超低温环境应力、位移和气密性能的测试系统和测试方法

摘要

超低温环境应力、位移和气密性能的测试系统和测试方法，测试系统包括气源、工作压力控制系统、密封应力加载系统、温度环境保证系统和密封检漏系统。本发明可以实现常、低温气密性检测，可以实现压缩应力检测，可以实现压缩位移的检测以及实现三者之间关系的检测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在超低温环境下应力、位移和气密性能的测试系统和测试方法，属于超低温环境下的密封性能测试领域。

背景技术

通常的密封试验中，在设计密封应力加载时，一般采用螺栓加载方式对密封结构提供密封力，密封应力的控制只能靠对装配力矩的控制间接实现，无法得到密封应力的精确值；同时，在试验过程中无法掌握密封面变形情况。无法满足在密封研究中对密封结构的密封特性精确测量的需要，限制了密封研究工作的深入进行。

另外，在超低温环境下进行结构密封性能研究时，如何准确得到密封结构以及密封件密封面上的应力值，以及如何测量密封面变形情况，一直是超低温下密封研究的难题。随着对密封原理研究的深入，要求准确掌握所研究的密封结构在超低温环境下的密封面应力、变形等参数与结构密封性的关系，但是由于一直缺乏合适的测试的手段，严重制约了在这一领域密封研究的发展。

本发明的测试系统和测试方法，实现了超低温环境下密封件的应力、位移和气密性能的测试，为研究不同工作压力下密封结构所需密封应力，以及密封时密封面的变形情况等，提供了有效手段。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种能在超低温环境中精确测量应力、位移和气密性能的测试系统和测试方法。

本发明的技术解决方案是：超低温环境应力、位移和气密性能的测试系统，包括气源、工作压力控制系统、密封载荷加载系统、温度环境保证系统、密封检漏系统，气源与工作压力控制系统通过气管连接；工作压力控制系统通过气管与密封试验工装的介质输入口连接，密封检漏系统通过气管与密封试验工装的检漏口连接，密封试验工装放置在温度环境保证系统内，温度环境保证系统放置在密封载荷加载系统的工作台上。

所述的密封载荷加载系统包括上横梁、承压横梁、压柱、丝杠、工作台和动力系统、控制台、位移传感器和压力传感器，上横梁与丝杠机械连接，工作台和动力系统中的动力系统驱动丝杠，带动承压横梁上下运动，承压横梁通过压柱将载荷传递给密封试验工装，控制台通过电缆与工作台和动力系统连接；安装在密封试验工装上的精密位移传感器，通过电缆与控制台连接，位移传感器固定在承压横梁上，通过电缆与控制台连接，压力传感器固定在承压横梁上，通过电缆与控制台连接。

所述的工作压力控制系统包括过滤器、减压器、稳压器、手动截止阀和压力表，通过管路将各部分连接，气源提供的工作介质，首先通过过滤器G1净化后，由减压器J1调整到相对低压，相对低压的工作介质通过第一管路的手动截止阀F1和压力表Y1，再经手动截止阀F4进入密封试验工装；需要低压精密试验时，相对低压的工作介质先经过第二管路手动截止阀F2，再由稳压器W2进一步调压到所需的低压，低压的工作介质通过第二管路的压力表Y2和手动截止阀F3，再经手动截止阀F4进入到密封试验工装，此时第一管路的手动截止阀F1关闭。

