（机械制造及其自动化专业论文）基于pc的机械密封试验台的研制.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 机械密封是一种动密封产品，在石油化工类行业应用广泛。本论文是在中国 石化镇海炼油化工股份有限公司的委托和资助下，以改善机械密封工作性能，提 高机械密封使用寿命，减少由于机械密封失效造成的损失，并帮助企业进行机械 密封选型和寻找失效原因为目的，研制机械密封试验台。论文的主要内容有： 第一章简要介绍了机械密封试验台的研究背景与意义；阐述了机械密封的组 成和工作原理，分析了机械密封试验的主要研究内容，并对国内外机械密封试验 及试验设备的发展现状进行对比和分析；结合镇海炼化的要求和相关行业发展的 需要，确定了试验台的设计目标和主要的研究内容。 第二章根据试验台的设计需求，确定了试验台的具体设计方案，并进一步将 设计方案细化为试验台本体和测试系统两部分；详细设计了机械密封试验台本体 的介质供应装置、传动机构和密封腔结构三个主要组成部分。 第三章阐述了测试系统电气部分组成；分析了数据采集设备和传感器的主要 选用原则，并详细研究和设计了测试系统电气部分。 第四章根据测试系统的要求，结合多种软件开发技术，从数据采集与处理、 振动信号分析、数据管理与回放三个方面阐述了软件的设计与实现过程。其中重 点阐述了采用多线程和“生产者一消费者问题”模型设计振动数据采集与处理模 块的过程，提高了系统的实时性与可靠性。 第五章通过实验分析机械密封试验台的使用方法与机械密封试验的流程；对 试验结果进行分析，验证试验台设计的可行性和运作的可靠性。 第六章总结了本论文的主要工作，并进一步展望今后的工作。 关铡! 字：机械密封试验台振动测试系统多线程 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e c h a n i c a ls e a l sa r ek i n d so f m o t i v es e a l sp r o d u c t i o n sw h i c ha r ew i d e l yu s c di n p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，at e s t i n ge q u i p m e n t , w h i c hw a se n t r u s t e d a n da l s of u n d e db ys i n o p e cz h e n h a ir e f i n i n g & c h e m i c a lc o m p a n yl i m i t e d ( z r c c f o rs h o r t ) ，i sd e v e l o p e di no r d e rt oi n c r e a s et h eo p e r a t i o nt i m eo fm e c h a n i c a ls e a l s ，a s w e l l 硒t or e d u c et h el o s tc a u s e db yf a i lo fm e c h a n i c a ls e a l s t h ed i s s e r t a t i o ni s a r r a n g e da sf o l l o w s ： i nc h a p t e rl ，t h eb a c k g r o u n do f t h e d e v e l o p m e n to f t h ee q u i p m e n ti si n t r o d u c e d b r i e f l y t h ec o m p o s i n ga n dt h ew o r k i n gp r i n c i r l l eo fm e c h a n i c a l sa r ep r e s e n t e d t h e p r e s e n tr e s e a r c h & d e v e l o p i n go nt e s t i n go f m e c h a n i c a ls e a l sa n di t st e s t i n ge q u i p m e n ta t h o m ea n da b r o a da r er e v i e w e d t h ed e s i g n i n go b j e c t i v ea n dt h ec h i e fr e s e a r c hc o n t e n t a r ec o n f i r m e dt os a t i s f yt h en e e do f z r c ca n dt h er e l a t e df i e l d s i nc h a p t e r2 ，t h ed e s i g ns c h e m eo ft h et e s t i n ge q u i p m e n ti sm a d e f u r t h e r , t