一种平衡式单金属密封试验装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种单金属密封试验装置，主要用于深井石油、天然气开采中单金属密封的试验研究，包括驱动冲击系统、循环系统、压力平衡系统、密封系统、加载系统和信号采集系统。所设计的单金属密封实验装置能够对单金属密封的性能进行台架实验，综合测试单金属密封工作性能、预测密封寿命，对于进一步研究与提高单金属密封性能具有重要意义；通过柔性油袋和平衡缸实现水压力和润滑油压力的动态平衡，压力的传递更加灵敏；能够模拟井下冲击振动的工况环境，在实验过程中进行冲击加载，从而使得实验结果更加接近钻井时单金属密封的真实工作环境；通过润滑油腔体和水腔体整体在导轨上移动，实现对单金属密封施加轴向载荷，提高了位移加载精度。
【专利说明】
一种平衡式单金属密封试验装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种平衡式单金属密封试验装置，主要用于深井石油、天然气开采中单金属密封的试验研究，属于人工环境下的模拟试验设备。
【背景技术】
[0002]单金属密封作为一种旋转动密封，目前已经广泛应用于石油化工、天然气开采等领域，在牙轮钻头中使用得更为普遍，是整个牙轮钻头轴承密封系统中的重要组成部分，同时也是主要易损件，而在钻井过程中，恶劣的工况会导致密封系统很快失效，从而直接影响牙轮钻头的工作性能和使用寿命。现场钻头使用统计分析表明，因牙轮轴承损坏引起的钻头失效比例占失效钻头的80%，而轴承的寿命在很大程度上又依赖密封的寿命，因此很有必要对高速牙轮钻头轴承密封的密封性能进行理论与实验研究。目前并没有专门针对单金属密封的实验台架，而普通的机械密封实验台架不能模拟其实际工作环境与失效形式，导致实验结果和现场使用结果有很大差异，达不到综合测试单金属密封工作性能、预测密封寿命的目的，因此进行单金属密封的试验台架开发对进一步提高牙轮钻头的工作性能具有重要意义。
【发明内容】
[0003]本发明目的在于克服现有技术不足，在综合分析现有机械密封试验装置的基础上，提出了一种能模拟井下高温高压和冲击振动条件下，长时间工作并较精确的采集单金属密封端面信息的一种平衡式单金属密封试验装置。
[0004]本发明一种平衡式单金属密封试验装置，主要包括驱动冲击系统、循环系统、压力平衡系统、密封系统、加载系统和信号采集系统。
[0005]所述驱动冲击系统主要由电机、电机支架、联轴器、主轴和冲击器组成，通过联轴器将电机输出的扭矩与转速传递到主轴上，从而带动主轴的转动;冲击器安装在电机支架上，对主轴加载冲击载荷来模拟实际冲击振动的工况环境。
[0006]所述循环系统包括水循环系统和润滑油加压系统，其中水循环系统主要由水箱、水栗、水管线和水腔体组成，通过水栗将水箱中的水注入水腔体的内部，然后通过水腔体顶部排出，再回到水箱;润滑油加压系统主要由油箱、手压栗、润滑油腔体和螺塞组成，通过手压栗可以把油箱中的润滑油注入润滑油腔体内，打开螺塞则可以排除润滑油腔体内的空
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[0007]所述压力平衡系统主要由柔性油袋、油管线、平衡缸和润滑油腔体组成，当水腔体中水的压力达到实验所需压力时，通过柔性油袋和油管线把压力传递到平衡缸中，在平衡缸中弹簧和活塞的作用下，水腔体内水的压力+弹簧的压力=润滑油腔内润滑油的压力，从而可以保证润滑油的压力始终大于水的压力，从而可以避免水进入润滑油腔内。
[0008]所述密封系统主要由单金属密封、加载系统、加热管组成，其中单金属密封主要由动环座、支撑橡胶环、O型圈、动环和静环组成，动环座通过螺母固定在主轴上，静环固定安装在水腔体的右侧，支撑橡胶环与O型圈依次安装在动环座上。
