1.本发明涉及一种干气密封性能测试装置领域，尤其涉及一种干气密封轴向气膜刚度测试装置。
背景技术：2.干气密封轴向气膜刚度定义为密封补偿环端面所受轴向微扰力与其对应引起的密封气膜厚度变化量之比的绝对值，是反映其抵抗外界轴向扰动能力的重要性能参数。轴向气膜刚度越大，干气密封在相同外界扰动力作用下气膜厚度变化越小，气膜厚度越稳定。干气密封轴向气膜刚度测试涉及密封补偿环所受闭合力微小变化量的构造、测试和密封端面气膜厚度的测试。密封气膜厚度一般可通过电涡流传感器测出，而在带速带压条件下实现密封补偿环闭合力微小变化量的构造与测试是其中的难点问题。
3.现有的气体推力轴承轴向气膜刚度测试装置通过电涡流传感器测试轴承间隙，通过改变砝码质量或调节螺钉以改变作用于推力轴承上的轴向载荷，并通过在气体轴承与加载物之间串联力传感器测出轴向载荷，不过该测试装置没有外部压力腔，且两推力轴承体都处于非旋转状态，也即无法实现外部带压和带速条件下的轴向气膜刚度测试。现有的干气密封轴向气膜刚度测试装置通过电涡流传感器测试密封间隙，通过在静环背部安装周向均布的多个螺旋测微头以调节静环位移，进而改变挠性安装动环背部的弹簧压缩量以实现对干气密封闭合力的控制，不过该装置中闭合力的调节需在停速、泄压后操作，且多个螺旋测微头调节量不均容易造成静环的安装偏斜。由此可见，现有气体润滑推力轴承和干气密封的轴向气膜刚度测试装置还存在着无法在带速和外腔带压条件下调节轴向载荷、调节过程中密封环容易偏斜等问题。
技术实现要素：4.本发明旨在克服现有气体润滑推力轴承和干气密封轴向气膜刚度测试时所存在的无法在带速和外腔带压条件下调节轴向载荷的问题，本发明提供了一种能在带速带压条件下通过微调密封闭合力以实现干气密封轴向气膜刚度测试的装置。
5.本发明的技术方案如下：一种基于闭合力微调的干气密封轴向气膜刚度测试装置，包括密封腔体组件、设置在密封腔体组件内的干气密封副及密封腔体组件上的弹簧压缩量调控组件，所述密封腔体组件包括主密封腔体、与主密封腔体相连的副密封腔体以及设置在副密封腔体上的静环轴套，所述干气密封副包括固定安装于转轴上的密封动环及挠性安装于静环轴套上的密封静环，所述密封动环内径固定有感应片，所述密封静环内径固定有第一位移传感器，所述弹簧压缩量调控组件包括依次设置的压缩弹簧、弹簧座、第一力传感器座、测力传感器及第二力传感器座，所述弹簧压缩量调控组件可轴向移动以实现对压缩弹簧压缩量的调节。
6.进一步的，所述弹簧压缩量调控组件还依次包括辅助推环、平头销、第一推力轴承座、推力轴承、第二推力轴承座、手柄连接件及旋转手柄，所述第二推力轴承座与副密封轴
套之间通过螺纹连接，所述辅助推环位于副密封腔体内，所述平头销穿过静环轴套上的销孔。
7.进一步的，所述主密封腔体与副密封腔体之间通过第一螺栓紧固连接，所述副密封腔体与静环轴套之间通过第二螺栓紧固连接。
8.进一步的，所述第一力传感器座与静环轴套径向间设有第一辅助密封圈，所述第一力传感器座与副密封腔体径向间设有第二辅助密封圈。
9.进一步的，所述第二力传感座与副密封腔体径向间设有辅助定位环，所述辅助定位环固定于副密封腔体上。
10.进一步的，所述第一推力轴承座上安装有第二位移传感器。
11.进一步的，所述密封静环与压缩弹簧之间设有推环，所述推环与及静环轴套之间设有第五辅助密封圈。
12.进一步的，所述副密封腔体上设有进气孔，所述副密封腔体、静环轴套、第二力传感器座和辅助定位环之间形成压力调节腔，所述进气孔与压力调节腔相连通。
13.进一步的，所述辅助定位环与第二力传感器座径向间设有第三辅助密封圈，所述辅助定位环与副密封腔体径向间设有第四辅助密封圈。
14.进一步的，所述第一力传感器座的第一外周面直径等于密封静环的密封端面外径，为了保证测力传感器的测量值能等于密封端面的开启力。
15.本发明的有益效果如下：1）通过外部的气压调节或机械手轮调节控制弹簧压缩量调控组件的整体轴向移动以改变弹簧压缩量，进而实现密封闭合力的调节，可开展外腔介质带压和带速条件下干气密封端面闭合力的连续调节，且调节过程不会造成密封动静环的额外安装偏斜。
16.2）通过测力传感器座、弹簧安装座外径尺寸的合理设计，并预先标定好各辅助密封圈的摩擦力，即可通过测力传感器读数精准计算获得密封开启力，提高了干气密封轴向气膜刚度的测试精度。
附图说明