所述的密封检漏系统由与密封试验工装的检漏口连接的管路和通过对泄漏介质的压力感应或浓度感应来反馈泄漏情况的密封测试装置组成，密封测试装置接在管路的末端。

所述的密封测试装置根据密封精度，选择氦质谱检漏仪或气泡检漏装置。

所述的温度环境保证系统包括满足模拟密封所需的环境温度保温需要的保温装置和测量保温装置温度的温度监测装置。

所述的保温装置选择陶瓷或泡沫或真空能满足模拟密封所需的环境温度保温需要的装置。

超低温环境应力、位移和气密性能的测试方法，通过以下步骤实现：

第一步，将装好测试用密封试验件的密封试验工装的介质输入口与工作压力控制系统连接，检漏口与密封检漏系统连接；

第二步，气源通过工作压力控制系统对密封试验工装充1～2MPa的低压，根据工作压力控制系统中的压力表压降情况，检测系统初始密封性能；

第三步，将与工作压力控制系统和密封检漏系统连接的密封试验工装放入温度环境保证系统中，再将温度环境保证系统放到密封载荷加载系统的工作台上；

第四步，根据试验温度要求，将不同的调温介质加到温度环境保证系统中，将密封试验工装的温度调节到试验要求；

第五步，根据试验密封力的要求，通过密封载荷加载系统给密封试验工装加载并保持载核，通过安装在密封试验工装上的精密位移传感器跟踪密封试验工装的变形，通过位移传感器和压力传感器跟踪试验中的位移和载荷；

第六步，根据试验压力的要求，在工作压力控制系统中将工作介质的压力调整到试验要求，向密封试验工装充压；

第七步，通过密封检漏系统检测密封试验工装中密封试验件的气密性能。

本发明与现有技术相比有益效果为：

(1)本发明通过密封载荷加载系统，用可控的载荷加载方式对密封试验的密封部位施加精确的密封力，代替原来的螺栓加载方式，可以准确地控制加载速度和加载值；

(2)本发明通过密封载荷加载系统，还可精确测量试验过程中的力值的变化情况，并通过精确测量位移情况而测量密封面在试验过程中的变形情况，结合工作压力控制系统对系统工作介质压力的精确调控；

(3)本发明通过与密封载荷加载系统装配，实现在超低温环境下，精确得到密封面应力值、变形值、所能密封的工作介质压力值等参数；

(4)本发明通过对密封试验所需的力的大小及加载速度进行精确控制，并对试验所需的工作介质压力进行精确控制，可以满足从低压到高压、低温到高温以及不同介质密封试验的综合要求。

附图说明

图1为本发明测试系统的结构示意图；

图2为本发明测试系统中密封载荷加载系统的结构示意图；

图3为本发明测试系统中工作压力控制系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，超低温环境下应力位移和气密性能的测试系统，包括气源1、工作压力控制系统2、密封载荷加载系统3、温度环境保证系统4、密封检漏系统6，气源1与工作压力控制系统2通过气管连接；工作压力控制系统2通过气管与密封试验工装5的介质输入口连接，密封检漏系统6通过气管与密封试验工装5的检漏口连接，密封试验工装5放置在温度环境保证系统4内，温度环境保证系统4放置在密封载荷加载系统3的工作台上。

气源1可以是气瓶提供的直接压力工作介质，也可以是由增压系统间接提供的压力工作介质，在试验中用于提供试验所需的初始工作介质气压。

工作压力控制系统2如图3所示，在试验中用于模拟密封结构的工作压力，并按照要求，对试验工装输入所需的工作介质压力。工作压力控制系统2包括两路压力输送管路，由过滤器、减压器、稳压器、手动截止阀和压力表组成，各部分通过管路连接。气源1提供的工作介质，首先通过过滤器G1净化后，由减压器J1调整到相对低压，相对低压的工作介质通过第一管路的手动截止阀F1和压力表Y1，再经手动截止阀F4进入密封试验工装5；需要低压精密试验时，相对低压的工作介质先经过第二管路的手动截止阀F2，再由稳压器W2进一步调压到所需的低压，低压的工作介质通过第二管路的压力表Y2、手动截止阀F3，再经手动截止阀F4进入到密封试验工装5，此时第一管路的手动截止阀F1关闭。在工作压力控制系统2工作时，排气管路的手动截止阀F5关闭，在工作压力控制系统2需要卸压时才接通。工作压力控制系统2通过手动截止阀F1～F5控制压力传输；通过不同量程压力表满足试验要求的密封介质压力显示，选用压力表的精度优于0.4级。工作压力控制系统2的结构不限于图3所示，可根据实际需要增加管路。

