机械密封试验台设计1

本科毕业设计本科毕业设计 论文论文 题目 小型多功能机械密封试验台设计小型多功能机械密封试验台设计 学学 院 院 机机 械械 工工 程程 学学 院院 专专 业 业 过程装备与控制工程过程装备与控制工程 班班 级 级 20062006 级级 1 1 班班 学学 号 号 200602060128200602060128 学生姓名 学生姓名 周一波周一波 指导老师 指导老师 孟祥铠孟祥铠 提交日期 提交日期 20102010 年年 6 6 月月 1111 日日 小型多功能机械密封试验台设计 学生姓名 周一波 指导教师 孟祥铠 浙江工业大学机械工程学院 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 这样 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而研制机械密封 试验台也显得越发重要 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动机 背景及意义 分析了机械密封试验 的主要研究内容 国内外机械密封试验的发展现状进行对比和分析 确定试验台的研究 目标和主要的研究内容 第二章根据试验台的设计需求 阐述了试验台的具体组成 各零部件的作用及其选 用和设计 第三章则对试验台中的个别零件的设计和校核 第四章为机械密封试验台测试系统的设计 主要包括对传感器的介绍和选用 文章最后总结了本研究课题的主要工作 并对其发展进行了展望 关键词 机械密封 设计 选用 零件校核 传感器 浙江工业大学毕业设计 论文 ii The design of small sized multifunctional test rig of mechanical seal Student Yibo Zhou Advisor Dr Xiangkai Meng College of Mechanical Engineering Zhejiang University of Technology Abstract Mechanical seals are kinds of motive seals productions widely used in petrochemical industry In order to increase the operation lifetime of mechanical seals as well as to and to reduce the expenditure caused by failure of mechanical seals It s more and more important for us to develop a new test rig of mechanical seals In this thesis the main contributions are as follows In chapter 1 the motive and background of the development of the equipment is introduced briefly The composition and the working principle of mechanicals is presented The present research and developing on testing of mechanical seals and its testing equipment at home and abroad are reviewed The design objective and the chief research content are also confirmed In chapter 2 the design scheme of the testing equipment is made and the composing of the component and parts of the testing system is presented as well as the selection and design of them In chapter 3 give an account of the design and check of the test rig In chapter 4 the design scheme of the testing system is presented the primary coverage including the introduction and selection of sensor The end of this thesis summarizes the principal work and innovation of the subject points out the problem awaiting further research and looks forward to its deve1opment in future Keywords Mechanical seal Design Selection Adjust component