动密封实验设备

技术领域

本发明涉及机械测试技术领域，具体涉及一种动密封实验设备。

背景技术

高温动密封结构是高超声速飞行器控制面的关键技术之一，对飞行器安全运行起到重要作用。目前的高温动密封技术主要有：填料密封、迷宫密封、干气密封、刷式密封、指尖密封等。动密封结构由动密封组件组成，动密封组件包括动密封静止件和动密封转动件，动密封转动件相对动密封静止件可转动。在进行动密封设计时，对动密封组件的性能，例如，摩擦磨损性能、泄漏量等的评估很重要，因此，除理论研究外，必要的实验验证也十分重要。

相关技术中的动密封实验设备的机械运转装置包括壳体和转动轴，壳体限定出腔室，转动轴通过轴承可转动地安装在腔室内，动密封静止件与所述壳体相连，动密封转动件与所述转动轴相连，高温气体通入该腔室的内部，利用该高温气体给动密封组件加热，使动密封组件达到设定的实验温度。存在动密封实验设备成本高、强度低、安全隐患大和动密封组件难以达到设定温度的问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种加热效率高的动密封实验设备。

根据本发明实施例的动密封实验设备包括：机械运转装置，所述机械运转装置包括壳体、轴承和转动轴，所述壳体限定出腔室，所述壳体具有在其轴向上相对的第一端和第二端，所述壳体的所述第二端敞开，所述轴承设在所述腔室内，所述转动轴通过所述轴承可转动地安装在所述腔室内，所述壳体上设有多个用于安装动密封静止件的第一安装部，多个所述第一安装部在所述壳体的轴向上间隔开，所述转动轴上设有用于安装动密封转动件的第二安装部；

电磁加热装置，所述电磁加热装置包括用于对所述动密封静止件和所述动密封转动件的至少一者加热的加热线圈。

根据本发明实施例的动密封实验设备具有机械运转装置成本低、强度高、实验过程安全隐患小和实验结果可靠性高等优点。

在一些实施例中，所述加热线圈在所述壳体的轴向上邻近所述第一安装部和所述第二安装部的至少一者设置。

在一些实施例中，所述加热线圈在内外方向上与所述壳体的内周面间隔开。

在一些实施例中，所述电磁加热装置进一步包括变频器，所述加热线圈通过导线与所述变频器相连。

在一些实施例中，所述机械运转装置进一步包括环形的第一过渡连接件，所述第一过渡连接件通过第一紧固件可拆卸地与所述壳体相连，所述第一安装部设在所述第一过渡连接件上；

所述壳体和所述第一过渡连接件的至少一者上设有绝缘涂层；

所述第一紧固件上套设有绝缘垫片；

所述轴承的滚动体采用绝缘材料制成。

在一些实施例中，所述机械运转装置进一步包括第二过渡连接件，所述第二过渡连接件通过第二紧固件可拆卸地与所述转动轴相连，所述第二安装部设在所述第二过渡连接件上。

在一些实施例中，所述壳体上设有供冷却气体进入的冷却气体进口和供冷却气体流出的冷却气体出口。

在一些实施例中，所述轴承设有多个，所述壳体内设有隔板，至少一个所述轴承与所述隔板相连，所述隔板在所述壳体的轴向上与所述第二过渡连接件间隔开，所述隔板上设有通气孔，所述通气孔在所述壳体的轴向上与所述第二过渡连接件相对应，所述隔板在所述壳体的轴向上位于所述冷却气体进口和所述冷却气体出口之间，所述冷却气体出口在所述壳体的轴向上位于所述隔板和所述第二过渡连接件之间。

在一些实施例中，所述第一安装部设有两个，两个所述第一安装部对称布置。

在一些实施例中，进一步包括实验平台和电机，所述机械运转装置和所述电机中的每一者安装在所述实验平台上。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的动密封实验设备的结构示意图。