h e d e s i g ns c h e m ei sd e c o m p o s e di n t ot w op a r t sw h i c ha r et h eb o d yo ft h ee q u i p m e n ta n d i t st e s t i n gs y s t e m t h eb o d yo ft h ee q u i p m e r i t ，w h i c hm a i n l yc o n s i s t so ft h e m e d i u m s u p p l ys y s t e m ，t h ed r i v i n gm e c h a n i s ma n dt h es e a l e dc a v i t ys t r u c t u r e ，i s d e s i g n e di nd e t a i l i n c h a p t e r3 ，t h ec o m p o s i n go ft h ee l e c t r i cp a r t s o ft h et e s t i n g s y s t e mi s p r e s e n t e d t l l ep r i m a r yr u l e st oc h o o s es a m p l i n gd e v i c e sa n ds e n s o r sa r ea n a l y z e d t h e e l e c t r i cp a r t so f t h et e s t i n gs y s t e ma r ei n v e s t i g a t e da n dd e s i g n e di nd e t m l i nc h a p t e r4 ，t h es o f t w a r ef o rt h et e s t i n gs y s t e m ，w h i c hc o n s i s t so fs i g n a l s a m p l i n g ，s i g n a lp r o c e s s i n g ，a n ds a v i n ga n dr e p l a yo ft h eh i s t o r yd a t a , i sa c h i e v e db y s e v e r a lp r o g r a m m i n gt h e o r i e s t h et h e o r yo f p r o d u c e r - c o n s u m e r a n dm u l t i t h r e a d i n g a r ea p p l i e di nt h es o f t w a r ef o rs o m er e a l - t i m et a s k s ，w h i c he n h a n c et h er e l i a b i l i t yo f t h e t e s t i n gs o f t w a r e i nc h a p t e r5 ，e x p e r i m e n t sa r eu s e dt os h o wt h ep r o c e s so ft h et e s t i n go ft h e m e c h a n i c a ls e a l s t h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t sa r ea n a l y z e dt ot e s t i f yt h ef e a s i b i l i t yo f t h ed e s i g na n dt h er e l i a b i l i t yo f t h ee q u i p m e n t i nc h a p t e r6 ，m a i na c h i e v e m e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e d ，a n dt h e f u r t h e rr e s e a r c hw o r k sa r ep u tf o r w a r d k e y w o r d s ：m e c h a n i c a l s e a l t e s t i n gs y s t e m t e s t i n ge q u i p m e n t v i b r a t i o n m u l t i t h r e a d i n g i i 学号2 0 5 0 8 0 3 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：毒、一、屯签字日期：。