sensor 浙江工业大学毕业设计 论文 iii 目 录 中文摘要 I 英文摘要 II 目 录 III 第 1 章 绪言 2 1 1 课题简介与研究目的 2 1 2 国内外研究现状及课题意义 2 1 3 论文内容概述 3 第 2 章 机械密封试验台的总体设计 5 2 1 机械密封试验台的设计要求 5 2 1 1 结构设计部分 5 2 1 2 传感设计部分 5 2 2 机械密封试验台的整体布局及初步简介 5 2 3 机械密封试验台各零件的功能及设计 6 2 3 1 电机的介绍及选用 6 2 3 2 联轴器的介绍及选用 6 2 3 3 轴承箱体的介绍及设计 7 2 3 4 左右轴承压盖的介绍及设计 8 2 3 5 轴承的介绍及选用 8 2 3 6 静环端固定装置的介绍及设计 9 2 3 7 支座及滑轨的设计及作用 11 2 3 8 拉杆的作用及设计 12 2 3 9 波纹管的作用及选用 12 2 3 10 后支座的作用及设计 13 第 3 章 机械密封试验台零部件的设计和校核 14 3 1 主轴的设计和校核 14 浙江工业大学毕业设计 论文 iv 3 2 密封端盖的设计与校核 15 3 3 螺栓的选用与校核 15 第 4 章 密封试验台测试系统的设计 16 4 1 设计的指导思想 16 4 2 系统的主要测试仪器的设计及实现 16 4 3 传感器 16 4 4 传感器的选用原则 17 4 5 端面温度的测量 18 4 5 1 热电阻法 18 4 5 2 热电偶法 19 4 6 端面膜厚的测量 19 4 7 端面膜压的测量方法 20 4 8 混合测力传感器 21 第 5 章 结论与展望 22 5 1 结论 22 5 2 展望 22 参考文献 23 致谢 25 浙江工业大学毕业设计 论文 2 第 1 章 绪言 1 1 课题简介与研究目的 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 对于最简单的密封结构 直接装在需 用的机器上令其运转 而对于结构较为复杂 精确度有特别要求的密封结构 则必须先用机械密封试 验装置进行试验 得出试验结果并判定后才能装在机器上令其运转 具备一台专用的机械密封试验设 备 在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 降低设备运作成本等方面都有重大意义 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 具体表现在服务于理论研究 产品开发和工程应用 机械密封试验台 mechanical seal test rig 是作为进行机械密封基础研究和性能检测的重要装备 机械密封试验台有些广泛而有意义的运用 然而由于目前现有的机械密封试验平台较为庞大 其功能 单一 改造余地小 改造所需成本大等 不能满足机械密封科学研究的需求 所以有必要研究开发一 种小型多功能机械密封试验平台 要求该试验平台具有高运转稳定性 振动小 多功能性 密封性能 试验 磨损试验 多密封介质试验等 稳定运转试验和瞬态启停过程试验 操作维护简便 密封试件 安装拆卸方便 多性能参数 摩擦扭矩 端面膜厚 振动量 承载力 端面温度等 测量 改造余地 大 改造费用小等特点 1 2 国内外研究现状及课题意义 在国外 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 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 并相继指定了机械密封试验 的行业标准 其中 APl682 标准对机械密封试验提出了具体的要求 它包含了丰富的试验内容以保证 其机械密封产品质量 具有较大的应用广泛性 很多大企业 包括英国 John Crane 美国 Flowserve 和 日本 Eagel 2 3 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 Flowserve 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 我国也早在 1993 年就发行了国家标准 GB T14211 93 机械密封试验方法 规定了对于旋转类 浙江工业大学毕业设计 论文 3 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 但与国外的机械密封技术水 平还有一定距离 这与我国机械密封试验开展的现状有关 我国有一大批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 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 而且仅局 限于某些大学和大公司的研究所 这对我国机械密封的发展非常不利 尽管其中有一些石油化工类学 校及科研机构在机械密封的试验和研究方面作出了巨大贡献 比如以丹东克隆 4 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 但需要做的工 作还有很多 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 随着国内外科研工作者的不懈的研究创新 