图2是根据本发明一个实施例的动密封实验设备的另一视角的结构示意图。

图3是图1中机械运转装置和电磁加热装置处的结构示意图。

图4是图3中A处的放大图。

图5是图3中B处的放大图。

附图标记：动密封实验设备1000；

机械运转装置100；壳体1；第一端101；第二端102；腔室103；第一过渡连接件104；第一安装部1041；螺钉105；冷却气体进口106；冷却气体出口107；高压气体进口108；主体109；转动轴2；第二过渡连接件201；第二安装部2011；键2012；挡环2013；螺钉2014；第一轴套202；第二轴套203；动密封静止件3；动密封转动件4；密封圈401；隔板5；通气孔501；螺钉502；第一端盖6；螺钉601；第二端盖7；螺钉701；轴承8；第一轴承801；第二轴承802；预紧弹簧8021；弹簧座8022；第三轴承803；联轴套9；螺钉901；键902；第一轴承端盖1001；螺钉10011；第二轴承端盖1002；螺钉10021；第一挡油环1003；螺钉10031；第二挡油环1004；

电磁加热装置200；加热线圈2001；密封端盖2002；变频器2003；

电机300；输出轴3001；螺钉30011；

高压气源400；气体管道4001；

实验平台500。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

如图1-图5所示，根据本发明实施例的动密封实验设备1000包括机械运转装置100和电磁加热装置200。机械运转装置100包括壳体1、轴承8和转动轴2，壳体1限定出腔室103。壳体1具有在其轴向上相对的第一端101和第二端102，壳体1的第二端102敞开。轴承8设在腔室103内，转动轴2通过轴承8可转动地安装在腔室103内。壳体1上设有多个用于安装动密封静止件3的第一安装部1041，多个第一安装部1041在壳体1的轴向上间隔开，转动轴2上设有用于安装动密封转动件4的第二安装部2011。

电磁加热装置200包括用于对动密封静止件3和动密封转动件4中的至少一者加热的加热线圈2001。

对动密封静止件3和动密封转动件4中的至少一者加热是指：对动密封静止件3加热，或者，对动密封转动件4加热，或者，对动密封静止件3和对动密封转动件4中的每一者加热。本领域技术人员可以理解的是：即使仅对动密封静止件3加热，动密封静止件3也可以快速将部分热量传递至与动密封静止件3密封配合的动密封转动件4上，使得动密封转动件4具有较高的温度。相应的，即使仅对动密封转动件4加热，动密封转动件4也可以快速将部分热量传递至与动密封转动件4密封配合的动密封静止件3上，使得动密封静止件3具有较高的温度。

相关技术中动密封实验设备利用高温气体对的机械运转装置内的动密封组件进行加热，一方面，由于高温气体存在一定的泄漏量，导致在短时间内难以将动密封组件加热到设定温度。并且高温气体采用加热炉加热，加热炉对气体的加热效率有限，难以向机械运转装置提供连续且恒定温度的高温气体，导致动密封组件难以达到设定温度。另一方面，由于高温气体在机械运转装置内内乱窜，使得机械运转装置内的各部件温度均较高，且难以对其进行冷却，这样，不仅机械运转装置的很多部件需要采用耐高温材料制成，导致动密封实验设备的成本高。而且过高的温度还会影响一些关键部件的强度，导致机械运转装置的强度较差。此外，机械运转装置的壳体的温度过高，还存在较大的人员烫伤的安全隐患。

根据本发明实施例的动密封实验设备1000利用电磁加热装置200的加热线圈2001对动密封静止件3和动密封转动件4中的至少一者加热，使动密封静止件3和动密封转动件4中每一者达到设定的实验温度。

一方面，电磁加热的加热区域比较集中，能够有效避免机械运转装置100的其他部件温度过高，从而不仅可以使用更少的耐高温材料，降低动密封实验设备1000的成本，而且可以提高机械运转装置100的强度。此外，机械运转装置100的壳体1的温度不至过高，有利于降低安全隐患。另一方面，电磁加热的加热效率高，能够在短时间内将动密封组件加热至设定温度，并快速补偿由于气体泄漏带走的热量，使动密封组件保持在设定温度，从而提高实验结果的可靠性。