7 年f 月r 2 ，曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘鎏盘堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝姿盘堂可以将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、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：专q 、壶 导师签名 签字日期：4 - 7 m 占月f 己曰 魏蒸屯 签字日期：御年g 月f 日 学位论文作者毕业后去向：辄芝 、 工作单位：、专通t r 晒1 甲佩贫司1 争式9 安司电话：。玎一乳37 叩。r 通讯地址：、辛京妄面长专邑罐罚莨吟g 专 邮编：f 口口f 2 r 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 本课题研究的背景 机械密封是一种使用于旋转轴的动密封，它是通过一对或数对垂直于轴作 相对滑动的端面在流体压力和补偿机构弹性力( 或磁力) 的作用以及辅助密封的 配合下保持贴合来达到防止流体泄漏的效果的密封装置【1 】十】。如图1 1 所示为 一种典型的机械密封产品。自从机械密封的出现以来，它以其泄漏量少、工作 可靠性程度高和使用寿命长等优势，极大地改善了设备在生产过程中出现的跑、 冒、滴、漏等问题，并越来越多地取代了以前占优势的填料密封在旋转轴密封 上的地位。特别是在一些高速、高温、高压、腐蚀性大、有毒易燃易爆的设备 环境中，机械密封的作用是其它种类的密封产品所不可替代的 4 h 9 1 。目前机械 密封的使用范围非常广，包括石油炼油、石油化工、精细化工、冶金、火电站、 印染、海运、造纸等行业，甚至在航空航天领域，机械密封也起着极为重要的 作用。在飞机和液体火箭上，机械密封用来密封燃气轮机、透平压缩机( 涡轮增 压器) 、液压设备以及输送燃料和液化气体的增压泵【5 】。机械密封在石油化工类 行业的应用极为广泛，在该类行业中，泵轴类旋转设备占有很大比重，例如图 1 - 2 中所示为一种在石油化工产业常见的安装有机械密封的流程泵。据我国有 关部门统计，在石油化工类企业，8 0 9 0 的离心泵使用机械密封【9 1 。由此可 见，机械密封的市场需求量很大。 图1 - 1 机械密封图1 - 2 石油化工流程泵 机械密封的失效往往会造成环境的污染、能源的浪费及财产的损失，严重 的可能造成安全事故，这种情况在石化类行业尤为严重。镇海炼化是一个具有 年产2 0 0 0 万吨油能力的大规模炼油企业，其拥有的机泵设备有3 5 0 0 多台，而 其中约有9 0 的机泵使用机械密封。近几年由于机械密封的失效，镇海炼化每 年需要花费的维修更换的费用就近3 0 0 万元。针对此现状，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。本课题正是基于此目的，在镇海炼化的资助下，进行机械 密封试验台的开发。 一1 一 浙江大学硕士学位论文 1 1 。2 本课题研究的意义 机械密封试验台是进行机械密封试验的专用设备，它是利用机械工程、材 料科学、流体力学、测试和信息科学等先进技术设计制造的测试机械密封特性 的设备。镇海炼化在缺乏试验设备的情况下，由于不能深入地研究机械密封的 工作特性及其失效的原因，因而无法对其机械密封的故障采取有效的解决方法， 导致某些机泵设备故障率居高不下。据镇海炼化检修安装公司统计，其1 0 左 右的机泵占了近5 0 的密封更换率。为此，设计一台专用的机械密封试验设备， 对机械密封性能进行多方面的研究和分析，找出其故障多发的原因和解决的方 法，提高机械密封的工作性能和使用寿命，减少故障发生次数，降低设备运作 成本，对镇海炼化及其它石化类企业都具有极大的意义。 另外，要提高机械密封的性能和使用寿命，除了研究其工作特性，减小故 障发生率之外，还需要从本质上提高我国机械密封产品的总体水平。从总体上 来说，国内机械密封技术水平与国外有一定距离，这与我国机械密封试验开展 的现状有关。在我国有一大批的机械密封生产厂家，其中有以丹东克隆为代表 的少数有较强的研发能力、完备的产品体系，并具有一定生产规模的企业，也 有较完整的试验体系。但是国内大多数的机械密封生产厂家都是生产规模小、 设备精度和自动化程度低、生产能力和技术水平一般、产品质量不高的中小型 企业，这部分企业对机械密封的检测手段只是停留在外观检测和简单的静压试 验，部分企业对产品的测试还需要求助于国外的研究机构，这对我国机械密封 的发展非常不利【1 1 - t ”j ，【5 2 1 。因此，建立完善的试验体系，开发功能完备的机械 密封试验台，对于提高我国机械密封产品整体质量与技术水平非常重要。 机械密封试验主要有型式试验、出厂试验和研究型试验等。型式试验是设 计的新产品为验证其设计结构和功能的正确性和合理性而进行的试验。出厂试 验是生产厂家为检验一批产品质量性能为目的的抽样试验。而研究型试验的目 的通常是以研究机械密封失效的原因、找到某机械密封最佳性能条件为目的的 试验。美国、日本和英国等发达国家一直在开展机械密封试验方面处于领先水 平，并相继订立机械密封试验的行业标准。我国也早在1 9 9 3 年就发行了国家标 准g b f r1 4 2 1 1 - - 9 3 机械密封试验方法，规定了对于旋转类机械的机械密封 试验基本原则、试验方法以及试验装置和仪器等的要求，但目前还只有少数企 业能够按照要求较为规范地进行机械密封测试。