一种对称布置型柱塞往复密封试验装置的制作方法

1.本发明涉及柱塞及其往复密封使用寿命检测技术领域，具体涉及一种对称布置型柱塞往复密封试验装置。


背景技术：

2.由于寿命试验成本、验证方法等各种因素限制，绝大多数情况下尚无有效获得柱塞及其往复密封使用寿命的方法与手段。目前，柱塞及其往复密封副的寿命数据多数通过现场测试法，或实物样机测试法等方法得到。
3.应用现场测试法全程借助于往复泵应用现场，利用泵使用现场具备的生产装置和便利条件，在流程生产用泵过程中，对泵配柱塞及其往复密封的寿命及工作状态进行跟踪、记录并最终获得它们寿命测试数据。然而，在流程应用现场，前提和目标是保障安全生产，柱塞及其往复密封寿命测试只是附加任务。在实践中，生产工艺总是不停在变化，决定泵的运行工况(流量、压力、转速、温度、输送介质)也都在处于变化之中，导致测试过程的边界条件常偏离预设工况但又不能调整，测试结果就不能客观反映特定工况的实际情况。甚至由于条件的制约，往往这种变化还缺乏有效的统计记录，分析数据时，缺乏必要的实际运行工况和运行边界条件作为变化分析基础。同时，由于受制于现场操作者专业能力、专业技术人员难以系统参与、现场生产型仪器设备精度不够等诸多因素的影响，增加了这种测试数据的不确定性。以至于很多时候，相同柱塞，不同渠道得到数据差别很大，甚至有成倍的偏差。所以，许多通过这种方式获得的寿命数据，由于缺乏许多准确的工况参数数据支撑，仅能作为寿命数据定性参考，不能作为精确定量的寿命指标依据。此外，生产线意外停机检修会带来较大的经济损失。未经试验验证直接用于实际生产进行试验验证，很容易造成意外故障停机。因此多数情况下，未经试验验证的柱塞及其往复密封是不允许直接在生产现场进行试验测试的。
4.实物样机测试法是将装配有被试柱塞及其往复密封的实物样机安装在专用试验台架系统上，在设计工况下，对泵进行连续运行试验，测试泵配柱塞及其往复密封的实际运行寿命。
5.然而，实物样机测试法的劣势也极其明显：即高耗低效，对于大功率机组这种缺陷愈加明显。高耗方面，实物样机测试法需要将柱塞及其往复密封装配在实物样泵中，在泵实际工况下连续运行，直至柱塞及其往复密封损坏为止。以中等功率的315kw柱塞泵为例，如果柱塞寿命按时间2000h、电费率按0.75元/kw.h估算，试验电费约为：315*2000*0.75/10000＝47.25万元。以上估算仅是对1种柱塞、1种工况，如果柱塞需要进行多种工况的对比测试，那试验费用无疑将是巨大的支出。低效是指：实物样机测试法是柱塞与整泵一起试验，根据往复泵的结构和工作原理，泵的转速与泵的流量和功率是1次方关系。如果提高转速，势必提高泵的流量和驱动功率，受制于功率及柱塞强度影响这是不可能试验的，因此寿命试验只能是原速或降速试验。此外，由工程经验可知，往复泵柱塞寿命一般在1～6个月左右，大泵柱塞寿命相对短一点。如果大功率、原速试验，多数企业的测试能力仅能保证一台
大泵试验，将导致大量的泵正常试验无法试验。因此实物样机测试法不仅试验数据获取周期长，企业也无法承担；同时，柱塞生产企业也不具备稍大功率的测试条件。


技术实现要素：

6.本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种结构合理而实用的一种对称布置型柱塞往复密封试验装置，本装置具备节能高效的工作特点，既能体现与往复泵实际工况相一致的柱塞与往复密封之间的摩擦磨损状态，同时又不需要泵在实际工况即大功率工况下长期运行，从而在保证测试准确、可靠、快速、智能进行的前提下，大幅降低试验成本。
7.为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
