一种液压往复动密封状态监测传感器的制造方法
【专利摘要】本发明是一种液压往复动密封状态监测传感器，主要由往复动密封槽底面传感器(5)和往复动密封槽侧面传感器(6)组成，其中：往复动密封槽底面传感器包括密封槽底面传感光栅铺设基体，铺设在该基体内侧周向的密封槽底面应变传感光栅，以及铺设在该基体内侧轴向槽中的密封槽底面温度传感光栅，用来监测往复动密封(7)底面的温度和应变变化；往复动密封槽侧面传感器包括密封槽侧面传感光栅铺设基体，铺设在该基体端面周向槽中的密封槽侧面应变传感光栅，用来监测往复动密封(7)侧面的应变变化。本发明可适应不同型号液压执行元件的结构和功能需要，同时便于加工、安装以及更换，能够实现对液压往复动密封状态变化的实时监测。
【专利说明】一种液压往复动密封状态监测传感器
【技术领域】
[0001] 本发明涉及传感器，特别是一种液压往复动密封状态监测传感器。
【背景技术】
[0002] 液压往复密封是一种用在液压执行元件中的关键基础元件，其作用是隔开压力相 同或不同的空间以阻止液体或气体介质的交流。通常采用聚合物或者热塑性材料，以及复 合材料等制成。在液压系统的各类故障中，由于密封失效而导致的液压介质泄漏既是其中 最为主要的故障形式，也是最难解决的问题之一，不但影响了机械装备的作业效率和施工 质量，还对环境造成了污染和危害。在工程实际中，导致液压系统往复动密封失效的原因主 要有两个方面：一是液压系统的执行机构在持续不断的往复运动过程中，密封工作面会受 到周期性的交变载荷作用，容易产生疲劳失效；二是在液压系统的实际作业环境中往往存 在着大量造成油液污染的物质，随着执行机构的往复运动过程进入系统内部，会进一步加 剧往复动密封的失效过程。此外，往复动密封的结构设计、安装、启动和运行是否正确等都 是可能存在着造成其失效的原因。因此，液压系统执行元件工作的可靠性实际上主要取决 于其中往复动密封的有效性。本发明以提高液压系统执行元件的可靠性为目标，利用光纤 传感技术对液压系统往复动密封的状态进行及时监测，在装备的实际工作过程中实现对泄 漏故障的监测和有效预防。
【发明内容】
[0003] 本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术不能在液压系统工作过程中实现对 执行元件中的往复动密封状态进行实时监测这一不足，提供一种基于光纤光栅的液压往复 动密封状态监测传感器的设计方案。
[0004] 本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：
[0005] 本发明提供的液压往复动密封状态监测传感器，其主要由往复动密封槽底面传感 器和往复动密封槽侧面传感器组成，其中：往复动密封槽底面传感器包括密封槽底面传感 光栅铺设基体，铺设在该基体内侧周向的密封槽底面应变传感光栅，以及铺设在该基体内 侧轴向槽中的密封槽底面温度传感光栅，用来监测往复动密封底面的温度和应变变化；往 复动密封槽侧面传感器包括密封槽侧面传感光栅铺设基体，铺设在该基体端面周向槽中的 密封槽侧面应变的传感光栅，用来监测往复动密封侧面的应变变化。
[0006] 所述的传感光栅都是用环氧树脂胶粘在相应铺设基体的凹槽中。
[0007] 所述的往复动密封槽侧面传感器往复动密封槽底面传感器之间为过盈配合，以保 证传感光栅和动密封工作面保持紧密接触，同时保证此两传感器之间的相对位置关系，以 利于光纤的引出。
[0008] 所述的往复动密封槽侧面传感器与往复动密封槽底面传感器，其轴向位置是由端 盖和连接螺钉来固定的。
[0009] 本发明提供的上述液压往复动密封状态监测传感器，其制备方法包括以下步骤：
[0010] (1)密封槽底面温度传感光栅的封装：
[0011] 在裸光栅表面涂一层耐高温型环氧树脂，涂层的厚度以刚好能裹住光栅部位为 宜，待其固化前穿入毛细钢管，确保裸光栅在毛细钢管的中间，然后用耐高温胶粘剂封住毛 细钢管两端出口；