17.图1是本发明实施例一的干气密封轴向气膜刚度测试装置剖视图；图2是本发明实施例一的弹簧压缩量调控组件结构示意图；图3是本发明实施例的干气密封气膜厚度测试结构示意图；图4是本发明实施例的干气密封静环轴向受力分析示意图；图5是本发明实施例二的干气密封轴向气膜刚度测试装置剖视图；图6是本发明实施例二的弹簧压缩量调控组件结构示意图；图中：1、干气密封副；11、密封动环；111、感应片；12、密封静环；121、第一位移传感器；122、第一位移传感器座；13、密封端面；2、密封腔体组件；21、主密封腔体；212、第一螺栓；22、副密封腔体；221、第二螺栓；222、辅助定位环；223、进气孔；224、压力调节腔；225、第四辅助密封圈；23、静环轴套；3、弹簧压缩量调控组件；31、压缩弹簧；311、推环；312、第五辅助密封圈；32、弹簧座；33、第一力传感器座；331、第一辅助密封圈；332、第二辅助密封圈；333、第一外周面；34、测力传感器；35、第二力传感器座；351、第三辅助密封圈；36、辅助推环；37、平头销；381、第一推力轴承座；382、推力轴承；383、第二推力轴承座；384、第二位移
传感器；391、手柄连接件；392、旋转手柄；4、转轴。
具体实施方式
18.以下结合说明书附图，对本发明的实施进一步详述。
19.实施例1 ：参照图1、2、3所示，一种基于闭合力微调的干气密封轴向气膜刚度测试装置，包括干气密封副1、密封腔体组件2、弹簧压缩量调控组件3，干气密封副1包括固定安装于转轴41上的密封动环11和挠性安装于静环轴套23上的密封静环12，在密封动环11的内径安装有感应片111，在密封静环12的内径安装有第一位移传感器座122，第一位移传感器121固定安装于第一位移传感器座122上，通过感应片111和第一位移传感器121的组合使用可测出密封动环11与密封静环12之间的密封间隙h。
20.密封腔体组件2包括主密封腔体21、副密封腔体22和静环轴套23。主密封腔体21和副密封腔体22通过第一螺栓212紧固连接，副密封腔体22与静环轴套23通过第二螺栓221紧固连接。
21.弹簧压缩量调控组件3从压缩弹簧31侧开始依次包括压缩弹簧31、弹簧座32、第一力传感器座33、测力传感器34、第二力传感器座35，可轴向移动以实现对压缩弹簧31压缩量的调节。为构造密封静环12背部压力腔，在第一力传感器座33与静环轴套23径向间设有第一辅助密封圈331，第一力传感器座33与副密封腔体22径向间设有第二辅助密封圈332。在密封静环12与压缩弹簧31之间设有推环31，在推环311与静环轴套23之间设有第五辅助密封圈312。在第二力传感座35与副密封腔体22径向间设有辅助定位环222，辅助定位环222通过紧定螺钉固定于副密封腔体22上。
22.压缩弹簧31压缩量的调控为机械式驱动方案，也即弹簧压缩量压缩组件3从第二力传感器座35开始依次还包括辅助推环36、平头销37、第一推力轴承座381、推力轴承382、第二推力轴承座383、手柄连接件391、旋转手柄392。第二推力轴承座383与静环轴套23之间通过螺纹连接，辅助推环36位于副密封腔体22内，平头销37穿过静环轴套23上的销孔，拧动旋转手柄392即可带动第二推力轴承座383在静环轴套23的螺纹段上不断旋进，进而带动第一推力轴承座381、平头销37、辅助推环36沿轴向移动。为了监测压缩弹簧31的压缩量，在第一推力轴承座381上安装有第二位移传感器384。
23.参照图4所示，密封端面开启力为fo，密封静环12背腔内介质压力对左边推环31的气压作用力和对右边第一力传感器座33的气压作用力分别为f
sta1
和f
sta2
，压缩弹簧31对左边推环31的弹簧力和右边弹簧座32的弹簧力分别为f
sp1
和f
sp2
，推环311与静环轴套23之间第五辅助密封圈312的摩擦力、第一力传感器座33与副密封腔体22之间第二辅助密封圈332的摩擦力、第一力传感器座33与静环轴套23之间第一辅助密封圈331的摩擦力分别为f
f1
、f
f2
和f
f3
，测力传感器34的测试值为f1。根据作用力与反作用力相等原则，可知弹簧力f
sp1
=f
sp2
，气压作用力f
sta1
=f
sta2
。当通过不断增大压缩弹簧31压缩量而使闭合力增加，气膜间隙逐渐变小时，推环31受到的摩擦力f
f1
向右，第一力传感器座33受到的摩擦力f
f2
和f