[0009]所述加载系统主要由导向套、支架、导轨、水腔体和润滑油腔体组成，其中润滑油腔体和水腔体通过焊接作为一个整体，导向套和支架为螺纹配合，通过旋转导向套推动润滑油腔体和水腔体整体在导轨上向左移动，从而可以对单金属密封施加轴向载荷;加热管可以对润滑油进行加热，从而模拟高温环境。
[0010]所述信号采集系统主要由位移传感器、温度传感器、扭矩传感器和数据采集器组成;通过位移传感器可得到单金属密封的压缩位移，结合橡胶材料系数，即可测得动环和静环接触面的比压;三个温度传感器分布安装在静环上不同直径的圆孔内，通过温度传感器可测得静环端面内侧、外侧和中间位置的温度;在未对单金属密封施加轴向载荷的情况下，开启扭转传感器来测量扭矩，随后在施加轴向载荷的情况下再次开启扭转传感器来测量扭矩，两者之间的差值就是动环和静环之间的摩擦扭矩，从而完成试验测试任务。
[0011]本发明的有益效果和优点如下:1、设计了一种单金属浮动密封实验装置，能够对单金属密封的性能进行台架实验，对于进一步提高单金属密封的性能具有重要意义;2、通过柔性油袋和平衡缸实现水压力和润滑油压力的动态平衡，压力的传递更加灵敏;4、能够模拟井下冲击振动的工况环境，在实验过程中进行冲击加载，从而使得实验结果更加接近钻井时单金属密封的真实工作环境;5、通过润滑油腔体和水腔体整体在导轨上移动，实现对单金属密封施加轴向载荷，提高了位移加载精度。
【附图说明】
[0012]图1是本发明一种平衡式单金属浮动密封试验装置的结构示意图；
图2是本发明一种平衡式单金属浮动密封试验装置的原理示意图；
图3是图1、图2中单金属浮动密封的结构示意图；
图4是图1、图2中静环端面安装孔的位置示意图；
图5是图1、图2中密封系统与加载系统的结构示意图；
图6是本发明的单金属密封的三维结构示意图；
图7是本发明的水腔体的三维结构示意图。
[0013]图中:1.水箱，2.电机支架，3.水管线，4.电机，5.联轴器，6.扭矩传感器，7.主轴，
8.水腔体，9.螺母，10.动环座，11.支撑橡胶环，12.0型圈，13.动环，14.静环，15.温度传感器，16.螺塞，17.数据采集器，18.位移传感器，19.支架，20.加热管，21.导向套，22.润滑油腔体，23.活塞，24.平衡缸，25.弹簧，26.油管线，27.手压栗，28.油箱，29.柔性油袋，30.导轨，31.冲击器，32.水栗。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图对本发明【具体实施方式】作进一步说明:
如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，本发明一种平衡式单金属浮动密封试验装置，主要包括驱动冲击系统、循环系统、压力平衡系统、密封系统、加载系统和信号采集系统。
[0015]如图1、图2和图5所示，所述驱动冲击系统主要由电机4、电机支架2、联轴器5、主轴7和冲击器31组成，通过联轴器5将电机4输出的扭矩传递到主轴7上，从而带动主轴7的转动;冲击器31安装在电机支架2上，对主轴7加载冲击载荷来模拟实际冲击振动的工况环境。
[0016]如图1、图2、图5和图7所示，所述循环系统包括水循环系统和润滑油加压系统，其中水循环系统主要由水箱1、水栗32、水管线3和水腔体8组成，通过水栗32将水箱I中的水注入水腔体8的内部，然后通过水腔体8顶部排出，再回到水箱I;润滑油加压系统主要由油箱28、手压栗27、润滑油腔体22和螺塞16组成，通过手压栗27可以把油箱28中的润滑油注入润滑油腔体22内，打开螺塞16则可以排除润滑油腔体22内的空气。
