基于压电效应和无线数据传输的机械密封端面摩擦扭矩测量装置

摘要

本技术提供一种能够实现机械密封性能试验装置中待测机械密封的扭矩精确测量，基于压电效应和无线数据传输的机械密封端面摩擦扭矩测量装置，它包括轴套、传动销、力传感器、信号处理器、无线发射模块、无线接收模块、自供电模块；主轴穿过轴套，待测端面摩擦扭矩的机械密封穿套在轴套上，动环连接在轴套上，静环固定在密封腔上；所述的机械密封的动、静环由于端面摩擦产生的扭矩，与主轴通过传动销传递给轴套的扭矩相平衡；该扭矩由黏贴在传动销上的力传感器测得的周向力和测力点的力臂的乘积决定，所测的周向力由信号处理器处理并由无线发射模块传输至无线接收模块；利用主轴或轴套旋转产生的电能通过自供电模块向信号处理器和无线发射模块供电。

说明书

技术领域

本申请是申请日为2015年1月15日、申请号为2015100208076、发明名称为基于自供电和无线数据传输的机械密封端面摩擦扭矩测量装置的原申请的分案申请。

本技术属于测试技术领域，特别是涉及一种进行机械密封端面摩擦扭矩测量的试验装置。

背景技术

资源的日益紧缺与环境的不断恶化，给企业提出了零泄漏和零排放的生产要求。机械密封，作为工业生产中动设备的主轴密封，一方面为设备的防漏提供保障，另一方面，由于端面摩擦磨损，也消耗着轴功率。为此，人们不断努力，寻求合适的端面比压和材料，以减小端面摩擦功耗，延长服役寿命，同时又保证机械密封的密封性。然而，密封副材料匹配的好坏及端面比压合适与否，集中反映在端面摩擦扭矩的大小上。

目前公知技术中机械密封性能试验装置的端面摩擦扭矩测量方法有反支力法和传递法。由这两种方法发展出来的端面摩擦扭矩测量技术有4种：

在转动密封腔上安装测力杆连接到扭矩传感器。如Mayer (机械密封.北京：化工出版社，1981)和专利CN103630301等提出的在转动密封腔上安装扭矩传感器测量密封端面摩擦扭矩技术。此技术需将密封腔支承起来，而密封腔旋转支承的摩擦对测试精度存在不可忽视的影响。

在电机与动力轴之间安装扭矩转速传感器。如Silvaggio（Silvaggo J A, Lipski M J, and Van Bramer K G. Successful Field Operation through Seal Development and Testing. Lubrication Engineering，1987，43(6)：433-439）和文献（高参数机械密封试验台数据采集及控制系统. 石油机械，2004年第32卷第1期）等提出采用在电机和轴承座之间安装扭矩转速传感器来测量机械密封端面摩擦扭矩。测试时，这种技术测量的扭矩是试验装置主轴上的总扭矩，包括被测密封端面的摩擦扭矩、主轴承的摩擦阻力矩和机械密封旋转部件在密封介质中的搅拌扭矩。由于承载不同轴向力的主轴承的摩擦阻力矩和机械密封旋转部件在不同压力的密封介质中的搅拌扭矩还无法直接测量，通常用空载下的主轴承的摩擦阻力矩和密封介质处于常压下的搅拌扭矩来代替，这些均给端面摩擦扭矩的测量精度带来很大的影响；另外，由于机械密封试验装置启动时总扭矩是正常扭矩的5-7倍以上，因而需要配备较大应力轴直径的扭矩转速传感器，而正常运行下的机械密封试验装置的端面摩擦扭矩较小，如果用此扭矩转速传感器测量机械密封端面摩擦扭矩，则产生的轴应变较小，测量精度将较低。为了提高测量精度，所选用的扭矩传感器的应力轴直径就应较小，但直径较小的应力轴又容易产生塑性变形甚至断裂，所以测量精度和应力轴大小两者不可兼得。

