一種基于雙目視覺(jué)dic機(jī)械密封端面變形測(cè)量系統(tǒng)及其測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種用于機(jī)械密封端面三維形貌及力、熱載荷作用下的全場(chǎng)三維變形 的測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法，屬于光學(xué)測(cè)量力學(xué)、機(jī)械密封位移和變形測(cè)試技術(shù)等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 機(jī)械密封因具有密封性好、使用壽命長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)中不用調(diào)整、功率損耗小、軸或軸套 表面不易磨損、耐振性強(qiáng)、密封參數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、石油、化工、電力、輕 工、船舶、宇航和原子能等工業(yè)設(shè)備中旋轉(zhuǎn)軸的密封。
[0003] 機(jī)械密封一般由密封副（動(dòng)環(huán)4和靜環(huán)5)，彈性元件（彈簧2或波紋管）、動(dòng)環(huán)輔 助密封（0形圈3)、靜環(huán)輔助密封（0形圈6)、傳動(dòng)件（軸筒1)、防轉(zhuǎn)件（靜環(huán)座7)等基本 元件組成，如圖1所示。動(dòng)環(huán)和加載彈簧被安裝在動(dòng)環(huán)座中，并依靠〇形圈進(jìn)行二次密封。 動(dòng)環(huán)依靠軸套固定在旋轉(zhuǎn)軸上并隨軸旋轉(zhuǎn)。動(dòng)環(huán)在彈簧力等載荷的作用下，可沿軸向自由 移動(dòng)，并保持動(dòng)環(huán)和靜環(huán)端面的緊密接觸。根據(jù)實(shí)際要求，彈性元件也可安裝在靜環(huán)座上。 因此，機(jī)械密封是一種依靠彈性元件對(duì)動(dòng)環(huán)和靜環(huán)端面的預(yù)緊或介質(zhì)壓力與彈性元件共同 壓緊而達(dá)到密封的軸向端面密封裝置。
[0004] 在實(shí)際工作過(guò)程中，有很多因素會(huì)直接影響到密封的泄漏及壽命，其中一個(gè)關(guān)鍵 因素是機(jī)械密封在使用過(guò)程中保持密封端面幾何形狀平行或近似平行的能力。也就是說(shuō)， 密封端面縫隙的幾何形狀在任何情況下都必須保持平行或近似平行，才能充分保證密封具 有優(yōu)良的性能。但是，密封環(huán)在機(jī)械力、熱載荷的作用下，在端面問(wèn)會(huì)形成發(fā)散或收斂型的 間隙，造成泄漏增大，磨損加劇，壽命縮短，嚴(yán)重影響了密封的使用效果。因此精確計(jì)算機(jī)械 密封端面變形，研究影響變形的關(guān)鍵因素，探索減小變形的措施對(duì)提高機(jī)械密封密封性能 和使用壽命及開(kāi)發(fā)機(jī)械密封產(chǎn)品具有重要的指導(dǎo)意義。
[0005] 隨著機(jī)械密封技術(shù)向高壓、高速、高溫和大直徑等方向發(fā)展，機(jī)械密封環(huán)的變形問(wèn) 題就尤為突出。目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)機(jī)械密封溫度場(chǎng)和密封環(huán)變形的研究工作主要集中在理 論分析和數(shù)值計(jì)算，較為成熟的解析求解法主要有圓環(huán)理論和有限元法。解析法是機(jī)械密 封端面變形計(jì)算方法中最為精確的一種，但只適合密封截面為簡(jiǎn)單形狀的情況。其缺點(diǎn)是 計(jì)算繁瑣，不適合用于工程實(shí)際。有限元法是當(dāng)今較好地使用計(jì)算機(jī)研究機(jī)械密封變形的 方法，使用熱-結(jié)構(gòu)耦合穩(wěn)態(tài)分析的理論可以根據(jù)端面的受力計(jì)算摩擦熱并將熱載荷施加 在模型上，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)分析與熱分析結(jié)果的同時(shí)運(yùn)算。有限元法作為較為有效的變形分析 方法發(fā)展?jié)摿艽?。?shù)值方法不同于物理模型實(shí)驗(yàn)，無(wú)法在開(kāi)始時(shí)給出所求問(wèn)題定量的描 述。它需要物理模型試驗(yàn)提供某些參數(shù)及參數(shù)之間的關(guān)系，近而建立符合所求問(wèn)題的數(shù)學(xué) 模型。它的應(yīng)用還依賴于理論的分析、經(jīng)驗(yàn)的判斷和最終的試驗(yàn)驗(yàn)證。