模块化机械密封试验台的设计与应用

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The Design and Application of M odularized M echanical Seal Test BedGU0 W en-yong，CHEN Lin-gen，LIU Hai-tao(Colege of Naval Architecture and Power，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)Abstract：Because of lots of ship mechanical seal disclosure。a modularized mechanical seal test bed wasmade for finding fault cause and analyzing characteristic of mechanical sea1.Then the main partsstaticand dynamic verification of test bed were done.The tail shaft mechanical meal equipment was tested bythis test bed.And the relation and influence between seal parameters were analyzed too.At last.correla。

ted conclusions were drawn for providing reference to design and improvement of seal equipment。

Key words：mechanical seal；test bed；modularized；design and application相对于其他形式的密封，机械密封具备密封效果好 、对转轴磨损孝使用寿命长、消耗功率少等特点，因而逐渐被广泛地应用在我国的舰艇机电设备上、艇机电设备机械密封种类繁多，型号各异，在长时间运行、密封件工况变化频繁的条件下 ，不可避免地会出现密封失效的问题↑年来 ，设备机械密封的泄漏问题-直困扰着舰艇装备的正常使用，因此总结机械密封失效形式，寻找失效原因以便对机械密封装置进行设计改进是亟待解决的问题。

目前 ，对于艉轴机械密封技术的研究仍处于理论和试验相结合的阶段 。 ，因此机械密封试验台是密封性能试验不可缺少的设备。本文针对机械密封需求建立了可更换密封结构的拈化机械密封试验台，并以艉轴机械密封为对象进行了实验。

1 试验台的搭建1.1 试验台基本结构试验台架部分如图 1所示主要由变频电机、支撑轴承、密封腔(包括内部密封设备)、扭矩传感器、温度传感器、压力传感器和拉压力传感器、T型台架和联轴器等组成。液体循环部分主要由水槽、增压泵 、阀以及加热测量等仪器组成。

试验台架的试验测量过程中主要可 以对主轴转矩、转速、密封端面温度、液膜压力、弹簧压缩(伸长量)等几个参数进行实时监测。为了测量和调整弹簧比压，选择将密封腔设计成为可以轴向移动的，在密封腔下面安装了可以轴向移动的导轨，并且可以通过螺杆和弹簧对密封端面压力进行连续控制 ，并且在弹簧与弹簧座之间安装了精度较高的 S型拉压力传感器，其中弹簧组是由四根完全相同弹簧组成，4个S型拉压力传感器分别对每个弹簧的拉压力进行测量，进而转换成弹簧的伸长量(压缩量)。扭矩传感器串联在变频电机与支撑轴承之间，用来测量不同工况下摩擦端面因摩擦系数不同而产生的变化的摩擦转矩。压力传感器和温度传感器都安装在密封腔端盖上用来测量静环面的工作温度和液膜压力。泄露的液体主要沿主轴从静环座内腔由导管引出，并由量杯进行测量，同时配有高分辨率的称重传感器对于泄露的收稿日期：2013-02-25基金项目：国家博士后科学基金资助项目(20080430232)。

作者简介：郭文勇(1970-)，男，副教授，主要从事舰艇机电设备振声监测及维修保障研究。

郭文勇，等：拈化机械密封试验台的设计与应用 75液体进行测量，从而有效的得到泄漏量的大校密封腔设置- 个出水 El和-个入水 VI，内部通过更换密封腔内的密封模块 ，就可以对不同结构的密封装置进行原理性实验和测试。

图 1 机械密封试验台架原理1.2 试验台结构校核1)静态校核。根据试验密封腔的设计压力 2.5 MPa，由螺栓的力学性能可知：抗拉强度极限 600 MPa，屈服极限 ：480 MPa；炔全系数S1.5，残余预紧力F 1.5F。

螺栓的工作压力：F 12 983.6 N4 (1) 4 ×8 、螺栓的总载荷：F2FFl：2.5F32 459 N (2)螺栓的内径：dl≥√ √ ：4 x 1.3 x 32 459：12.9 mm (3) ～ 480，r/1. 为了安全起见，选择 6.8级 M16的螺栓，并选择性能等级为 6的螺母进行配合。

2)动态校核。试验台在工作过程中，由于各个零件在转轴快速旋转的作用下会产生各种形式的振动，振动不仅会产生很大的噪声 ，而且可能会造成试验台的疲劳破坏。转轴的模态分析能够用来转轴与其他部件之间的动态 干扰 的可能性 ，通过合理的操作，则可以避开共振频率范围，防止大噪声和局部疲劳损坏的出现，同时避免试验台振动过大而产生试验误差。

本文在分析转轴的模态时，采用有限元计算的方法。首先利用三维建模软件 UG NX6.0建立转轴的几何模型，再导入到有限元软件 HyperMesh中划分网格，考虑到转轴的实际约束情况，在位置 l处，转轴与电机相连接，限制了轴向和径向位移，故施加轴向和径向约束；在位置2、3、4处，转轴分别位于传感器和两个轴承中，限制了径向位移，故施加径向约束；在位置5处，转轴位置不变，限制了轴向位移，故施加轴向约束，建立转轴的有限元模型如图2所示。