在静环座与静环之间安装扭矩传感器。孙见君（机械密封可控性研究及其工程应用问题的探讨.机械工程学报，2005,41（2）：15-19）等提出的在静环座与静环之间安装扭矩传感器测量密封端面摩擦扭矩的方法，就是将小量程大直径筒形扭矩传感器串联在静环座与静环之间，通过动环旋转带动静环偏转所产生的摩擦扭矩由扭矩传感器的阻力扭矩平衡，来测得机械密封端面摩擦扭矩。这种方法的优点是传感器结构简单、安装方便，特别是省去了静环与静环座之间O形圈的摩擦阻力矩对测量的影响，但小量程大直径筒形扭矩传感器的设计制造存在困难，一直未能获得有效的突破。对于带波纹管静环的机械密封，端面摩擦扭矩可以采用专利ZL 200610039084.5“多参数可测控高转速机械密封性能试验装置”中的方法测量，该方法所述的测量系统由静环座、导向筒、角位移传动扇形齿片、角位移传感器及小齿轮组成；导向筒一端与静环托环内孔螺纹紧密连接，导向筒的另一端活套在静环座压盖内孔中并通过轴套伸出到密封腔外部。通过角位移传感器测量伸出密封腔外部的导向筒的偏移，可以测量机械密封在工作前后弹性元件扭转角度的变化，再根据弹性元件刚度计算出端面摩擦扭矩。这种测量方法可以使静环的角位移无损失地传递给导向筒，至扇形齿片，至小齿轮，再至角位移传感器，避免了附加扭矩对测量值的干扰。但存在于扇形齿片和小齿轮之间的传动误差严重影响着测量精度。

专利CN102183327B涉及的机械密封端面摩擦扭矩测量方法，即在静环缺口上放置钱币式扭矩传感器。运用正常运行时静环所受总扭矩等于零的力矩平衡原理，将传感器所测各阻力矩相加即为端面摩擦扭矩。对于由动环、静环、静环密封用O型圈、荷重传感器支持架、荷重传感器、端面轴承、端面轴承座和密封腔端盖组成的机械密封测量系统中，2个荷重传感器轴对称安装在密封腔端盖内孔侧的荷重传感器支架上，测力点沿切线方向成轴对称布置在静环的2个防转销孔的侧面。工作中，由于动、静环之间的端面摩擦扭矩Mm的作用，静环具有跟随动环发生转动的趋势，这一趋势被静环密封O形圈所受密封腔端盖内孔的摩擦阻力矩Mf以及防转销孔侧面处安装的荷重传感器产生的阻力矩M1s所平衡，即Mm=Mf+M1s。其中静环座内孔与O形圈的摩擦阻力矩Mf，可以在密封腔设置在静环的2个防转销孔侧面的荷重传感器预先预定；工作状态下防转销孔侧面处安装的荷重传感器产生的阻力矩Ms由传感器测得的静环周边的切向力当量乘以2个荷重传感器测力点之间的距离（力臂）获得。此方法缺点同样明显，因为要测量O形圈所受密封腔端盖内孔的摩擦阻力矩，而O形圈因其材质原因，个体之间摩擦系数也不尽相同，致使端面摩擦扭矩测量精准度欠佳。

在轴套和轴之间设置扭矩传感器。如专利CN103267613A提出在轴套两端开设关于轴套中心截面对称的U形口，在对应于U形口处的主轴上设置传动销；轴套中部加工两段螺距相等、旋向相反的螺纹，在其上旋合两个螺母，其背侧分别安装两个待测机械密封中的动环座；动环座与轴套在轴向滑动、在周向定位相连；传动销上设置周向力传感器用来间接测量端面摩擦扭矩。须要指出是，该专利并没有提及详细的扭矩传感器布置实施方案，即在高速状态下无线信号的具体有效传输和无线信号发射时的长时间供电问题。

发明内容

本技术的目的是提供一种能够实现机械密封性能试验装置中待测机械密封的扭矩精确测量，工作过程中能够自行供电和进行无线数据传输的机械密封端面摩擦扭矩测量装置。

本技术所述的基于自供电和无线数据传输的机械密封端面摩擦扭矩测量装置，包括两端同一母线上开设有U形口的轴套、穿过U形口连接在主轴上的传动销、力传感器、信号处理器、无线发射模块、无线接收模块、自供电模块；主轴穿过轴套，待测端面摩擦扭矩的机械密封穿套在轴套上，动环连接在轴套上，静环固定在密封腔上；其特征是：所述的机械密封的动、静环由于端面摩擦产生的扭矩，与主轴通过传动销传递给轴套的扭矩相平衡；这一扭矩由黏贴在传动销上的力传感器测得的周向力和测力点的力臂的乘积决定，所测的周向力由信号处理器处理并由无线发射模块传输至无线接收模块；利用主轴或轴套旋转产生的电能通过自供电模块向信号处理器和无线发射模块供电。