目前存在的机械密封试验台的类型种类很多 涉及到 了机械密封的各个方面 比如可测机械密封功率消耗的密封试验台 高参数测量的机械密封试验台 可变工况的机械密封试验台 计算机辅助测试的机械密封试验台及釜用零泄漏隔离密封结构的密封试 验台研究等等 然而 大数的试验台都或多或少的存在着这些问题 1 不能准确测量密封端面摩擦扭矩或摩擦系数 2 无有效办法测量密封环的动态性能 3 无测量密封环的角向力矩的测试手段和措施 4 现有试验台一般为产品进行型式试验而设计 无法满足科学研究的需求 基于上述机械密封试验台的不足 研制出一种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 这便是本科题 研究的依据和意义 1 3 论文内容概述 对于不同的密封参数对机械密封使用性能的影响 需要应用特别设计的试验装置 对于最简单的 密封结构 直接装在需用的机器上令其运转 而对于结构较为复杂 精确度有特别要求的密封结构 则必须先用机械密封试验装置进行试验 得出试验结果并判定后才能装在机器上令其运转 研制的试 验机主要由机架 驱动系统 传动系统 端面比压施加系统 试验介质供给系统 冷却系统 测漏系 统 计算机数据采集和控制系统等组成 有立式和卧式两种装置 通常的做法是利用专门的试验装置 来研究不同载荷 各种结构布置 不同材料摩擦副的构成 不同滑动速度 压力 介质和不同温度下 的泄漏量 磨损量 摩擦功率损失以及温度分布等问题 5 而对于本试验台的设计要求 本论文主要先从总体上介绍机械密封试验台的设计要求 然后阐述 一下密封试验台的整体布局 接着重点介绍下试验台中各个零件的功用及其附图 在给读者有一个比 较全面的介绍后 便开始对试验台中的某些重点零件进行计算校合 校合完后再对试验台的测试系统 浙江工业大学毕业设计 论文 4 进行比较详尽的描述 这其中会对本试验中会用到的几个传感器进行较详细的介绍 最后对本论文进 行结尾并对试验台前景进行展望或设想 浙江工业大学毕业设计 论文 5 第 2 章 机械密封试验台的总体设计 2 1 机械密封试验台的设计要求 根据机械密封实验的目的 并结合实验中小型机械密封试验台机械密封试验的要求 本课题所设 计的试验台主要需要满足以下要求 2 1 1 结构设计部分 1 密封实验台具备进行常规的机械密封试验能力 包括平衡型号和非平衡型机械密封实验 2 设计滑轨具有较好的可拆卸性能 3 设计液压系统 2 1 2 传感设计部分 1 具备端面温度的测试功能 2 具备端面膜厚的测试功能 3 具备端面膜压的测试功能 4 混合力传感器的设计选用 2 2 机械密封试验台的整体布局及初步简介 自右往左依次为电机 联轴器 轴承箱体 左右轴承压盖 机械密封试验的中心部分 动密封接 触面 固定密封箱体部分 混合力传感器 拉杆 波纹管以及后支座 试验台采用简支梁结构 电机通过联轴器与主轴相接 轴承对称安装在主轴的两侧 为两个圆锥 子滚子轴承 利用左右两个轴承压盖封装在轴承箱体内 轴承箱上开设进油口和出油口 使轴承箱内 整个装置得到充分润滑 混合力传感器通过螺栓固定在支座上 整个支座与导轨相接 且支座可沿导轨滑动 以便于对试 验的机械密封的拆卸与安装 提高了整个试验装置的安装特性 固定密封箱体上开有密封介质的进出孔 液压系统通过进出孔把密封介质输入或排出密封腔 拉杆两边分别用销钉和支座及波纹管相配合 波纹管用螺栓固定于后支座上 整个试验装置中的电机 轴承箱 导轨及后支座都用螺钉固定在底板上 底板便置于底座 以上 便基本构成了整个试验台装置 如图 2 1 所示 浙江工业大学毕业设计 论文 6 1 后支座 2 波纹管 3 拉杆 4 支座 5 滑轨 6 混合力传感器 7 固定密封箱体 8 静环密封圈 9 动环密封圈 10 轴承压盖 11 轴承箱 12 圆锥滚子轴承 13 主轴 14 联轴器 15 电机 16 底板 图 2 1 机械密封试验台总装配图 2 3 机械密封试验台各零件的功能及设计 2 3 1 电机的介绍及选用 电机 electric machinery 泛指能使机械能转化为电能 电能转化为机械能的一切机器 它是能依 据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置 按工作电源种类可分为直流电机和交流电机 而按结构和工作原理划分 可分为直流电动机 异步电动机 同步电动机 关于电机的选用原则 先 必须要决定电机的转速 然后再按负载的转矩来求得电机的功率 再考虑工作环境 而根据本试验台 设计初的要求 再对负载的转矩进行较保守的估计 本机械密封试验台的电机选择用为 YCTD 系列电 磁调速电动机 型号为 YCTD200 4B 功率为 22kW 调速范围为 100 2920r min YCT 系列电磁调速电机是机械工业部组织设计的 Y 系列异步电动机的主要派生系列 电磁调速电 机由拖动电机 Y 系列电动机 电磁转差离合器和控制器三部份组成 可用于恒转距负载场合 特别 适宜在递减转矩负载中使用 例如离心式水泵和风机 有较明显的节能效果 YCT 系列电磁调速电 机能在规定的调速范围内均匀地 连续地无级调速 并能输出额定转矩 电机在动行中当负载转矩变 动时可通过控制器的速度负反馈系统自动调节离合器的励磁电流 使输出转速基本上保持不变 选用缘由 1 无失控区 2 调速范围广 速度调节平稳 3 