一種金屬密封應力松弛加速的試驗裝置及分析方法與流程
本發明屬于金屬密封應力松弛檢測技術領域，具體涉及一種金屬密封應力松弛加速的試驗裝置及分析方法。
背景技術：
金屬密封廣泛應用于長期使用、低溫、高溫、高壓、高真空、輻射、強酸、強堿及強腐蝕等工作條件惡劣、密封要求高、其它密封形式難以滿足要求的場合。對于長期(數十年)服役的金屬密封，隨著使用時間的延長會發生應力松弛以及蠕變(高溫)等問題，可能引起密封失效。關于金屬密封長期使用過程中密封性能的分析與驗證問題，目前的理論和試驗研究均缺乏有效的解決方案，一方面密封性能的影響因素較多且密封機理復雜，沒有相關成熟理論提供支撐；另一方面缺乏金屬密封應力松弛相關設備，也鮮有相關試驗開展情況的報道，其試驗技術亟待發展。
金屬密封的應力松弛是一個非常緩慢的過程，需連續開展較長時間(一般幾年)的應力松弛試驗才能較準確地獲取試驗數據。然而，受試驗成本、產品研制周期等因素的制約，按常規方法開展應力松弛試驗難于滿足研究工作需要。因此，需研究金屬密封應力松弛特性的加速等效方法，并開展相應較短時間內的試驗而說明和驗證其長時期內的應力松弛特性。
技術實現要素：
本發明的目的在于提供一種金屬密封應力松弛加速的試驗裝置及分析方法，用于表征金屬密封的加速應力松弛特性，并進行試驗驗證，以達到以較短時間金屬密封的應力松弛加速試驗，從而分析、評價其長期使用情況下密封性能。
本發明的技術方案如下：一種金屬密封應力松弛加速的試驗裝置，該試驗裝置包括下法蘭、上法蘭、恒溫箱、壓蓋、負荷傳感器、渦輪蝸桿，其中，在恒溫箱內底面設有試樣基座，下法蘭通過下階梯軸布置在試樣基座內部下端面上；在下法蘭上端面上開有環形凹槽，并在所述環形凹槽中設有金屬密封試樣；在金屬密封試樣上設有與下法蘭結構相似且相互平行的上法蘭，并在上法蘭上端面安裝有與下階梯軸相互對稱的上階梯軸，雙向螺柱穿過恒溫箱，其一端與上階梯軸相固定，其另一端與壓蓋固定連接；壓蓋通過螺桿與安裝有電機的渦輪蝸桿相連接；并在壓蓋與恒溫箱上表面之間設有負荷傳感器。
所述的下法蘭中環形凹槽的底部設有高溫應變片，其通過位于恒溫箱內的高溫電纜連接，并在高溫電纜穿過恒溫箱后，通過普通電纜與應力應變測試系統相連接，并利用密封膠密封相應的導線孔。
所述的恒溫箱包括恒溫箱底座和恒溫箱上蓋，其中，在恒溫箱上蓋中布置有貫穿恒溫箱上蓋的套筒，雙頭螺柱穿過套筒，并固定在上階梯軸和壓蓋之間。
所述的試樣基座為內部開有階梯孔的圓柱筒結構，圓盤狀結構的下法蘭通過下階梯軸布置在試樣基座內部下端面上。
所述的蝸輪蝸桿中的蝸桿與壓蓋上端面中心的凸起結構相連接，且蝸輪蝸桿及其相連接的電機安裝在電機基座上。
所述的恒溫箱上貫穿設有溫度計，可實時測量顯示恒溫箱內的溫度。
一種金屬密封應力松弛加速的分析方法，該方法具體包括如下步驟：
步驟1、采用上述權利要求所述的金屬密封應力松弛加速的試驗裝置，設置恒溫箱內的試驗溫度，獲得殘余接觸應力隨時間變化的試驗數據；
步驟2、對步驟1中的試驗數據進行分析，確定加速特征參數中金屬密封的特征值，并使應力松弛試驗數據具有良好的線性相關性；
步驟3、對試驗數據進行線性回歸處理，獲得金屬密封的應力松弛動力學方程；
利用試驗獲得的不同溫度下的殘余接觸應力隨時間變化的試驗數據，獲得最終應力松弛動力學方程為：
Y2R(T,t)＝K(T)-C(T)(log10(t))
其中，Y2R(T,t)為剩余接觸應力；K(T)、C(T)為與材料、試驗條件有關的常數，可通過應力松弛試驗數據的計算分析獲得；
利用上述應力松弛動力學方程，可以預測分析不同溫度和時間條件下的應力松弛情況。
所述的步驟1中獲得試驗數據具體包括：
利用本發明所述的金屬密封應力松弛加速的試驗裝置，設置恒溫箱內的試驗溫度為T，通過應力應變測試系統采集獲得金屬密封圈試樣的殘余接觸應力隨時間變化的試驗數據，并設置多個試驗溫度進行測試，獲得不同試驗溫度下，金屬密封圈試樣的殘余接觸應力隨時間變化的試驗數據。
所述的步驟2中具體的金屬密封的特征值為：
將加速特征參數LMP定義為與金屬密封應力松弛特性以及試驗時間、試驗溫度有關的參數，表達式為：
LMP(T,t)＝T(C+log10(t))
其中，C為金屬密封的特征值；
利用步驟1中的多組試驗數據兩兩進行相關分析，并確定金屬密封的特征值C的數值，使以參數LMP表示的應力松弛試驗數據具有良好的線性相關性。