上述的基于自供电和无线数据传输的机械密封端面摩擦扭矩测量装置，其特征是，所述的自供电模块包括固定于密封腔外部的磁铁、跟随主轴旋转的线圈绕组、整流电路和稳压电路，旋转的线圈绕组切割磁力线产生感应电动势后经过整流电路、稳压电路处理成为稳定的直流电源。这就是基于感应电动势和无线数据传输的机械密封端面摩擦扭矩测量装置。

上述的基于自供电和无线数据传输的机械密封端面摩擦扭矩测量装置，其特征是，所述的轴套末端采用封闭式结构将主轴末端包裹住，其轴套末端连接一安置盒，内置有信号处理器、无线发射模块、整流电路和稳压电路，线圈绕组的输出端与整流电路、稳压电路相连。

上述的基于自供电和无线数据传输的机械密封端面摩擦扭矩测量装置，其特征是，所述的自供电模块包括跟随主轴旋转的压电晶片、压力块和稳压电路；当压电晶片在径向受到随主轴旋转的压力块挤压时，内部会产生极化现象，使带电离子发生相对位移，从而在晶体表面上产生大小相等符号相反的电荷形成电源两极，经稳压电路处理成为稳定的直流电源。这就是基于压电效应和无线数据传输的机械密封端面摩擦扭矩测量装置。

上述的基于自供电和无线数据传输的机械密封端面摩擦扭矩测量装置，其特征是，所述的轴套末端采用封闭式结构将主轴末端包裹住，其轴套末端连接一安置盒，内置有信号处理器、无线发射模块、稳压电路和压电晶片及压力块；压电晶片的外圆面黏贴于安置盒的内孔壁上，压力块黏贴于压电晶片的内侧壁上。

上述的基于自供电和无线数据传输的机械密封端面摩擦扭矩测量装置，其特征是，所述的轴套的两端与主轴之间在轴的横截面上沿周向分别均匀放置3个或以上的滚珠。这样可以减小摩擦，从而将动、静环摩擦扭矩几乎无损失地传递给黏贴在传动销上的力传感器。

本技术具有的优点和积极效果：

实现了机械密封端面摩擦扭矩的精确测量。端面摩擦扭矩通过主轴、传动销几无损失传递给轴套。通过压电传感器测出的力乘以相应的力臂（力传感器到主轴中心线的距离）得到的端面摩擦扭矩，精准度得到提高。

轴套上开设U形口，与U形口相对应的主轴上固定传动销，在传动销侧壁与U形口侧壁处放置力传感器。通过测量机械密封试验装置正常运行时传动销侧壁所受的周向力乘以相应力臂得出端面摩擦扭矩。相比在静环防转销开口处放置钱币式扭矩传感器得出的端面摩擦扭矩，避开了静环密封O形圈与密封腔端盖内孔间的摩擦阻力矩，提高了实际测量的精准度。

所述的轴套采用半封闭式结构将主轴末端包裹住，其末端的安置盒直接与轴套相连，与轴套成一体。信号处理器（包括信号放大模块、信号调理模块、带有A/D转换功能的单片机等）、无线发射模块、整流电路、稳压电路均放置主轴末端的安置盒内随轴套转动。安装时仅需将带有机械密封的轴套穿套于主轴上，在轴套的U型口处的将传动销通过旋入主轴螺孔的螺钉固定，拆卸时只需卸去传动销即可将轴套连同安置盒一起从主轴上卸下，方便快捷。

本试验装置在主轴和轴套间加装了滚珠，使得主轴和轴套间由原来的静摩擦变成滑动摩擦，提高了端面摩擦扭矩测量的精准度。

采用无线数据传输的方式将采集的信号发送至轴外信号接收端，避免了测量动态扭矩信号时传输信号线的缠绕问题。

自供电模块巧妙借助机械密封试验高速旋转的主轴，利用主轴高速旋转带动线圈绕组围绕固定于密封腔的磁铁转动，旋转的线圈绕组切割磁力线产生感应电动势而作为电源；或者通过主轴高速旋转带动压电晶片和压力块，在压力块的离心力作用下，压电晶片的内外表面的正负电荷重新分布，形成正、负电荷表面而成为电源。机械密封性能试验机主轴一旦开始运转，自供电模块便开始发电，只要机械密封性能试验机不停止运转，自供电模块持续供电，解决了自供电模块对信号处理器和无线发射模块长周期供电要求，避免了干电池或锂电池供电系统出现试验过程中需要停机拆卸装置更换电池现象的发生。

