一種基于改變閉合力的可控型機(jī)械密封的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可控型機(jī)械密封裝置，具體是一種基于改變閉合力的可控型機(jī)械密封，包括靜環(huán)座，安裝在靜環(huán)座上的電磁加載裝置，以及設(shè)置在電磁加載裝置上的摩擦力矩傳感器單元和U型撥插，其原理在于通過改變閉合力的電磁加載裝置實(shí)現(xiàn)對機(jī)械密封的控制，本方案提出了直接測試密封端面摩擦力和端面溫升的方法，并將其應(yīng)用于可控型機(jī)械密封裝置中；通過控制電磁加載裝置的電流變化來實(shí)現(xiàn)對密封的主動控制，可用于航空航天、石油化工、能源動力等相關(guān)工程領(lǐng)域，在各類泵、壓縮機(jī)、反應(yīng)釜、膨脹機(jī)、分離機(jī)等工程裝備中均可適用。
【專利說明】—種基于改變閉合力的可控型機(jī)械密封

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于改變閉合力的可控型機(jī)械密封，可用于航空航天、石油化工、能源動力等相關(guān)工程領(lǐng)域，在燃?xì)廨啓C(jī)、各類泵、壓縮機(jī)、反應(yīng)釜、膨脹機(jī)、分離機(jī)等工程裝備中均可適用。

【背景技術(shù)】
[0002]機(jī)械密封已經(jīng)在許多工業(yè)生產(chǎn)中得以廣泛的應(yīng)用，尤其在石油化工、航空航天、能源動力等領(lǐng)域。大多數(shù)正在開發(fā)的機(jī)械密封專利都致力于研究通過增加密封級數(shù)和改變密封表面形狀實(shí)現(xiàn)對密封的穩(wěn)定性、耐磨損，進(jìn)而提高其使用壽命和可靠性；如申請專利200880117493.X提出了一種機(jī)械密封及串聯(lián)式密封，該機(jī)械密封在密封的壓力低或高的情形等任何條件下，都能獲得合適的滑動特性，因此將拓展密封的適用范圍。申請專利201010583081.4提出了一種穗形排布微孔端面機(jī)械密封結(jié)構(gòu)；申請專利201010180728.9提出了一種旋轉(zhuǎn)機(jī)械動靜間隙的密封結(jié)構(gòu)，用于控制高溫高壓流體沿動靜間隙泄漏，避免大流量泄漏影響下一級部件的穩(wěn)定運(yùn)行和安全運(yùn)作。
[0003]普通的機(jī)械密封一般只能在設(shè)計點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。當(dāng)環(huán)境工作條件發(fā)生變化時，其端面可能產(chǎn)生高的軸向載荷或者瞬時脈動，舉例來說，對于泵類旋轉(zhuǎn)機(jī)械主軸用機(jī)械密封系統(tǒng)，由于其受到了泵體軸向載荷的極大影響，載荷較大可能導(dǎo)致密封端面的劇烈磨損，而間隙較大則可能導(dǎo)致密封失效。因此研究不同載荷下的機(jī)械密封端面間接觸特性及其液膜特性就變得非常重要；同時對于密封系統(tǒng)的主動性控制而言，若設(shè)計一種通過檢測端面溫升和端面摩擦力的可控型機(jī)械密封并付諸于工程應(yīng)用中，將對提高機(jī)械密封的工作壽命和可靠性具有重要的工程實(shí)踐價值?？煽匦蜋C(jī)械密封概念自提出以來，一直受到眾多學(xué)者研究。
[0004]國外1.Ets1n針對航空航天領(lǐng)域的液氧渦輪泵機(jī)械密封監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展需求，較早地提出了通過監(jiān)測機(jī)械密封端面溫度的方法實(shí)現(xiàn)對密封的控制[Ets1n I1Palmor ZJ, Harari N.Feasibility study of a controlled mechanical seal[J].Lubricat1nEng.，1991,47(8):621-625.];他設(shè)計了一種通過調(diào)節(jié)閉合力來控制密封運(yùn)轉(zhuǎn)的閉環(huán)可控型機(jī)械密封系統(tǒng)。它是將端面溫度作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信號，而溫度的測量采用熱電偶傳感器，并在端面上安裝了 5個溫度傳感器，閉環(huán)控制系統(tǒng)采用最簡單的線性控制器。