[0012] (2)密封槽底面应变传感光栅的铺设：
[0013] ①在密封槽底面传感光栅铺设基体内表面已开设好的周向槽内均匀涂覆一层室 温固化环氧树脂，
[0014] ②待其未固化前铺设用于监测往复动密封应变变化的密封槽底面应变传感光栅，
[0015] ③再铺设环氧树脂使其厚度与密封槽底面应变传感光栅的径向厚度一致，传感 光纤的引出端与铺设在轴向槽中的底面温度传感光栅的光纤引出端一起引出；
[0016] (3)密封槽底面温度传感光栅的铺设：
[0017] ①在密封槽底面传感光栅铺设基体内表面已开设好的轴向槽内均匀涂覆一层室 温固化环氧树脂，
[0018] ②待其未固化前铺设用于监测温度的光纤光栅，同时铺设密封槽底面应变传感光 栅的光纤引出部分，
[0019] ③再铺设环氧树脂使其厚度与往复动密封槽底面温度传感光栅的径向厚度一致， 然后将底面温度传感光栅和密封槽底面应变传感光栅的光纤引出端一起从端盖中事先开 设好的光纤引出孔中引出；
[0020] (4)密封槽侧面应变传感光栅的铺设：
[0021] ①用软刷蘸室温固化环氧树脂在密封槽侧面传感光栅铺设基体端面的周向槽内 均匀涂覆一层，
[0022] ②待其未固化前铺设密封槽侧面应变传感光栅，
[0023] ③铺设环氧树脂使其厚度与密封槽侧面应变传感光栅的径向厚度一致，其光纤的 引出端经密封槽侧面传感光栅铺设基体上开设的轴向孔从端盖的光纤引出孔中引出；
[0024] (5)往复动密封槽底面传感器和往复动密封槽侧面传感器的安装：
[0025] 按前述步骤制作好的往复动密封槽底面传感器和往复动密封槽侧面传感器在安 装往复动密封之前，先将往复动密封槽底面传感器装入缸头的密封槽中，然后再进行往复 动密封的安装，接着在往复动密封槽底面传感器的内圆周面装入往复动密封槽侧面传感 器，并确保往复动密封槽侧面传感器能与往复动密封的左端面紧密接触。
[0026] 本发明与现有技术相比有以下优点：
[0027] 1.本发明设计的传感器能够在不改变液压系统执行元件现有结构和功能的前提 下，通过铺设在往复密封槽底面和侧面的应变光纤光栅和温度光纤光栅对往复动密封的应 变及温度进行测量，实现对液压往复动密封状态变化的实时监测。
[0028] 2.本发明设计的传感器结构采用为标准的结构化设计思想，使其可适应不同型号 液压执行元件的结构和功能需要，同时便于加工、安装以及更换。
【专利附图】
【附图说明】
[0029] 图1是本发明液压往复动密封状态监测传感器的结构示意图。
[0030] 图2是图1中往复动密封槽侧面传感器6中密封槽侧面传感光栅铺设基体601的 结构示意图。
[0031] 图3是图2的A-A剖视图。
[0032] 图4是图1中往复动密封槽底面传感器5中密封槽底面传感光栅铺设基体502的 结构示意图。
[0033] 图5是图4的A-A剖视图。
[0034] 图6是图1中端盖3的结构示意图。
[0035] 图7是图6的右视图。
[0036] 图8是密封槽底面温度传感光栅500 (由光纤5002、裸光栅5003和毛细钢管5001 组成）的封装示意图。
[0037] 图9、10、11是往复动密封槽底面传感器5中铺设密封槽底面应变传感光栅501的 示意图。
[0038] 图12、13、14是往复动密封槽底面传感器5中铺设轴向温度传感光纤光栅500的 示意图（图中标示的501指密封槽底面应变传感光栅，其光纤引出端需要从轴向温度传感 光纤光栅500的铺设槽中引出）。
[0039] 图15、16、17是往复动密封槽侧面传感器6中铺设密封槽侧面应变传感光栅600 的示意图。
[0040] 图18至图21是往复动密封槽底面传感器5和往复动密封槽侧面传感器6的安装 的示意图。