雖然機(jī)械密封大量 的實(shí)驗(yàn)研究始于20世紀(jì)60年代，但關(guān)于機(jī)械密封試驗(yàn)研究主要集中在：①研究介質(zhì)的溫度 和壓力、彈簧比壓、轉(zhuǎn)速等操作參數(shù)對(duì)機(jī)械密封性能和使用壽命的影響；②通過(guò)傳感器測(cè)量 密封環(huán)端面的扭矩、溫度、端面比壓和液膜厚度等，研究不同條件下密封端面的摩擦特性及 其對(duì)密封特性和使用壽命的影響。而關(guān)于直接機(jī)械密封端面變形的試驗(yàn)研究工作開(kāi)展還較 少，且端面變形測(cè)試是采用電阻應(yīng)變測(cè)試方法，這中測(cè)試方法雖然是一種很成熟的力學(xué)測(cè) 試方法，但是該方法以點(diǎn)測(cè)量為基礎(chǔ)，不能獲得全場(chǎng)的變形信號(hào)，且測(cè)量過(guò)程較為繁瑣，檢 測(cè)獲得的微弱信號(hào)存在受噪聲干擾嚴(yán)重等情況，信號(hào)極易發(fā)生變形，失真嚴(yán)重，測(cè)量結(jié)果與 真實(shí)工作情況相差較大。雙目視覺(jué)數(shù)字圖像相關(guān)方法（DIC)，是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種全 場(chǎng)變形測(cè)量的一種光測(cè)實(shí)驗(yàn)力學(xué)方法，與其他光學(xué)測(cè)量方法（云紋干涉法和電子散斑干涉 法）相比，具有測(cè)量系統(tǒng)和測(cè)量過(guò)程簡(jiǎn)單、無(wú)需激光光源、對(duì)測(cè)量環(huán)境要求低、適合于形狀 復(fù)雜物體等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域取得了相當(dāng)?shù)某晒Γ@示了巨大的潛力。為克服電阻 應(yīng)變測(cè)試方法缺點(diǎn)，繼承發(fā)揚(yáng)雙目視覺(jué)數(shù)字圖像相關(guān)方法優(yōu)點(diǎn)，本發(fā)明提供一種基于雙目 視覺(jué)數(shù)字圖像相關(guān)的機(jī)械密封端面變形的全場(chǎng)測(cè)量方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的旨在為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種基于雙目視覺(jué)DIC機(jī)械密 封端面變形測(cè)量系統(tǒng)及測(cè)量方法，該系統(tǒng)方法可有效解決機(jī)械密封在力、熱載荷作用下的 端面變形的全場(chǎng)測(cè)量問(wèn)題，具有測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0008] -種基于雙目視覺(jué)DIC機(jī)械密封端面變形測(cè)量系統(tǒng)，它包含機(jī)械密封試驗(yàn)裝置、 高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、鏡頭、采集卡、光源、標(biāo)定板、支架系統(tǒng)及用于數(shù)字圖像采集和相關(guān)分析處 理的計(jì)算機(jī)；其位置連接順序是：高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)用螺釘安裝在方盒里，方盒正下方有螺 栓孔，通過(guò)螺栓將方盒固定到平移臺(tái)上，平移臺(tái)安裝在三腳架上的導(dǎo)軌上；調(diào)節(jié)方盒下方螺 栓可調(diào)整兩高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)之間角度及距離；根據(jù)被測(cè)試件的高度和方位，通過(guò)三腳架調(diào) 整高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的高度和俯仰角度；高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)線與采集卡相連，采集卡 安裝在服務(wù)器上；光源位于兩高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)之間，在高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)前安裝鏡頭，通過(guò)調(diào) 節(jié)鏡頭焦距及光圈，可清楚地拍攝到機(jī)械密封試驗(yàn)裝置上測(cè)量試件的圖像。
[0009] 所述機(jī)械密封試驗(yàn)裝置腔體材料為鋼化玻璃，可按照要求在市場(chǎng)上選購(gòu)；
[0010] 所述高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，其速度及分辨率依據(jù)測(cè)量轉(zhuǎn)速及精度確定，可按照要求在 市場(chǎng)上選購(gòu)；
[0011] 所述鏡頭，依據(jù)被測(cè)試件大小及高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)選定，可按照要求在市場(chǎng)上選 購(gòu)；