隨后R.F.Salant等對非接觸式端面密封的可控性進(jìn)行了分析[Wolff P, Salant RF.Electronically controlled mechanical seal for aerospace applicat1ns—PartI1: Transient tests [J].Tribology Trans.，1995，38 (I): 51-56.]，進(jìn)一步發(fā)展了通過對端面溫升和密封泄漏量結(jié)合的監(jiān)測來控制密封特性的研究思路；設(shè)計了一種通過調(diào)節(jié)開啟力來控制密封運(yùn)轉(zhuǎn)的閉環(huán)可控型機(jī)械密封系統(tǒng)。它是針對液氧渦輪泵密封，在其原有錐面密封的基礎(chǔ)上，通過在石墨靜環(huán)背面裝入壓電材料，由壓電材料的變形來控制石墨靜環(huán)錐面的角度，從而調(diào)節(jié)開啟力。此閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信號是端面溫度或泄漏量。Zou M等提出了一種新型的可控型機(jī)械密封[Zou Mj Dayan Jj Green 1.Dynamic simulat1n andmonitoring of a noncontacting flexibly mounted rotor mechanical face seal[J].IMechE, J.Mech.Eng.Sc1.，2000，214(9):1195-1206.]，直接將電渦流傳感器測得的間隙作為閉環(huán)控制系統(tǒng)的反饋信號。在柔性支撐組件上形成一個腔體，通過改變腔體內(nèi)空氣的壓力來達(dá)到調(diào)節(jié)閉合力的目的?？刂葡到y(tǒng)分為兩層，內(nèi)循環(huán)控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)腔內(nèi)壓力使密封間隙保持在希望的值，如果發(fā)生了接觸，外循環(huán)控制系統(tǒng)就會根據(jù)傳感器的值將密封間隙調(diào)整到新的合適位置。
[0005]以此為基礎(chǔ)的現(xiàn)有的對機(jī)械密封的監(jiān)測和控制主要以控制泄漏量為目標(biāo)，但在限制泄漏的過程中，往往忽視了密封可能由于嚴(yán)重磨損造成的更嚴(yán)重?fù)p失。針對這一狀況，Goilkar S S[Goilkar S S，Hirani H.Design and development of a test setupfor online wear monitoring of mechanical face seals using a torque sensor[J].Tribology Transact1ns, 2009，52(I):47-58.]、Zhang H[Zhang H, Landers R G, MillerB A.Adaptive control of mechanical gas face seals with rotor runout andstatic stator misalignment[J].Journal of Dynamic Systems, Measurement andControl, Transact1ns of the ASME, 2010, 132 (4): 1-10.]等在最新的研究中提出了以觀測端面磨損狀況和監(jiān)測軸向位移的機(jī)械密封監(jiān)測新思路，但如何應(yīng)用這些新思路到具體的機(jī)械密封監(jiān)測過程尚需要進(jìn)一步深入研究。
[0006]國內(nèi)周劍鋒等也提出了將靜環(huán)內(nèi)側(cè)溫度和泄漏率作為反饋參數(shù)、閉合力作為調(diào)節(jié)參數(shù)，建立螺旋槽機(jī)械密封的控制方法[周劍鋒，顧伯勤.螺旋槽機(jī)械密封的可控性[J].機(jī)械工程學(xué)報，2009, 45(1): 106-110.]。然而在實(shí)際的密封工作過程中，端面間溫升不僅僅是由于端面間接觸摩擦引起的，諸如散熱、熱傳導(dǎo)、運(yùn)行工況的變化等也會造成溫升的累積，同時檢測的熱偶元件放在離端面I?2_附近的密封靜環(huán)內(nèi)，因此已有的以端面溫升為主要反饋參數(shù)的動態(tài)監(jiān)控方法不利于密封的實(shí)時監(jiān)測。