密封摩擦过程在线智能检测诊断试验系统的制作方法

本发明涉及橡胶密封件在摩擦过程的故障特性与界面失稳的试验装置，尤其涉及一种密封摩擦过程在线智能检测诊断试验系统。

背景技术：

高端橡塑密封件是机械装备的重要基础元件，也是确保新型智能装备安全可靠性的关键零部件，橡胶弹性体在流体密封服役多场耦合下的摩擦和失效的系统耦合理论非常复杂。现有的机械设备密封故障诊断理论和技术主要集中在设备服役的故障中、后期(仅仅能够由介质泄漏率、泄漏污染程度、设备振动磨损信息来简单评价)，许多情况下，设备密封元件故障征兆表现为瞬态信息，对于早期故障(例如密封失稳、摩擦衰变)，由于机电耦合装备等服役现场的复杂性、工况的多变性，瞬态信息更加微弱，使密封元件的早期故障诊断、失效模式提取十分困难，存在着亟待解决的在线智能检测与诊断难点。

目前，用不同的离线表征方法观测密封件形貌、磨损表面和密封损伤原因，在密封性能方面仅仅使用了介质泄漏率或泄漏量来事后观察评定。但是，事后观察表征手段对橡塑密封元件摩擦磨损等失效过程中的一些现象还缺乏了解，所以在密封元件的摩擦学测试中考虑引入数字图像处理和可视化手段，形成一种密封摩擦过程在线智能检测诊断试验系统，能实时获得橡胶密封摩擦的失效故障和磨损状态，将提高密封效率及橡胶密封寿命。

查找了已有专利文献，例如，申请号201210195042.6(公开号CN102706879A)的“一种用于唇形密封件的唇部表面质量检测系统”公开了智能检测唇封密封件表面的检测系统；申请号201310334316.X(公开号CN103411761A)的“一种用于研究唇封寿命的测试实验台”公开了旋转过程中唇封保压性能、寿命特征的实验台；申请号CN201510008992.7(公开号CN104535243A)，“一种测量单个密封圈摩擦力特性的往复密封实验台”，提供了高压油液模拟环境，能实现驱动油缸往复速度、行程、缸内压力的调节，可测量单个密封圈内、外行程时的摩擦力特性、往复多次后的泄漏量以及介质温度；申请号CN201410377508.3(公开号CN104132805A)“一种多功能气动往复密封性能试验台”，对气动密封的摩擦力和泄漏量进行综合测量；申请号CN201210010369.1(公开号CN102541018A)，“一种密封试验的集中检测与控制系统”包括密封测试的上位机控制与显示子系统、数据采集与转换中心和工作分站。申请号CN201510761782.5(公开号CN105257618A)“一种可测量往复密封活塞泄漏的封闭式油膜可视化装置”，有台面可视化机构和供油系统，模拟活塞杆的油膜密封；申请号CN201610028548.6(公开号CN105675278A)“一种多作动筒同步粉尘环境模拟装置”，模拟飞机作动筒往复运动的粉尘环境；申请号CN201610073322.8(公开号CN105509970A)“一种活塞杆处密封油膜的可视化装置”，测量密封摩擦的界面；申请号CN201610115225.0(公开号CN105673621A)“一种航空作动器往复密封多工况综合模拟试验系统”，模拟航空作动器的高压、宽温、变速和机载振动等多工况综合条件，测量单个活塞杆多种型式轴密封的摩擦特性和泄漏量。

但是，上述9项专利所公开的技术方案，均不适用于橡胶密封件在摩擦过程的故障特性与界面失稳的试验。

技术实现要素：

为了解决上述的技术问题，根据多年从事本领域和相关领域的生产设计经验，本发明研制出密封摩擦过程在线智能检测诊断试验系统，可用于模拟智能装备的往复密封运行真实服役工况下密封摩擦故障检测诊断试验，能实时获得橡胶密封的摩擦力与污垢淤积规律图像，从而根据试验数据得到规律，用于提高密封摩擦使用效率与可靠性，选择合适的密封结构尺寸、弹性模量、表面粗糙度，采用合适的操控参数和作业工艺，为提高密封效率及橡胶密封寿命提供依据。