因此，根据本发明实施例的动密封实验设备1000具有机械运转装置100成本低、强度高、实验过程安全隐患小和实验结果可靠性高等优点。

如图1-图5所示，根据本发明实施例的动密封实验设备1000包括机械运转装置100和电磁加热装置200。

如图3-图5所示，机械运转装置100包括壳体1、轴承8和转动轴2。壳体1包括主体109、第一端盖6和第二端盖7，壳体1的轴向与左右方向一致，主体109具有在其轴向上相对的第一端(左端)和第二端(右端)，第一端盖6设在主体109的左端，第一端盖6通过直口与主体109的左端定位配合，并通过螺钉601与主体109相连。第二端盖7设在主体109的右端，第二端盖7通过直口与主体109的右端定位配合，并通过螺钉701与主体109相连。主体109、第一端盖6和第二端盖7限定出腔室103。其中左右方向如图3中的箭头C所示。

如图3所示，轴承8设在腔室103内，转动轴2通过轴承8可转动地安装在腔室103内。

在一些实施例中，动密封实验设备1000进一步包括实验平台500和电机300，机械运转装置100和电机300中的每一者安装在实验平台500上。电机300包括输出轴3001，转动轴2的左端悬伸设置，输出轴3001通过联轴套9与转动轴2的左端相连，从而利用电机300带动转动轴2转动。具体地，如图3和图5所示，输出轴3001利用螺钉30011与连轴套9相连，连轴套9通过键902止转定位在转动轴2上，且连轴套9利用螺钉901与转动轴2相连。

如图3和图4所示，壳体1上设有多个用于安装动密封静止件3的第一安装部1041，多个第一安装部1041在壳体1的轴向上间隔开。转动轴2上设有用于安装动密封转动件4的第二安装部2011。实验时，动密封静止件3安装在第一安装部1041上，动密封静止件3相对壳体1静止不动。动密封转动件4安装在第二安装部2011上，利用转动轴2带动动密封转动件4转动。

在一些实施例中，如图3所示，第一安装部1041设有两个，两个第一安装部1041对称布置。壳体1上设有高压气体进口108，高压气体进口108在壳体1的轴向上位于两个第一安装部1041之间。高压气源400通过气体管道4001与高压气体进口108相连。

实验时，在两个第一安装部1041上分别安装动密封静止件3，左侧的动密封静止件3作为辅助件，右侧的动密封静止件3作为实验件，利用高压气源400向两个动密封静止件3之间通入高压气体。例如，在两个第一安装部1041上安装相同的两个刷环，每个刷环通过刷环座套安装在第一安装部1041上。从高压气体进口108通入的高压气体封闭在两个动密封静止件3之间。两个第一安装部1041对称布置，并且实验时在两个第一安装部1041上安装相同的动密封静止件3，由此，可以避免两个动密封静止件3在壳体1的轴向上产生压差，从而避免转动轴2上因该压差产生轴向力，进而有利于提高实验精度。此外，利用在两个第一安装部1041上安装相同的动密封静止件3，还可以得到作为实验件的动密封静止件3的摩擦系数。

如图3所示，壳体1具有在其轴向上相对的第一端101(左端)和第二端102(右端)，壳体1的第二端102敞开。电磁加热装置200包括密封端盖2002，密封端盖2002设在壳体1的第二端102且封盖壳体1的第二端102。由此在实验过程中动密封静止件3和动密封转动件4密封配合时，壳体1、动密封静止件3、动密封转动件4和密封端盖2002形成密闭腔室，可以在该密闭腔室检测动密封静止件3和动密封转动件4之间的气体泄漏量。