為此本專利申請發(fā)明人曾提出通過測試機(jī)械密封端面摩擦力結(jié)合端面溫升的方法來實(shí)現(xiàn)對密封的動態(tài)監(jiān)測的研究思路[張國淵，趙偉剛，聞秀天，袁小陽.可控式液體潤滑高速螺旋槽端面密封試驗(yàn)研究[J].航空動力學(xué)報，2011，26(4):947-953.];以機(jī)械密封端面接觸摩擦力作為機(jī)械密封是否接觸的主要判據(jù)，同時配合對端面溫升和泄漏量的輔助反饋信號為補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn)對密封端面的實(shí)時監(jiān)測。
[0007]已有的研究(如1.Ets1n, R.F.Salant, M.Zou,顧伯勤等)都均采用通過對端面溫升的監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)對密封的控制，然而在實(shí)際的密封工作過程中，端面間溫升不僅僅是由于端面間接觸摩擦引起的，諸如散熱、熱傳導(dǎo)、運(yùn)行工況的變化等也會造成溫升的增加，同時檢測的熱偶元件放在離端面I?2mm附近的密封靜環(huán)內(nèi)，對端面液膜溫升的測量也不太準(zhǔn)確。
[0008]對于機(jī)械密封的控制研究，已有的為數(shù)不多的發(fā)明專利都集中于解決機(jī)械密封可控過程中的反饋參數(shù)測量操作性差、反饋執(zhí)行機(jī)構(gòu)復(fù)雜或者安全可靠性低等問題，并由此提出了一些對機(jī)械密封實(shí)現(xiàn)控制的技術(shù)方法，如專利200610039084.5發(fā)展了多參數(shù)可測控高轉(zhuǎn)速機(jī)械密封性能試驗(yàn)裝置，該可控型機(jī)械密封系統(tǒng)包括密封系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、端面比壓加載及伺服反饋系統(tǒng)、端面摩擦扭矩和端面比壓測量系統(tǒng)、膜厚測量系統(tǒng)、泄漏測量系統(tǒng)、靜環(huán)溫度測量系統(tǒng)、介質(zhì)溫度及壓力測量系統(tǒng)、試驗(yàn)介質(zhì)加壓及循環(huán)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)；該密封系統(tǒng)設(shè)計功能較為強(qiáng)大，但由于涉及的測試過程復(fù)雜，其控制實(shí)現(xiàn)過程可靠性較差。
[0009]專利200910261020.3提出一種新型流體密封結(jié)構(gòu)改進(jìn)配套裝置用于實(shí)現(xiàn)對密封的泄漏量的控制，其特點(diǎn)是密封件兩端的壓差動態(tài)平衡通過兩端自身壓力做出反饋調(diào)整控制動態(tài)通道的流道大小來完成。
[0010]專利201010130437.9提出一種結(jié)構(gòu)簡單、利用系統(tǒng)介質(zhì)及其壓力差作為控制源的自適應(yīng)控制機(jī)械密封裝置及控制方法，但是該方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且存在對于變化工況時明顯滯后的響應(yīng)弊端，工程實(shí)踐的安全可靠性尚需進(jìn)一步驗(yàn)證。
[0011]專利201110045736.7提出一種可控機(jī)械密封裝置，該思路類似于前述專利201010130437.9，主要由旋轉(zhuǎn)環(huán)、靜止環(huán)、梳齒環(huán)和彈簧座構(gòu)成，靜止環(huán)與梳齒形成梳齒密封，彈簧座處開設(shè)通孔，其原理也是通過調(diào)整進(jìn)出口的壓力平衡來實(shí)現(xiàn)。
[0012]在機(jī)械密封有關(guān)測試及控制申請專利方面，已有的專利均為測試系統(tǒng)和測試方法的研究，主要針對特殊極端工況進(jìn)行，如專利200910144871.X針對核主泵用機(jī)械密封，發(fā)展了其試驗(yàn)測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)可用于模擬核主泵用流體靜壓式、流體動壓式機(jī)械密封試驗(yàn)以及核主泵用流體動、靜壓組合式機(jī)械密封試驗(yàn)。