具有速度负反馈自动调节系统 转速变化率小 4 起动力矩大 起动平稳 5 结构简单 可靠 使用维护方便 6 控制功率小 并能实现多种方式控制 2 3 2 联轴器的介绍及选用 联轴器 coupling 是用来联接不同机构中的两根轴 主动轴和从动轴 使之共同旋转以传递扭矩 的机械零件 在高速重载的动力传动中 有些联轴器还有缓冲 减振和提高轴系动态性能的作用 联 浙江工业大学毕业设计 论文 7 轴器由两半部分组成 分别与主动轴和从动轴联接 一般动力机大都借助于联轴器与工作机相联接 联轴器种类繁多 按照被联接两轴的相对位置和位置的变动情况 可以分为固定式联轴器和可移 式联轴器 固定式联轴器主要用于两轴的严格对中并在工作中不发生相对位移的地方 结构一般较简 单 容易制造 且两轴瞬时转速相同 主要有凸缘联轴器 套筒联轴器 夹壳联轴器等 可移式联轴器 主要用于两轴有偏斜或在工作中有相对位移的地方 根据补偿位移的方法又可分为刚性可移式联轴器 和弹性可移式联轴器 刚性可移式联轴器利用联轴器工作零件间构成的动联接具有某一方向或几个方 向的活动度来补偿 如牙嵌联轴器 允许轴向位移 十字沟槽联轴器 用来联接平行位移或角位移很 小的两根轴 万向联轴器 用于两轴有较大偏斜角或在工作中有较大角位移的地方 齿轮联轴器 允许综合位移 链条联轴器 允许有径向位移 等 弹性可移式联轴器 简称弹性联轴器 利用弹 性元件的弹性变形来补偿两轴的偏斜和位移 同时弹性元件也具有缓冲和减振性能 如蛇形弹簧联轴 器等 联轴器有些已经标准化 选择时先应根据工作要求选定合适的类型 然后 根据轴的直径计算扭 矩和转速 再从有关手册中查出适用的型号 最后对某些关键零件作必要的验算 对于本试验 考虑 本试验对联轴器的要求有 1 工作稳定可靠 具有良好的减振 缓冲和电绝缘性能 2 结构简单 径向尺寸小 重量轻 转动惯量小 3 具有较大的轴向 径向和角向补偿能力 4 承载能力大 使 用寿命长 安全可靠 联轴器无需润滑 维护工作量少 可连续长期运行 综上所述 再根据电机的 轴径大小 可选用 MLS6 型梅花型弹性联轴器 2 3 3 轴承箱体的介绍及设计 轴承箱体并非是标准件 而是由设计者根据设计要求而设计制造的 轴承箱体主要发挥两个作用 固定轴承的运转和让轴承保持润滑状态 另外当然还可以起到固定及密封作用 轴承箱上有油嘴 油 杯 加油口和出油口 运转时可以通加油口对轴承箱进行加油 以起到对整个箱体内的零件的润滑作 用 然后多余的油液通过出油口而排出 本试验所设计的轴承箱体如图 2 2 所示 浙江工业大学毕业设计 论文 8 图 2 2 轴承箱体 2 3 4 左右轴承压盖的介绍及设计 轴承压盖作用主要为 1 轴承外圈的轴向定位 2 防尘和密封 除它本身可以防尘和密封外 它常和密封件相配合以达到密封的作用 当然除此之外 还可以起到支撑的作用 轴承端盖与轴承紧 密相接 这样轴承才不会走外圆 以此达到保护轴承的作用 轴承压盖与轴承箱体之间 常需用增加 垫圈 然后用螺钉连接配合 垫圈可以起到多种的作用 主要有起轴向预紧作用 防止磨损 还有密 封作用 本试验中所设计的轴承压盖有左右两个 如图 2 3 所示 图 2 3 左右轴承压盖 2 3 5 轴承的介绍及选用 轴承 bearing 是机械中的固定机件 是一种当其他机件在轴上彼此产生相对运动时 用来保持 轴的中心位置及控制该运动的机件 轴承 究其作用来讲应该是支撑 即字面解释用来承轴的 但这 只是其作用的一部分 支撑其实质就是能够承担径向载荷 也可以理解为它是用来固定轴的 就是固 定轴使其只能实现转动 而控制其轴向和径向的移动 电机没有轴承的后果就是根本不能工作 因为 轴可能向任何方向运动 而电机工作时要求轴只能作转动 从理论上来讲不可能实现传动的作用 不 仅如此 轴承还会影响传动 为了降低这个影响在高速轴的轴承上必须实现良好的润滑 有的轴承本 身已经有润滑 叫做预润滑轴承 而大多数的轴承必须有润滑油 负责在高速运转时 由于摩擦不仅 会增加能耗 更可怕的是很容易损坏轴承 把滑动摩擦转变为滚动摩擦的说法是片面的 因为有种叫 滑动轴承的东西 浙江工业大学毕业设计 论文 9 本试验中由于整个装置对轴承的径向力和轴向力的作用 而又以承受径向力为主 且轴于圆锥滚 子轴承只能传递单向的轴向载荷 而本试验中需传递相反方向的轴向载荷 这便需要另一个与之对称 安装的圆锥滚子轴承 综合考虑 应当选用型号为 32314 的一对圆锥滚子轴承 2 3 6 静环端固定装置的介绍及设计 该装置主要包括静环密封腔 静环密封腔支框和静环密封腔支杆三个部分 其中静环密封腔通过 两个孔螺纹结构与液压系统相配合使用 主要作用为为试验台进行机械密封试验时提供液压介质 静 环密封腔可如图 4 所示 图 2 4 静环密封腔 对于液压系统 在试验过程中所需要的压力是由气瓶中的高压氮气提供 将高压氮气引入装有密 封介质的虹吸罐中 虹吸罐与密封腔体通过高压软管和接头等管路辅助设备相连 从而为密封腔体内 提供试验所需的压力 采用电磁感应线圈对密封介质进行加热 通过温控箱实现密封介质温度的控制 密封介质的循环可通过液体的热虹吸作用和密封腔内循环套的泵吸作用来实现 此外还可启动循环泵 对密封介质进行强制循环 热虹吸罐内设有蛇管换热器 可对循环流体进行冷却 安装于密封腔上游 的温度计和压力表用于测量腔内密封介质的压力和温度 为防止温度计在高压下损坏 