f3
也都向右。以密封静环12和推环31为受力对象，其受到向右的端面开启力fo和摩擦力f
f1
，受到向左的气压作用力f
sta1
和弹簧力f
sp1
，则有受力平衡式fo+f
f1
=f
sta1
+f
sp1
。以弹簧座32和第一力传感器座33为受力对象，其受到向右的气压作用力f
sta2
、弹簧力f
sp2
、摩擦力f
f2
和f
f3
，受到向左
的测力传感器34支持力f1，则有受力平衡式f1=f
sta2
+f
sp2
+f
f2
+f
f3
。根据上述两个受力平衡式，可得密封开启力fo=f
1-(f
f1
+f
f2
+f
f3
)，其中f1可通过测力传感器34测得，辅助密封圈摩擦力f
f1
、f
f2
和f
f3
可试验前标定获得，在此基础上可获得密封端面开启力fo。反之，当通过不断减小压缩弹簧32压缩量而使闭合力减小，气膜间隙逐渐增大时，可得密封开启力fo= f1+(f
f1
+f
f2
+f
f3
)。精准测得不同条件下密封开启力fo是准确获得干气密封轴向气膜刚度的关键所在。
24.实施例2：参照图5和6所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：弹簧压缩量压缩组件3中第二力传感器座35开始没有辅助推环36、平头销37、第一推力轴承座381、推力轴承382、第二推力轴承座383、手柄连接件391、旋转手柄392，而是在副密封腔体22、静环轴套23、第二力传感器座35和辅助定位环222之间形成压力调节腔224，辅助定位环222与第二力传感器座35径向间设有第三辅助密封圈351，辅助定位环222与副密封腔体22径向设有第四辅助密封圈225；在副密封腔体上设有进气孔223，且进气孔223与压力调节腔224相连通，通过往进气孔223内通入带压气体，利用气体压力f2调节弹簧压缩量调控组件3的轴向移动，其余结构与实施方式与实施例一相同。
25.工作原理是：轴向气膜刚度的测试涉及干气密封间隙h与开启力fo的测试。主密封腔体内安装有一套干气密封副，其中密封动环固定安装于转轴上，密封静环挠性安装于静环轴套上，在密封动环的内径安装有感应片，密封静环内径安装有第一位移传感器，通过第一位移传感器配合感应片可测出密封动环与密封静环之间的密封间隙h。密封端面闭合力fc的调节是通过弹簧压缩量调控组件的整体轴向移动以调节密封静环背部的弹簧压缩量来实现。弹簧压缩量调控组件的轴向移动有两种方案，分别是机械式调节和气压式调节。对于机械式调节方案，可通过旋转手柄的转动，带动通过螺纹与静环轴套相连接的第二推力轴承座、推力轴承、第一推力轴承座的轴向移动，再通过穿过静环轴套上销孔的平头销带动位于副密封腔体内的辅助推环轴向移动，然后带动第二力传感器座、测力传感器、第一力传感器座、弹簧座的轴向移动，最终实现对弹簧压缩量的在线调控；且第一推力轴承座上安装有第二位移传感器，可以对弹簧压缩量调控组件的轴向移动量进行测量。对于气压式调节方案，通过副密封腔体上的进气孔向由副密封腔体、静环轴套、第二力传感器座、辅助定位环之间形成的压力腔通入带压气体，通过调节压力来实现第二力传感器座、测力传感器、第一力传感器座、弹簧座的轴向移动，改变弹簧压缩量继而调节密封端面的闭合力fc。在第一力传感器座与第二力传感器座轴向间安装有测力传感器，可对密封静环背腔内弹簧作用力和介质压力进行测试；测力传感器所测轴向力数值和试验前标定的各辅助密封圈摩擦力，可计算获得密封端面开启力fo。
26.当本测试装置用于干气密封轴向气膜刚度的测试时，首先在某一弹簧压缩量调节测得密封开启力f
o1
与密封间隙h1；然后通过机械式调节方案或气压式调节方案改变弹簧压缩量，进而改变密封静环所受闭合力fc，测出此时的密封开启力f
o2
与密封间隙h2，则轴向气膜刚度按照k=(f
o1-f
o2
)/(h
2-h1)计算获得。
27.本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术
人员根据本发明构思所能想到的同等技术手段。