[0012] 所述采集卡，依據(jù)高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)來(lái)選定，可按照要求在市場(chǎng)上選購(gòu)；
[0013] 所述光源為單色冷光源，可按照要求在市場(chǎng)上選購(gòu)；
[0014] 所述標(biāo)定板，依據(jù)被測(cè)試件大小確定其幾何尺寸，為圓點(diǎn)棋盤(pán)格，可自制；
[0015] 所述方盒，依據(jù)高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)尺寸確定其幾何尺寸，可自制；
[0016] 所述三腳架為工業(yè)相機(jī)專用三腳架，可按照要求在市場(chǎng)上選購(gòu)；
[0017] 所述平移臺(tái)為方形中間開(kāi)長(zhǎng)孔，自制；
[0018] 所述計(jì)算機(jī)為服務(wù)器。
[0019] 其中，高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的數(shù)量是2個(gè)；
[0020] 其中，鏡頭的數(shù)量是2個(gè)；
[0021] 其中，采集卡的數(shù)量是2個(gè)。
[0022] -種基于雙目視覺(jué)DIC機(jī)械密封端面變形測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量方法，具體測(cè)量步驟如 下：
[0023] (1)采用機(jī)械密封靜環(huán)作為測(cè)試試樣；
[0024] (2)采用表面隨機(jī)噴涂黑白漆的方式制作散斑圖；
[0025] (3)把測(cè)試試樣安裝到機(jī)械密封試驗(yàn)機(jī)上實(shí)行加載；
[0026] (4)將測(cè)量系統(tǒng)正對(duì)著試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試試樣放置好；
[0027] (5)采用單色照明光源均勻照被測(cè)試試樣，調(diào)節(jié)鏡頭焦距和光圈直至相機(jī)清晰成 像；
[0028] (6)采用標(biāo)定板來(lái)標(biāo)定兩數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的內(nèi)、外部參數(shù)；
[0029] (7)在試件變形前、后不同狀態(tài)下，用左、右高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)分別攝取其散斑圖像， 作為雙目視覺(jué)數(shù)字圖像相關(guān)的分析圖像；
[0030] (8)用雙目視覺(jué)數(shù)字圖像相關(guān)方法計(jì)算出試樣變形前、后表面形貌及全場(chǎng)變形。
[0031] 本發(fā)明的有益效果如下：
[0032] (1)運(yùn)用先進(jìn)的數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)對(duì)機(jī)械密封端面變形進(jìn)行測(cè)試，使測(cè)試環(huán)境接 近于機(jī)械密封正常工作環(huán)境，避免了電阻應(yīng)變測(cè)試法以點(diǎn)測(cè)量缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械密封端面 變形的全場(chǎng)測(cè)量。
[0033] (2)依據(jù)實(shí)測(cè)機(jī)械密封端面的全場(chǎng)變形來(lái)研究影響變形的關(guān)鍵因素，探索減小變 形的措施，可有效指導(dǎo)機(jī)械密封的設(shè)計(jì)、制造、使用和維修，從而提高機(jī)械密封密封性能和 使用壽命，減小機(jī)械密封失效所造成的能源、原材料浪費(fèi)及人員傷亡。
【附圖說(shuō)明】
[0034] 圖1為機(jī)械密封基本結(jié)構(gòu)及雙目視覺(jué)數(shù)字圖像相關(guān)測(cè)量系統(tǒng)示意圖。
[0035] 圖2為雙目視覺(jué)數(shù)字圖像相關(guān)方法原理圖。
[0036] 圖3為利用雙目視覺(jué)數(shù)字圖像相關(guān)方法測(cè)量物體表面變形的流程圖。
[0037] 圖中符號(hào)說(shuō)明如下：
[0038] 1套筒，2彈簧，3動(dòng)環(huán)0形圈，4動(dòng)環(huán)，5靜環(huán)，6靜環(huán)0形圈，7靜環(huán)座，8密封腔體， 9左高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，10左鏡頭，11左方盒，12右鏡頭，13右高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，14右方盒，15 平移臺(tái)，16