采用保护套管 予以防护 液压系统如图 2 5 所示 浙江工业大学毕业设计 论文 10 1 密封腔 2 高温压力表 3 高压双金属温度计 4 虹吸罐 带蛇管换热器 5 高压氮气瓶 6 截止阀子 7 高压金属软管 8 缓冲罐 9 高压油泵 10 电磁感应加热线圈 图 2 5 液压系统 对于静环密封腔支框 它的作用主要为对静环密封腔起固定作用 防止发生径向偏移 以保证试 验台运行期间动静环之间的精确配合 具体结构如图 6 所示 图 2 6 静环密封腔支框 关于静环密封腔支杆的作用与静环密封腔支框类似 对静环密封腔起固定作用 但它主要在轴向 浙江工业大学毕业设计 论文 11 方向发挥作用 具体结构如图 7 图 2 7 静环密封腔支杆 2 3 7 支座及滑轨的设计及作用 支座的作用主要为固定 包括对混合力传感器的固定以及后面的拉杆的固定 整个支座置于滑轨 之上 这样便可以通过滑轨而进行轴向的滑移 以便于机械密封试验对象的拆卸和安装 有利于提高 整个装置的机动性能 整个装置用螺钉固定于底板上 支座及滑轨的设计图如图 2 8 和图 2 9 中所示 浙江工业大学毕业设计 论文 12 图 2 8 支座 图 2 9 滑轨 2 3 8 拉杆的作用及设计 拉杆安装于波纹管与静密封间 它的作用有如下两个 1 可以减少支座上波纹管的偏差 2 当 拉杆移走以后 整个静设备部分都会移向波纹管 这样便可以改变箱体内的密封装置 拉杆的设计图 如图 10 图 2 10 拉杆 2 3 9 波纹管的作用及选用 波纹管 corrugate pipe 主要包括金属波纹管 波纹膨胀节 波纹换热管 膜片膜盒和金属软管 等 金属波纹管主要应用于补偿管线热变形 减震 吸收管线沉降变形等作用 广泛应用于石化 仪 表 航天 化工 电力 水泥 冶金等行业 波纹管的开口端固定 密封端处于自由状态 并利用辅 浙江工业大学毕业设计 论文 13 助的螺旋弹簧或簧片增加弹性 工作时在内部压力的作用下沿管子长度方向伸长 使活动端产生与压 力成一定关系的位移 活动端带动指针即可直接指示压力的大小 波纹管常常与位移传感器组合起来 构成输出为电量的压力传感器 有时也用作隔离元件 由于波纹管的伸展要求较大的容积变化 因此 它的响应速度低于波登管 波纹管适于测量低压 5 6 本试验中 波纹管安装在后支座上 是为了给密封面间提供一个闭合力 通过使用波纹管 便可 以准确的控制装置的轴向载荷 由于活塞和汽缸的间的静摩擦力 便没有使用气动缸 而是用波纹管 来启动 另外 为了消除空气供给而导致的压力波动 通常还会安装一个压力容器 本试验中并未给 出 2 3 10 后支座的作用及设计 整个后支座都起到固定的作用 其中还通过螺栓与波纹管相接 通过螺钉与底板相固定 整个装 置的材料采用 2Cr13 具体设计如图 2 11 图 2 11 后支座 浙江工业大学毕业设计 论文 14 第 3 章 机械密封试验台零部件的设计和校核 3 1 主轴的设计和校核 为防止主轴在使用过程中发生腐蚀 在此选用不锈钢材料 2Cr13 并进行调质处理 其基本力学性 能如下 直径 60mm 硬度 HB 187 217 抗拉强度 b 637 Pa 屈服强度 S 441 Pa 许用剪应力 Pa 剪切模量 G 80GPa 对于精密稳定的传动扭转角 取 0 25 0 5 m 在此取 0 25 m 通过电机的输出功率对主轴进行保守设计 电机功率 N 22kW 最大转速 n 2920r min 扭矩 max 22 9549954971 9 2920 N TN m n 由强度条件 maxmax max 3 16 t TT WD 主轴直径为 max 3 3 6 1616 71 9 6 2 150 10 T Dmm 由刚度条件 maxmax max 4 180180 32 p TT GI GD 主轴直径为 max 4 4 292 3218032 71 9 180 38 1 80 100 25 T Dmm G 考虑密封端面启动时因粘结产生的启动扭矩过大可能引起的断轴等破坏 在取此轴的最小端面直 径 D 48mm 校核轴强度 6 maxmax max3 3 1616 71 9 3 3 10 0 048 TT WtD 浙江工业大学毕业设计 论文 15 校核轴刚度 maxmax max 924 4 18018071 9 32 180 0 0975 80 10 32 P TT m GID GD 3 2 密封端盖的设计与校核 密封端盖以周边固支的圆板为模型 材料选用 2Cr13 取 r 275MPa 最大应力在板的上下表面 处 2 2max 3 4 r PR t 对于内外密封端盖 其厚度为 22 33 10 110 18 2 44 275 r PR tmm 在此对内外端盖均选用厚为 30mm 的不锈钢钢板 3 3 螺栓的选用与校核 采用 A2 80 不锈钢的螺栓 其屈服强度为 s 800MPa 取安全系数为 1 5 则许用应力为 800 533 1 5 s l MPa S 端盖承受压力为 22 0cs l FKKDn d 若取内六角螺钉数为 6 时 右端螺钉的直径为 0 20 310 1109 32 6 533 c s l KKP dDmm n 在此内部端盖上选用 M12 的螺钉 外端螺栓选用 M20 螺栓 浙江工业大学毕业设计 论文 16 第 4 章 密封试验台测试系统的设计 4 1 