8.一种对称布置型柱塞往复密封试验装置，其特征在于：包括填料函，填料函内沿柱塞轴向依序同轴布置的第一填料密封组件、高压导液环及第二填料密封组件，第一填料密封组件与第二填料密封组件对称的布置于高压导液环两侧处，且高压导液环与两侧的各填料密封组件均形成密封配合关系；柱塞包括第一柱塞、第二柱塞以及位于两者相邻端面之间并刚性连接两者的附加柱塞杆；附加活塞杆直径小于第一柱塞和第二柱塞直径；第一柱塞与第一填料密封组件间形成轴向往复式的动密封配合，第二柱塞与第二填料密封组件间形成轴向往复式的动密封配合，第一柱塞或第二柱塞的端部处布置用于驱动柱塞产生轴向往复动作的动力源；所述高压导液环内环面处同轴凹设有环形积液槽，且环形积液槽的槽宽大于或等于柱塞行程；所述环形积液槽与柱塞外壁之间围合形成的空间构成可供介质暂存的容纳腔；
9.本装置还包括用于监控柱塞往复运动次数的冲次信号传感器和/或监控动力源转轴转速的转速信号传感器；所述冲次信号传感器和/或转速信号传感器的信号输出端连接至采集与控制模块的信号输入端。
10.优选的，第一柱塞、第二柱塞以及附加柱塞杆彼此同轴布置，填料函两端分别布置第一填料压盖及第二填料压盖；此时，第一填料环、第一填料压盖与填料函配合形成所述第一填料密封组件，第二填料环、第二填料压盖与填料函配合形成所述第二填料密封组件。
11.优选的，容纳腔通过贯穿布置于高压导液环上的液流孔来连通用于提供容纳腔内介质以指定压力的加压泵；每组液流孔均包括一组介质进孔及一组介质出孔；本装置还包括介质循环组件，介质经由介质进孔泵入容纳腔后再由介质出孔流出，并在加压泵的泵压下依序经过第二压力信号传感器、第二温度信号传感器、压力调节阀后进入储液罐，储液罐内的介质则经由冷却模组及第一温度信号传感器及第一压力信号传感器后流入介质进孔；各压力信号传感器及温度信号传感器的信号输出端均连接至采集与控制模块的信号输入端。
12.优选的，所述填料函的中段筒身处贯穿布置连通孔，而填料函的筒腔中段处则同轴凹设环形沉槽，连通孔与环形沉槽相连通，环形沉槽槽腔与高压导液环外环面配合所形成的环形空间连通所述液流孔。
13.优选的，各组液流孔环绕柱塞周向依序均布于高压导液环环面处。
14.优选的，介质出孔与储液罐进口之间还布置有并联分支管路，并联分支管路上布置有起平衡水压作用的旁通阀。
15.优选的，储液罐上布置补液管，补液管上布置补液阀。
16.优选的，所述冷却模组为水冷换热器。
17.本发明的有益效果在于：
18.1)、基于柱塞往复泵的工作原理，以及“柱塞及其填料密封副的摩擦磨损主要与泵压、泵速及输送介质(或其他外加介质)密切相关，而与泵送流量无关”这一原理。本发明创造性的设计柱塞对置式的泵腔容积固定的无轴向柱塞力型的新型柱塞运动机构结构型式，第一柱塞及第一填料密封组件形成的左侧柱塞运动组件和第二柱塞及第二填料密封组件形成的右侧柱塞运动组件均可以完全仿照待测对象的尺寸制作，试验针对性极强，此时既能反映现实中的柱塞往复工作时受力和运动状态，又能保证柱塞不受流量和轴向柱塞力影响，使得柱塞工作时其驱动功率微小而恒定。
19.与传统试验方式相比，本发明可使得驱动柱塞运动的功率与泵的设计流量和压力无关；也即在完全模拟柱塞运动的情形下，剔除了泵性能参数的影响，试验所需驱动功率极小，节约了试验成本，为企业实现了节能降负的目标。同时，由于试验需要介质极少，对一些特殊、稀有、贵重试验介质来说也是一种极大的节约。此外，由于本发明的柱塞不对介质做功，因此柱塞几乎不承受任何轴向力，从而使得柱塞的往复频次可以变得很高，也就是说在单位时间内可以让柱塞的往复次数大幅增加，从而更快的完成对柱塞寿命的检测。现有常用往复泵泵速在80～300次/min范围内，通过本发明一般试验转速最大可以增加至二极电机的同步转速3000左右，试验时间则可以缩短至以前的十分之一甚至更多。如果一个柱塞正常工作寿命是6个月，按正常的试验需要6个月才能完成，如果以10倍的速度做试验，仅需18天即可，如此极大缩短了试验与测试周期，节约了大量的时间成本，也为新技术的开发提供了充分准备。