密封载荷加载系统3如图2所示，能够实现精密的载荷加载、测试，以及精密的位移控制、测试功能，在试验中用于模拟密封所需的密封力，对试验工装施加载荷，并跟踪试验过程中载荷的变化情况。密封载荷加载系统3包括上横梁31、承压横梁32、压柱33、丝杠34、工作台和动力系统35、控制台36、位移传感器38和压力传感器39，上横梁31与丝杠34机械连接，工作台和动力系统35中的动力系统驱动丝杠34，带动承压横梁32上下运动，承压横梁32通过压柱33将载荷传递给密封试验工装5，控制台36通过电缆与工作台和动力系统35连接；安装在密封试验工装5上的精密位移传感器37，通过电缆与控制台36连接，位移传感器38固定在承压横梁32上，通过电缆与控制台36连接，压力传感器39固定在承压横梁32上，通过电缆与控制台36连接。

温度环境保证系统4包括保温装置和温度监测装置，其中温度检测装置根据试验温度选定不同量程的温度测试仪，可以是高温温度计，也可以是低温温度测试仪，保温装置为陶瓷、泡沫、真空等能满足模拟密封所需的环境温度保温需要的装置。在试验中用于模拟密封所需的环境温度，按照要求，为试验工装提供稳定的温度环境保证。

密封检漏系统6由管路和密封测试装置组成，管路同密封试验工装5的检漏口连接，密封测试装置安装在管路的末端。根据密封精度，密封测试装置可以是氦质谱检漏仪、气泡检漏装置等通过对泄漏介质的压力感应或浓度感应来反馈泄漏情况的装置，该系统在试验中用于监测密封试验过程中密封试验件的泄漏情况。

以低温低压试验，介绍试验系统的试验方法：

试验要求：工作压力0.03～2MPa，工作温度-196℃，漏率要求不超过1×10^-5Pa·m³/s。

试验过程：

1)将装好测试用密封试验件的密封试验工装5的介质输入口与工作压力控制系统2连接，检漏口与密封检漏系统6连接，通过工作压力控制系统2对密封试验工装5充压到2MPa，保压30min，根据工作压力控制系统2中压力表Y1、Y2压降情况，检测系统初始密封性能；

2)将连接好的密封试验工装5放入温度环境保证系统4中，再将温度环境保证系统4放到密封载荷加载系统3的工作台上；

3)将低温调温介质加到温度环境保证系统4中，调节密封试验工装5的温度到-196℃，保温1hr以上，确保试验工装温度满足试验要求；

4)通过密封载荷加载系统3给密封试验工装5加载0.5T并保持载核，通过压力传感器39跟踪载荷；通过位移传感器38跟踪试验中的位移为0.4mm，通过精密位移传感器37跟踪试验中的密封变形为0.32mm；

5)调节工作压力控制系统2中的减压器J1，降压到1MPa，关闭工作压力控制系统2第一管路的手动截止阀F1，然后调节工作压力控制系统2第二管路中的稳压器W2，降压并稳压到0.03MPa，调节工作介质压力到0.03MPa后，向密封试验工装5充压；

6)通过密封检漏系统6检测密封试验工装5中密封试验件的泄漏漏率为5×10^-7Pa·m³/s；

7)调节密封载荷加载系统3对密封试验工装5加载到3T并保持载核，通过压力传感器39跟踪载荷；通过位移传感器38跟踪试验中的位移为0.8mm，通过精密位移传感器37跟踪试验中的密封变形为0.65mm；

8)调节工作压力控制系统2中的减压器J1，调压到3MPa，然后调节工作压力控制系统2第二管路中的稳压器W2，降压并稳压到2MPa，调节工作介质压力到2MPa后，向密封试验工装5充压；

9)通过密封检漏系统6检测密封试验工装5中密封结构的泄漏漏率为1×10^-6Pa·m³/s。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。