针对此现状，基于机械密封 试验标准研制一套能进行各种性能参数测试的、功能齐全的、性能可靠的、 结构简单的、价格合理的机械密封试验台，对于促进我国机械密封技术的进步， 推动我国机械密封行业的发展，缩小与国外先进水平的差距，加快现代化进程 都有十分重要的意义。 一1 一 浙江大学硕士学位论文 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。如图1 3 机械密封基本结构图所示，动环5 通 过弹性元件4 与动环座3 连接成一个整体，动环座用螺钉固定在轴套2 上；而 轴套固定在旋转轴上，传递着转轴的运动，并带动动环座、动环及弹性元件一 起随转轴旋转；弹性元件连接动环和动环座，不仅起到缓冲补偿的作用，而且 还将旋转轴的运动传递给动环；密封腔体1 与密封端盖7 通过螺栓连接构成一 中空的密封腔，并通过在连接处使用辅助密封圈防漏；静环6 固定在密封端盖 上，与动环紧密贴合形成密封端面【l 卜i ”。 8 图1 - 3 机械密封基本结构图 1 密封腔体 3 动环座 5 。动环 7 密封端盖 2 轴套 4 弹性元件 6 静环 8 旋转轴 机械密封工作时密封腔内充满一定压力的介质，电机或其他动力装置带动 旋转轴运转，并通过旋转轴将运动传递给机械密封动环。动环在腔内介质压力 和弹性元件弹性力的双重作用下与静环始终保持良好的贴合状态【3 】；动环与静 环相对运动形成摩擦副，并在密封端面之间形成一层极薄的液膜，它不仅对端 面起到润滑作用，而且还平衡着密封面两端的压力。 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 卜【5 】= a ) 密封端盖与密封腔体的辅助密封圈处泄漏a 。此处密封为静密封。 一3 一 浙江大学硕士学位论文 b ) 动环与轴的辅助密封圈处泄漏b ，和静环与密封压盖的辅助密封圈处泄 漏c 。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。 c ) 动环与静环密封端面处泄漏点d 。动环与静环贴合形成的密封端面是机 械密封的主要密封面，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。 机械密封之所以能够比其它各种密封方法，如软填料密封方法更适合使用 于石油化工等高要求的场合，是因为与般的密封方法相比，机械密封有着以 下的很多优点【1 h 4 】： ( 1 ) 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； ( 2 ) 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，甚至有报道说个别机械密封使用了1 0 年以 上还能正常工作； ( 3 ) 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 ； ( 4 ) 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； ( 5 ) 抗振性好。缓冲补偿机构缓减了机械密封的振动，一般在转速在 3 0 0 0 r r a i n 下最大轴向振幅不超过0 0 5 r a m ； ( 6 ) 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。 机械密封也存在一些缺点： ( 1 ) 结构复杂，对设计、加工的要求很高； ( 2 ) 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； ( 3 ) 发生故障时维修处理比较麻烦，且较耗时间； ( 4 ) 价格高。 1 - 2 2 国内外机械密封的发展历史 机械密封发展到现在已经有1 0 0 多年的历史。1 8 8 5 年英国有人首先申请了 机械密封的专利，并于1 8 9 0 年应用于轴承密封。自此以后机械密封技术已经得 到了广泛的发展和应用。1 9 3 0 年美国e g & gs e a l o l 公司率先研制出平衡型 机械密封技术。二次世界大战前后，石油化工企业的发展和材料和加工技术的 提高，大大促进了机械密封技术的发展和应用。1 9 5 7 年美国e g & gs e a l o l 公司研制出焊接金属波纹管机械密封，这更加促进了机械密封的使用。此后美 一4 一 浙江大学硕士学位论文 国、西欧、日本、苏联等国纷纷开始正规生产机械密封件，为了规范和促进生 产，各国纷纷出台了机械密封相关的标准，其中以美国的a p l 6 8 2 影响最大， 它是第一部完整地覆盖了离心泵和转子泵中机械密封设计和应用的标准，世界 各国都以此规范其机械密封的设计、制造、选型和应用【2 ”。 我国机械密封技术起步较晚，但发展很快。5 0 年代末兰州炼油厂开始研制 泵用机械密封的配件应用于苏联进口的离心泵上，积累了很多经验。沈阳水泵 厂、上海水泵厂、天津机械密封厂最早在6 0 年代开始相继生产机械密封件【7 1 。 