附图说明

图1是一种基于感应电动势和无线数据传输的机械密封端面摩擦扭矩测量装置的示意图；

图2是图1中的主轴、轴套、磁铁、线圈绕组、安置盒等的放大图；

图3是图1中的A向局部视图；

图4是一种基于压电效应和无线数据传输的机械密封端面摩擦扭矩测量装置的示意图；

图5是图4中的主轴、轴套、压电晶片、压力块、安置盒等的放大图；

图6是图5的B-B剖视图；

图7是无线发送模块NRF24L01工作流程示意图；

图8是信号处理及发射模块的框图；

图9是信号接收及处理模块的框图。

图中，主轴1，轴套2，前端U形口21，后端U形口23，滚珠3，密封腔4，端盖41，侧漏腔端盖5，安置盒6，静环O形圈71，静环72，动环73，动环O形圈74，托环75，弹簧76，动环座77，螺母78，短销79，传动销8，力传感器9，磁铁101，线圈绕组102，整流电路103，稳压电路104，压力块108，压电晶片109。

具体实施方式

下面结合示意图和具体实施方式对本技术作进一步说明：

参见图1-6所示，主轴1外周通过滚珠3与轴套2形成转动连接。轴套2的右端封闭，主轴伸入轴套内。主轴和轴套共同穿过两端具有端盖41的密封腔4，密封腔右端固定有侧漏腔端盖5。轴套的右端封闭端外侧固定有位于侧漏腔端盖内的安置盒6。

被测机械密封分别包括静环O形圈71、静环72、动环73、动环O形圈74、托环75、弹簧76、动环座77、螺母78、短销79等。动环73与动环座77在轴向滑动在周向定位相连，在动环座77与动环73之间依次设置有弹簧76、托环75、动环O形圈74；动环73通过动环O形圈74与轴套之间密封。托环75与动环座77在轴向滑动连接。静环72通过设置在静环72外周上的静环O形圈71与端盖上的中心孔密封相连；静环72与动环73在轴向相对。轴套2中部有两段螺距相等、旋向相反的螺纹；两个螺母78分别与所述螺纹配合；与轴套轴线平行的短销79同时伸入在两个螺母上所开的短销孔内；两个螺母的背侧分别是两个动环座77；动环座77与轴套在轴向滑动在周向定位相连。

轴套伸出端盖的两端开设有中心线在同一母线上的U形口21、23，在对应于U形口23处的主轴1上通过螺钉连接有传动销8。

在与U形口侧壁对应的传动销侧壁上黏贴有力传感器9，用于检测U形口侧壁与传动销之间周向力的大小。力传感器9采用FLEXIFORCE A310压电薄膜传感器，该压电薄膜传感器相比其他压电薄膜传感器有着更好地线性、漂移、磁滞、温度敏感性，同时性价比更高。力传感器9的检测数据传输至信号调理放大电路。

信号处理及发射模块由信号调理放大电路、带有A/D转换功能的3.3V低压低功耗单片机STC12LE5608AD、无线发射模块NRF24L01、自供电模块等组成。无线发射模块由信号调理放大电路、低功耗射频器、天线等组成。自供电模块为信号调理放大电路、单片机、无线发射模块等供电。FLEXIFORCE A310压电薄膜传感器所测物理量由信号调理放大电路转换成模拟量信号，通过单片机AD转换电路转成数字信号，最后经无线发射模块传输。单片机STC12LE5608AD与无线发送模块NRF24L01供电电压相同。自供电模块随着机械密封性能试验的运转而启动发电，对无线信号传输端的各个功能单元供电。

通过压电薄膜传感器FLEXIFORCE A310内部受力产生电荷变化经信号放大调理放大电路后输出电压信号，经STC12LE5608AD单片机自带的AD转换电路由模拟量信号转换成数字信号，再通过无线传输模块NRF24L01进行无线数据发射。

NRF24L01是由NORDIC生产的工作在2.4GHz~2.5GHz的ISM 频段的单片无线收发器芯片。具有以下优点：输出功率频道选择和协议的设置可直接通过SPI 接口进行设置；几乎可以连接到各种单片机芯片，并完成无线数据传送工作；极低的电流消耗。