[0013]本方案提出直接測試密封端面摩擦力和端面溫升的方法，并將其應(yīng)用于密封系統(tǒng)的控制中；在對比及分析動態(tài)測試參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過控制電磁加載裝置的電流變化來實(shí)現(xiàn)對密封的主動控制。本方案不同于已有的任何一種具有控制特點(diǎn)的機(jī)械密封專利，其原理在于通過改變閉合力實(shí)現(xiàn)對機(jī)械密封的控制，采用發(fā)明的一種電磁加載裝置實(shí)現(xiàn)此類控制；發(fā)明涉及機(jī)械密封控制裝置及控制方法，可用于航空航天、石油化工、能源動力等相關(guān)工程領(lǐng)域，在各類泵、壓縮機(jī)、反應(yīng)釜、膨脹機(jī)、分離機(jī)等工程裝備中均可適用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]為了拓展機(jī)械密封的工作范圍和提高密封的壽命及工作可靠性，解決在保證低泄漏的同時，保證密封副的低摩擦和低磨損的主要矛盾，本發(fā)明提出一種基于改變閉合力的可控型機(jī)械密封；解決現(xiàn)有的機(jī)械密封動態(tài)控制響應(yīng)慢、可靠性差的實(shí)際情況；通過引入一種軸向力電磁加載裝置和端面摩擦力矩測試裝置，實(shí)現(xiàn)了對密封的動態(tài)控制。
[0015]本發(fā)明提供的一種基于改變閉合力的可控型機(jī)械密封，包括靜環(huán)座，安裝在靜環(huán)座上的電磁加載裝置，以及設(shè)置在電磁加載裝置上的摩擦力矩傳感器單元和U型撥插。
[0016]上述電磁加載裝置包括有電磁端蓋，該電磁端蓋與靜環(huán)座通過螺釘連接。
[0017]上述摩擦力矩傳感器單元包括底座、懸臂梁、圓柱體端頂；懸臂梁的一端固定設(shè)置有底座另一端設(shè)置有圓柱體端頂；所述底座上設(shè)置有固定螺釘孔、進(jìn)線出線孔、過線卡槽；所述固定螺釘孔設(shè)置于懸臂梁的兩側(cè)，所述過線卡槽位置固定螺釘孔的一側(cè)，并且所述進(jìn)線出線孔設(shè)置在過線卡槽的底面。
[0018]上述U型撥插上設(shè)置有用于固定U型撥插的螺釘孔和用于與摩擦力矩傳感器單元配合的弧型槽。
[0019]上述摩擦力矩傳感器單元通過兩個M5 X0.5的螺釘固定在電磁加載裝置。
[0020]上述的基于改變閉合力的可控型機(jī)械密封，還包括輔助參數(shù)監(jiān)測單元:安裝在密封靜環(huán)表面的位移傳感器；距離密封靜環(huán)表面I?2_位置的溫度傳感器；安裝在密封靜環(huán)上與密封動環(huán)密封壩相對應(yīng)位置處的壓力傳感器；以及用于測量電磁加載裝置電流信息的電流傳感器和用于測量泄漏量的流量計。
[0021]上述位移傳感器是3個，用于監(jiān)測密封靜環(huán)與密封動環(huán)之間的縫隙；所述溫度傳感器是2個，用于監(jiān)測可端面溫度；所述壓力傳感器也是2個用于監(jiān)測密封靜環(huán)與密封動環(huán)密封壩處的壓力。
[0022]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明提供的這種基于改變閉合力的可控型機(jī)械密封不同于已有的任何一種可控型機(jī)械密封專利，其原理在于通過改變閉合力實(shí)現(xiàn)對機(jī)械密封的控制，以一種電磁加載裝置實(shí)現(xiàn)對控制的實(shí)現(xiàn)；本方案提出了直接測試密封端面摩擦力和端面溫升的方法，并將其應(yīng)用于可控型機(jī)械密封裝置中；通過控制電磁加載裝置的電流變化來實(shí)現(xiàn)對密封的主動控制。發(fā)明涉及機(jī)械密封控制裝置及控制方法，可用于航空航天、石油化工、能源動力等相關(guān)工程領(lǐng)域，在各類泵、壓縮機(jī)、反應(yīng)釜、膨脹機(jī)、分離機(jī)等工程裝備中均可適用。
[0023]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]圖2是可控型機(jī)械密封的控制原理圖；
[0026]圖3是可控型機(jī)械密封監(jiān)測及反饋控制流程；
