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机械密封端面平面度的检验

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机械密封端面平面度的检验

发布日期:2020-08-11 作者:东台市光明机械密封有限公司 点击:

按照JB/T4127.1——1999《机械密封技术条件》标准规定:密封端面平面度不大于0.0009mm,其表面必须光洁。由于材料的不同,表面粗糙度(Ra)应小于:金属或硬质材料0.2μm,非金属或软质材料0.4μm。

之所以要求这样高的平面度,是为了保证密封端面的泄漏量在允许范围内。此外,减小表面粗糙度可使承载面积增加,从而增加机械密封的承载能力。

一、刀口尺观察法

刀口尺的刀刃是一条标准直线,将其放于工件表面观察间隙大小及均匀性,可判断工作表面平面度情况(见图9-42),此法适用于工件平面度较差时,例如粗研工件的检查。

机械密封端面平面度的检验

二、研点法

研点法是在被检验工件表面上均匀涂上一层很薄的显示剂(如红丹粉),然后把标准平板放在被检工件表面上,平稳、均匀、前后左右移动,使平板与被检查平面对研,抬下平板,观察被检平面上研点数目多少和分布情况,研点数目越多、越密、越均匀,表示平面度越好。

对于机械密封环,应当在摩擦副表面涂上红丹粉后,在检验板上均匀对研,观察接触情况,维修时常用动静环对研方法检验密封环平面度。

三、光干涉法测量平面度

按相关技术标准要求,常用光的干涉原理精确测量机械密封环表面的平面度情况。

光的波长或频率在一定范围内能引起人们的视觉。当光的振幅小时,光的强度(亮或暗的程度)变小,二者成正比关系。当光线从同一点发出,并重合于空间之某一点,振幅发生变化而产生叠加现象。如图9-43所示。


图中a、b沿同方向进行传播,且由同一光源发出,周相相同,叠加后如c所示,振幅加大,故光强度较原来为大,看到的是亮光区域。

图中a' 、 b’沿同方向传播,但其周相差180°,叠加后如c'所示,振幅互相抵消,故光强度变为零,看到的是暗光区域。

当把同一点光发出的光波,分成两束很细的光波,就会出现光的干涉现象——亮光区域与暗光区域相互交错。

机械密封端面平面度的检验

以下介绍用光学平晶检测平面度的基本原理。

平面平晶是用派利克斯玻璃、熔凝水晶或折光系数为1. 516的光学玻璃制造,使之成为具有平直工作端面的透明玻璃,按直径大小有60mm、80mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm、500mm等。它的精度为1级和2级两种;工作面的平面性很高,其偏差不超过0.03μm和0.1μm。通常采用1级平晶测量密封环端面的平面度,平晶的直径应大于被测工件的外径。

来自太阳的自然光实际上是由几种颜色组成,每一种代表一个不同波长的电磁波。当自然光通过平晶射向被检表面发生光波干涉后,不同位置上会显示出几种颜色的干涉条纹(彩虹)。用单色光源时产生的是明暗相间的亮带和暗带,非常清晰,可以看清干涉带,读数较准确。单色光源一般为纳光灯。

光波干涉检测法的原理:干涉条纹的形成,是由发自同一光源的两组光束经过不同的光程以后,又重新会聚而发生亮度增强和减弱的结果,这种光束亮度的加强和减弱就是光波的干涉。

分析可知:

当两束光线的光程差δ是波长λ的整数倍时,干涉叠加后光强度增加,呈现亮光区。

当两束光线的光程差是半波长的奇数倍时,干涉叠加后光强度变为零,呈现暗光区。从波动学角度理论上可总结为

δ=κλ......亮光区

?=(2κ+1)λ/2......暗光区

利用光学平晶,放在被检的工件表面上,就会观察到光的干涉现象(图9-44)。

机械密封端面平面度的检验

当光线从A点发出,射人平晶B点,一部分光线在平晶下平面C点依CF方向反射;另一部分光线透过空气层,射至工件表面D点再反射,这两部分光线通过平晶中反射后,由于光程不同而发生干涉,其光程差为Δ为

△=(CD+DE+ yEG)一(yCF+ FL)

Y为平晶折射率。

因为CD=DE,CF=EG

所以Δ=2CD-FL

通常光源几乎垂直于测量表面,若D点到平晶的垂直距离为h,则DC≈h,FL≈0

所以Δ≈2h

又根据物理学法则:当光波由光密物质到光疏物质分界面上反射时,与由光疏物质到光密物质的分界面上反射时二者周相差为180°。故实际的光程为δ

相邻两条干涉条纹对应的光程差与平晶到工件距离的关系如图9-45所示。

机械密封端面平面度的检验

K处:δκ=2hκ+λ/2

K+1处:δκ+1=2hκ+1+λ/2

对于两条相邻明条纹,从上面公式可得到

δκ=2hκ+λ/2=κλ

δκ+1=2hκ+1+λ/2(κ+1)λ                                                              

δκ+1-δκ=2hκ+1+λ/2-(2hκ+λ2)=(κ+1)λ-κλ   

因为2(hκ+1-hκ)=λ 

所以hκ+1hκ=λ/2

这个公式说明,相邻两条明(或暗)条纹光程差为λ/2,对应的就是平面度数值。即把平晶放在工件上,每出现一组干涉条纹,对应的平面度数值即为λ/2。

对于单色光原:

钠光λ=6000A=0.6μm;

白光λ=5000A=0.5μm;

若用钠光做为光源,

λ/2=0.3μm=0.0003mm。

机械密封环端面平面度要求≤0.0009mm,即用钠光做光源,利用平晶检验就相当于小于3条干涉条纹。实际检验装置如图9-46所示。

机械密封端面平面度的检验

判别方法  在测量密封端面平面度前,必须先获得能具有折射光线的表面,通常是将被测表面进行研磨后,再进行抛光,才能进行检验。检测时,将被测平面紧贴于平晶。两个表面都必须仔细擦净,使两表面之间可以形成一层极薄的空气膜,单色光源透过空气膜,就会产生明暗相间的干涉条纹。

检验时注意工件表面要擦干净,光学平晶放在工件上后,仔细调整平晶与工件接触状态,使出现的干涉条纹为Z少数量值。利用下列公式计算平面度

h=xλ/2

h—平面度数值;

x—干涉条纹条数。

例如用钠光灯做光源,观察Z少干涉条纹为2条,即平面度为

h=2X0.0003/2=0.0006mm

如何从得到的光圈形状判断工件平面度也是实际检验中经常遇到的问题。如图9-47所示,AA面为标准平面(即平晶),BB面为工件表面,如果被检工件表面也是一个很好的平面,那么将AA面相对BB面略为倾斜时,出现的条纹是平直的[见图9-47(b)],如果平晶与工件表面互相平行,形成一层具有相等厚度的空气层,那么当用白光作光源时,整个表面将呈现均匀的单一色彩。

机械密封端面平面度的检验

随着气层厚的不同看到颜色也不同。表面如有局部不平,条纹就不是单一的颜色。

工作表面如有很小曲率,则将看到若干个彩色同心环,当工件表面中间凸起时,愈靠边缘的同心环颜色愈淡[图9-48 (a)]。前者称光圈高,后者称光圈低。如果光圈高,在工件不动,观察者头低下去的过程中,看到同心环向外展开变大,即通常说的光圈外“跑”。反之,当光圈低时,则看到同心环向中心收缩变小,即所谓光圈向里“跑”。同样,如果平晶不倾斜地(与工件平行)放在工件上的瞬时,看到光圈向四周跑,说明工件中间凸,即光圈高。在平晶放上去的瞬间,光圈从四周向中心跑,说明工件中间凹,即光圈低。当光源为白光时,光圈呈现彩色。光圈高低数量,即凸起或凹下的程度,是以某一种颜色为准,计算它的光圈数量。由于在彩色同心环中红色较为醒目,故一般取红色环为准。高光圈时,从中心数起,低光圈时从边缘数起,有几个红色环就算几个光圈。如果光源为单色,例如钠光,同心环就为明暗相间的圆环。计算光圈数量时,取明或暗的一种圆环为准,视边缘环明暗而定。如是暗环,则取明环,反之取暗环。有几个明环就是几个光圈。

机械密封端面平面度的检验

当工件表面与平晶表面平面度差不多,即不到一个光圈时,按图9-47那样放置就不易识别出来,就要如图9-49那样放置,使两表面而略有倾斜,中间有一微小楔角。如果工件表面有微小的曲率,条纹将变弯曲。条纹的弯曲程度h和条纹宽度a之比就是光圈数N,即N=h/a

判定中间凸起或凹下的方法,可看弯曲条纹的圆心是在空气楔厚的一边还是在薄的一边。如果圆心在空气楔薄的一边,则光圈高;反之,光圈低。如图9-49所示N=h/a(光圈高)N=-h/a(光圈低)

判定光圈高低比较方便的办法是在检测平晶边缘轻轻加压,使平晶表面与工件表面形成空气楔,根据加压点与弯曲条纹的圆心关系来判别。当弯曲条纹的圆心与加压点在同一侧时,则光圈高。反之,光圈低(见图9-49)。但此方法只在熟练时才应用,否则易压伤工件表面。

光圈的不规则和塌边、翅边等情况的识别方法同上述方法基本一样。只要很熟练地掌握识别光圈高低的基本方法,不管光圈如何不规则,都是能识别的。

机械密封常见光带图见图9-50至图9-53。

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