如今，我国已经有大量的企业掌握机械密封技术，研制生产的各种机械密封件 被国内众多石油化工企业所应用。我国当前生产机械密封的工厂有1 0 0 0 多家， 机械密封在我国已经是一个年产值高达8 亿人民币的产业【1 2 】。为了提高我国机 械密封产品的整体质量，规范其生产、开发、研究与应用，大量的机械密封标 准也纷纷订立。如表1 1 所示为我国订立的一些机械密封相关标准。 表1 - 1 我国发布的机械密封相关标准 标准编号标准名称实施日期 g b ，r1 4 2 1 1 - 1 9 9 3 机械密封试验方法1 9 9 3 1 2 0 1 j b ，r1 4 7 2 一1 9 9 4 泵用机械密封1 9 9 5 - 0 7 o l j b ，r8 7 2 3 1 9 9 8 泵用焊接金属波纹管机械密封1 9 9 8 - 0 7 0 1 j b 1 4 1 2 7 3 1 9 9 9 机械密封产品验收技术条件 2 0 0 0 - 0 1 0 1 j b t6 6 1 9 1 - 1 9 9 3 轻型机械密封技术条件2 0 0 0 - 0 1 o l 1 2 3 机械密封试验的主要内容 密封特性和使用寿命是国际上衡量机械密封的主要性能指标，提高机械密 封的密封性能和使用寿命是机械密封技术发展的方向。影响机械密封性能的主 要因素有 2 1 - 5 1 ， 2 9 1 【3 6 】， 3 8 1 ： ( 1 ) 弹簧比压。弹簧比压是影响机械密封泄漏量的主要因素之一。弹簧比 压太大会破坏液膜而造成密封端面摩损加剧；弹簧比压太小则使得泄漏量增加， 密封性能下降。选择合适的弹簧比压对机械密封使用效果有很大的影响【3 3 l 5 2 1 ： ( 2 ) 介质温度。介质温度太高不仅会造成密封环的热变形和损坏，而且会 造成密封端面液膜的汽化，使得端面摩损加剧【4 6 1 1 4 9 11 6 8 1 ； ( 3 ) 介质压力。介质压力对密封端面比压有很大影响，选择合适的介质压 力可以减小密封端面泄漏以及摩擦面的功耗，从而提高机械密封的性能和使用 寿命【4 1 卜】： ( 4 ) 工作转速。转速越高，密封端面间的流体动压作用越强，使端面间隙 增大，泄漏量增加。转速对端面摩擦也有很大影响，转速越高，摩擦功耗越大； ( 5 ) 端面摩擦特性。密封端面光滑度越高，端面泄漏越少，磨损越慢，功 耗越低，因此端面摩擦特性对机械密封性能和使用寿命影响较大，一般要求密 封端面粗糙度r 。卸0 5 , 4 ) 2 0um ，对于不同的介质，要求选择合适的密封副材 一，一 浙江大学硕士学位论文 料组合【3 9 】【4 5 】d 7 1 ： ( 6 ) 振动。机械密封的振动主要是指密封动环的轴向和径向振动。产生机 械密封的振动的原因很多，比如泵本身的振动、旋转轴的加工精度不够、联轴 器的平行度差、油膜的振荡、密封端面不光滑、弹性元件弹性伸缩和摆动等都 会造成密封环的振动。在机械密封实际工作时振动往往是影响其工作稳定性的 一个极大的不利因素，密封环振动不仅影响机械密封面的密封效果，使泄漏加 剧，而且由于振动的存在加剧了端面的撞击和摩擦，导致其使用寿命的下降； 尤其当轴转速与密封环固有频率很接近的时候机械密封振动最大，所产生的危 害也最大【3 ”。比如镇海炼化，由于振动原因造成机械密封失效约占所有失效的 机械密封的1 5 ，因此对振动的研究对提高机械密封性能和使用寿命是非常必 要的。 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。因此，国内外企业和研究机构 进行机械密封试验与研究的主要内容有1 1 6 卜【2 5 】【删： ( 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【5 4 】； ( 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、端面比压和液膜厚度等，研究不同条件下 密封端面的摩擦特性及其对密封特性和使用寿命的影响【10 1 6 6 1 。 其中研究内容( 1 ) 和( 2 ) 是机械密封试验最基本的内容，也是我国机械密封 试验方法规定机械密封生产企业进行型式试验和出厂试验时必须测试和研究 的内容。研究内容( 4 ) 通常用于研究和监控实际工作中的机械密封设备的工作状 况以及实现计算机辅助的故障检测与诊断，研究振动对机械密封性能的影响， 可以为生产实际提供参考。密封端面最能反映机械密封工作状况，因此研究内 容( 5 ) 对端面信息的研究有较大的意义，但同时也是最难实现的部分，一般需要 在密封端面处安装各种传感器。 1 2 4 国内外机械密封试验的研究现状 西方发达国家机械密封试验的技术已经达到非常高的水平，并且已经形成 了比较完善的试验体系。如图1 _ 4 所示是a p l 6 8 2 标准对机械密封试验的要求， 它包含了丰富的试验内容以保证其机械密封产品质量【2 7 1 。很多大企业，包括英 国j o h nc r a n e 、美国f l o 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 的研制、测试中心，并引领着行业的发展方向。