20.本发明已在全自动测试系统、关键参数自纠错系统的辅助下进行了柱塞寿命的现场测试；实践证明，本发明具备节能高效的工作特点，可保证寿命测试的准确、可靠、快速及自动化进行。
21.2)、实际使用时，液流孔应当既设置有进口也设置有出口，也即应当由介质进孔与介质出孔配合构成。这是考虑到现实使用时，介质在被泵送进出的同时，实际上也是参与了柱塞与填料函之间的润滑的，甚至也被作为冷却液而使用，从而在进出泵体时能带走大量的柱塞做功所产生热量；同时，介质在参与上述润滑时自身也存在消耗，该消耗也亟待补充，以保证高压导液环内的环形积液槽内介质压力始终与实际泵体内介质压力相一致。因此，通过介质循环组件的布置，一方面利用加压泵及各压力信号传感器，从而起到的介质的循环往复目的，以保证介质始终以既定压力进入环形积液槽内，以确保检测数据的精确性和可靠性；另一方面，通过各温度信号传感器及冷却模组，来起到对介质的在线降温效果，以确保检测流程的正常进行。
附图说明
22.图1为本发明的工作状态剖视图。
23.本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：
24.10
‑
柱塞 11
‑
第一柱塞 12
‑
第二柱塞 13
‑
附加柱塞杆
25.20
‑
填料函
26.21
‑
第一填料密封组件 21a
‑
第一填料环 21b
‑
第一填料压盖
27.22
‑
第二填料密封组件 22a
‑
第二填料环 22b
‑
第二填料压盖
28.23
‑
连通孔 24
‑
环形沉槽
29.30
‑
高压导液环 31
‑
环形积液槽 32
‑
介质进孔 33
‑
介质出孔
30.40
‑
动力源
31.51
‑
加压泵 52
‑
压力调节阀 53
‑
储液罐
32.54
‑
冷却模组 55
‑
旁通阀 56
‑
补液阀
33.61
‑
冲次信号传感器 62
‑
转速信号传感器 63
‑
采集与控制模块
34.64
‑
第二压力信号传感器 65
‑
第二温度信号传感器
35.66
‑
第一温度信号传感器 67
‑
第一压力信号传感器
具体实施方式
36.为便于理解，此处对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：
37.本发明的具体实施例结构参照图1所示，主要结构包括三大部分，也即对称式柱塞运动组件、介质循环组件以及采集控制组件。其中：
38.一、对称式柱塞运动组件
39.对称式柱塞运动组件的具体结构参照图1所示：填料函20内对称地布置两套完全一致的填料压盖、填料环及相应的导向套等组成的填料密封组件，填料密封组件内对应的布置相应柱塞10。两套填料密封组件中间安装一个高压导液环30，通过柱塞两端处的填料压盖可将填料环及相应的导向套等按要求压紧在填料函20和柱塞之间，即使得整个填料密封组件与填料函20内壁及柱塞轴壁紧密贴合。两组填料密封组件中，第一填料环21a、第一填料压盖21b搭配相应的常规的导向套等形成第一填料密封组件21，第二填料环22a、第二填料压盖22b搭配导向套等形成第二填料22，第一柱塞11配合于第一填料密封组件21处，第二柱塞12配合与第二填料22处，两根柱塞通过附加柱塞杆13实现彼此的刚性联接。
