蔡永朋

（中冶华天南京工程技术有限公司，江苏南京 210019）

0 引言

密封实验台是进行密封基础研究和密封应用技术研究所必需的基础设备[1]。旋转轴可控柔性密封实验台的设计与开发过程，应首先根据研究方向和研究目的确定密封实验台的整体结构，然后根据旋转密封的实际工况确定需要采集哪些参数及参数采集方法，最后细化实验台结构。由于柔性密封材料的性能直接关系着密封性能，一旦失效，将会造成巨大的财产损失、环境污染甚至威胁人身安全[2]。因此，密封材料的密封性能实验是非常必要的。但是常规的旋转密封实验台只能测试密封材料在某一压缩变形下的密封性能，并不能体现柔性材料密封的可控性，即径向密封比压不可调。为此，设计了旋转轴可控柔性密封实验台。该实验台采用液压驱动和控制，能够控制密封比压大小，并且能够测量压力、转速、扭矩、温度等参数，实现研究不同柔性密封材料，运行工况变化（如旋转轴转速、旋转轴直径、密封腔内压力等发生变化）对密封件密封工作性能和工作寿命的影响，从而为旋转轴可控柔性密封的实际应用提供实验依据。

1 系统组成

旋转轴可控柔性密封实验台包括液压站系统、旋转驱动系统、旋转密封实验装置、控制腔内加载系统、密封腔内加载系统和数据采集控制系统。液压站系统主要包括恒压变量泵、油箱、电磁溢流阀等；旋转驱动系统主要包括液压马达、电磁换向阀等；控制腔内加载系统和密封腔内加载系统主要由柱塞泵、电磁溢流阀、蓄能器组、压力传感器、压力表、管线等组成；数据采集控制系统主要由操作台、工控机、电器控制元件、显示仪表、用于数据采集的相关硬件和软件程序等组成。由数据采集控制系统对其他系统的动作进行控制并且采集相关实验参数。密封实验台液压原理如图1所示，液压部分主要由2种流体介质的3个子系统组成：一个是以液压油为流体工作介质，为旋转驱动系统1提供动力的液压站系统3；另外2个是以水为流体工作介质，为旋转密封实验装置2的控制腔和密封腔加载的控制腔内加载系统4和密封腔内加载系统5。

2 旋转密封实验台结构设计

旋转密封实验台的整体结构如图2所示，主要由旋转马达、扭矩转速传感器、轴承座、传动轴、密封实验腔组成。将以上组件安装在一个钢结构的平台上，并做调整使各组件的回转中心重合，保证实验装置运转的稳定性。旋转马达作为动力元件，为实验台提供旋转动力；扭矩转速传感器可以检测旋转马达输出扭矩和输出转速；轴承座对中心回转轴起到支撑作用；传动轴将马达输出的转速和扭矩传递给密封实验腔中的旋转轴，模拟实际工况中需要密封的旋转部件。旋转马达输出轴与扭矩转速传感器输入轴之间、传感器输出轴与中心回转轴之间采用联轴器方式连接传动，中心回转轴与传动轴之间、传动轴与密封腔中回转轴之间采用法兰方式连接。