其中美国f l o w s e r v e 公司在新 加坡建立的测试中心最具有代表性，测试用的密封腔体和管路都采用透明的聚 脂材料并布满了各种测试数据采集探头。许多著名学校也在一些大企业的资助 下与企业合作开展机械密封的研究，创造出许多成就，也具备一定的试验条件。 一6 一 浙江大学硕士学位论文 图1 - 5 所示为国外比较典型的机械密封试验装置【6 3 1 。 t e s t i n gr e q u i r e m e n t 厂 翌竺 ， ii t y p et e s t i n g i q u a l i f i c a t i o n e釜sealc h a m b e r s 。 - - - 一s i n g l e ( e a c hc h a m b e r ) 图1 _ 4a p l 6 8 2 对于机械密封设计和完整性试验的要求 由于密封端面信息在机械密封研究中具有非常重要作用，国外很多企业和 研究机构十分重视对机械密封端面信息的采集和研究。比如美国g e o r g e w w o o d r u f f 学校i t z h a kg r e e n 教授认为，研究机械密封临界端面的运动状况会 得到很多重要的信息，因此在其试验台的密封环端面位置安装3 个电涡流距离 传感器探头，并将采集的端面信息通过数据采集设备送入计算机，经过计算机 的分析和处理后画出动环相对于旋转轴心跳动的轴心轨迹图，并以此研究机械 密封工作时动环相对于轴心的运动状况【5 8 l 。该系统通过测量端面轴向轨迹，机 械密封运作状况，但还不满足机械密封试验的要求。 图1 - 5 国外某机械密封试验台图l - 6 基于网络的机械密封监视装置 在国外，一些用于实时监控机械密封工作状态的设备也被开发出来。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 f e ，该 设备支持实时检测和调节机械密封腔内温度和压力，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【5 7 】【删。德国的b u r g m a n n 将网 络技术应用于测试系统中，推出了一款基于网络的机械密封性能监控系统，如 1 浙江大学硕士学位论文 图1 - 6 所示，将其安装在泵体上，可以通过其集成的测试系统采集机械密封端 面和腔内介质的温度和压力信号，并将采集的数据通过网络输送到微型计算机 去处理，用户无论身处何处都可以通过网络监视机械密封的运行情况，便于及 时发现问题，排除故障州j 。 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较大的突破，他 们利用计算机仿真的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，以及 预期可能会出现的问题【6 ”。该项技术被广泛用于c h e s t e r t 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较大 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，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作出了巨大贡献。 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 集和研究进行了多方面的探索。胡小云等第一次利用信息论的理论，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、机械密封端 面几何信息) 和动态信息( 温度信息、摩擦状态信息、扭矩信息) ，并通过在静 环上安装电偶式温度传感器和扭矩传感器，获取在不同的工作状态下的端面信 息，并分析它们对机械密封性能和使用寿命的影响【6 ”。蔡晓君等首先对变工况 工作状态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，通过在密封试验台介质出口端安装调压溢流阀调节腔内压力，通过加热 棒加热水箱温度调节腔内介质的温度，以此模拟变工况下机械密封的工作环境， 并使用微型计算机和外围电路构建测试系统，测量在不同的温度、压力等状况 下动环端面情况，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，从而提出了抗变工况机械密封的设计理论1 5 0 】【6 5 1 。 国内一些高校的研究机构通过搭建专用的试验设备对研究温度、压力、转 速和振动等对机械密封性能和使用寿命的影响进行了多方面的探索。比如魏龙 等在研究g y 型机械密封性能时搭建了机械密封试验台，通过在密封腔泄漏液 出口位置安装测漏传感器测量端面泄漏量，在电机轴和机械密封工作轴连接处 安装扭矩传感器采集端面摩擦功耗信息，安装测速传感器测量转速信息，利用 单片机构建微型机数据采集系统采集各个传感器输出的信号，并将处理后的信 息通过r s 一2 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， 比如介质压力、转速等进行多组试验，分析它们对机械密封泄漏量与摩擦功耗 等的影响m j 。