水铰链综合试验装置研制*

宋克双，周 健

(1. 南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039； 2. 江苏兆胜集团， 江苏 泰兴 225441)

水铰链综合试验装置研制*

宋克双1，周 健2

(1. 南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039； 2. 江苏兆胜集团， 江苏 泰兴 225441)

为研究机械密封式水铰链在带载运转情况下的密封性能，指导水铰链的研制和开发，文中在以往试验装置的基础上，研制了水铰链综合试验装置。介绍了该装置的原理、整体结构及运行情况。该装置由温度调节系统、压力流量调节系统、伺服驱动系统及数据采集处理系统组成。该装置温度可控，转速可调，测试界面友好，测试数据直观可视，能进行水铰链在不同压力及流量下的运转试验。该装置为水铰链产品的研制及性能评价提供了有效的试验手段。

水铰链；试验装置；测试技术

引 言

水铰链是由机械密封组成的高压腔、低压腔分离的特殊密封部件[1]。

本文介绍的综合试验装置，用于水铰链的研制开发，其目的是通过带载模拟运转试验，研究一定工况条件下水铰链中关键旋转密封件的性能。

过去针对不同类型的机械密封，已研制了很多试验装置，也积累了参数测量的经验，但以往使用的试验装置存在一定的局限性[2]：

1)多用于单一密封腔内的机械密封试验；

2)对机械密封多进行静压试验或压力定值状态下的运转试验；

3)流量不可调；

4)温度不能随时调节或调节困难。

为避免以上局限性，根据水铰链带载模拟运转试验的要求，设计了由温度调节系统、压力流量调节系统、伺服驱动系统及数据采集处理系统组成的综合试验装置。该装置具备以下功能：

1)试验装置的压力、流量及温度可调；

2)能进行水铰链的静态耐压测试；

3)能进行水铰链带液体介质运转测试，转速可调；

4)实时监测水铰链的状态，如转速、扭矩、介质温度等；

5)数据采集处理自动化，操作界面人性化。

1 水铰链介绍及试验装置主要指标

1.1 水铰链

介质经过水铰链的流程如图1所示。其原理如下：水铰链由静环(不动件)及动环(运动件)组成，静环与动环通过机械密封件将水铰链分割为相互隔离的高压腔和低压腔。静环上安装进水口1和出水口2，动环安装出水口1和进水口2。液体介质从进水口1进入水铰链，经高压腔由出水口1流入工作负载，压力降低，然后由进水口2进入水铰链，经低压腔从出水口2流出[3]。

图1 水铰链结构示意图

1.2 试验装置技术指标

根据水铰链实际运转状态提出试验装置指标如下：

1)供液压力0～1.5 MPa；

2)介质温度20 ℃±10 ℃；

3)流量≥0～3 m3/h；

4)驱动力矩≥240 N·m。

2 综合试验装置研制

2.1 温度调节系统

温度调节系统由冷却系统、加热器、水箱、热交换器及控制阀等组成，如图2所示。

图2 温度调节系统原理图

温度调节系统由高压水泵10行介质循环，通过压缩机2、电加热器6和板式换热器11来控制整个系统的温度。压缩机、电加热器的开启与关闭由PLC控制。热介质和冷介质通过电动三通阀进行混合，从而达到试验所需的介质温度[2]。

冷热水箱容积为55 L，压缩机制冷量为5 kW，加热装置采用4 kW加热器，通过PLC控制可使出液温度自动达到设定温度。

2.2 压力流量调节系统

压力试验分为静压(保压)试验和特定压力、流量运转试验。其系统原理如图3所示。

图3 压力流量调节系统原理图

1)静压试验：关闭球阀5，开启球阀2，供液从手动球阀16进入，达到一定压力后关闭手动球阀15，通过压力传感器17读出压力值，根据压力值变化与否，即可测试静压耐压性能。