40.高压导液环30设置在填料函20体中间形成固定压力腔，其内壁中部设置一组环形积液槽31，槽宽应不小于柱塞的行程长度。在高压导液环30的中部设置不少于四组对称贯穿孔，孔径应足够大，可通过足够流量以冷却柱塞与填料摩擦产生的热量。对称贯穿孔分别形成所述的介质进孔32和介质出孔33。填料函20中间位置内壁设计一环形沉槽24，长度略大于高压导液环30上的孔径，相应位置中部设计两组彼此对称的连通孔23。
41.由于两端对称布置的第一柱塞11、第二柱塞12和位于两者中部的固定压力腔的存在，且两柱塞之间由附加柱塞杆13刚性联接，彼此运动一致，故固定压力腔内容积始终不变。同时，第一柱塞11和第二柱塞12的轴向力经刚性联接的附加柱塞杆13相互抵消。因此，本发明固定压力腔，内容积固定，且与柱塞往复运动速度无关，驱动柱塞运动的功率仅需克服摩擦力耗功，大大减少能耗。
42.实际试验时，填料密封组件及相应的第一柱塞11和第二柱塞12尺寸可完全按实际产品设计进行，确保完全符合泵实际运行情况。
43.柱塞的驱动端采用通用的往复泵动力端形式即曲柄连杆结构，将如电动机或柴油机等动力源40输出的旋转运动转换为柱塞的往复运动，驱动端转速可调。由于驱动力只要提供克服柱塞运动的摩擦力即可，所以驱动端动力通常可以在一定范围内用于多种型号柱
塞及其往复密封的试验驱动。同时，由于驱动力小，只要适当提高驱动功率就可实现柱塞高速往复运动，可达实际运行泵速的5～10倍，提高试验效率。
44.二、介质循环组件
45.介质循环组件主要由循环管路、压力调节阀52、储液罐53、冷却模组54、加压泵51、分支管路、补液管等组成。从加压泵51至高压导液环30，再从高压导液环30至压力调节阀52输入端间的一段循环管路为高压管段，能承受试验压力。压力调节阀52为自动高压调节阀，压力能承受试验压力、具有远程自动控制功能。储液罐53的设计使得介质可以被循环使用及有序补充。而由于柱塞10在运动过程中会产生大量的热能使得介质温度升高，因此需要在循环管路中接入冷却模组54，也即如图1所示的水冷换热器，对介质进行冷却，以确保介质的物态属性与实际情况相符，从而降低试验误差。
46.介质循环组件是本发明的通用系统，一般设计一到两组基本可以满足所有试验需要。
47.三、采集与控制组件
48.采集与控制组件是本发明的电气与自动控制部分，主要由数据采集子系统和电力拖动及自动控制子系统两部分组成。
49.数据采集子系统主要包括第一压力信号传感器67、第二压力信号传感器64、第一温度信号传感器66、第二温度信号传感器65、冲次信号传感器61、转速信号传感器62等多个传感器和采集与控制模块63等构成。电力拖动及自动控制子系统主要有变频调节器、电控柜、电气元件执行器等组成。
50.采集与控制组件是通用系统，一套系统通过简单修正某些设计参数，基本也可以满足所有试验需要。
51.本发明实际工作时，通过循环辅助系统的加压泵51经由填料函20向高压导液环30的固定压力腔内注入试验介质；试验介质可以根据产品设计开发需要，采用实际介质。试验介质的介质压力按往复泵柱塞实际工作考核压力，通过压力调节阀52进行调整。系统中试验介质总量需求很少，一般仅需满足循环带走摩擦热量；介质注入量可由变频调节加压泵51的转速来控制。
52.高压的试验介质注入后，通过调节相应填料压盖处的压紧螺母，将填料预紧力调节至合适，使得柱塞10处于标准试验工况下。在动力源40动力带动下，柱塞10在与实际泵完全一致工况下接受考核。试验考核过程中，由于柱塞10无需承担高压流体排出任务，仅需要克服往复运动过程中摩擦阻力。因此，驱动端功率大大降低，一般为对应泵的实际功率的3％～5％以内。