孙见君等搭建了弹簧比压可调振动可测型机械密封试验台，以研 究弹簧比压和振动对机械密封性能的影响；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，并以g y - 7 0 平衡型机 一8 一 浙江大学硕士学位论文 械密封为例进行了试验和研慰”】【5 4 】【”】。赵增顺等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 及检测系统的硬件设施，并开发了相应的测控系统软件，以研究在高参数工况 下密封压力、主轴转速、端面表面粗糙度、弹簧比压、配对材料以及液体介质 的粘温变化等因素对热流体机械密封性能的影响规律。从而为高参数热流体密 封的性能规律的研究以及结构的优化提供有利支持1 5 6 1 。 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， 廖和滨等首先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【6 引。 1 3 本论文主要研究内容 在我国，机械密封试验设备基本还只是存在于某些大型机械密封生产企业， 以及部分高校和研究所，市场上还找不到满足试验需要的机械密封试验台。而 且由于机械密封种类繁多，应用的场合不一样，研究的目的也不同，目前机械 密封试验台还主要是有目的、有对象地定制的。 镇海炼化为了改善其机泵设备上所使用的机械密封的性能，提高机械密封 的使用寿命，减少由于机械密封失效造成的损失，迫切需要开展机械密封试验， 以研究其特性及失效的原因。本论文根据镇海炼化的要求，综合研究和分析了 其生产现场机械密封应用的现状及失效的原因，同时结合国内机械密封行业发 展的现状和需要，设计了满足国家标准机械密封试验方法要求，可以进行 多种试验和研究，性价比高的机械密封试验台。该试验台具有如下的性能指标， 其中部分指标按照镇海炼化实际工况设定： ( 1 ) 满足多种机械密封产品试验的要求； ( 2 ) 单台设备满足静压和动压两种试验的要求； ( 3 ) 密封腔介质温度：1 0 0 ； ( 4 ) 密封腔介质压力：1 m p a ，并且具有稳压的功能； ( 5 ) 传动机构输出转速：3 0 0 0 r m i n ； ( 6 ) 弹簧比压可调； ( 7 ) 密封端面泄漏量可测； ( 8 ) 温度、压力、转速和振动量可测； ( 9 ) 实时数据采集、存储与显示； ( 1 0 ) 试验数据分析与处理。 论文主要研究的内容有： 在第二章中，首先根据镇海炼化的要求和相关行业发展的需要，提出机械 密封试验台的设计需求，并确定试验台的设计方案，然后将试验台设计方案细 化为本体设计和测试系统设计两部分，最后阐述了机械密封试验台本体各部分 一9 一 浙江大学硕士学位论文 的设计与实现过程。 在第三章中，首先提出了测试系统电气部分的设计方案，然后阐述了数据 采集设备及传感器选型的主要原则，并完成了对数据采集设备的选型以及温度、 压力、转速和振动信号传感模块的选型与设计。 在第四章中，根据试验的需求提出了测试系统软件的设计方案，并利用多 种软件开发技术编制了测试系统软件的数据采集与处理、振动信号分析和数据 管理与回放等模块。 在第五章中，通过实验分析机械密封试验的流程和试验台的操作方法，并 对试验过程中采集的数据进行分析和研究，以验证试验台的可靠性及设计的可 行性。 一1 0 浙江大学硕士学位论文 第二章试验台系统方案确定与本体设计 2 1 引言 机械密封试验台是为进行机械密封试验而设计的专用测试设备，在机械密 封的设计、制造、使用及研究工作中都有很重要的作用。 本章根据镇海炼化的要求，结合机械密封行业发展的需要，提出了符合国 家标准机械密封试验方法要求，满足多种试验任务与研究工作需要，性能 价格比高的机械密封试验台设计方案，并介绍其组成和工作原理。 2 2 机械密封试验台设计方案的确定 2 2 1 试验台设计需求 本论文以国家标准机械密封试验方法为准则，结合镇海炼化的要求和 相关行业发展的需要，设计了机械密封试验台。试验台的设计需求主要有【2 8 】： ( 1 ) 设备具有一定的通用性，可以满足多种机械密封产品试验的需要； ( 2 ) 满足型式试验、出厂试验和研究型试验的要求； ( 3 ) 可以进行静压试验和动压试验； ( 4 ) 试验台密封腔内介质温度可调，以模拟机械密封在工业现场的实际工 况。根据镇海炼化的要求及其机械密封的实际工况，试验台的温度可调范围是 1 0 0 ： ( 5 ) 试验台密封腔内介质的压力可调，以模拟机械密封在工业现场的实际 工况。根据镇海炼化的要求及其机械密封的实际工况，试验台压力可调范围是 一 i m p a ；试验台还需具有稳压的措施，允许的压力波动值在规定值的士5 范围 内： ( 6 ) 试验台旋转轴的转速可调，以模拟机械密封在工业现场的实际工况。 