[0041] 图中：1.活塞杆；2.防尘圈；3.端盖；4.垫圈；5.往复动密封槽底面传感器；6.往 复动密封槽侧面传感器；7.往复动密封；8.缸头；9.缸筒；10.连接螺钉；500.密封槽底面 温度传感光栅（5001.毛细钢管；5002.光纤；5003.裸光栅）；501.密封槽底面应变传感光 栅；502.密封槽底面传感光栅铺设基体；600.密封槽侧面应变传感光栅；601.密封槽侧面 传感光栅铺设基体。
【具体实施方式】
[0042] 本发明提供一种可安装在液压执行元件往复动密封槽内的液压往复动密封状态 监测传感器，该传感器内部铺设有应变光纤光栅和温度光纤光栅，可与液压往复动密封一 起在往复动密封槽内进行同步安装及使用，能够在液压执行元件工作过程中对液压往复动 密封可能发生的失效状态进行监测，有效预防并避免因密封失效而造成的泄漏和安全事 故。
[0043] 下面结合实例对本发明作进一步阐述，但本发明的内容不仅仅局限于以下实施 例。
[0044] 实施例1.液压往复动密封状态监测传感器
[0045] 该液压往复动密封状态监测传感器是一种基于光纤光栅的传感器，可用于监测液 压缸中往复动密封的工作状态以预防工作介质泄漏。其特征是由传感光栅铺设基体、应变 传感光纤光栅和温度传感光纤光栅组成，其中传感光栅铺设基体的结构及尺寸根据液压系 统执行元件的结构和尺寸给定，能够在满足液压系统执行元件正常功能的前提下，在其中 专门开设的周向槽和轴向槽内进行应变传感光纤光栅和温度传感光纤光栅的铺设，并通过 合理的结构设计使其可以在液压系统的执行元件中方便地进行安装和更换。其结构如图1 至图21所示，包含往复动密封槽底面传感器5和往复动密封槽侧面传感器6。其中：往复 动密封槽底面传感器5采用45#钢为原材料，包括密封槽底面传感光栅铺设基体502和铺 设在其内侧周向的密封槽底面应变传感光栅501以及铺设在其内侧轴向的密封槽底面温 度传感光栅500,用来监测往复动密封7底面的温度和应变变化。往复动密封槽侧面传感 器6采用45#钢为原材料，包括密封槽侧面传感光栅铺设基体601和铺设在其端面周向槽 中的密封槽侧面应变传感光栅600,用来监测往复动密封7侧面的应变变化。其中，光纤光 栅都是用环氧树脂胶粘在相应铺设基体的凹槽中。往复动密封槽侧面传感器6用来监测往 复动密封7的侧面，其与往复动密封槽底面传感器5之间为过盈配合，以保证传感光栅和动 密封工作面保持紧密接触，同时保证往复动密封槽底面传感器5和往复动密封槽侧面传感 器6之间的周向相对位置关系，以利于光纤的引出。往复动密封槽底面传感器5和往复动 密封槽侧面传感器6的轴向位置固定是由端盖3和连接螺钉10来保证的。
[0046] 所述缸头8通过连接螺钉10与缸筒9相连。采用垫圈4,以便补偿端盖3和缸头 8在制造中可能存在的尺寸误差。
[0047] 所述缸筒9是用于为液压系统中液压缸活塞杆1的往复运动提供封闭的压力油容 腔。活塞杆1是根据液压系统的工作需要执行伸出和缩回运动的部件。采用防尘圈2,其是 用来阻挡活塞杆1伸出和缩回过程中可能跟随活塞杆一起被带入系统内部的污染物质。
[0048] 所述密封槽底面传感光栅铺设基体502和密封槽侧面传感光栅铺设基体601用来 进行密封槽底面及侧面应变传感光纤光栅和温度传感光纤光栅的铺设，密封槽底面传感光 栅铺设基体502装在缸头预留的密封槽中，而密封槽侧面传感光栅铺设基体601则与密封 槽底面传感光栅铺设基体502配合，其结构及尺寸根据液压系统执行元件的结构和尺寸给 定，能够方便地进行安装和更换。
[0049] 所述密封槽底面应变传感光栅501和密封槽侧面应变传感光栅600用来监测往复 动密封工作面的应变变化，其中密封槽底面应变传感光栅501安装在密封槽底面传感光栅 铺设基体502内侧的周向槽中，密封槽侧面应变传感光栅600安装在密封槽侧面传感光栅 铺设基体601的端面的周向槽中。