2)特定压力试验：关闭手动球阀16，打开其余阀；打开供液泵9，调整调节阀2、手动球阀5的开度使试验件的压力接近所需测量值，然后微调手动球阀11，使其压力、流量达到预期目标。

高压泵选用耐水-乙二醇溶液的不锈钢材质，最大压力1.5 MPa时流量为3 m3/h，高压泵电机功率5 kW可满足压力及流量的调节要求。

2.3 伺服驱动系统

伺服驱动系统由电机、减速器、台架及控制系统组成，如图4所示。转速由伺服控制系统设定，电机驱动减速器，减速器出轴端通过弹性联轴器和扭矩传感器入轴相连，其扭矩传感器出轴通过刚性联轴器与水铰链动环连接，以模拟水铰链真实安装状态。转速可以通过转台控制显示屏设定，扭矩数值可实时显示。

图4 水铰链驱动系统原理图

通过选择电机及减速器使驱动装置在转速30 r/min时扭矩≥300 N·m，转速0～30 r/min可调。

2.4 数据采集处理系统

水铰链综合试验装置参数测量采集系统由压力、流量及温度传感器组成，这些传感器测量精度高、体积小且反应灵敏。传感器将收集到的信号进行A/D转换，通过PLC控制器进行控制，其系统组成如图5所示，显示器触摸屏显示、操控界面如图6和图7所示。

图5 数据采集处理系统组成

图6 伺服驱动控制界面

图7 试验装置参数显示界面

3 综合试验装置运转

综合试验装置实物见图8。

图8 综合试验装置实物图

该试验装置使用介质为水-乙二醇溶液(66%乙二醇，34%水和缓蚀剂)，开机前对水箱、管道进行仔细清洗。系统运行前，先设定供液压力、出水温度等参数的工作范围，操作界面如图9所示。按照试验条件调整各阀开度，待性能稳定后拷机24 h，记录数据如表1所示。

图9 参数设定界面

温度/℃高压腔压力/MPa低压腔压力/MPa流量/(m3·h-1)100．300．201．3200．500．131．9200．600．152．1200．740．192．3300．830．212．5300．850．302．3301．000．452．4301．501．003．0

4 结束语

综合试验装置可以根据水铰链运转试验的要求进行压力、流量、温度设定并进行调节，数据采集实现了自动化，测量精度高，试验结果重复性好。系统采用触摸屏显示，使操作界面简单、可靠。

此试验台的研制成功为更好地进行水铰链研制奠定了基础，也为水铰链产品的性能评价提供了有效手段，现已应用于水铰链的试验调试过程。

[1] 陈德才, 崔德荣. 机械密封设计制造与使用[M]. 北京: 机械工业出版社, 1993.

[2] 魏龙, 顾伯勤, 孙见君. 机械密封计算机辅助试验装置的研制[J]. 润滑与密封, 2006(4): 136-139.

[3] 宋克双, 顾吉丰. 水铰链压力损失的有限元分析与测试验证[J]. 电子机械工程, 2012, 28(4): 62-64.

宋克双(1981-)，男，硕士，主要研究方向为机载雷达伺服结构。

Research and Development of Comprehensive Test Equipment for Water Rotary Joint

SONG Ke-shuang1，ZHOU Jian2

(1.NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology，Nanjing210039,China；2.JiangsuJosunGroup,Taixing225441,China)

To study the waterproof capability of water rotary joint with mechanical seal under running-with-load condition and guide its research and development, this article develops the comprehensive test equipment for water rotary joint based on previous equipment. The principle, overall structure and performance of the test equipment are introduced. The test equipment is composed of temperature control system, pressure and flux adjusting system, servo-driving system, data acquisition and processing system. In this equipment, temperature is controllable and rotation speed is adjustable. It has friendly operating interface, provides readable test data, and can perform running test under different pressure and flux. The comprehensive test equipment provides an effective means for the research and development and the performance evaluation of the products of water rotary joint.

water rotary joint; test equipment; test technology

2013-12-30

TN957.8

A

1008-5300(2014)03-0033-03