[0027]圖4是可控型機(jī)械密封裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖5是開槽動環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖6是電磁動態(tài)加載裝置標(biāo)定示意圖；
[0030]圖7是傳感器安裝位置示意圖；
[0031]圖8是摩擦力矩的傳感器單元結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032]圖9是U型撥叉結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033]圖中:1、旋轉(zhuǎn)軸；2、靜環(huán)座；3、彈簧；4、輔助密封圈；5、密封靜環(huán)；6、密封動環(huán)；7、鎖緊螺母；8、壓力傳感器；9、溫度傳感器；10、振動傳感器；11、電磁端蓋；12、摩擦力矩傳感器單元；13、電磁加載裝置；14、標(biāo)準(zhǔn)力傳感器；15、手動調(diào)節(jié)間隙螺桿；16、法蘭盤；17、U型撥叉；18、底座；19、懸臂梁；20、圓柱體端頂；21、固定螺釘孔；22、進(jìn)線出線孔；23、過線卡槽；24、螺釘孔；25、弧型槽。

【具體實(shí)施方式】
[0034]為進(jìn)一步闡述本發(fā)明達(dá)成預(yù)定目的所采取的技術(shù)手段及功效，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】、結(jié)構(gòu)特征及其功效，詳細(xì)說明如下。
[0035]實(shí)施例1:
[0036]為了拓展機(jī)械密封的工作范圍和提高密封的壽命及工作可靠性，解決在保證低泄漏的同時，保證密封副的低摩擦和低磨損的主要矛盾，本發(fā)明提出一種基于改變閉合力的可控型機(jī)械密封，(可控型機(jī)械密封根據(jù)被控量進(jìn)行分類，可分為以下兩種:一種是通過調(diào)節(jié)開啟力來控制密封工作情況，另一種是通過調(diào)節(jié)閉合力來控制密封工作情況。根據(jù)機(jī)械密封的控制方式進(jìn)行分類，又可分為開環(huán)和閉環(huán)兩種；最早出現(xiàn)的可控型機(jī)械密封都是通過開環(huán)控制系統(tǒng)來調(diào)節(jié)閉合力的。)包括靜環(huán)座2，安裝在靜環(huán)座2上的電磁加載裝置13，以及設(shè)置在電磁加載裝置13上的摩擦力矩傳感器單元12 (如圖8所示)和U型撥插17 (如圖9所示)。
[0037]上述電磁加載裝置13包括電磁端蓋11，該電磁端蓋11與靜環(huán)座2通過螺釘連接；所述電磁端蓋11上設(shè)置有環(huán)狀線圈槽，該環(huán)狀線圈槽內(nèi)設(shè)置有可通過電流的導(dǎo)線圈；所述導(dǎo)線圈的內(nèi)側(cè)還設(shè)置有電磁鐵芯。
[0038]上述摩擦力矩傳感器單元12包括懸臂梁19，懸臂梁19的一端固定設(shè)置有底座18另一端設(shè)置有圓柱體的端頂20 ;所述底座18上設(shè)置有固定螺釘孔21、進(jìn)線出線孔22、過線卡槽23 ;所述固定螺釘孔21設(shè)置于懸臂梁的兩側(cè)，所述過線卡槽23位置固定螺釘孔21的一側(cè)，并且所述進(jìn)線出線孔22設(shè)置在過線卡槽23的底面。
[0039]上述U型撥插17上設(shè)置有用于固定U型撥插17的螺釘孔24和用于與摩擦力矩傳感器單元12配合的弧型槽25 ;所述摩擦力矩傳感器單元12通過兩個M5 X 0.5的螺釘固定在電磁加載裝置13上。
[0040]為了采集上述基于改變閉合力的可控型機(jī)械密封的靜環(huán)振動信息、端面溫升、泄漏量、摩擦力等信息，用以分析是否對密封進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)電磁加載裝置電流值以及處理多傳感器信息；該基于改變閉合力的可控型機(jī)械密封還包括輔助參數(shù)監(jiān)測單元:安裝在密封靜環(huán)5表面的位移傳感器10 ;距離密封靜環(huán)表面I?2mm位置的溫度傳感器9 ;安裝在密封靜環(huán)5上與密封動環(huán)6密封壩相對應(yīng)位置處的壓力傳感器8 ;以及用于測量電磁加載裝置13電流信息的電流傳感器和用于測量泄漏量的流量計。