[0050] 所述密封槽底面温度传感光栅500是用来监测往复动密封工作面的温度变化，其 安装在密封槽底面传感光栅铺设基体502内侧的轴向槽中。
[0051] 上述基于光纤光栅的液压往复动密封状态监测传感器，通过铺设在往复动密封槽 底面和侧面的应变传感光纤光栅和温度传感光纤光栅，在液压系统执行元件的工作过程中 实现对往复动密封状态的实时监测（参见表1至表7)，以便在其发生失效之前及时加以更 换，以预防泄漏故障的发生，避免因此而造成环境污染及安全事故。
[0052] 该液压往复动密封状态监测传感器的工作过程是：在液压缸的工作过程中，通过 往复动密封槽底面传感器5和往复动密封槽侧面传感器6的波长变化实现对往复动密封7 表面温度和应变变化的实时监测，据此可判断往复动密封7的工作状态是否正常，以便及 时更换失效的往复动密封，预防泄漏，减少并避免不必要的损失。
[0053] 实施例2.基于光纤光栅的液压往复动密封状态监测传感器的制备
[0054] 该液压往复动密封状态监测传感器根据液压系统执行元件的结构和功能要求设 计成标准化的零件，可实现统一加工，并且方便装配和更换。其中，温度传感光纤光栅的制 备及密封槽底面传感光栅的铺设步骤如下：
[0055] (1)密封槽底面温度传感光栅500的封装：
[0056] 密封槽底面温度传感光栅500采用以下方法封装：参见图8,在裸光栅5003表面 涂一层耐高温型环氧树脂，涂层的厚度以刚好能裹住光栅部位为宜。待其固化前穿入毛细 钢管5001，并确保裸光栅5003在毛细钢管5001的中间，5002为引出的光纤，然后用耐高温 胶粘剂（J133型环氧树脂）封住毛细钢管两端出口。
[0057] (2)密封槽底面应变传感光栅501的铺设：
[0058] 如图9至图11所示：①在密封槽底面传感光栅铺设基体502内表面已开设好的周 向槽内均匀涂覆一层室温固化环氧树脂503,②待其未固化前铺设用于监测应变的密封槽 底面应变传感光栅501，③再铺设环氧树脂503使其厚度与密封槽底面应变传感光栅501的 径向厚度一致，光纤的引出端与铺设在轴向槽中的底面温度传感光栅500的光纤引出端一 起引出。
[0059] (3)密封槽底面温度传感光栅500的铺设：
[0060] 如图12至图14所示：①在密封槽底面传感光栅铺设基体502内表面已开设好的 轴向槽内均匀涂覆一层室温固化环氧树脂503,②待其未固化前铺设用于监测温度的光纤 光栅500,同时铺设密封槽底面应变传感光栅501的光纤的引出端③再铺设环氧树脂503使 其厚度与往复动密封槽底面温度传感光栅500的径向厚度一致，然后将底面温度传感光栅 500和密封槽底面应变传感光栅501两者的光纤的引出端一起从端盖3中事先开设好的光 纤引出孔（见图7中的d6)中引出。
[0061] (4)密封槽侧面应变传感光栅600的铺设：
[0062] 如图15至图17所示：①用软刷蘸室温固化环氧树脂602在密封槽侧面传感光栅 铺设基体601端面的周向槽内均匀涂覆一层，②待其未固化前铺设密封槽侧面应变传感光 栅600,③铺设环氧树脂602使其厚度与密封槽侧面应变传感光栅600的径向厚度一致，其 光纤的引出端经密封槽侧面传感光栅铺设基体601上开设的轴向孔（见图2中d4的孔） 从端盖3中的光纤引出孔（见图7中的d6)中引出。
[0063] (5)往复动密封槽底面传感器5和往复动密封槽侧面传感器6的安装：
[0064] 按前述步骤制作好的往复动密封槽底面传感器5和往复动密封槽侧面传感器6在 安装往复动密封7之前先将往复动密封槽底面传感器5装入缸头8的密封槽中，然后再进 行往复动密封7的安装，接着在往复动密封槽底面传感器5的内圆周面装入往复动密封槽 侧面传感器6,并确保往复动密封槽侧面传感器6能与往复动密封7的左端面紧密接触。作 为本发明的一个应用实例，往复动密封槽底面传感器5和往复动密封槽侧面传感器6在液 压缸活塞杆往复动密封槽内的安装如图18至图21所示。
