[发明专利]一种基于双目视觉DIC机械密封端面变形测量系统及其测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于机械密封端面三维形貌及力、热载荷作用下的全场三维变形的测量系统及测量方法，属于光学测量力学、机械密封位移和变形测试技术等领域。 

背景技术

机械密封因具有密封性好、使用寿命长、运转中不用调整、功率损耗小、轴或轴套表面不易磨损、耐振性强、密封参数高等优点，而被广泛应用于机械、石油、化工、电力、轻工、船舶、宇航和原子能等工业设备中旋转轴的密封。 

机械密封一般由密封副(动环4和静环5)，弹性元件(弹簧2或波纹管)、动环辅助密封(O形圈3)、静环辅助密封(O形圈6)、传动件(轴筒1)、防转件(静环座7)等基本元件组成，如图1所示。动环和加载弹簧被安装在动环座中，并依靠O形圈进行二次密封。动环依靠轴套固定在旋转轴上并随轴旋转。动环在弹簧力等载荷的作用下，可沿轴向自由移动，并保持动环和静环端面的紧密接触。根据实际要求，弹性元件也可安装在静环座上。因此，机械密封是一种依靠弹性元件对动环和静环端面的预紧或介质压力与弹性元件共同压紧而达到密封的轴向端面密封装置。 

在实际工作过程中，有很多因素会直接影响到密封的泄漏及寿命，其中一个关键因素是机械密封在使用过程中保持密封端面几何形状平行或近似平行的能力。也就是说，密封端面缝隙的几何形状在任何情况下都必须保持平行或近似平行，才能充分保证密封具有优良的性能。但是，密封环在机械力、热载荷的作用下，在端面问会形成发散或收敛型的间隙，造成泄漏增大，磨损加剧，寿命缩短，严重影响了密封的使用效果。因此精确计算机械密封端面变形，研究影响变形的关键因素，探索减小变形的措施对提高机械密封密封性能和使用寿命及开发机械密封产品具有重要的指导意义。 

随着机械密封技术向高压、高速、高温和大直径等方向发展，机械密封环的变形问题就尤为突出。目前，国内外有关机械密封温度场和密封环变形的研究工作主要集中在理论分析和数值计算，较为成熟的解析求解法主要有圆环理论和有限元法。解析法是机械密封端面变形计算方法中最为精确的一种，但只适合密封截面为简单形状的情况。其缺点是计算繁琐，不适合用于工程实际。有限元法是当今较好地使用计算机研究机械密封变形的方法，使用热-结构耦合稳态分析的理论可以根据端面的受力计算摩擦热并将热载荷施加在模型上，实现了结构分析与热分析结果的同时运算。有限元法作为较为有效的变形分析方法发展潜力很大。数值方法不同于物理模型实验，无法在开始时给出所求问题定量的描述。它需要物理模型试验提供某些参数及参数之间的关系，近而建立符合所求问题的数学模型。它的应用还依赖于理论的分析、经验的判断和最终的试验验证。虽然机械密封大量的实验研究始于20世纪60年代，但关于机械密封试验研究主要集中在：①研究介质的温度和压力、弹簧比压、转速等操作参数对机械密封性能和使用寿命的影响；②通过传感器测量密封环端面的扭矩、温度、端面比压和液膜厚度等，研究不同条件下密封端面的摩擦特性及其对密封特性和使用寿命的影响。而关于直接机械密封端面变形的试验研究工作开展还较少，且端面变形测试是采用电阻应变测试方法，这中测试方法虽然是一种很成熟的力学测试方法，但是该方法以点测量为基础，不能获得全场的变形信号，且测量过程较为繁琐，检测获得的微弱信号存在受噪声干扰严重等情况，信号极易发生变形，失真严重，测量结果与真实工作情况相差较大。双目视觉数字图像相关方法(DIC)，是近年来发展起来的一种全场变形测量的一种光测实验力学方法，与其他光学测量方法(云纹干涉法和电子散斑干涉法)相比，具有测量系统和测量过程简单、无需激光光源、对测量环境要求低、适合于形状复杂物体等优点，已经在测试技术领域取得了相当的成功，显示了巨大的潜力。为克服电阻应变测试方法缺点，继承发扬双目视觉数字图像相关方法优点，本发明提供一种基于双目视觉数字图像相关的机械密封端面变形的全场测量方法。 

发明内容

本发明的目的旨在为克服现有技术的不足，而提供一种基于双目视觉DIC机械密封端面变形测量系统及测量方法，该系统方法可有效解决机械密封在力、热载荷作用下的端面变形的全场测量问题，具有测量系统结构简单、使用方便、测量精度高等优点。 

本发明的技术方案如下：