封件进行定性分析，至今仍没有一种机械密封试验装置能 够面向多种机械密封元件和多种试验介质按照国家的有关标准进行密封试验。 虽然对机械密封元件的试验方法及试验装置，国内外许多学者和研究机构都作了 许多相应的研究工作，但分析起来看，还存在许多不足之处： ( 1 ) 缺乏经济适用的检测手段和方法，要么精度不够，要么功能单一，而且价 格昂贵，很难适应多品种密封元件的试验； ( 2 ) 缺乏对机械密封微泄漏的定量分析和评价提供数据，大多只能确定系统的 泄漏点，仅有少部分能提供泄漏量的数据，而且这一数据也是在非实际工况下测得的； ( 3 ) 检测系统极为落后，国内在密封元件整体性能方面的试验基本上没有什么 试验装置，而国外针对一些特殊用途的密封元件所设计的试验装置，大多是较早的产 品，检测系统大多是物理仪表，谈不上智能化。 1 4 本文研究的主要内容 本课题研究的主要内容有： ( 1 ) 多品种密封元件试验方法及总体设计方案 根据密封元件实际工矿，针对相应的被试件提出一种合理的试验方法，并对试验 设备的技术参数提出了相应的要求，最后还对面向气油组合的多品种密封元件试验台 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一= 进行总体方案的设计，它包括机械结构、液压控制回路以及计算机控制系统等方面的 设计。 ( 2 ) 多品种密封元件试验工艺及试验腔体结构的设计 多品种密封元件试验台与以往其他专用的密封元件试验台的主要区别就在于它 能够对多种密封元件进行模拟试验，而且以往其他专用的密封元件试验台的试验介质 只有一种，而本试验台要求能够做气油组合试验。由于每一种规格的密封元件对试验 轴、试验腔体的尺寸要求有所不同，多品种密封元件试验台的试验腔体结构就比以往 试验台试验腔体的结构复杂得多，这里提出了一种试验腔体结构的基本构思。另外， 根据多品种密封元件的试验要求提出了相应的试验工艺，并对其关键部件的结构进行 了设计。 ( 3 ) 多品种密封元件试验台控制技术及其控制算法的研究 介绍各种控制算法的有关研究内容，为设计密封元件试验台的控制系统提供必要 的理论依据，并重点介绍模糊控制算法和p i d 控制算法的研究及其在密封元件试验台 中试验油温和试验转速控制中的应用。 ( 4 ) 集敖型控制系统的研究与实现 为克服因常规仪表分散控制而造成的人机联系困难和避免因计算机集中控制带 柬的危险性高度集中和常规仪表控制功能单一的局限性，利用集散型控制思想，我 们设计了“集中管理，分散控制”的集散型计算机控制系统。即以分布在现场的多 台微型计算机控制装置( d d c ，即密封元件试验台中的p l c 、变频器、电子天平、s r 9 3 温控仪表) 完成被控设备的实时监测、保护与控制任务，以安装于监控室并具有很 强的数字通信、c r t 显示、打印输出与丰富控制管理软件功能的工业计算机来完成 集中操作、显示与优化控制功能，采用串口通信技术实现各d d c 装置与工业计算机 的通信 9 。 ( 5 ) w m d o w s 多线程程序设计技术的应用与研究 w i n d o w s 2 0 0 0 与之以前的操作系统最大的区别，就是它从真正意义上实现了多任 务，即一个应用程序，在需要的时候可以有许多个执行线程，每个线程就是一个小的 执行程序，操作系统自动使各个线程共享c p u 资源，确保任一线程都不能使系统死 锁。这样，在进行集散型控制系统软件设计时，可以把通信以及直接控制器( d d c ) 之间的协调管理等一些费时间的操作移到后台，在前台用另一个线程接受用户的输 入，这样就增强了集散型控制系统软件的可用性和稳固性。 