一种金属密封应力松弛加速的试验装置及分析方法与流程

本发明属于金属密封应力松弛检测技术领域，具体涉及一种金属密封应力松弛加速的试验装置及分析方法。

背景技术：

金属密封广泛应用于长期使用、低温、高温、高压、高真空、辐射、强酸、强碱及强腐蚀等工作条件恶劣、密封要求高、其它密封形式难以满足要求的场合。对于长期(数十年)服役的金属密封，随着使用时间的延长会发生应力松弛以及蠕变(高温)等问题，可能引起密封失效。关于金属密封长期使用过程中密封性能的分析与验证问题，目前的理论和试验研究均缺乏有效的解决方案，一方面密封性能的影响因素较多且密封机理复杂，没有相关成熟理论提供支撑；另一方面缺乏金属密封应力松弛相关设备，也鲜有相关试验开展情况的报道，其试验技术亟待发展。

金属密封的应力松弛是一个非常缓慢的过程，需连续开展较长时间(一般几年)的应力松弛试验才能较准确地获取试验数据。然而，受试验成本、产品研制周期等因素的制约，按常规方法开展应力松弛试验难于满足研究工作需要。因此，需研究金属密封应力松弛特性的加速等效方法，并开展相应较短时间内的试验而说明和验证其长时期内的应力松弛特性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种金属密封应力松弛加速的试验装置及分析方法，用于表征金属密封的加速应力松弛特性，并进行试验验证，以达到以较短时间金属密封的应力松弛加速试验，从而分析、评价其长期使用情况下密封性能。

本发明的技术方案如下：一种金属密封应力松弛加速的试验装置，该试验装置包括下法兰、上法兰、恒温箱、压盖、负荷传感器、涡轮蜗杆，其中，在恒温箱内底面设有试样基座，下法兰通过下阶梯轴布置在试样基座内部下端面上；在下法兰上端面上开有环形凹槽，并在所述环形凹槽中设有金属密封试样；在金属密封试样上设有与下法兰结构相似且相互平行的上法兰，并在上法兰上端面安装有与下阶梯轴相互对称的上阶梯轴，双向螺柱穿过恒温箱，其一端与上阶梯轴相固定，其另一端与压盖固定连接；压盖通过螺杆与安装有电机的涡轮蜗杆相连接；并在压盖与恒温箱上表面之间设有负荷传感器。

所述的下法兰中环形凹槽的底部设有高温应变片，其通过位于恒温箱内的高温电缆连接，并在高温电缆穿过恒温箱后，通过普通电缆与应力应变测试系统相连接，并利用密封胶密封相应的导线孔。

所述的恒温箱包括恒温箱底座和恒温箱上盖，其中，在恒温箱上盖中布置有贯穿恒温箱上盖的套筒，双头螺柱穿过套筒，并固定在上阶梯轴和压盖之间。

所述的试样基座为内部开有阶梯孔的圆柱筒结构，圆盘状结构的下法兰通过下阶梯轴布置在试样基座内部下端面上。

所述的蜗轮蜗杆中的蜗杆与压盖上端面中心的凸起结构相连接，且蜗轮蜗杆及其相连接的电机安装在电机基座上。

所述的恒温箱上贯穿设有温度计，可实时测量显示恒温箱内的温度。

一种金属密封应力松弛加速的分析方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤1、采用上述权利要求所述的金属密封应力松弛加速的试验装置，设置恒温箱内的试验温度，获得残余接触应力随时间变化的试验数据；

步骤2、对步骤1中的试验数据进行分析，确定加速特征参数中金属密封的特征值，并使应力松弛试验数据具有良好的线性相关性；

步骤3、对试验数据进行线性回归处理，获得金属密封的应力松弛动力学方程；

利用试验获得的不同温度下的残余接触应力随时间变化的试验数据，获得最终应力松弛动力学方程为：

Y_2R(T,t)＝K(T)-C(T)(log₁₀^(t))

其中，Y_2R(T,t)为剩余接触应力；K(T)、C(T)为与材料、试验条件有关的常数，可通过应力松弛试验数据的计算分析获得；

利用上述应力松弛动力学方程，可以预测分析不同温度和时间条件下的应力松弛情况。

所述的步骤1中获得试验数据具体包括：

利用本发明所述的金属密封应力松弛加速的试验装置，设置恒温箱内的试验温度为T，通过应力应变测试系统采集获得金属密封圈试样的残余接触应力随时间变化的试验数据，并设置多个试验温度进行测试，获得不同试验温度下，金属密封圈试样的残余接触应力随时间变化的试验数据。

所述的步骤2中具体的金属密封的特征值为：

将加速特征参数LMP定义为与金属密封应力松弛特性以及试验时间、试验温度有关的参数，表达式为：

LMP(T,t)＝T(C+log₁₀(t))