电磁加热装置200包括用于对动密封静止件3和动密封转动件4中的至少一者加热的加热线圈2001。具体地，加热线圈2001通交流电时，能够使动密封静止件3和动密封转动件4中的至少一者产生感生电流，从而对相应部件的表面进行加热。例如，如图3所示，加热线圈2001在壳体1的轴向上与动密封静止件3和动密封转动件4中的每一者相对应，当加热线圈2001上通有交流电时，密封静止件3和动密封转动件4中的每一者产生感生电流，从而利用加热线圈2001对动密封静止件3和动密封转动件4中的每一者加热。

在一些实施例中，如图1和图2所示，电磁加热装置200进一步包括高周变频器2003，加热线圈2001通过导线与变频器2003相连。由此，利用变频器2003能够有效提高电磁加热装置200的加热效率，进一步有利于使动密封组件保持在设定温度，从而进一步提高实验结果的可靠性。

具体使用时，电磁加热装置200的感应电源采用工业电源，经变频器2003变频后生成高频电压，高频电压接入加热线圈2001，以高频交变电流生成交变磁场，进而在动密封静止件3和动密封转动件4的至少一者上产生感生电流。

在一些实施例中，如图3所示，加热线圈2001在壳体1的轴向上邻近第一安装部1041和第二安装部2011的至少一者设置。由此，能有效的利用电磁加热装置200对动密封静止件3和动密封转动件4的相应者进行加热，进一步有利于使动密封组件保持在设定温度，从而进一步提高实验结果的可靠性。

在一些实施例中，如图3所示，加热线圈2001在内外方向上与壳体1的内周面间隔开。壳体1的内周面相对壳体1的外周面在内外方向上邻近转动轴2，内外方向如图3中的箭头D所示。由此，能够避免加热线圈2001通入交流电时，壳体1上产生感生电流而被加热，进一步避免壳体1的温度过高，从而有利于进一步降低由于壳体1的温度过高导致的安全隐患。

在一些实施例中，如图3所示，机械运转装置100进一步包括环形的第一过渡连接件104，第一过渡连接件104通过第一紧固件可拆卸地与壳体1相连，第一安装部1041设在第一过渡连接件104上。第一紧固件可以是螺钉105。

优选地，壳体1和第一过渡连接件104的至少一者上设有绝缘涂层。第一紧固件上套设有绝缘垫片。轴承的滚动体采用绝缘材料制成。例如，壳体1和第一过渡连接件104的一者上设置陶瓷涂层，轴承的滚动体采用陶瓷材料制成。

壳体1和第一过渡连接件104的至少一者上设有绝缘涂层是指：壳体1上设有绝缘涂层，或者，第一过渡连接件104上设有绝缘涂层，或者，壳体1和第一过渡连接件104的每一者上设有绝缘涂层。从而，壳体1和第一过渡连接件104不会通过表面接触而导电。第一紧固件上套设有绝缘垫片，使得壳体1和第一过渡连接件104不会通过第一紧固件而导电。

轴承的滚动体采用绝缘材料制成，使得转动轴2和壳体1之间不导电。壳体1与第一过渡连接件104之间不导电，以及转动轴2和壳体1之间不导电，进而利用加热线圈2001对动密封组件加热时，感生电流被限制在动密封组件和转动轴2上，避免其对整个装置产生不良的影响。

在一些实施例中，如图3所示，机械运转装置100进一步包括第二过渡连接件201，第二过渡连接件201通过第二紧固件可拆卸地与转动轴2相连，第二安装部2011设在第二过渡连接件201上。第二紧固件可以是螺钉2014。

具体地，第二过渡连接件201为环形，第二过渡连接件201套设在转动轴2的右端部上，且第二过渡连接件201通过键2012止转定位在转动轴2上。转动轴2上设有轴肩，转动轴2的右端部设有挡环2013，挡环2013通过螺钉2014与转动轴2相连，第二过渡连接件201在壳体1的轴向上夹持在轴肩和挡环2013之间，实现第二过渡连接件201在转动轴2上的固定。转动轴2和挡环2013之间设有密封圈401，利用密封圈401实现转动轴2和挡环2013之间的密封。