[0041]如圖7所示，上述位移傳感器10是3個，用于監(jiān)測密封靜環(huán)5與密封動環(huán)6之間的縫隙；所述溫度傳感器9是2個，用于監(jiān)測可端面溫度；所述壓力傳感器8也是2個用于監(jiān)測密封靜環(huán)5與密封動環(huán)6密封壩處的壓力。
[0042]實(shí)施例2:
[0043]本方案提出的密封控制的技術(shù)方案為通過改變密封動態(tài)補(bǔ)償力來調(diào)節(jié)密封閉合力實(shí)現(xiàn)對密封的閉環(huán)控制。附圖1給出了一個機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)示意圖。動態(tài)補(bǔ)償力通過加載在端蓋部分的軸向電磁加載裝置13來供給實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。
[0044]采用電磁加載裝置13后，機(jī)械密封的閉合力由三部分組成為，即彈簧補(bǔ)償單元Fs、密封間隙流體引起的流體靜動壓載荷Fd和電磁加載裝置13提供的電磁力F-
[0045]Fc = Fd+Fs+Fe (I)
[0046]對可控式密封在運(yùn)行中的狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測及對比后，通過改變電磁力的大小實(shí)現(xiàn)對密封狀態(tài)的控制。
[0047]首先是基于以下幾個原則的:
[0048](I)盡可能通過位移傳感器10 (即振動傳感器)信號直接反映密封流體膜的厚度，以間接反映潤滑狀態(tài)的溫升、泄漏量等信號為補(bǔ)充；
[0049](2)要求可控機(jī)械密封工作在一定的平衡點(diǎn)位置，通過反饋調(diào)節(jié)使得密封可繞平衡位置變化；平衡點(diǎn)位置需滿足密封的泄漏量滿足設(shè)計目標(biāo)要求，并保證密封為非接觸機(jī)械密封。
[0050](3)密封系統(tǒng)識別，主要通過試驗(yàn)來確定密封分析模型；理論模型作為補(bǔ)充；
[0051](4)采用連續(xù)雙π控制器實(shí)現(xiàn)對密封間隙的控制。
[0052]為此，附圖2給出了一類新的動靜結(jié)合型機(jī)械密封主動反饋控制實(shí)現(xiàn)的流程圖。
[0053]由附圖2可見，提出的改變密封動態(tài)補(bǔ)償力實(shí)現(xiàn)對密封控制的技術(shù)方案特征在于:
[0054]I)以電磁加載裝置提供的電磁力作為可控型機(jī)械密封的動態(tài)補(bǔ)償力。
[0055]2)反饋信號為多傳感器信息融合的反饋信號。
[0056]3)可控型機(jī)械密封控制系統(tǒng)包含一個多傳感器信息融合處理系統(tǒng)和一個控制算法及硬件系統(tǒng)。
[0057]4)可控型機(jī)械密封系統(tǒng)包含一個機(jī)械密封性能計算分析軟件，用于對初始狀態(tài)的密封性能及運(yùn)行過程密封性能的預(yù)測。
[0058]5)可控型機(jī)械密封設(shè)計并設(shè)置了一個滿足泄漏量要求和非接觸狀態(tài)要求的靜態(tài)平衡位置。
[0059]6)可控型機(jī)械密封動態(tài)控制過程通過調(diào)節(jié)電磁加載裝置的電流大小來實(shí)現(xiàn)。
[0060]7)采用連續(xù)雙控制器實(shí)現(xiàn)對控制量(密封閾值)的控制。
[0061]參照附圖2，多傳感器信息融合的作為反饋控制參數(shù)的密封閥值K，是一個反映機(jī)械密封運(yùn)行狀態(tài)的參數(shù)，它將包含大多數(shù)被測試密封狀態(tài)參數(shù)；與現(xiàn)有的密封可控參數(shù)，如溫度、泄漏量等作為反饋參數(shù)不同，該閥值的定義將以靜環(huán)軸向位移反映出的密封間隙h為主；以密封副摩擦力f和端面溫升T、泄漏量Q為重要輔助補(bǔ)充參量，據(jù)此定義的密封閥值K如下:
(h \( f.T () '
「00621 [=α.丄 +(I^a)-丸丄互
LUUDZJ *■**!J */ψ,φ
/KkJ I is J(2)
[0063]其中，hi為實(shí)際測量的密封間隙，fi為實(shí)際測量的摩擦力，Ti為實(shí)際測量的端面溫升，Qi為實(shí)際測量的泄漏量，h*為可控型密封設(shè)定的密封間隙，f*為設(shè)定的摩擦力，T*為設(shè)定的端面溫升，Q*為設(shè)定的泄漏量，α為控制量的敏感性參數(shù)。對于控制策略，采用連續(xù)雙π控制器實(shí)現(xiàn)對控制量的控制。