本发明解决上述技术问题的方案如下：

密封摩擦过程在线智能检测诊断试验系统，其特征在于：包括橡胶密封组件、管子组件、空心挠性轴、电控动力组件、水平传动组件和在线监测组件，

所述橡胶密封组件包括芯轴、2个橡胶密封碗和4个薄螺母，芯轴外周面设有螺纹，2个橡胶密封碗套在芯轴外，每个橡胶密封碗由2个薄螺母夹紧；

所述管子组件包括管子、夹具、Z连接梁和固定架，Z连接梁位于固定架的侧面，夹具安装在Z连接梁上，夹具夹紧管子，管子内壁非均匀敷设污垢介质，橡胶密封碗抵接管子内壁，管子的硬度大于橡胶密封碗的硬度；

所述空心挠性轴的左接头与芯轴固定连接，空心挠性轴外表面覆盖外敷层，空心挠性轴的周面设有光纤传感器和力传感器，光纤传感器和力传感器通过数据传送电缆连接计算机，橡胶密封组件在管壁受限空间强振动工况下运移过程中，光纤传感器为多组光纤网传感器，与力传感器可定量测试接触压力、相对滑动速度、复杂多相介质、振动等参数对空心挠性轴应力变化的具体影响规律；空心挠性轴的轴线方向设有通孔，芯轴设有L形孔，L形孔的入口位于芯轴右端面，出口位于2个橡胶密封碗之间的芯轴周面；通孔和L形孔将流体从右侧向2个橡胶密封碗之间输送，流体不同流速、不同温度、不同种类，可以为气体、油气混合介质、矿物油、水、油水乳液等。空心挠性轴的右接头连接电机；

所述水平传动组件包括水平传动丝杠、滑块和导杆，水平传动丝杠和导杆穿过滑块，滑块连接Z连接梁，电控动力组件通过联轴器驱动水平传动丝杠；水平传动组件具有一L固定架，L固定架的下部与型材桌子相连接，L固定架的左侧构成电控动力组件固定架；

所述在线监测组件包括监测块，监测块垂直于管子。

所述橡胶密封碗为矩形密封碗、碟形密封碗、U形密封碗、Y形密封碗、V形密封碗、组合密封碗、O形圈或者柔性刷式密封碗。

所述橡胶密封碗的硬度值为25-85HRC，管子的硬度值比橡胶密封碗的硬度值大10-15HRC。

所述电控动力组件为直线电机、大行程超声电机、螺母丝杠、齿轮齿条或者电动推杆。

所述在线监测组件还包括凸架、监测组件支架、U固定块、J调焦机构、高速图像传感器、转换截圈、固定筒、光源接口和遮光环，所述监测组件支架安装在凸架上面，U固定块安装在检测组件支架顶端，J调焦机构安装在U固定块上，固定筒连接J调焦机构，转换截圈安装在固定筒上，高速图像传感器安装在转换截圈上，高速图像传感器通过数据线缆连接计算机，光源接口安装在固定筒下，遮光环安装在光源接口下，监测块安装在遮光环下，监测块能与高速图像传感器视野范围相实时一致，每次装卸了橡胶密封组件后监测块能与高速图像传感器准确可靠传输数据至计算机。

所述监测块为光敏感器件，包含光学滤镜、物镜和棱镜，固定筒为光学显微镜镜筒，管子由透明材料制成。

橡胶密封组件在管壁受限工况的模拟试验中，管壁受限工况的污垢介质中添加了示踪染色成份，利用在线监测组件采集橡胶密封碗在污垢介质挤压剥离实时图像。此时，光敏感器件原位实时获取橡胶密封组件局部光强大小。光强越大，说明污垢介质挤压剥离越高效；光强越微弱时，说明污垢介质挤压剥离效率很低，即橡胶密封组件效果较差。