如图7所示为无线传输模块NRF24L01的工作流程：开始处于睡眠待唤醒模式，此模式拥有极低的电流消耗，极大的节省了电源供电量；当数据进入后，无线传输模块NRF24L01由睡眠模式转为正常工作模式，传输8位有效字符和校验位；当校验位传输完毕时重新归于睡眠模式，等待下一组数据进入。

信号接收及处理模块设置在密封腔外部，它包括无线接收模块NRF24L01、低功耗单片机、上位机、Labview数据处理及显示单元等。由无线接收模块接收无线发送模块发送的信号，经调理后送至单片机，最后由单片机经串口传输至上位机，再送至Labview数据处理及显示单元进行数据处理、实时显示、打印保存。在数据接收端由5V电源为无线接收模块、低功耗单片机等供电。

Labview处理及显示单元采用模块化开发集成方式，由串口输入子模块、数据实时显示子模块、数据处理（曲线拟合）子模块、实时数据保存与报表生成子模块、远程监控子模块组成；数据经串口输入模块进入Labview处理显示单元，数据处理模块进行摩擦扭矩数据曲线拟合后经数据实时显示模块在上位机界面显示；同时处理过的数据以报表的形式保存于上位机端。

主轴的两端与轴套之间沿周向在主轴上开有环槽，分别均匀放置3个或3个以上滚珠3。主轴与轴套间的摩擦扭矩即为滚动摩擦扭矩，减小了摩擦，相对于端面摩擦扭矩几乎可忽略不计，从而将动、静环摩擦扭矩几乎无损失地通过轴套传递给主轴，依据机械密封动、静环由于端面摩擦产生的扭矩和主轴通过传动销传递给轴套的扭矩相平衡的原理，将黏贴在传动销上的压电传感器测出的周向力与测力点的力臂相乘即可得出端面摩擦扭矩。

自供电模块有两种，一种是基于线圈切割磁力线而产生电动势的原理设计的自供电模块，参见图1-3；一种是基于正压电效应即压电晶片在压力下其表面会出现不同极性电荷的原理设计的自供电模块，参见图3-5。

参见图1-3，基于线圈切割磁力线而产生电动势的原理设计的自供电模块包括固定在测漏腔端盖上的磁铁101、跟随主轴旋转的线圈绕组102、整流电路103和稳压电路104，线圈绕组102的主体部分伸入到磁铁101内，线圈绕组的输出端与整流电路、稳压电路相连。旋转的线圈绕组切割磁力线产生感应电动势后送至整流电路和稳压电路处理。信号调理放大电路、带有A/D转换功能的3.3V低压低功耗单片机STC12LE5608AD、无线发射模块NRF24L01、整流电路、稳压电路均放置在安置盒内。安置盒与轴套相连，与轴套、主轴同步旋转。安装（或拆卸）时仅需将U型口处的传动销通过螺钉固定于主轴（或从主轴上卸去）即可将轴套连同放置盒一起安装至轴上（或从轴上移开）。根据电磁感应原理，线圈绕组固定在安置盒中跟随主轴高速转动不断切割固定于测漏腔端盖上的磁铁而产生的磁场磁通量变化，产生感应电动势；产生的感应电动势，经整流和稳压处理后获得稳定的供电电压，避免了因使用普通干电池或锂电池供电电容量有限造成实验时间过短，需频繁中止实验拆卸装置更换电池，无法持续获得端面摩擦扭矩有效数据的情况。

参见图3-5，基于压电晶片在压力作用下其表面会出现不同极性电荷的原理设计的自供电模块包括设置于安置盒6内壁的两个压电晶片109、两个压力块108、稳压电路104；信号调理放大电路、带有A/D转换功能的3.3V低压低功耗单片机STC12LE5608AD、无线发射模块NRF24L01、整流电路均放置在安置盒内。安置盒与轴套相连，与轴套、主轴同步旋转。随着主轴的旋转，压电晶片在主轴径向方向上受到来自压力块产生的离心力的挤压，在内外侧形成带有正负电荷的两极。两个压电晶片串联后，两个压电晶片正负电荷的两极连接至稳压电路。稳压电路的输出分别与信号调理放大电路、带有A/D转换功能的3.3V低压低功耗单片机STC12LE5608AD、无线发射模块NRF24L01相连，向其供电。

对本技术专利的各组成部分在不改变功能的基础上进行相应的等效替换，也是此项技术的保护范围。