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 6 ) 密封元件试验台的实现与调试结果 根据浚上静设计强路，究戒面向气漓组合靛多赫稗密封元侔试黢台的镧淹，并针 对密封元件试验台的主要技术指标，做相应的调试测试试验( 如：主轴的制造精度和运 动精度酶梭套、系统密封往试验、试验压力稳定往试验，漓滠试验，转速试验，环麓 温度试验等) ，对实验数据进行相应的分析a 一 5 华中科技大学硕士学位论文 2 密封元件试验方法及其总体方案设计 对密封元件：i 挠行试验时，根据实验条件的不网，试验分为现场试验和模拟试骏两 大类。现场试验的优点在予符合实际情况，能鉴定在一定工况条件下密封元律的务项 性能指标，特别是使用寿命。但缺乏灵活性、系统性，受现场安装、维护及主机操作 等工艺条件因素的影响较大。实验的准确性和数据莳完整性不荔僳证，羹试验燕定的 全部参数范圈不可能在现场试验中褥出。对于参数较高的密封，盥接进行现场试黢风 险较大，在实验赛里模拟箕工作环境进行试验却w 避免这些缺点1 6 】。 因此我们通过模拟密封元件的基本工作条件，来测量其主要的性能参数。密封的 基本工作条件包撩安装密封的试验轴、腔体尺寸、试验介质的压力和温度、试验辘的 转速等。试验的主要内容包括：测量密封元件静愿和运转对的泄淤量；测量密封元件 的磨损量并观测黧磨损形态。这熙试验方法和要求给密封元件试验台提出了相应的功 熊要求和技术参数要求。 2 1 试验的功能要求 本课题研究的密封元件试验方法主要是针对袭2 ，1 中1 6 种被试件进行密封试验， 箕中。影密羹囊遴行赘丞渡验，麓转澶封采取摸羧实嚣王嚣懿进纷势密封耪裁密封试 验。根据以上密封元件的实际工况，油封动密封试验嚣求试验难轴的转速在5 0 2 8 8 0 r m i n 之阕连续霹诵，试验；蜜浚在豢洹1 5 0 c 戆范曩式连续可调，试骏淫压豹瘫力 在0 o 5 m p a 之间连续可调，密封元件试验台系统必须能在试验油温、试验压力、试 验转速稳定在蕊懋篷鞋诗舞试验瓣闺、羧嶷试验余痰，势塞接测爨灌瀑爨r 淫漏爨豹 测量范围为o 2 0 0 9 。由于表2 1 中的密封元件均属汽军用密封件，考虑到汽车对不 溺蘧区环缓湿度戆逶瘟憋，在对撩封元传避嚣牲戆试验聪，须将簇配合溪缓温度避行 模拟试验，主要补对我圜不同地区不同攀节的气温我们确定环境温度范围为一5 0 1 0 0 。舅羚国于试狳涵滠较麓，其露一定戆筵陵蛙，为缳嚣系绞连续哥靠熬运嚣，莱角 分布式控制技术对系统的各项参数进行控制检测。 6 华中科技大学硕士学位论文 表2 1 被试元件明细表 序号代号名称尺寸规格备注 1j d f o 一2 4o 形密封圈6 6 8 6 2j d f o 一1 0o 形密封圈6 5 3 1 3j d f u 0 3 油封 4 5 6 5 8最高油温1 2 0 。c 。唇口相对 4j d f u 一1 3油封1 4 0 x 1 7 5 1 5速度0 8 2 8 3 m s 5h g 4 - 6 9 3 - 6 7油封s g 5 0 x 7 2 x 1 2最高油温1 2 0 。c 。唇口相对 6h g 4 - 6 9 3 石7油封s g 4 0 x 6 5 x 1 2 速度1 6 6 6 5 m s 7g b 9 8 7 7 1 - 8 8油封 b 9 0 1 2 0 1 2 d 8g b 9 8 7 7 1 - 8 8油封 f b l l o x 8 0 x 1 0 d 9j d f o 1 7o 形密封圈 7 5 5 7 1 0g b 9 8 7 7 1 8 8油封 b 1 0 5 x1 4 0 x1 2 d油封内部为高压气体( o 1 1 1j d f