所述监测块为声敏感器件，监测块抵接管子的外周面，管子为钢管、铸铁管、碳纤维管、铝管、铜管、PV管、复合玻璃钢管、尼龙管、混凝土管、有机玻璃管、陶瓷管或者复合纤维管。

利用声敏感器件采集橡胶密封组件在污垢介质挤压剥离实时残留厚度。优选超声导波传感器或声发射传感器或电磁超声传感器或赫兹共振传感器，原位实时获取橡胶密封组件局部的污垢介质挤压剥离残留厚度大小。通过在线监测组件，能够直接观察橡胶密封碗和管壁之间污垢介质的厚度残留图像与非均匀分布图像，从而获得与实际密封摩擦时最为接近的介质残留与非均匀分布图像，从而准确地评价不同工况下橡胶密封碗动态行为和作用规律，实时获得橡胶密封的摩擦力与污垢介质淤积规律图像，从而根据试验数据得到的参数和规律等，用于提高密封摩擦使用效率与可靠性，选择合适的密封结构尺寸、弹性模量、表面粗糙度，采用合适的操控参数和作业工艺，为提高密封效率、橡胶密封寿命和可靠性提供依据。

所述橡胶密封碗与管子的相对移动速度为0m/s～15m/s。

所述橡胶密封碗的外径D相对于管子的内径d的倍数为：1.01、1.02、1.03、1.04、1.05、1.06或者1.07。

橡胶密封碗抵接在管壁时另有污垢介质，橡胶密封碗无法匀速正常运动时，可能导致管道受限环境密封失效、卡堵淤塞、磨损破坏等事故。为了模拟真实工况，采用的污垢介质为油水乳液、矿物油、水合物冰渣、泥浆、高含水胶凝油、油砂凝胶、水垢钙化物、腐蚀铁屑或者淤积岩屑，污垢介质的含水量为30％、40％、50％、60％、70％、80％或者90％，所述泥浆、高含水胶凝油、油砂凝胶、水垢钙化物、腐蚀铁屑或者淤积岩屑的固体颗粒质量比率为70％、60％、50％、40％、30％、20％或者10％。橡胶密封组件在管壁受限工况下，橡胶密封碗抵接在管壁时，橡胶密封碗将污垢介质挤压剥离的过程可定量测试。

假设敷设的总质量为m_t；剥离挤压至管端出口的质量为m_d；粘附在橡胶密封碗的质量为m_c；残留在管道内质量为m_r；所以污垢介质剥离过程中的残留率可记作：

η_r＝(m_t-m_d-m_c)/(m_t)×100％

同时可得到橡胶密封碗在管壁受限空间运移时，污垢介质剥离率为：

η_sc＝(m_d+m_c)/(m_t)×100％

橡胶密封碗抵接在管壁时，矩形横断面的橡胶密封碗运动过程中的阻力写作：

F_r(t)＝F_wrf+F_m＝F_wrf+n·μ·(W_dp+W_def) (1)

W_dp，是不同的前后压差作用下橡胶密封碗与管壁接触载荷；

W_def，是不同几何参数的橡胶密封碗与管壁接触载荷；

一方面，矩形横断面的橡胶密封碗在前后压差作用下的接触载荷记作：

ΔP，是橡胶密封碗瞬态条件下的前后压差；

R，是橡胶密封碗在过盈工况下弯曲弧形的曲率半径；

ε，是橡胶密封碗在过盈工况下弯曲形变弧形的圆心角，0<ε≤π；

另一方面，矩形横断面的橡胶密封碗在过盈尺寸下挤压变形产生的接触载荷为：

W_def＝(4.1+93.16e^-121.8ξ-3.96κ-114.29κe^-121.74ξ)

×(0.86-1.4e^-70.4ξ-0.0121σ_exe^-43.8ξ+0.35σ_exe^-43.8κ)×(W_r+W_h) (3)