[0065] 装配好后的本发明液压往复动密封状态监测传感器结构如图1所示。
[0066] 表1传感光栅的初始波长、对应通道及灵敏度系数
[0067]
【权利要求】
1. 一种液压往复动密封状态监测传感器，其特征是主要由往复动密封槽底面传感器 (5)和往复动密封槽侧面传感器（6)组成，其中：往复动密封槽底面传感器（5)包括密封槽 底面传感光栅铺设基体，铺设在该基体内侧周向的密封槽底面应变传感光栅，以及铺设在 该基体内侧轴向槽中的密封槽底面温度传感光栅，用来监测往复动密封（7)底面的温度和 应变变化；往复动密封槽侧面传感器（6)包括密封槽侧面传感光栅铺设基体，铺设在该基 体端面周向槽中的密封槽侧面应变传感光栅，用来监测往复动密封（7)侧面的应变变化。
2. 根据权利要求1所述的液压往复动密封状态监测传感器，其特征是所述的传感光栅 都是用环氧树脂胶粘在相应铺设基体的凹槽中。
3. 根据权利要求1所述的液压往复动密封状态监测传感器，其特征是所述的往复动密 封槽侧面传感器（6)与往复动密封槽底面传感器（5)之间为过盈配合，以保证传感光栅和 动密封工作面保持紧密接触，同时保证此两传感器之间的相对位置关系，以利于光纤的引 出。
4. 根据权利要求1所述的液压往复动密封状态监测传感器，其特征是所述的往复动密 封槽侧面传感器（6)与往复动密封槽底面传感器（5)，其轴向位置是由端盖（3)和连接螺钉 (10)来固定的。
5. -种液压往复动密封状态监测传感器的制备方法，其特征是该方法是制备权利要求 i至4中任一权利要求所述的所述的液压往复动密封状态监测传感器，其步骤包括： (1) 密封槽底面温度传感光栅的封装： 在裸光栅表面涂一层耐高温型环氧树脂，涂层的厚度以刚好能裹住光栅部位为宜，待 其固化前穿入毛细钢管，确保裸光栅在毛细钢管的中间，然后用耐高温胶粘剂封住毛细钢 管两端出口； (2) 密封槽底面应变传感光栅的铺设： ① 在密封槽底面传感光栅铺设基体内表面已开设好的周向槽内均匀涂覆一层室温固 化环氧树脂， ② 待其未固化前铺设用于监测应变的密封槽底面应变传感光栅， ③ 再铺设环氧树脂使其厚度与密封槽底面应变传感光栅的径向厚度一致，传感光纤 的引出端与铺设在轴向槽中的底面温度传感光栅的光纤引出端一起引出； (3) 密封槽底面温度传感光栅的铺设： ① 在密封槽底面传感光栅铺设基体内表面已开设好的轴向槽内均匀涂覆一层室温固 化环氧树脂， ② 待其未固化前铺设用于监测温度的光纤光栅，同时铺设密封槽底面应变传感光栅的 光纤的引出端， ③ 再铺设环氧树脂使其厚度与往复动密封槽底面温度传感光栅的径向厚度一致，然 后将底面温度传感光栅和密封槽底面应变传感光栅两者的光纤的引出端一起从端盖中事 先开设好的光纤引出孔中引出； (4) 密封槽侧面应变传感光栅的铺设： ① 用软刷蘸室温固化环氧树脂在密封槽侧面传感光栅铺设基体端面的周向槽内均匀 涂覆一层， ② 待其未固化前铺设密封槽侧面应变传感光栅， ③铺设环氧树脂使其厚度与密封槽侧面应变传感光栅的径向厚度一致，其光纤的引出 端经密封槽侧面传感光栅铺设基体上开设的轴向孔从端盖中的光纤引出孔中引出； (5)往复动密封槽底面传感器和往复动密封槽侧面传感器的安装： 按前述步骤制作好的往复动密封槽底面传感器和往复动密封槽侧面传感器在安装往 复动密封之前，先将往复动密封槽底面传感器装入缸头的密封槽中，然后再进行往复动密 封的安装，接着在往复动密封槽底面传感器的内圆周面装入往复动密封槽侧面传感器，并 确保往复动密封槽侧面传感器能与往复动密封的左端面紧密接触。
【文档编号】G01M3/00GK104296930SQ201410576536
【公开日】2015年1月21日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】赵秀栩, 郑文涵, 温鹏飞, 张栓栓, 周传丽, 赵磊 申请人:武汉理工大学