根据镇海炼化机械密封的实际工况要求，试验台转速的可调范围是0 3 0 0 0 r m i n ，并且保持误差在规定值的l o 内； ( 7 ) 具有收集与测量端面泄漏介质的装置； ( 8 ) 具有可以测量介质温度、压力、转轴转速及试验台振动量的测试系统。 除此之外，还需要考虑制造成本等问题。 2 2 2 试验台设计方案的确定 根据机械密封试验台的设计需求，确定试验台由试验台本体和计算机辅助 测试系统( c o m p u t e ra i d e dt e s t i n g , c a t ) 两部分组成，各部分的构成如图2 - 1 所 示： 浙江大学硕士学位论文 i 机械密封试验台 试验台本体计算机辅助测试系统 上上l上上上上l上 密密传介 介 端温压转振 封封动质质血度力速动 腔介机压温泄测测测测 质构 力度漏 量 量 供调调收模模模模 应 节节 集块块块块 装 装 装装 置置置置 图2 - 1 机械密封试验台结构框图 试验台本体主要是指构成试验台的机械结构、动力装置、液压系统等部分， 具体有【6 9 】【7 0 】： ( 1 ) 密封腔。密封腔用于安装机械密封，对于不同类型的机械密封产品， 设计不同结构的密封腔，以满足设备的通用性要求； ( 2 ) 传动机构。根据试验的要求，试验台不仅可以进行静压试验，而且主 要能进行动压试验，因此试验台需要传动装置带动机械密封运转，并且要求传 动装置输出的转速可调； ( 3 ) 密封介质供应装置。该装置主要负责密封腔内的工作介质的供应和循 环： ( 4 ) 介质压力调节保持装置。该装置主要用于向密封腔内介质加压。 ( 5 ) 介质温度调节装置。该装置用于调节密封腔内介质温度； ( 6 ) 泄漏液收集装置。泄漏液收集装置负责收集从密封端面处泄漏的介质， 以满足机械密封试验对泄漏量测量的要求。 计算机辅助测试系统( 以下简称测试系统) 是由执行不同信号测试功能的各 模块组成的，具体有： ( 1 ) 温度测量模块，用于进行介质温度的测试； ( 2 ) 压力测量模块，用于进行介质压力的测试； ( 3 ) 转速测量模块，用于进行转轴转速的测试； ( 4 ) 振动测量模块，用于进行机械密封振动的测试，并对采集的振动信号 进行分析。 测试系统是机械密封试验台的核心组成部分，测试系统对各路信号的准确 测量和分析是衡量机械密封试验台可靠性的关键。当前比较常用的测试系统主 要有嵌入式测试系统和基于p c 的测试系统。嵌入式测试系统具有实时性好、 响应速度快、体积小、重量轻、携带和安装方便等优点，但嵌入式测试系统的 开发通常周期长，开发的复杂程度高，可靠性也相对比较差，而且信号分析处 理的功能较弱，用它开发机械密封试验台测试系统有较多的局限性。而基于p c 开发的测试系统则拥有丰富的可用资源，尤其市场上有很多为p c 机测试系统 一1 2 一 浙江大学硕士学位论文 开发的技术成熟、性能可靠的数据采集设备，可以快速搭建测试系统。而且基 于p c 机的测试系统编程方便灵活，信号分析处理的功能强，使我们可以迅速 地利用p c 机、数据采集设备和相关外围电路搭建功能完备的机械密封试验台 测试系统。 如图2 2 所示，试验台测试系统由电气和软件两部分组成，其中电气部分 主要包括测量温度、压力、转速、振动等信号的传感模块、数据采集设备及p c 机等，软件部分由操作与控制数据采集卡进行数据采集并对采集数据进行存储 管理、显示及信号处理等功能的多个软件模块组成。 电气部分软件部分 f 二二二二= = 、一一一一 ! 塑睾篁茎篓翼堡姿! li 厂1 两酉痞j 暮 l 压力信号传感模块iti = 二三三三兰： 宦蚕蚕百葶霍虱k 一 塑塑查堕笪里l 匮丽弱丽圜r 1 厂甄i 醯示 p 笔筹粤：! i 压耍p c 机j - 。 = l = _ = = i = _ 一一一一 图2 - 2 测试系统组成框图 由于机械密封产品的多样化，研究目的和重点的不同，目前机械密封试验 台主要还是有目的、有对象地研制的。机械密封在石油化工企业广泛使用，尤 其是波纹管型机械密封，以其耐高温、补偿能力强等特点而受到石油化工企业 的欢迎，比如镇海炼化，其6 0 的密封设计是使用波纹管单端面密封。本论文 根据镇海炼化的需求，主要以波纹管型机械密封为对象开发试验台，同时兼顾 试验台的可扩展性。 弹性元件采用波纹管的机械密封称为波纹管型机械密封。波纹管型机械密 封相对于其它类型的机械密封的优点有【2 】【3 】： ( 1 ) 密封环与波纹管制成整体，结构紧凑，安装方便； ( 2 ) 密封环与轴问无需辅助密封圈，减少了补偿机构的摩擦阻力； ( 3 ) 适用范围广，可以根据不同的使用条件选择不同的材质和结构制作波 纹管，以满足在高温、低温、高压、高速及强腐蚀介质的环境下工作的要求。 本论文设计试验台所用的d b m 9 0 a 波纹管型机械密封主要的特性与性能 指标为： a ) 内装型，可以承受比较大的温度和压力； b ) a 型焊接金属波纹管，具有适应温度范围广，补偿性能好的优点； c ) 波纹管与动环一体化，工作时随动环旋转，为旋转式机械密封； d ) 工作转速9 0 0 0 r m i n ； e ) 工作温度一4 0 2 6 0 。 如表2 1 所示为d b m 9 0 a 波纹管组件的主要