ξ，是橡胶密封碗厚度尺寸的无量纲化处理，ξ＝t/d_pipe；

δ_ex，是橡胶密封碗过盈尺寸无量纲化处理，即橡胶密封碗的过盈比率；

κ，是不同类型密封碗之间夹具直径的无量纲化处理，κ＝d/d_pipe；

W_r，是橡胶密封碗径向尺寸因素导致接触载荷大小；

W_h，是整周橡胶密封碗变形导致的接触载荷；

d_bp为芯轴通孔的名义内径。

本发明的工作过程和工作原理如下：

工作时橡胶密封组件静止不动，联轴器带动水平传动丝杠作旋转运动、管子组件作直线滑动，构成密封摩擦过程实时检测诊断真实的接触副，并由在线监测组件实时获得橡胶密封组件、管壁之间的高分辨率失稳界面剥离特性。

本发明可利用不同外形和尺寸的橡胶密封碗、施加不同滑动速度、不同流体(润滑介质)、不同污垢介质进行试验，实时采集橡胶密封碗的摩擦力，最接近地模拟橡胶密封碗、管壁之间的失稳界面剥离情况，根据本发明的装置采集的参数可用于选择合适的密封结构、材料、表面粗糙度，采用合适的操控参数和作业工艺，为提高密封效率、橡胶密封寿命和可靠性提供依据。

本发明相对于现有技术具有如下的优点：

采用本发明获得的密封摩擦过程在线智能检测诊断试验的结果，可用于设计制造和分析检测时选择合适的橡胶密封结构材料和表面特性，通过利用不同外形和尺寸的橡胶密封碗试样、施加不同滑动速度、不同运动类型、不同流体(润滑介质)、不同污垢介质，进行橡胶密封碗动态试验，实时采集橡胶密封碗的摩擦力，最接近地模拟橡胶密封组件、管壁之间的失稳界面剥离情况，根据本发明的装置采集的参数可用于选择合适的密封结构、材料、表面粗糙度。

此外，在特种装备设计制造与服役环境中，例如陆地和海洋水下废弃管道残留物清洗、管道及附件拆除、环境保护、废弃物回收利用、常见管道智能检测机器人作业等过程中，以及诸如管内残留物清洗、穿越管段凝胶驱替、注浆加固和管道拆除及管道智能检测机器人等管内的密封压差驱动作业的工况，在苛刻的密封摩擦动态服役环境下，真实流体涵盖了钻井液化学药剂、压裂液化学剂、原油、胶质、沥青质、石蜡、天然气、水、沙粒、硫化氢、二氧化碳、铁屑、岩屑、矿物油等，各种腐蚀性颗粒和淤积垢层会造成密封摩擦过程的损伤失效，另外，高温、高压、强振动、腐蚀环境易引起橡胶密封碗磨损断裂、界面剥层和润滑乏油失效，因此，建立密封摩擦过程在线智能检测诊断试验系统，也是保证苛刻服役环境下密封摩擦安全高效、准确可靠应用的重要手段。

附图说明

图1是本发明的密封摩擦过程在线智能检测诊断试验系统的立体剖视图(单管)。

图2是本发明的密封摩擦过程在线智能检测诊断试验系统的立体剖视图(单管，另一检测工况)。

图3是本发明的密封摩擦过程在线智能检测诊断试验系统的立体剖视图(双管)。

附图标号说明：

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

如图1和图2所示的密封摩擦过程在线智能检测诊断试验系统，包括橡胶密封组件1、管子组件2、空心挠性轴3、电控动力组件4、水平传动组件5和在线监测组件6，

橡胶密封组件1包括芯轴12、2个橡胶密封碗11和4个薄螺母13，芯轴12外周面设有螺纹，2个橡胶密封碗11套在芯轴12外，每个橡胶密封碗11由2个薄螺母13夹紧；