设计的指导思想 测试系统 主要体现在传感器的设计及安装上面 该系统是掌握机械密封性能和故障检测的重要 依据 因此要求系统性能稳定 操作简单实用 具有抗干扰性 精确可靠 交互性好以及技术成熟先 进 其中性能稳定主要主体在当对运行状态进行测试的时候 要求测试系统性能稳定 故障率低 能 够稳定安全运行 具有抗干扰性为电动机 液压系统等在它们启动 运行以及停止过程中会产生不同强度的电磁辐 射和振动 电源的浪峰和尖峰 还要考虑温度等因素带来的干扰和误差 因此系统应具有抗电磁辐射 搞振动和搞电源干扰能力 同时在系统设计时还要考虑其自身的自检和纠错能力 操作简单实用及交互性好则主要为从实验操作的实际出发 要求系统操作简单实用 可执行性强 等 比如把静环端的固定密封箱体及其底座同时安装于导轨上 如此便可以方便的用于密封装置的拆 卸和安装 整个系统的先进性主要表现在整体功能上 而不着眼于单项技术的突破 尽量利用已成熟的技术 为我所用 同时系统要有较好的扩展能力和通信能力 为以后的开发奠定基础 10 11 4 2 系统的主要测试仪器的设计及实现 小型机械密封试验台设计的测试系统主要由各种不同的传感器来完成任务 测试仪器一般由信号 检出器件和信号处理两部分组成 能感应被测量的变化并将其转换为其它物理量变化的器件 就是狭 义的传感器 也就是说信号检出器件就是传感器 4 3 传感器 国家标准 GB7665 87 给出的传感器的定义是 传感器是指能够感受规定的被测量 并按照一 定的规律转换成可用于输出信号的器件或装置 其通常由敏感元件和转换元件组成 有些国家和有些 学科领域将传感器称为变换器 检测器或探测器 传感器按工作原理分类可分为 电阻式 电感式 和压电式传感器等 传感器是检测系统中与被测对象直接发生联系的部分 是信息输入的窗口 它为 检测系统提供了必要的原始信息 检测系统获取信息的质量高低通常是由传感器的性能确定的 为了 能使传感器的输出在精度要求范围之内并有效地反映被测量 传感器必须具备一定的基本特性 只有 这样 传感器的输出才能作为其输入信号的度量依据 12 浙江工业大学毕业设计 论文 17 对于各种各样的被测量 有各种各样的传感器与之对应 其输出信号的形式因传感器而异 但检 测仪器所输出的信号形式一般为直流电流 直流电压和数字信号等标准形式 信号处理部分的作用就 是将各种传感器的不同输出信号形式转换成所希望的信号形式 检测仪器的输出或送至可控制器用以 调节控制 或送至计算机作进一步的信息处理 所以从广义的角度来说 信号检出器件和信号处理部 分总称为传感器 13 传感器一般由敏感元件 转换元件 转换电路三部分组成 组成框图见图 图 4 1 传感器组成框图 敏感元件 它是直接感受被测量 并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件 转换元件 敏感元件的输出就是它的输入 它把输入转换成电路参数量 转换电路 上述电路参数接入转换电路 便可转换成电量输出 4 4 传感器的选用原则 由于传感器技术研制和发展非常迅速 各种各样的传感器应运而生 为选用传感器带来了很大的 灵活性 对于同一被测量 可以采用不同的传感器 为了选择最合适于测量目的的传感器 应注意传 感器的基本选用准则 传感器的选型是保证数据采集模块正常运行的前提 因此首要要解决的问题是 根据测量目的和对象选择合适的传感器 在选择传感器的时候需考虑以下一些因素 14 灵敏度 传感器输出的变化量与引起此变化量的输入变化量之比 由此可见 传感器校准曲线的 斜率就是其灵敏度 灵敏度固然是越高越好 但是也要充分考虑外部干扰因素的影响 线性度 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间的线性程度 线性度通常使用非线性误差 来度量 一般去标定误差中的最大偏离差值与输出满度值之比作为评价非线性误差的指标 线性度越 高 偏差值也越小 迟滞性 传感器在输入量增大 输入量减少行程期间输入输出特性曲线不重合现象称为迟滞 这 主要与传感器敏感元件材料和机械零件性质有关 重复性 重复性是指传感器在全量程输入按同一方向作连续多次变动时所得的特性曲线不一致的 程度 稳定性 稳定性是指传感器在相当长时间内保持其性能的能力 稳定性越好 则经过一定工作时 间间隔后 传感器输出与起始标定的输出差值就越小 动态响应特性 传感器的动态响应特性是指传感器对随时间变化的输入量的响应特性 它反映输 出值真实再现变化着的输入量的能力 它的性能指标包括固有频率 阻尼系数 时间常数 频响范围 频率特性 临界频率 临界速度 稳定时间等 浙江工业大学毕业设计 论文 18 漂移 漂移是指在一定时间间隔内 传感器输出存在着与被测输入量无关 不需要的变化 漂移 一般包括零点漂移和灵敏度漂移等 15 其它 除上述必须考虑的因素外 测试系统还应尽量兼顾体积小 质量小 结构简单 易于维修 价格便宜 便于携带 通用化和标准化 测量方式 输出信号等一系列因素 国家标准 GB T14211 93 机械密封试验方法 规定了机械密封产品性能试验的基本原则 方法 和对试验装置及仪器仪表的要求 标准中规定 型式试验运转时间应不少于 100h 每隔 4h 测量并记 录一次试验压力 温度 转速 泄漏量和功率消耗 出厂试验时间应不少于 5h 每隔 1h 测量并记录 一次试验压力 温度 