图1 密封实验台液压原理

图2 旋转密封实验台结构组成

密封实验腔是密封实验台的重要组成部分，结构设计如图3所示，主要由法兰盘、端盖、旋转轴、挡环、隔套、密封缸体、密封挡板、密封体及缸体支座组成。密封缸体上径向加工有3个螺纹通孔，上端的螺纹通孔为密封腔进液口，下端的2个螺纹通孔为控制腔进液口。密封实验腔中共有两组密封结构，分别处于密封腔体的两端。每组密封结构由两块密封挡板、一个挡环、一个柔性密封体组成。密封挡板处于柔性密封体的两侧，对柔性密封体起到限位作用，密封挡板与密封缸体接触面之间使用O形圈密封，防止控制腔与密封腔之间、控制腔与外界发生液体泄漏；挡环处于两块密封挡板之间，保证2个密封挡板之间的轴向距离，防止柔性密封体在密封腔压力作用下发生变形，影响实验分析结果；在挡环的圆周方向均匀分布4个径向通孔，可使控制腔带压水通过密封缸体上的控制腔进液口注入到由两个密封挡板侧面、挡环内环面、密封体外环面围成的环形控制腔中；隔套处于两组密封结构的中间位置，保证两组密封结构具有一定的轴向距离。隔套圆周方向均匀分布4个径向通孔，位置与缸体上密封腔进液口相对应，可使密封腔带压水通过密封缸体上的密封腔进液口注入到由两块密封挡板侧面、隔套内环面、旋转轴围成的环形密封腔中；端盖与密封缸体通过螺纹连接，夹紧密封实验腔体内的组件，防止密封体窜动，影响密封性能。将密封实验腔体安装在一对支座上，保证旋转轴与旋转马达输出轴处于同一回转中心。

图3 密封实验腔结构

3 密封实验台测控系统设计

数据采集控制系统用于对整个实验系统设备进行集中控制，对实验参数及实验状态进行监测、记录及图表输出。数据采集控制系统主要的控制对象包括：电机的启停、电磁阀换向的动作；所要采集的信号有旋转马达的入口压力、旋转扭矩、旋转转速、控制腔压力、密封腔压力和密封副处的温度等。

旋转式密封实验台采用S7-200 PLC（Programmable Logic Controller，可编程逻辑控制器）作为控制器。按照密封实验操作流程的先后顺序，PLC输入输出分配情况如表1所示。

实验中各压力信号为（4～20）mA的电流信号，旋转速度为脉冲信号，将以上信号转换为与其成线性的电压信号，送入到模拟量输入模块中，再将电压信号并联到显示仪表上。通过工控机上运行的数据采集软件，根据用户设置将采集到的信号转换成相应的实验参数。

使用显示仪表可以将实验重要参数的实时变化进行直观显示，而使用采集软件实现了实验数据的实时采集，通过实验曲线直观显示变化趋势，并能够存储实验数据，便于后续的实验总结与查询。应用测控系统使得在实验进行的同时，实现实验状态监测、数据记录和绘制实验参数曲线等功能。

4 旋转密封实验台工作原理

液压站将压力油注入液马达中，驱动液马达旋转，通过传动轴及法兰盘的传递作用，进而使旋转轴转动，通过扭矩转速传感器可以检测马达输出扭矩和输出转速；由密封腔注液泵向环形密封腔内注入带压水，当水压达到一定值时会有水从旋转轴处的密封副间隙溢出；然后启动控制腔注液泵向环形控制腔注入带压水，环形控制腔中带压水作用在密封体的外环面，使密封体在径向上发生压缩变形，可以通过改变控制腔注入水的压力改变密封件与旋转轴之间的作用力，控制密封比压大小，进而对环形密封腔中的带压水进行有效密封控制。

表1 PLC控制系统的I/O分配

以旋转轴可控柔性密封实验台为载体可以进行以下实验：在旋转轴转速不变的情况下，通过改变环形密封腔注入水压力，研究密封压力与控制压力之间的关系，并可以同时分析控制压力与转速之间的关系；也可以通过改变旋转轴直径、密封结构等研究不同密封体材料的密封性能。

5 结束语

旋转轴可控柔性密封的工作方式有别于传统的旋转密封，其密封失效机理与常规的填料密封或者其他类型的柔性密封有所不同，不能用常规的密封性能测试方式反映可控柔性密封的实际工作性能。旋转式可控柔性密封实验台的研制，可以模拟多种可控柔性密封工作环境和工作状态，能够测试不同密封材料的密封性能并研究不同工作参数对密封性能的影响。还可以测试不同工作压力、工作介质、旋转速度、温度等复合工况作用，对材料密封寿命的影响。可控柔性密封实验台能够为现有柔性密封材料的可控性研究提供实验平台，同时也为新型柔性密封材料的可控性开发提供实验测试。