o 一1 3o 形密封圈 1 5 5 3 1o 3 5 m p a ) 外部为高温油 ( 1 2 0 x ：) 唇口相对速度为 1 8 6 6 6 m s 1 2g b 3 4 5 2 1 - 9 2o 形密封圈 1 4 0 3 5 5 1 3g b 3 4 5 2 1 - 9 2o 形密封圈 2 8 0 5 3 1 4g b 9 8 7 7 1 8 8油封 b 7 5 1 0 0 1 0 d最高油温1 5 0 ( 2 最高转速 1 5g b 9 8 7 7 1 8 8油封 b 8 5 1 1 0 1 2 d2 8 8 0 r r a i n ，平均转速为 2 1 6 0 r m i n 1 6g b 9 8 7 7 1 - 8 8油封 f b l 4 0 1 0 1 2 d 多品种密封元件试验方法对试验台的具体功能有如下要求： ( 1 ) 基本工作条件的要求 试验主轴的转速为5 0 2 8 8 0 r m i n 连续可调； 试验油温为常温1 5 0 c 连续可调； 试验油压的压力为o 0 5 m p a 连续可调； 试验环境温度为5 0 1 0 0 c 连续可调。 ( 2 ) 人机交互要求 应具有参数设定修改的功能； 系统的单步调试功能； 系统状态实时显示功能； 系统应具有试验结果输出功能； 一 7 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一一= 声光报警和系统复位功能。 ( 3 ) 控制方式可靠性要求及安全保护要求 采用分散控制集中管理的控制方式； 计算机控制通信网络应采用经济型网络； 在危险的部位必须要有指示并采取相应的保护措施。 2 2 试验的技术参数 根据国家和机械行业的有关规定，密封元件的试验是基于国家标准g b t 1 4 2 7 3 9 3 ( 旋转轴唇形密封圈性能试验方法) 、j b 4 1 2 7 8 5 ( 机械密封技术条件) 、 j b 4 2 3 6 8 6 ( 机械密封试验规范) 、j b t 4 1 2 7 3 1 9 9 9 ( 机械密封产品验收技术条件) 中的相关规定进行的，结合本课题的实际情况，多品种密封元件试验方法必须满足以 下技术条件： 旋转轴的转速误差不超过3 ： 试验油温误差3 ： 试验油压的波动范围应在规定值的5 的范围内； 电机的功率为5 5 k w ； 环境试验箱的工作尺寸为：7 0 0 8 0 0 9 0 0 单位：m m 3 ； 试验主轴在全程范围内动态跳动误差不超过0 0 3 m m ； 试验腔体内孔与试验主轴的同轴度不超过o 0 3 m m ； 试验所用仪器仪表应符合表2 2 的规定： 表2 2 试验用仪器仪表 测量内容仪表要求的准确度 压力压力传感器1 温度温度传感器1 转速转速编码器 1 泄漏量电子天平 0 5 9 2 3 机械部分的设计 2 3 1 机械结构的设计 由于本课题研究的试验方法所面向的试验对象较多，而且密封的形式不同，规格 华中科技大学硕士学位论文 不一，试验的工艺也有所不同，试验台的结构如采用的以往国外试验台的设计形式( 一 种规格种密封形式对应一台试验机) ，这样成本就相当高。在密封元件的试验台的 结构设计中，采用一体化设计思想将环境试验系统和液压气动控制系统设计在一起， 其结构布置简图见图2 1 。 图2 1 面向多品种的密封元件试验台结构简图 其中：l 一变频电机，2 一试验腔体，3 一工装，4 一环境试验箱外壳， 5 一小风机用电机，6 一温度传感器，7 一压力传感器 在图2 1 中左下部是制冷加热系统，右下部安装有液压系统，左上方安装有电机， 右上方是环境温度试验箱，密封元件试验腔体安装在环境温度试验箱的中间，环境温 度的控制系统安装在图2 1 中右上方。