本發明的顯著效果在于：本發明所述的一種金屬密封應力松弛加速的試驗裝置，可以長時間、穩定地開展不同穩定下的應力松弛試驗，可實時獲取評價金屬密封應力松弛特性的主要數據，包括負荷、密封面殘余應力等；所述的分析方法，提供了金屬密封應力松弛加速特征參數以及以該參數表征的應力松弛動力學方程，能夠合理表征金屬密封加速要求及條件下的應力松弛特性；本發明所述的金屬密封應力松弛加速的試驗裝置及分析方法，可通過開展較短時間試驗而分析、驗證金屬密封長期使用情況下的密封性能，大大縮短了試驗周期和成本。
附圖說明
圖1為本發明所述的一種金屬密封應力松弛加速的試驗裝置結構示意圖；
圖中：1、下法蘭；2、下階梯軸；3、金屬密封圈試樣；4、上法蘭；5、試樣基座；6、恒溫箱底座；7、溫度計；8、高溫電纜；9、普通電纜；10、應力應變測試系統；11、高溫應變片；12、壓蓋；13、負荷傳感器；14、雙頭螺柱；15、套筒；16、上階梯軸；17、恒溫箱上蓋；18、螺桿；19、蝸輪蝸桿；20、電機；21、電機基座。
具體實施方式
下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
如圖1所示，一種金屬密封應力松弛加速的試驗裝置，包括下法蘭1、上法蘭4、恒溫箱底座6、壓蓋12、負荷傳感器13、渦輪蝸桿19以及電機20，其中，在恒溫箱底座6內底面上放置有內部開有階梯孔的圓柱筒結構的試樣基座5，圓盤狀結構的下法蘭1通過下階梯軸2布置于試樣基座5內部下端面上；在下法蘭1上端面上開有環形凹槽，并在該環形凹槽中放置有環形的金屬密封試樣3，在金屬密封試樣3上放置有與下法蘭1結構相似且相互平行的上法蘭4，并在上法蘭4上端面安裝有與下階梯軸2相互對稱的上階梯軸16；在上階梯軸16上端面開有螺紋孔，穿過安裝在恒溫箱底座6上恒溫箱上蓋17中布置的套筒15的雙頭螺柱14，一端與上階梯軸16上端的螺紋孔相連接，另一端與平板結構的壓蓋12螺紋連接，并在壓蓋12與恒溫箱上蓋17中心位置之間設置有負荷傳感器13，穿過并安裝在恒溫箱上蓋17中的溫度計7可以實時測量顯示恒溫箱內部的溫度；安裝在下法蘭1環形凹槽底部的高溫應變片11在位于恒溫箱底座6與恒溫箱上蓋17空間內的高溫電纜8相連接，高溫電纜8穿過恒溫箱后，通過普通電纜9與應力應變測試系統10相連接，并利用密封膠密封相應的導線孔；與渦輪蝸桿19相連接的電機20安裝在電機基座21上，且渦輪蝸桿19中的螺桿18與壓蓋12上端面中心的凸起結構相連接。
本發明所述的一種金屬密封應力松弛加速的試驗裝置中電機20通過渦輪蝸桿19傳動驅動螺桿18，并帶動壓蓋12、雙頭螺柱14以及上階梯軸上下移動，將載荷通過壓蓋12、雙頭螺柱及上階梯軸施加在法蘭上，使金屬密封圈試樣3到達試驗所需的壓縮量，以確定金屬密封圈實現較好密封效果所需要的軸向載荷。
本發明所述的一種金屬密封應力松弛加速的分析方法，該方法具體包括如下步驟：
步驟1、采用上述金屬密封應力松弛加速的試驗裝置，設置恒溫箱內的試驗溫度，獲得殘余接觸應力隨時間變化的試驗數據；
利用本發明所述的金屬密封應力松弛加速的試驗裝置，設置恒溫箱內的試驗溫度為T，通過應力應變測試系統采集獲得金屬密封圈試樣的殘余接觸應力隨時間變化的試驗數據，并設置多個試驗溫度進行測試，獲得不同試驗溫度下，金屬密封圈試樣的殘余接觸應力隨時間變化的試驗數據；
步驟2、對步驟1中的試驗數據進行分析，確定加速特征參數中金屬密封的特征值，并使應力松弛試驗數據具有良好的線性相關性；
將加速特征參數LMP定義為與金屬密封應力松弛特性以及試驗時間、試驗溫度有關的參數，表達式為：
LMP(T,t)＝T(C+log10(t))
其中，C為金屬密封的特征值；
利用步驟1中的多組試驗數據兩兩進行相關分析，并確定金屬密封的特征值C的數值，使以參數LMP表示的應力松弛試驗數據具有良好的線性相關性；
步驟3、對試驗數據進行線性回歸處理，獲得金屬密封的應力松弛動力學方程；
利用步驟2的試驗數據進行線性回歸處理，則金屬密封的應力松弛動力學方程為：
Y2R(t)＝A1-B1LMP(T,t)
其中，Y2R(t)為殘余接觸應力；A1為初始載荷系數；B1為應力松弛率系數，B1是與材料、試驗條件有關的常數，可通過對試驗數據的回歸分析求取。
將試驗獲得的不同溫度下的殘余接觸應力隨時間變化的試驗數據，代人獲得最終應力松弛動力學方程為：
Y2R(T,t)＝K(T)-C(T)(log10(t))
其中，Y2R(T,t)為剩余接觸應力；K(T)、C(T)為與材料、試驗條件有關的常數，可通過應力松弛試驗數據的計算分析獲得；
利用上述應力松弛動力學方程，可以預測分析不同溫度和時間條件下的應力松弛情況。
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