转速 泄漏量和功率消耗 在达到型式试验规定的运转时间后 停机测量端面 磨损量 由此可见 机械密封常规试验中所需测量的性能参数主要包括 压力 温度 转速 泄漏量 密封功耗和端面磨损量 这里主要选用测量端面温度 端面膜厚 转矩及压力这几个测试量 为了保 证测量数据的精确度 对温度 位移 压力 转矩转速这几个测试量均采用安装传感器方式进行测量 传感器的选择既要保证测量精度的要求 也要便于计算机数据采集系统的设计 在选用传感器的过程 当中要考虑经济性和性能价格比 16 17 4 5 端面温度的测量 主要有热电阻法 热电偶法和非接触红外测量法 4 5 1 热电阻法 热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的 热电阻大 都由纯金属材料制成 目前应用最多的是铂和铜 此外 现在已开始采用镍 锰和铑等材料制造热电 阻 热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数 在 温度检测精度要求比较高的场合 这种传感器比较适用 目前较为广泛的热电阻材料为铂 铜 镍等 它们具有电阻温度系数大 线性好 性能稳定 使用温度范围宽 加工容易等特点 用于测量 200 500 范围内的温度 热电阻传感器分类 1 NTC 热电阻传感器 该类传感器为负温度系数传感器 即传感器阻值随温 度的升高而减小 2 PTC 热电阻传感器 该类传感器为正温度系数传感器 即传感器阻值随温度的升 高而增大 热电阻温度传感器测量精度高 响应速度快 因而在测量端面温度时能直观地反映密封面的摩擦 发热情况 它的缺点是测量精度相对较低 线性差 老化快 对环境温度敏感性大 且体积较大 难 以多点测量 用于测量流体润滑状态下的机械密封端面温度时 效果较好 在混合摩擦状态下 测试 数据稳定性较差 浙江工业大学毕业设计 论文 19 4 5 2 热电偶法 热电偶温度传感器可以做得很小 因而可方便地埋设于密封环内 且便于多点测量 该类传感器 的最显著特点是测试精度高 因热电偶直接与被测对象接触 不受中间介质的影响 相对稳定性好 测量范围广 常用的热电偶从 50 1600 均可连续测量 某些特殊热电偶最低可测到 269 如金铁 镍铬 最高可达 2800 如钨 铼 以及构造简单 使用方便 构造简单 使用方便 热电偶通常 是由两种不同的金属丝组成 而且不受大小和开头的限制 外有保护套管 用起来非常方便 其缺点 是响应速度不如热电阻温度传感器 18 红外测温法是利用红外光谱进行测温的一种方法 能实现端面温度的连续 实时测试 但是 因 受表面发射率 周围环境等许多因素的影响 其测温精度通常低于热电偶的测温精度 特别是红外热 像仪价格昂贵 因而难以推广使用 综上所述 此处可采用热电偶温度传感器 除其所具有的优点外 热电偶温度传感器可方便的埋 设于密封环内 且便于多为测量 安装时可直接在静环外开孔 然后置入该传感器 传感器的选择为 STTT F 系列 该系列热电偶温度传感器采用金属外壳封装 内部填充导热材料和密封材料灌封而成 适用于物体表面温度的测量 型号为 STTT F AT B1 F2 L1500 PI T6 WO SO 4 6 端面膜厚的测量 机械密封端面流体膜厚表征了摩擦副主任的摩擦润滑状态 流体膜厚测量实质上是位移和振幅测 量 目前常用的测量方法有电涡流法和电容法 电容法具有简单易行 灵敏度高 输出线性和热稳定好的特点 但是寄生电容以及介质介电常数 的变化对测量结果将产生不可忽略的影响 特别是常用动环接地的引线方式受试验装置中轴承流体膜 的影响 轴承流体膜厚度的变化有可能将密封端面流体膜厚的测量结果完全掩盖 同时由于流体膜极 薄 测量难度较大 一般位移传感器难以对如此小的位移变化做出精确响应 对于电容法的特定的缺陷 此方案可采用电涡流法传感器 电涡流法采用的是一种电感传感器 电涡流传感器 电涡流传感器利用金属的电涡流效应 电涡流产生一个我变磁场 根据楞次定律 其方向与线圈原磁场方向相反 因此这两个磁场相互叠加 改变了原线圈的阻抗 线圈阻抗的变化即 与电涡流效应有关又与静磁学效应有关 又与金属导体的电导率 磁导率 几何形状 线圈的几何参 数 激励电流频率以及线圈到金属导体的距离等参数有关 电涡流传感器正是利用这个定律将传感器 与被测金属导体之间距离的变化转换成线圈品质因数 等效阻抗和等效电感三个参数的变化 通过测 量 检波 校正等电路变为线性电压 电流 的变化 电涡流传感器是一种能将机械位移 振幅等参量 转换成电信号输出的非电量电测装置 它由探头 变换器 连接电缆及被测导体组成 既可用于静态 测量也可用于动态测量 是一种能实现非接触测量的有效工具 电涡流法具有线性范围大 灵敏度高 动态响应好 结构简单 尺寸小 可实现非接触测量等优 点 特别是传感器不受其前流体的影响 比较适合机械密封端面流体膜厚的测量 浙江工业大学毕业设计 论文 20 本试验中选用的电涡流传感器产品型号为美国本特利 BENTLY 产品规格为 3500 系列 4 7 端面膜压的测量方法 对接触式机械密封而言 端面膜压不仅表征液膜承载能力的大小 而且决定了端面润滑状态与密 封性能 对端面膜压的研究 可为进一步认识机械密封的密封机理 传感器的安装方式有如下选择 将三个微型压阻式传感器沿静环周向均布安装于三处不同的径向位置 对端面膜压进行了测量 