采用有限元软件ANSYS对转轴进行模态计算，转轴材料为45钢，其主要物理参数为：材料密度p7.8×10 kg/m ，弹性模量 E2.06×10”Pa，泊松比 ：0.3。模态提取时将忽略位移载荷以外的其他载荷，所以模态计算时在有限元模型中不施加力载荷。对转轴进行约束模态计算时，考虑到转轴的低阶模态对试验台的振动影响较大，且越是低阶，影响越大，故计算其模态时不必求出所有模态 ，通常取5-1O阶精度已足够，因此在分析中求解 了前 10阶模态。表 1给出了转轴前9阶的模态的频率。

图2 转轴模态分析有限元模型表 i 转轴前十阶模态频率值由于计算时在5个位置施加的约束都没有约束转轴的周向位移，所以第1阶模态是刚体转动模态，其值为0 Hz，第2-3阶为整体平动模态；第4-6阶是整体弯曲模态；第7-9阶是局部模态。从频率上看，模态频率远远大于电机的激励频率 ，因此不会产生共振。因此转轴设计合理。

1.3 试验台数据采集系统设计数据采集系统的任务具体说就是采集传感器输出的模拟量信号，并转换成计算机可以识别的数字信号，然后送人计算机，根据不同的需要由计算机进行相应的计算和处理，得到所需的数据。基于机械密封试验台数据采集系统的主要任务就是将端面温度 、液膜压力、弹簧拉力、主轴转矩和泄漏量等数据的模拟量信号通过采集卡再由计算机进行存储、处理和显示 。

本试验台的数据采集系统如图 3所示，它具有如下特点：系统结构简单，容易实现，能够满足中、小规模数据采集的要求；计算机数据采集系统价格低廉，成本比较低；计算机数据采集系统对环境的要求不高；安全可靠，具有足够的抗干扰能力。

2 艉轴机械密封实验试验台搭建完成后，以艉轴机械密封结构为对象进行了测试，主要针对泄漏量、端面温度、介质压力、端面压力以及转矩转速几个参数之间关系进行试验研究，寻找影响机械密封装置泄漏量的主要参数，并为将来结构改进提供参考。

76 四 川 兵 工 学 报 htp：//scbg.jourserv.corn/- - r.1兰丝竺查至： 量二 兰 垒 研韭 L叫压力传感器 -口0Q 0 南广---- ---1 、J 交 曩流Hs型拉压力传感器 流 端 采电 子 集板 源 七图3 数据采集系统原理测试结果如图4所示，限于篇幅原因，在此只列出了介质压力、端面压力以及转速与端面泄漏量之间的关系。除了这几项测试，还进行了介质压力、端面压力以及转速与端面温度之间的关联性测试以及这几项参数对端面摩擦转矩之间的关联性测试等。

从图4(a)的试验数据中不难观察到泄漏量伴随着弹簧比压的增大而减小，而且在压力变化初期，随着压力增大泄漏量呈现急剧下降的趋势。这与理论判断结果基本-致 ，当弹簧比压增大到-定程度时，泄漏量几乎为零 ，此时端面已进入干摩擦状态。

从图4(b)可以看出，随着转速的增加，端面泄漏量也在逐渐增加，但是泄露总量变化不大。这说明转速对泄漏量的影响并不十分明显。

从图4(c)可以看出，随着介质压力的增大 ，端面泄漏量呈现线性减小的趋势。，其中主要原因在于随着密封腔内压力的增大 ，端面压强增大，端面膜厚变小，接触面积增大，从而泄漏量减校这个变化与图4(a)的变化原理基本相同。

通过上述实验数据的分析，可以看出，试验台能够较好的完成对机械密封装置的原理性实验 ，并对各种影响参数进行分析。

3 结束语本文根据舰船机械密封设备的需求搭建 了可以对端面温度、转矩转速、端面比压、泄漏量等参数进行分析测试的模块化机械密封试验台。并对试验台进行了校核和验证测试。

通过测试 ，可以得出以下结论：1)本试验台可以有效的对各种机械密封装置进行原理性实验和测试，分析机构泄露的原因以及参数对泄露的影响，以便对密封装置的改进提出参考意见。

2)试验台采用了拈化设计，仅需更换不同的密封机构拈，就能够对不同的密封装置进行测试和分析。

3)此试验台只是实现了机械密封装置测试分析的基本功能，未来还要增加振动疲劳测试功能、抗冲击破坏测试功能以及故障维修模拟等功能，以实现对机械密封装置的完整分析。

量吕鲁噻热， 詈宣g蠖热0O5 Oo6 O07 0O8 Oo9 0 10 0.11 O.12 O 13 O 14 0.15弹簧压，/MPa介质温度28 5℃.介质压力0 4 MPa，主轴转速300 r/min(a)端面压力与泄漏量关系曲线转速/(r·min 1介质温度28 5℃，介质压力O 4MPa弹 簧比压O 1 MPa(b、转速与泄漏量关 系曲线O O.1 O 2 O.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8介质压力/MPa介质温度28 5℃、弹簧比压O l MPa，主轴转速300 r/rain(c)介质压 力与泄漏量关系曲线图4 不同密封参数与泄漏量的关系曲线