管子组件2包括管子、夹具23、Z连接梁24和固定架25，Z连接梁24位于固定架25的侧面，夹具23安装在Z连接梁24上，夹具23夹紧管子，管子内壁21非均匀敷设污垢介质，橡胶密封碗11抵接管子内壁21，管子的硬度大于橡胶密封碗11的硬度；

空心挠性轴3的左接头31与芯轴12固定连接，空心挠性轴3外表面覆盖外敷层33，空心挠性轴3的周面设有光纤传感器331和力传感器332，光纤传感器331和力传感器332通过数据传送电缆连接计算机；空心挠性轴3的轴线方向设有通孔34，芯轴12设有L形孔，L形孔的入口位于芯轴12右端面，出口位于2个橡胶密封碗11之间的芯轴12周面；空心挠性轴3的右接头35连接电机；

橡胶密封组件1在内壁21受限空间强振动工况下运移过程中，外敷层33外部光纤传感器331为多组光纤网传感器，结合力传感器332，例如橡胶密封组件1在不同管子材料、不同尺寸、不同振动条件下的动态规律，可定量测试接触压力、相对滑动速度、污垢介质、振动等参数对空心挠性轴应力变化的具体影响规律。

水平传动组件5包括水平传动丝杠54、滑块和导杆55，水平传动丝杠54和导杆55穿过滑块，滑块连接Z连接梁24，电控动力组件4通过联轴器52驱动水平传动丝杠5；电控动力组件4安装在L固定架51左边，L固定架51的下部与型材桌子7相连接；。工作时橡胶密封组件1静止不动，联轴器52带动水平传动丝杠54作旋转运动，管子作直线滑动，构成密封摩擦过程在线智能检测诊断时橡胶密封碗11真实接触副，并由在线监测组件6实时检测橡胶密封组件1、内壁21之间的高分辨率失稳界面剥离特性。

通过电控动力组件4与水平传动组件5等控制参数的设置，以及使橡胶密封碗11与内壁21的相对界面剥离速度等控制参数设置，可实时进行摩擦力检测、光敏传感器、声传感器、应变测试、橡胶密封碗接触区图像采集。采用透明材料制成的内壁21，从而能够通过监测块61直接观察橡胶密封碗11与内壁21的相对界面剥离的失稳图像和污垢残留图像。

在线监测组件6包括监测块61，监测块61垂直于管子。

橡胶密封碗11为矩形密封碗、碟形密封碗、U形密封碗、Y形密封碗、V形密封碗、组合密封碗、O形圈或者柔性刷式密封碗。橡胶密封碗11与内壁21之间可以形成面接触，也可形成线接触。

软质橡胶密封碗11的硬度值为25-85HRC(洛氏硬度值)，管子的硬度值比橡胶密封碗11的硬度值大10-15HRC(洛氏硬度值)，能够更接近一模拟密封摩擦时周向约束空间的特殊工况。

电控动力组件4为直线电机、大行程超声电机、螺母丝杠、齿轮齿条或者电动推杆。

在线监测组件6还包括凸架624、监测组件支架623、U固定块622、J调焦机构621、高速图像传感器615、转换截圈614、固定筒613、光源接口612和遮光环611，所述监测组件支架623安装在凸架624上面，凸架624设置在型材桌子7上，U固定块622安装在检测组件支架623顶端，J调焦机构621安装在U固定块622上，固定筒613连接J调焦机构621，转换截圈614安装在固定筒613上，高速图像传感器615安装在转换截圈614上，高速图像传感器615通过数据线缆连接计算机，光源接口612安装在固定筒613下，遮光环611安装在光源接口612下，监测块61安装在遮光环611下。每次装卸了橡胶密封组件1后，监测块61能与高速图像传感器615准确可靠传输至计算机。从而保证在线监测组件6的稳定性，监测块61安装和更换方便，试样的加工制作简便。根据试验要求可以选择曲率半径、材料、形状、表面物化特性等不同的内壁21，通过改变内壁21的曲率半径、材料、形状、表面物化特性等，可获得一系列实时原位试验数据，从而得到橡胶密封组件1运动时的高分辨率失稳界面剥离特性。