在液压系统与制冷加热系统之间采用隔热材料 隔开，以防止液压系统产生的热量影响制冷加热系统的工作性能。为方便电机和试验 腔体的装配与调整，将电机和试验腔体装配在试验台的梯形导轨上。为保证环境温度 具有较高的均匀度指标，试验箱除含有内部循环送风系统外，在环境温度试验箱的顶 部设有专门的风道系统，用两台风机使箱内空气循环，通过风机高速旋转，将工作室 中的空气从下部吸入风道内，经加热或制冷后从风道上方吹出，再将试验箱内与试验 腔体热交换后的空气吸入风道内，反复循环。 为满足在同一台试验台上对多种不同规格的密封元件进行性能试验，试验腔体尺 华中科技大学硕士学位论文 寸的设计是按尺寸最大的被试件设计，另外为每种规格的被试件设计一套工装( 由密 封腔体和密封轴组成) 。 2 3 2 液压气动回路的设计 被试件需要系统提供一定压力和温度的试验油，而且有一套密封元件需要压缩空 气和试验液压油做组合试验，系统设计了一个简单的液压气动回路如图2 - 2 所示，右上 部是气动回路，左下部是液压回路。通过电加热器将油箱中的油加热到一定的温度之 后，通过油泵将其送至试验腔，然后回油箱。在做气油组合试验时，将处理后的压缩空 气通至试验腔即可。另外为保证比较均匀的试验压力，这里设计了一个蓄能器来稳定系 统压力，试验油的压力波动主要来自于进油口前段管道，因此蓄能器装在进油口前端。 图2 2 液压气动回路原理图 2 3 3 电机的选择 电机类型的选择在有关文献中介绍了许多选择方法，要考虑的因素也很多，这里 对于电机的选型我们主要是考虑到以下两个问题的： ( 1 ) 选择变频电机还是选择普通电机 由于普通交流电动机都是按恒定频( 5 0 h z ) 、恒定压( 3 8 0 v ) 、市电正弦波供电的， 由于变频器的输出中均含有不同程度的高次谐波，因此普通型交流电动机不能适应变 频器供电时的要求。这是因为【2 9 】： 由于普通电动机在设计中超速能力较弱，一般仅为1 2 0 额定转速，因此变频 器与普通异步电动机构成的调速系统，变频器允许工作的最高频率约为6 2 h z 。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 在低频运行时，易发热和输出转矩降低，而且易出现爬行现象。这是因为普通 交流趣动税怒自带风痨銎冷却静，当转速降低对，溆动辊内部的损籁增热，丽同轴风 扇的冷却风爨与转速的三次方成比例地减少，因此散热困难，这必将使电动机的温升 急禳增热，两傻之无法实现憾转矩输疆，丽交频电机的散热风璃采丽雄独的电视驱动， 因此不存在这样的问题。 出于弱前生产的变颓器载波频率已由几千赫发展到十几于赫，这就使电动机酌 定子绕组将承受很高的电压变化率德( du ，dt ) ，电机绕组的匝问绝缘也随之承受较 大的电应力，容易热速电枫绕组的老化，对魄梳静对地绝缘饱形成威胁。 由于目前生产的变频器输出中均有不间程度的谐波分爨，这将使电机的损耗增 大，从而使溆机效率( r t ) 下酶：葡样当普通交流电动机运行在变频器输出的非正弦波 条件下，其溢升也将增加，一般温升的增加馕约为1 0 - 2 0 。 以上几点均说鳃现再的潞通型交流电动枫不能邋应我僻抟奇要求，因此选择交频电 动机。 ( 2 ) 电机极数的选择 大家知邀电动机的电压频率曲线如图2 3 ( a ) 所承，在频率小予、等于额定频率范 围内，如果输入电压随频率成正比( u f _ 常数) 变化时，则此时转速低于额定转速，输 入电压低到额定电压，面转赠保持不变( 等予额定转矩) 此段称为恒转矩调速段。