由于连接在第二过渡连接件201上的动密封转动件4为实验件，动密封转动件4利用第二过渡连接件201与转动轴2相连，不仅方便更换动密封转动件4，而且可以将动密封转动件4的尺寸做的更小，从而减少动密封转动件4的材料成本，进而进一步降低实验成本。

在一些实施例中，如图3所示，壳体1上设有供冷却气体进入的冷却气体进口106和供冷却气体流出的冷却气体出口107。由此，利用由冷却气体进口106进入的冷却气体对机械运转装置100进行冷却，从而有利于进一步降低机械运转装置100的成本、提高机械运转装置100的强度以及减小实验过程的安全隐患。

由于实验过程中转动轴2的热量主要来自第二过渡连接件2，因此，对第二过渡连接件2进行降温，便可以使转动轴2以及与转动轴2相连的部件的温度不至过高。

优选地，轴承设有多个，壳体1内设有隔板5，至少一个轴承与隔板5相连，隔板5在壳体1的轴向上与第二过渡连接件201间隔开，隔板5上设有通气孔501，通气孔501在壳体1的轴向上与第二过渡连接件201相对应，隔板5在壳体1的轴向上位于冷却气体进口106和冷却气体出口107之间，冷却气体出口107在壳体1的轴向上位于隔板5和第二过渡连接件201之间。

实验时，通有冷却气体的管道可以先穿过冷却气体进口106再与隔板5上的通气孔501相连，从而将冷却气体直接喷射在第二过渡连接件201上，之后从冷却气体出口107排出，以实现对第二过渡连接件201的冷却。由此，能够对第二过渡连接件201进行更有效的冷却。

在一些实施例中，轴承8设有三个，三个轴承8分别为第一轴承801、第二轴承802和第三轴承803，第二轴承802在壳体1的轴向上位于第一轴承801和第三轴承803之间，第一轴承801设在第二轴承802的右侧。转动轴2通过三个轴承8可转动地安装在腔室103内。由此，转动轴2采用三支点支承悬臂形式，有利于提高转动轴2的刚度。

优选地，第一轴承801和第二轴承802中的每一者为型号相同的角接触球轴承，第二轴承802采用定压预紧方式成对安装。由此，避免因轴承内外圈蹿动引起轴承发热的问题。

具体地，如图3和图4所示，机械运转装置100进一步包括预紧弹簧8021、弹簧座8022、第一轴套202、第二轴套203、第一轴承端盖1001、第二轴承端盖1002、第一挡油环1003和第二挡油环1004。转动轴上设有轴肩，第二挡油环1004与隔板5相连，第一轴承端盖1001通过螺钉10011与第二挡油环1004的右端相连。

第一轴承801的内圈在壳体1的轴向上定位在该轴肩和第一轴套202之间，第一轴承801的外圈在壳体1的轴向上定位在第二挡油环1004和第一轴承端盖1001之间。第一挡油环1003利用螺钉10031与第二挡油环1004的左端相连，第二挡油环1004的左侧设有安装腔，弹簧座8022设在安全腔内，预紧弹簧8021定压装配在弹簧座和安装腔的底部之间，第二轴承802的内圈在壳体1的轴向上定位在第一轴套202和第二轴套203之间，第二轴承802的外圈的右端与弹簧座8022顶压配合，且第二轴承802的外圈的左端与第一挡油环1003之间具有间隔，实现第二轴承802的定压预紧。如图3和图5所示，第三轴承803的内圈在壳体1的轴向上定位在联轴套9和第二轴套203之间。

此外，螺钉1001上套设有调整垫片，利用该调整垫片能够调整第一轴承801的预紧力。螺钉10031上套设有调整垫片，利用该调整垫片能够调整第二轴承802的预紧力。

优选地，机械运转装置100长约0.5米，最大直径为0.54米。动密封转动件4的外径为0.3米，加热线圈2001对动密封转动件4的径向加热厚度为0.02米。动密封转动件4、第二过渡连接件201和刷环座套均采用高温镍基合金材料制造。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。