[0064]本方案提出的基于電磁加載裝置的機(jī)械密封動態(tài)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)的流程如圖3所示，該流程圖包含了一個機(jī)械密封性能計算分析軟件，用于對初始狀態(tài)的密封性能及運(yùn)行過程密封性能的預(yù)測。
[0065]對于此可控型密封來說，一個確定另外一個重要的附加參數(shù)，即密封可控型參數(shù)C。對于改變電磁加載裝置電流I引起密封閉合力變化，進(jìn)而控制密封間隙h的可控性過程，可控型參數(shù)將被定義為:
_ (Ihi dK
Γ00661 w = —1 *
,Π ,JfV.Al
iJLi Cl 1\ Cl I(、)
[0067]其中，Clhi為間隙的變化率，dl為電流的變化率，dK為密封閾值的變化率。
[0068]對在已經(jīng)定義機(jī)械密封靜態(tài)平衡位置的情況下，
P — dh, _ cfJi dK — K \ dK 產(chǎn) dK
[0069]= --=-- --- = --.--- — O *---
dl dK dl { a dldl/?Χ
v J(4)
[0070]Cf為可控型密封的設(shè)定可控型參數(shù)。
[0071]由此，一個可控型機(jī)械密封的控制策略均被給出。
[0072]實(shí)施例3:
[0073]附圖1給出了機(jī)械密封結(jié)構(gòu)示意圖，附圖4給出了含有一種電磁加載裝置的可控型機(jī)械密封裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0074]如前所述，先前大多數(shù)密封裝置的閉合力由密封間隙內(nèi)流體動靜壓Fd和彈簧力Fs組成，在密封運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，無法實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)，只能通過在停機(jī)狀態(tài)下，通過更換彈簧的數(shù)量來實(shí)現(xiàn)。為此引入一種電磁加載閉合力調(diào)控裝置，可以實(shí)現(xiàn)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中對密封閉合力的實(shí)時調(diào)節(jié)，從而更有效地研究軸向載荷對密封性能的影響及密封的可控性。
[0075]已有的絕大多數(shù)機(jī)械密封及其裝置系統(tǒng)中對密封功耗的測試包括了電機(jī)、輔助支撐軸承和密封三部分，不能準(zhǔn)確地測出實(shí)際密封副的摩擦功耗。本方案提出的機(jī)械密封裝置及系統(tǒng)，作為反饋信號的摩擦功耗測試量裝置及測試系統(tǒng)，不僅可以準(zhǔn)確地測出密封副的摩擦力矩，并由此得到端面密封配副的摩擦功耗，同時也可以通過摩擦力矩的大小來評價密封膜是否形成以及密封是否失效等。如此以測試得到的摩擦力矩作為反饋信號，根據(jù)其值大小來調(diào)節(jié)閉合力(增加或減小電磁加載裝置的電流)，以達(dá)到控制密封動態(tài)行為的目的，將建立可靠的可控式密封系統(tǒng)。
[0076]可控型機(jī)械密封由端面開槽密封動環(huán)6 (端面開螺旋槽結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示)、密封靜環(huán)5、輔助密封裝置(鋪助密封圈4)、固定螺母、密封腔體、電磁加載裝置13、摩擦力矩傳感器單元12、彈簧補(bǔ)償單元(8根彈簧3)組成。開槽密封動環(huán)與靜環(huán)形成動摩擦副，結(jié)合附圖4，提出的一種基于改變閉合力的可控型機(jī)械密封裝置組成部分的連接關(guān)系及其特征在于:
[0077]I)可控型機(jī)械密封由端面開槽密封動環(huán)6、密封靜環(huán)5、輔助密封裝置、鎖緊螺母7、密封腔體、電磁加載裝置13、摩擦力矩傳感器單元12、彈簧補(bǔ)償單元3組成。
[0078]2)機(jī)械密封系統(tǒng)與電磁加載裝置13的連接方式為:
[0079]a)將電磁端蓋11與靜環(huán)座2用螺釘連接，使得摩擦力直接傳遞到處在密封腔體外部的電磁端蓋11上；