当大 于额定频率厨，电机转速将升至大于额定转速，僚由于电源电压已为额定值，而保持 额定电压不变，相对的激磁电流减小，此时嗽枧输出转矩随完减小，但输出功率不变， 故此段称为悔功率调速段。对应电机频率一转矩特饿如图2 3 所示她1 a n 溺 j 鲫 汹迤动枫魏叛攀一邂匿特往 氆 魄动撬颢搴一转髭特性 图2 3 变颓电机调速曲线 l l 华中科技大学硕士学位论文 由图2 3 可以看出电机在低频时，2 h z 属于电机的正常调速范围，如果选用二极 电机，2 h z 所要对应的转速为1 2 0 r m i n 左右，而我们试验要求的最低转速为5 0 r m i n ， 因此二极电机在这一速度段可能出现不稳定的情况，选择四极电机时，2 h z 对应的转 速为6 0 r m i n 左右，这样低速性能相对于二极电机就更稳定。根据经验，密封试验的 最大负载为1 0 n m 左右，这时的试验转速为2 8 8 0 r m i n ，四极电机需要采用升速调速， 则驱动频率为1 0 0 h z ，此时的转矩为额定转矩的一半，考虑到一定的安全系数，选择 额定转矩为3 5 n m 的四极变频电机，其功率为5 5 k w 。 2 3 4 变频器的选择【6 l 】 变频器的正确选择对于转速控制系统的正常运行是非常关键的。选择变频器时必 须要充分了解变频器所驱动的负载特性。在实践中常将生产机械分为三种类型：恒转 矩负载、恒功率负载和风机、水泵负载。 恒转矩负载是指负载转矩t 与转速n 无关，任何转速下t l 总保持恒定或基本恒 定。例如传送带、搅拌机，挤压机等摩擦类负载以及吊车、提升机等位能负载都属于 恒转矩负载。变频器拖动恒转矩性质的负载时，低速下的转矩要足够大，并且有足够 的过载能力。如果需要在低速下稳速运行，应该考虑标准异步电动机的散热能力，避 免电动机的温升过高。 机床主轴和轧机、造纸机、塑料薄膜生产线中的卷取机、开卷机等要求的转矩， 大体与转速成反比，这就是所谓的恒功率负载。负载的恒功率性质应该是就一定的速 度变化范围而言的。当速度很低时，受机械强度的限制，t 不可能无限增大，在低速 下转变为恒转矩性质。负载的恒功率区和恒转矩区对传动方案的选择有很大的影响。 电动机在恒磁通调速时，最大允许输出转矩不变，属于恒转矩调速；而在弱磁调速时， 最大允许输出转矩与速度成反比，属于恒功率调速。如果电动机的恒转矩和恒功率调 速的范围与负载的恒转矩和恒功率范围相一致时，即所谓“匹配”的情况下，电动机 的容量和变频器的容量均最小。 风机、泵类负载是指在各种风机、水泵、油泵中，随叶轮的转动，空气或液体在 一定的速度范围内所产生的阻力大致与速度n 的2 次方成正比。随着转速的减小，转 矩按转速的2 次方减小。这种负载所需的功率与速度的3 次方成正比a 当所需风量、 流量减小时，利用变频器通过调速的方式来调节风量、流量，可以大幅度地节约电能。 由于高速时所需功率随转速增长过快，与速度的三次方成正比，所以通常不应使j x l 机、 泵类负载超工频运行。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 通常将上面的恒转矩负载和恒功率负载称为标准转矩负载，把风机、泵类负载称 为平方转矩负载。密封元件试验台的负载特性属于标准转矩特性，因此应选择标准转 矩的变频器。 2 4 系统方案的选择 能够完成系统功能要求，满足系统的技术指标的方案很多。本课题方案选择的要 求是在满足功能和技术指标的前提下，尽量做到简单、可靠、经济。 2 4 1 环境温度试验箱的设计 密封元件试验腔的体积约为5 0 0 x 5 0 0 x 4 0 0 ( 1 1 1 3 ) ，大约0 i m 3 ，为保证箱体内空 气的均匀度和减小实验过程中温度的波动度，环境试验箱工作室的体积至少o 5 m 3 ， 目前环境实验箱工作室尺寸初步定为：7 0 0 x 8 0 0 x 9 0 0 ( m m 3 ) 。