其中，C为金属密封的特征值；

利用步骤1中的多组试验数据两两进行相关分析，并确定金属密封的特征值C的数值，使以参数LMP表示的应力松弛试验数据具有良好的线性相关性。

本发明的显著效果在于：本发明所述的一种金属密封应力松弛加速的试验装置，可以长时间、稳定地开展不同稳定下的应力松弛试验，可实时获取评价金属密封应力松弛特性的主要数据，包括负荷、密封面残余应力等；所述的分析方法，提供了金属密封应力松弛加速特征参数以及以该参数表征的应力松弛动力学方程，能够合理表征金属密封加速要求及条件下的应力松弛特性；本发明所述的金属密封应力松弛加速的试验装置及分析方法，可通过开展较短时间试验而分析、验证金属密封长期使用情况下的密封性能，大大缩短了试验周期和成本。

附图说明

图1为本发明所述的一种金属密封应力松弛加速的试验装置结构示意图；

图中：1、下法兰；2、下阶梯轴；3、金属密封圈试样；4、上法兰；5、试样基座；6、恒温箱底座；7、温度计；8、高温电缆；9、普通电缆；10、应力应变测试系统；11、高温应变片；12、压盖；13、负荷传感器；14、双头螺柱；15、套筒；16、上阶梯轴；17、恒温箱上盖；18、螺杆；19、蜗轮蜗杆；20、电机；21、电机基座。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，一种金属密封应力松弛加速的试验装置，包括下法兰1、上法兰4、恒温箱底座6、压盖12、负荷传感器13、涡轮蜗杆19以及电机20，其中，在恒温箱底座6内底面上放置有内部开有阶梯孔的圆柱筒结构的试样基座5，圆盘状结构的下法兰1通过下阶梯轴2布置于试样基座5内部下端面上；在下法兰1上端面上开有环形凹槽，并在该环形凹槽中放置有环形的金属密封试样3，在金属密封试样3上放置有与下法兰1结构相似且相互平行的上法兰4，并在上法兰4上端面安装有与下阶梯轴2相互对称的上阶梯轴16；在上阶梯轴16上端面开有螺纹孔，穿过安装在恒温箱底座6上恒温箱上盖17中布置的套筒15的双头螺柱14，一端与上阶梯轴16上端的螺纹孔相连接，另一端与平板结构的压盖12螺纹连接，并在压盖12与恒温箱上盖17中心位置之间设置有负荷传感器13，穿过并安装在恒温箱上盖17中的温度计7可以实时测量显示恒温箱内部的温度；安装在下法兰1环形凹槽底部的高温应变片11在位于恒温箱底座6与恒温箱上盖17空间内的高温电缆8相连接，高温电缆8穿过恒温箱后，通过普通电缆9与应力应变测试系统10相连接，并利用密封胶密封相应的导线孔；与涡轮蜗杆19相连接的电机20安装在电机基座21上，且涡轮蜗杆19中的螺杆18与压盖12上端面中心的凸起结构相连接。

本发明所述的一种金属密封应力松弛加速的试验装置中电机20通过涡轮蜗杆19传动驱动螺杆18，并带动压盖12、双头螺柱14以及上阶梯轴上下移动，将载荷通过压盖12、双头螺柱及上阶梯轴施加在法兰上，使金属密封圈试样3到达试验所需的压缩量，以确定金属密封圈实现较好密封效果所需要的轴向载荷。

本发明所述的一种金属密封应力松弛加速的分析方法，该方法具体包括如下步骤：

步骤1、采用上述金属密封应力松弛加速的试验装置，设置恒温箱内的试验温度，获得残余接触应力随时间变化的试验数据；

利用本发明所述的金属密封应力松弛加速的试验装置，设置恒温箱内的试验温度为T，通过应力应变测试系统采集获得金属密封圈试样的残余接触应力随时间变化的试验数据，并设置多个试验温度进行测试，获得不同试验温度下，金属密封圈试样的残余接触应力随时间变化的试验数据；

步骤2、对步骤1中的试验数据进行分析，确定加速特征参数中金属密封的特征值，并使应力松弛试验数据具有良好的线性相关性；

将加速特征参数LMP定义为与金属密封应力松弛特性以及试验时间、试验温度有关的参数，表达式为：

LMP(T,t)＝T(C+log₁₀(t))

其中，C为金属密封的特征值；

利用步骤1中的多组试验数据两两进行相关分析，并确定金属密封的特征值C的数值，使以参数LMP表示的应力松弛试验数据具有良好的线性相关性；

步骤3、对试验数据进行线性回归处理，获得金属密封的应力松弛动力学方程；

利用步骤2的试验数据进行线性回归处理，则金属密封的应力松弛动力学方程为：

Y_2R(t)＝A₁-B₁LMP(T,t)

其中，Y_2R(t)为残余接触应力；A₁为初始载荷系数；B₁为应力松弛率系数，B₁是与材料、试验条件有关的常数，可通过对试验数据的回归分析求取。

将试验获得的不同温度下的残余接触应力随时间变化的试验数据，代人获得最终应力松弛动力学方程为：

Y_2R(T,t)＝K(T)-C(T)(log₁₀^(t))

其中，Y_2R(T,t)为剩余接触应力；K(T)、C(T)为与材料、试验条件有关的常数，可通过应力松弛试验数据的计算分析获得；

利用上述应力松弛动力学方程，可以预测分析不同温度和时间条件下的应力松弛情况。