[0017]如图1、图2和图5所示，所述压力平衡系统主要由柔性油袋29、油管线26、平衡缸24和润滑油腔体22组成，当水腔体8中水的压力达到实验所需压力时，通过柔性油袋29和油管线26把压力传递到平衡缸24中，在平衡缸24中弹簧25和活塞23的作用下，水腔体8内水的压力+弹簧25的压力=润滑油腔22内润滑油的压力，从而可以保证润滑油的压力始终大于水的压力，从而可以避免水进入润滑油腔22内。
[0018]如图1、图2、图3、图5和图6所示，所述密封系统主要由单金属密封和加热管组成，其中单金属密封主要由动环座10、支撑橡胶环11、0型圈12、动环13和静环14组成，动环座10通过螺母9固定在主轴7上，静环14固定安装在水腔体8的右侧，支撑橡胶环11与O型圈12依次安装在动环座10上。
[0019]如图1、图2、图3、图5和图6所示，所述加载系统主要由导向套21、支架19、导轨30、水腔体8和润滑油腔体22组成，其中润滑油腔体22和水腔体8通过焊接作为一个整体，导向套21和支架19为螺纹配合，通过旋转导向套21推动润滑油腔体22和水腔体8整体在导轨30上向左移动，从而可以对静环14施加轴向位移;加热管20可以对润滑油进行加热，从而可以模拟高温环境。
[0020]如图1、图2、图3、图4和图6所示，所述信号采集系统主要由位移传感器18、温度传感器15、扭矩传感器6和数据采集器17组成;通过位移传感器18可得到单金属密封的压缩位移，结合橡胶材料系数，即可测得动环13和静环14接触面的比压;三个温度传感器15分布安装在静环14上不同直径的圆孔内，通过温度传感器15可测得静环14端面内侧、外侧和中间位置的温度;在未对单金属密封施加轴向载荷的情况下，开启扭转传感器6来测量扭矩，随后在施加轴向载荷的情况下再次开启扭转传感器6来测量扭矩，两者之间的差值就是动环13和静环14之间的摩擦扭矩，从而完成试验测试任务。
【主权项】
1.一种平衡式单金属密封试验装置，主要包括驱动冲击系统、循环系统、压力平衡系统、密封系统和信号采集系统，其特征在于:所述驱动冲击系统主要由电机(4)、电机支架(2)、联轴器(5)、主轴(7)和冲击器(31)组成，其中的冲击器(31)安装在电机支架(4)上，对主轴(7)加载冲击载荷来模拟实际冲击振动的工况环境;所述加载系统主要由导向套(21)、支架(20)、导轨(30)、水腔体(8)和润滑油腔体(22)组成，其中的润滑油腔体(22)和水腔体(8)通过焊接作为一个整体，导向套(21)和支架(20)为螺纹配合，通过旋转导向套(21)推动润滑油腔体(22)和水腔体(8)整体在导轨(30)上向左移动，从而可以对单金属密封施加轴向载荷;所述信号采集系统主要由位移传感器(18)、温度传感器(15)、扭矩传感器(6)和数据采集器(17)组成，三个温度传感器(15)分布安装在静环(14)上不同直径的圆孔内，通过温度传感器(15)可测得静环(14)的端面内侧、外侧和中间位置的温度;在未对单金属密封施加轴向载荷的情况下，开启扭转传感器(6)来测量扭矩，随后在施加轴向载荷的情况下再次开启扭转传感器(6 )来测量扭矩，两者之间的差值就是动环(13 )和静环(14 )之间的摩擦扭矩。2.根据权利要求1所述的一种平衡式单金属浮动密封试验装置，其特征在于:所述压力平衡系统主要由柔性油袋(29)、油管线(26)、平衡缸(24)和润滑油腔体(22)组成，当水腔体(8)中水的压力达到实验所需压力时，通过柔性油袋(29)和油管线(26)把压力传递到平衡缸(24)中，在平衡缸(24)中弹簧(25)和活塞(23)的作用下，可以保证润滑油的压力始终大于水的压力。
【文档编号】G01M13/00GK106092533SQ201610401960
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】张毅, 张晓东, 张勇, 肖平, 周权, 卢美亮, 吴倩
【申请人】西南石油大学