根据该工作室的尺寸和 实验温度范围( 一4 0 0 c 1 0 0 x 2 ) ，查阅有关低温实验设备标准手册，可得制冷功率大 约是5 5 k w 由于实验过程中，密封元件试验腔体的温度总比环境温度低7 0 。c ，无隔热 措施，相当于环境试验箱内有一热源，密封元件试验腔体表面的热传递损失功率可按 式( 2 1 ) 方法估算： p = ( t r t o ) k t a ( w )( 2 1 ) 其中i g ( w m 2 c ) = 8 7 1 0 5 ( 通风条件好时) ，剐w m 2 ) _ 1 扯1 7 5 ( 通风条件差时) ， 根据现有的实际情况取k t = 1 7 ；高低温箱和实验密封箱的温差为：t = t 1 - t o = 5 0 。c ；散 热面积：a = i 1 h 1 2 ；热传递损失功率为：p = 7 0 1 7 x 1 1 = 9 3 5 w 制冷功率选5 k w 。为了保证实验箱降温速率和足够的制冷量，采用2 个半封闭、大功 率( 3 5 p ) 压缩机所组成的双级制冷系统，采用优质镍铬丝加热器进行加热，以保证 试验环境温度在4 0 1 0 0 范围内调节。 2 4 2 系统控制方案的选择 密封元件的性能试验对试验油温、试验转速、环境温度的精度要求较高，对这三 个量的控制根据各自特性采取相应的控制策略。试验油温的热交换过程较为复杂，数 学模型难以建立因此才模糊控制算法；目前三相异步电机的调速技术已经相当成熟 了，试验转速通过三相异步电机的变频调速获得，其数学模型较为简单，可采用p i d 控制算法获得较精确的转速；环境温度的数学模型简单，日本横河和岛电公司都做了 相应的环境温度试验箱的专家控制系统，本课题选用日本岛电s r 9 3 智能温度控制仪 1 3 华中科技大学硕士学位论文 控制环境温度。 2 4 3 集散型控制系统的硬件功能分配与总体结构 集散型控制系统的硬件结构简图如图2 4 所示，各硬件部分的控制任务模块的具 体设计如下： 图2 4 密封元件试验台控制系统的硬件结构简图 ( 1 ) 工业计算机做过程管理级计算机，他主要负责监视过程各站的所有信息， 集中显示操作，控制参数修改，试验结果的保存、打印输出。完成系统工作方式的协 调以及各控制任务的时序与协调，保证密封元件的试验是在试验条件满足之后进行 的。并提供人机交互管理与控制界面，可以接收外部输入的参数，如试验转速、试验 油温，环境温度等参数的输入，提供试验转速、试验压力、试验油温、环境油温的实 时曲线显示，提供与其他工作站的通信接口； ( 2 ) p l c 属于过程控制级，它直接与现场各类装置( 如温度压力传感器、变频器、 加热器) 直接相连，对现场的各种数据进行采集，并实时的将采集到的数据发送到上位 机进行处理( 包括分析、显示、打印输出、存储等) ，同时也接受上位机发来的命令， 将命令传送给个执行器( 如变频器、加热器) ； 1 4 华中科技大学硕士学位论文 ( 3 ) 电子天平属于过程控制级，通过称重传感器测得泄漏油的重量，再将重量 发送到工控机进行处理； ( 4 ) 智能温度控制器属于过程控制级微处理器，采用专家控制系统对环境温度 进行实时控制与采集，提供现场数据显示功能，供用户观测数据，附有触摸键盘给用 户修改参数，设定温度值，可与上位机进行数据交换，可以接受外部命令，同时可以 向上位机发送采集结果。 