技术特征：1.一种基于闭合力微调的干气密封轴向气膜刚度测试装置，其特征在于，包括密封腔体组件（2）、设置在密封腔体组件（2）内的干气密封副（1）及密封腔体组件（2）上的弹簧压缩量调控组件（3），所述密封腔体组件（2）包括主密封腔体（21）、与主密封腔体（21）相连的副密封腔体（22）以及设置在副密封腔体（22）上的静环轴套（23），所述干气密封副（1）包括固定安装于转轴（4）上的密封动环（11）及挠性安装于静环轴套（23）上的密封静环（12），所述密封动环（11）内径固定有感应片（111），所述密封静环（12）内径固定有第一位移传感器（121），所述弹簧压缩量调控组件（3）包括依次设置的压缩弹簧（31）、弹簧座（32）、第一力传感器座（33）、测力传感器（34）及第二力传感器座（35），所述弹簧压缩量调控组件（3）可轴向移动以实现对压缩弹簧（31）压缩量的调节。2.根据权利要求1所述的一种基于闭合力微调的干气密封轴向气膜刚度测试装置，其特征在于，所述弹簧压缩量调控组件（3）还依次包括辅助推环（36）、平头销（37）、第一推力轴承座（381）、推力轴承（382）、第二推力轴承座（383）、手柄连接件（391）及旋转手柄（392），所述第二推力轴承座（383）与副密封轴套（23）之间通过螺纹连接，所述辅助推环（36）位于副密封腔体（22）内，所述平头销（37）穿过静环轴套（23）上的销孔。3.根据权利要求1所述的一种基于闭合力微调的干气密封轴向气膜刚度测试装置，其特征在于，所述主密封腔体（21）与副密封腔体（22）之间通过第一螺栓（212）紧固连接，所述副密封腔体（22）与静环轴套（23）之间通过第二螺栓（221）紧固连接。4.根据权利要求1所述的一种基于闭合力微调的干气密封轴向气膜刚度测试装置，其特征在于，所述第一力传感器座（33）与静环轴套（23）径向间设有第一辅助密封圈（331），所述第一力传感器座（33）与副密封腔体（22）径向间设有第二辅助密封圈（332）。5.根据权利要求1所述的一种基于闭合力微调的干气密封轴向气膜刚度测试装置，其特征在于，所述第二力传感座（35）与副密封腔体（22）径向间设有辅助定位环（222），所述辅助定位环（222）固定于副密封腔体（22）上。6.根据权利要求2所述的一种基于闭合力微调的干气密封轴向气膜刚度测试装置，其特征在于，所述第一推力轴承座（381）上安装有第二位移传感器（384）。7.根据权利要求3所述的一种基于闭合力微调的干气密封轴向气膜刚度测试装置，其特征在于，所述密封静环（12）与压缩弹簧（31）之间设有推环（311），所述推环（311）与及静环轴套（23）之间设有第五辅助密封圈（312）。8.根据权利要求4所述的一种基于闭合力微调的干气密封轴向气膜刚度测试装置，其特征在于，所述副密封腔体（22）上设有进气孔（223），所述副密封腔体（22）、静环轴套（23）、第二力传感器座（35）和辅助定位环（222）之间形成压力调节腔（224），所述进气孔（223）与压力调节腔（224）相连通。9.根据权利要求4所述的一种基于闭合力微调的干气密封轴向气膜刚度测试装置，其特征在于，所述辅助定位环（222）与第二力传感器座（35）径向间设有第三辅助密封圈（351），所述辅助定位环（222）与副密封腔体（22）径向间设有第四辅助密封圈（225）。10.根据权利要求1所述的一种基于闭合力微调的干气密封轴向气膜刚度测试装置，其特征在于，所述第一力传感器座（33）的第一外周面（333）直径等于密封静环（12）的密封端面（13）外径。
技术总结本发明公开了一种基于闭合力微调的干气密封轴向气膜刚度测试装置，包括干气密封副、密封腔体组件、弹簧压缩量调控组件，所述密封腔体组件包括主密封腔体、副密封腔体、静环轴套，所述干气密封副包括固定安装于转轴上的密封动环和挠性安装于静环轴套上的密封静环，所述密封动环内径固定有感应片，所述密封静环内径固定有第一位移传感器，所述弹簧压缩量调控组件从压缩弹簧开始依次包括弹簧座、第一力传感器座、测力传感器、第二力传感器座，所述弹簧压缩量调控组件可轴向移动以实现对压缩弹簧压缩量的调节。本发明通过微调弹簧压缩量的方式实现干气密封补偿环闭合力的在线调控和密封开启力、气膜厚度的在线测试，可实现不同工况条件和气膜厚度下的干气密封轴向气膜刚度测试，具有调节方便、测试精度高等优势。具有调节方便、测试精度高等优势。具有调节方便、测试精度高等优势。
技术研发人员：江锦波 许文烜 于辰 彭旭东 孟祥铠 马艺
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2022.03.17
技术公布日：2022/7/5