或采 用在静环上钻通孔的办法 将流体引至压力传感器 对端面膜压进行了测量 压力传感器简介 压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器 而我们通常使用的压力传感 器主要是利用压电效应制造而成的 这样的传感器也称为压电传感器 我们知道 晶体是各向异性的 非晶体是各向同性的 某些晶体介质 当沿着一定方向受到机械力作用发生变形时 就产生了极化效 应 当机械力撤掉之后 又会重新回到不带电的状态 也就是受到压力的时候 某些晶体可能产生出 电的效应 这就是所谓的极化效应 科学家就是根据这个效应研制出了压力传感器 压电传感器中主 要使用的压电材料包括有石英 酒石酸钾钠和磷酸二氢胺 21 压阻式传感器 利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器 单晶硅材料在受到力 的作用后 电阻率发生变化 通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出 压阻式传感器用于 压力 拉力 压力差和可以转变为力的变化的其他物理量 如液位 加速度 重量 应变 流量 真 空度 的测量和控制 当力作用于硅晶体时 晶体的晶格产生变形 使载流子从一个能谷向另一个能谷 散射 引起载流子的迁移率发生变化 扰动了载流子纵向和横向的平均量 从而使硅的电阻率发生变 化 这种变化随晶体的取向不同而异 因此硅的压阻效应与晶体的取向有关 硅的压阻效应不同于金 属应变计 前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化 后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸 的变化 应变 而且前者的灵敏度比后者大 50 100 倍 优点有 1 频率响应高 适于动态测量 2 体积小 适于微型化 此试验直接三个微型压阻式传感器沿静环周向均布安装于三处不同的径向位 置 对端面膜压进行了测量 3 精度高 可达 0 1 0 01 4 灵敏高 比金属应变计高出很多倍 5 无活动部件 可靠性高 能工作于振动 冲击 腐蚀 强干扰等恶劣环境 其缺点是温度影响较大 有时需进行温度补偿 工艺较复杂和造价高等 20 22 综上所述 此试验可采用压阻式传感器 本试验选用的为北京泰威智达仪表科技有限公司生产的 产品型号为 HST 2A 系列压阻式压力传感器 产品描述 HST 2A 为基本型压阻式压力传感器 采用进口 OEM 芯体 所用元器件均经严格筛 选及测试 使传感器具有较高的精度及可靠性 可广泛用于各领域的常温状态下的精密压力测量 硅 压阻式传感器 变送器以高精度和高可靠性著称 此种传感器被广泛应用于各种科研 生产及工业过 程控制当中 也是自动化检测及仪表设计行业的首选产品 产品特点体积小 重量轻 安装方便带隔 离冲油芯体 不锈钢防水结构零位 满量程外部可调整高品质 高精度 低价格 经济使用 浙江工业大学毕业设计 论文 21 4 8 混合测力传感器 由 Hottinger Badlwin Messtechnik HBM 所特别设计的混合型传感器能够用来测量所有应用于密封 结合面的常规受力 和由密封面旋转而引起的扭矩 装配有应变仪的传感器可以测量最高达 5kN 的闭 合力和最高达 16Nm 的扭矩 应变仪的这种应用几乎没有对轴向力的扭矩信号产出影响 也没有对扭 矩信号的轴向力产出影响 除此之外 该传感器是直接安装箱体的固定面上的 这样便可以避免寄生 的外力 比如轴承摩擦力 23 本课题中选用的力传感器型号为 T22 传感器 该传感器可靠 结构紧凑 结实 应用于简单的扭 矩 应力测量 浙江工业大学毕业设计 论文 22 第 5 章 结论与展望 5 1 结论 机械密封试验平台作为进行机械密封试验的专用设备 是进行机械密封基础研究和性能检测的重 要装备 机械密封的试验是一个涉及多学科的复杂的问题 由于各种原因 只能进行有目的 有重点 的研究 而无法面面俱到 本文的论述主要从绪言开始 先介绍研究的动机与目的及研究背景及国内 外的发展状况 接着介绍了机械密封试验台的设计要求 再重点介绍了机械密封试验台的总体设计 包括各零件的选用 作用及设计制造 然后介绍试验台中某些重要部件的校核计算 最后便是密封试 验台测试系统的设计 包括各传感器的选择与作用 同时也穿插介绍了机械密封试验台的某些系统的 设计要点和以往机械密封试验台的优点 本课题的目的是要研究开发一种小型多功能机械密封试验平台 要求该试验平台具有高运转稳定 性 振动小 多功能性 密封性能试验 磨损试验 多密封介质试验等 稳定运转试验和瞬态启停过 程试验 操作维护简便 密封试件安装拆卸方便 多性能参数 摩擦扭矩 端面膜厚 振动量 承 载力 端面温度等 测量 改造余地大 改造费用小等特点 5 2 展望 机械密封试验平台用于检测不同的密封参数对机械密封使用性能的影响 在以后的机械密封行业 将会发挥着越来越重要并广泛的运用 随着时代的进步和科学技术的飞速发展 新技术 新概念 新 结构 新产品 新材料 新工艺和新标准的不断涌现 并向广度发展 机械密封试验平台 将向着高 性能 高参数和高水平发展 要求该试验平台具有高运转稳定性 振动小 多功能性 密封性能试验 磨损试验 多密封介质试验等 稳定运转试验和瞬态启