2 4 4 密封元件试验台软件任务分配与模块划分 由于电子天平和s r 9 3 的程序都已经固化在各自的系统中，电子天平提供了自己 的通讯协议，s r 9 3 除提供了自己的通讯协议外还提供了现场的人机交互界面，可通 过它更改环境温度控制算法的有关参数，通讯协议的有关参数，密封元件试验台软件 丌发的主要任务就是p l c 程序和上位机程序的开发，主要由以下几个模块： ( 1 ) 人机交互模块：人机交互模块主要提供一个可视化的操作界面给操作者对 整个控制过程进行监视、干预和管理。它由参数设定、实时监控、调试与检修、实验 数据保存与打印输出几部分组成。 ( 2 ) 通讯模块：各控制器之间采用串口的方式进行，因此通讯模块的主要任务 是串口的初始化工作、通讯协议的定义、数据的发送和接收以及发送和接受数据时序 的协调。下位机的通讯程序采用中断程序方式进行，而上位机的通讯采用多线程串口 通信类实现。 ( 3 ) 数据采集与控制输出模块：数据采集与控制输出模块属于下位机( p l c ) 程序 部分，该模块主要负责现场数据的采集，周期性将传感器变送出来的模拟信号经a d 转化后输入p l c ，现场的开关量直接读入p l c ，另外还负责将模拟信号和开关信号输 出到执行器。 ( 4 ) 数据处理模块：数据处理模块主要负责将采集到的数据通过相关的计算之 后提供给其他模块，其中包括个p i e ) 控制算法和模糊控制算法的实现以及数据之间的 转换。 1 5 华中科技大学硕士学位论文 3 多品神密封元件试验工艺及寮封腔体结构设计焉实现 瓿械密羹元 孛试验台夔磷究已经舂较长懿魇交，本澡题疆炎开发戆多鑫耱密封元 件试验台与以往其他专用的密封元件试验台的主要区别就在于它能够对多种密封元 俘送嚣模整试验，瑟且以往其 彀专震瓣密封元黪试验台麴试验分震只鸯一耱，本试验 台要求能够做气油组合试验。由于每一种规格的密封元件对试验轴、试验腔体的尺寸 要求有臻不同，嚣藏本渫遂磅究开发夔多燕稳密瓣元锋试验台静试验黢体熬维梅就范 以往试验台试验腚体的结构复杂得多，本章将主幕讨论多品种密封元件试验工麓及其 关键罄俘豹结秘设诗与寞凌。 3 1 隧终密封元件试验装置酶结梅设诗情壤 试骏台架是机械密封元件进行试验不可缺少的装置，这里介绍两种常规的机械密 封试验台架装甏。常规机械密封试验台的试验对象绝大多数是聚用机械密封，萁试验 台架有单悬臂和双悬臂两釉结构。 单懋臂结构的简易试验台如图3 1 掰示，该装置的主要结构特点是乖j 用单吸单级 悬臂式离心泵现成的底废、托架，由变遮三相异步电动机驱动，通过弹性联轴器直接 驱动传动轴。密封轴与密封腔体需要另外设计，轴的伸出端部分，用采安置密封腔和 安装被试件。奁纛近联轴器端对称安装另套阉规格的密封。轴端穿过压盖，两套密 封对称安装，目的是为了消除轴向推力。例如猩试验匿力4 m p a 时，若转轴不穿过压 滚，只装一直径为5 5 r a m 的单端甄枫城密封，其轴向推力可达2 0 k n 以上。这榉就必 须采用承载能力很大的摊力轴承，给试验台结构以及测试都带来问题，而且功率消耗 也很大。高压试验油通过5 号城压阀减压后进入试验腔体并充滚整个试验腔，强试验 腔内形成一定的压力，可通过体可通过调节出弱的截流润来产生阻尼保证试验所需要 的压力。被试馋因性能不好产生泄漏或爨允许的微泄潺，可以遵过左端的量杯将泄漏 的试验介质直接储存起来，这样就可以采用直接的方法进行测缀。 双懋臂结构的简易试验台如图3 2 鼹示，转轴用薅个滚珠轴承作支承，轴承座固 定在焊横的刚性架上，转轴上的皮带轮装在两滚珠轴承中间。采用双悬臂双密封的目 的是为了消除辘上施轴向推力，可鞋同时测试两套单端薅机械密封。为透应不丽擐掇 尺寸的密封，可更换轴套及法法兰。轴套与轴配合处，装有o 形圈。 6 华中科技大学硕士学位论文 图3 1 泵用机械密封简易试验台 1 变速三相电动机2