53.此外，系统压力、介质温度、冲次等试验数据均可由采集与控制组件采集并控制，系统压力由第一压力信号传感器67和第二压力信号传感器64采集，并通过系统控制压力调节阀52来实现，以便将压力调整到试验需要压力。由第一压力信号传感器67和第二压力信号传感器64的平均值为试验系统的压力有效值，并且对第一压力信号传感器67和第二压力信号传感器64实时进行比较分析，当二者相差超过一定限值时，报警停车分析差值原因，解决问题后继续试验。
54.介质温度由第一温度信号传感器66和第二温度信号传感器65测得，第一温度信号传感器66永远小于第二温度信号传感器65。两者温度都不能高于填料函试验要求温度，当
两者温度高于要求温度时，通过换热器来调节保证第一温度信号传感器66和第二温度信号传感器65的平均值满足试验介质要求温度。通过调节加压泵51流量来保证第一温度信号传感器66和第二温度信号传感器65差值满足预定需求。
55.柱塞往复运行次数是柱塞10及其往复密封寿命的最直接体现，通过冲次信号来记录柱塞10的往复运行次数。一般情况下，通过时间来表征零件寿命，时间即是柱塞10在填料表面往复次数的累积。在柱塞—填料密封副未失效前，柱塞10在填料表面往复次数越多，则柱塞10的使用寿命越长，因此测得柱塞10及其往复密封失效前往复次数即可获得其寿命数据。
56.动力源60采用变频驱动方式，转速可调，柱塞10每单位时间内的往复次数亦随之变化。由于对称柱塞布置的结构设计方式，使得柱塞10运动所需要的功率及轴向力大大降低，因此可在原泵速基础上大幅提高试验泵速，可达实际运行泵速的5～10倍，从而减少试验所需时间，高效地完成柱塞及其往复密封试验，尤其是寿命试验。
57.综上可知，本发明相对于传统试验方式，存在以下优点：
58.1)、成本低
59.本发明采用泵腔容积固定的无轴向柱塞力结构形式，在模拟柱塞及其往复密封运动和工作状态情况下，试验所需介质极少，所需佩带驱动功率极小，极大节约试验成本，提高了柱塞及其往复密封试验效率。
60.2)试验周期短
61.本发明使得柱塞运动所需要的功率及轴向力大大降低，因此能大幅提高试验转速，极大缩短柱塞及其往复密封寿命试验并快速获得寿命数据，缩短试验周期，节省时间成本。
62.3)智能化程度高
63.本发明试验边界条件通过数据控制系统自动控制，试验记录自动记录、自动控制，消除了人为因素干扰，符合企业面向智能化转型需求。
64.4)精确度高
65.本发明试验系统中，关键数据如压力、往复次数等都采用多参数相互校验，保证试验边界始终处于设计状态，确保试验条件的一致性和试验数据的准确，提高了试验准确性。
66.本发明结构设计便于同时无差别多柱塞试验，无差别同时获得多样本数据，便于对试验结果准确性进行进一步甄别，提高试验准确性的实际效果。
67.由于成本低，实现容易，更便于广泛开展针对性、多样性试验，可以针对诸多影响柱塞及其往复密封寿命因素进行针对性试验，使得不同种柱塞寿命数据更为精准。
68.5)实用性超强，便于实现推广
69.综上，本发明的柱塞及其往复密封试验系统，便于更低成本、更高效、更快速、更广泛的试验开展，便于柱塞与密封生产企业、整泵生产企业装备该系统，为柱塞及其往复密封试验大规模开展带来可能，为柱塞及其往复密封科研带来方便，可快速、大幅提高柱塞及其往复密封的可靠性，进而提高整体设备使用寿命。
70.实践可知，本发明节能90％左右，同时能将原试验周期缩短至原周期的20％以内，成效极为显著。
71.当然，以上为本发明的其中一种具体的实施例。实际操作时，对作为动力源60的变
频电机的动力结构进行常规性替换，如将齿轮齿条机构来取代曲柄摇杆结构，使用柱塞缸来取代变频电机等；以及对高压导液环30、填料密封组件乃至柱塞的外形作适应性变化，对常用电学件作常规性的替换，甚至将本发明的方案常规性的辐射至相邻的缸体寿命测试领域等等，这类在已知本发明的技术方案的基础上所作的常规变化，均应当作为等同或相似设计而落入本发明的保护范围内。