高速图像传感器615也可替换为高清晰度超声导波变送器。

监测块61为光敏感器件，包含分光滤片、激发滤片、发射滤片、固定架、物镜、遮光板等，固定筒613为激光诱导荧光显微镜镜筒，管子由透明有机玻璃制成。监测块61选激光诱导荧光显微滤光组件和物镜。

橡胶密封碗11与管子的相对移动速度为0～15m/s。

橡胶密封碗11的外径D相对于管子的内径d的倍数为：1.01、1.02、1.03、1.04、1.05、1.06或者1.07。

污垢介质为油水乳液、矿物油、水合物冰渣、泥浆、高含水胶凝油、油砂凝胶、水垢钙化物、腐蚀铁屑或者淤积岩屑，污垢介质的含水量为30％、40％、50％、60％、70％、80％或者90％，所述泥浆、高含水胶凝油、油砂凝胶、水垢钙化物、腐蚀铁屑或者淤积岩屑的固体颗粒质量比率为70％、60％、50％、40％、30％、20％或者10％。

本实施例的装置可以进行耦合了流体(润滑介质)服役工况及特殊载荷谱加载载荷工况下不同变速运移、非线性振动或二者组合条件的橡胶密封模拟试验，为新一代智能装备采用合适的操控参数和作业工艺，为提高密封效率、橡胶密封寿命、可靠性、密封界面失稳研究提供依据。

实施例2：

监测块61还可以由红外显微镜滤光组件、物镜等组成，管子由玻璃制成，固定筒613为红外显微镜镜筒，监测块61还包括光敏温度传感器、固定架、遮光板等。

实施例3：

监测块61为声敏感器件，监测块61抵接管子的外周面，管子为钢管、铸铁管、碳纤维管、铝管、铜管、PV管、复合玻璃钢管、尼龙管、混凝土管、有机玻璃管、陶瓷管或者复合纤维管。固定筒613为不锈钢，监测块61为超声导波探讨阵列、膜片、粘合胶剂等组成，监测块61也可选择为超声导波探头或声发射或电磁超声传感器或赫兹共振探头阵列。

实施例4：

通过电控动力组件4与水平传动组件5等控制参数的设置，可以使橡胶密封碗11与内壁21的相对密封摩擦等仅仅限制一个水平的自由度方向上往复运行。橡胶密封碗11与内壁21的相对密封摩擦过程中，可使用旋转电机驱动空心挠性轴3的右端，可实现橡胶密封碗11与内壁21的相对密封摩擦的过程之中同时具有水平方向滑动自由度和旋转自由度一共2个自由度，橡胶密封碗11与内壁21的相对密封界面可以同时实现了内壁21轴向方向的拉压应力和内壁21切向方向的复合剪切应力，同时，可实时进行密封副复合应力条件下密封摩擦力检测、光敏传感器、声传感器、应变测试、橡胶密封碗接触区图像采集。同样的，采用透明材料制成管子，从而能够通过监测块61直接观察橡胶密封碗11与内壁21在密封副复合应力条件下的相对界面剥离的失稳图像和污垢残留图像。

实施例5：

如图3所示，电控动力组件4与水平传动组件5等控制参数的设置，以及使橡胶密封碗11与内壁21的相对界面剥离速度等控制参数设置，图3所示的可对置安装两组管子，四个橡胶密封碗11同时在电控动力组件4与水平传动组件5驱动调控下，更加高效率地开展密封故障实时检测的数据获取，同样地可更加高效便捷地实时进行摩擦力检测、光敏传感器、声传感器、应变测试、橡胶密封碗接触区图像采集。采用透明材料制成的管子，从而能够通过监测块61直接观察橡胶密封碗11与内壁21的相对界面剥离的失稳图像和污垢残留图像。