[0080]b)設(shè)計一個U型撥插17，并將其安裝在電磁加載裝置13上；
[0081]c)設(shè)計如圖8所示摩擦力矩傳感器單元12(上貼應(yīng)變片)，將應(yīng)變片貼在懸臂梁的兩側(cè)，可以測量反方向的摩擦力，同時實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。安裝時將磁傳感器的頭部圓柱部分卡入U型撥插17中的弧型槽25，面I和面2緊配合，實(shí)現(xiàn)將電磁端蓋所受到的摩擦力矩傳遞到傳感器單元的功能；
[0082]d)摩擦力矩傳感器單元12另一端通過兩個M5X0.5的螺釘固定在電磁加載裝置13上；電磁加載裝置13與機(jī)械密封靜環(huán)5的內(nèi)圈用螺釘固定成為一體。
[0083]3)密封動環(huán)6為端面開槽結(jié)構(gòu)；開槽螺旋槽結(jié)構(gòu)包括單排或雙排螺旋槽、人字槽、臺階型槽、矩形槽、三角形槽、半圓形槽、直線槽、圓弧槽、橢圓形槽、葉形槽以及由這些槽組合而成的組合結(jié)構(gòu)；開槽方向可以與密封旋轉(zhuǎn)方向相同或相反。
[0084]4)密封靜環(huán)5表面處理，焊接l_3mm厚石墨層或噴涂涂層。
[0085]5)密封彈性補(bǔ)償單元為彈簧3補(bǔ)償，進(jìn)一步可以發(fā)展為柔性波紋管補(bǔ)償。
[0086]6)密封系統(tǒng)適合于內(nèi)裝式、外裝式、內(nèi)流式、外流式、單端面、雙端面、多端面機(jī)械密封。
[0087]7)提出的機(jī)械密封裝置實(shí)現(xiàn)了對端面摩擦力矩和摩擦功耗的測試，并將其引入到控制閾值求解中。
[0088]實(shí)施例4:
[0089]為擴(kuò)展可控型機(jī)械密封的適用范圍，在密封的裝配階段，即給電磁加載裝置13通預(yù)設(shè)電流，保證密封裝置時的閉合力在密封初始階段已經(jīng)包含了電磁力；裝配階段便使密封處在預(yù)定的平衡位置00，并確定此時的平衡位置密封閾值K'由附圖2所示，密封在運(yùn)行過程，依據(jù)測試反饋量，利用公式⑵可以獲得新的平衡位置密封閾值K”對比密封閾值Ki與K%來實(shí)現(xiàn)對密封的動態(tài)控制，定義可控制系數(shù):

YZt-
/%* * I
[0090]P =—
K(5)
[0091]則密封的控制過程描述如下:
[0092]β〈I意味著Ki〈K%表明此時的密封狀態(tài)相對于平衡位置時密封狀態(tài)，密封間隙變大，泄漏量將變大，密封副端面溫升和摩擦力矩降低；因此，此時調(diào)整電磁加載裝置的電流使其增加，這將導(dǎo)致密封閉合力的增加，間隙變小，使得密封回到平衡位置。
[0093]β = I表明密封正處在平衡位置。
[0094]β >1意味著Ki>K%表明此時的密封狀態(tài)相對于平衡位置時密封狀態(tài)，密封間隙變小，泄漏量變小，密封副端面溫升和摩擦力矩增加；因此，此時調(diào)整電磁加載裝置的電流使其減小，這將致使密封閉合力降低，間隙變大，使得密封回到平衡位置。
[0095]綜上，提出的一種基于改變閉合力的可控型機(jī)械密封控制實(shí)現(xiàn)方法其特征在于:
[0096]I)可控型機(jī)械密封的控制過程與設(shè)定的平衡位置直接相關(guān)，通過對比平衡位置閾值參數(shù)進(jìn)行是否控制操作。
[0097]2)在可控型機(jī)械密封的裝配階段，需給電磁加載裝置13通預(yù)設(shè)電流，保證密封裝置時的閉合力在密封初始階段已經(jīng)包含了電磁力。
[0098]3)可控型機(jī)械密封多傳感器信息包括:密封靜環(huán)5振動信息、端面溫升、泄漏量、摩擦力等信息。
[0099]4)可控型機(jī)械密封系統(tǒng)通過采集密封靜環(huán)5的振動信息反映動靜環(huán)之間的密封間隙。
[0100]5)3個電渦流位移傳感器以嵌入式分別安裝在密封靜環(huán)5表面，探頭與表面齊平，用來檢測其與密封動環(huán)6表面之間的間隙，安裝位置分別處于靜環(huán)直徑為
Rm C Rm = Ri+-(R0-Rj) > RpR。分別表不動靜環(huán)的內(nèi)徑和外徑)分布線上，周向均勻分布，

J
兩兩夾角120度，且其中的一個測點(diǎn)位置處于Y軸軸線上。
[0101]6)2個熱電偶溫度傳感器以嵌入式安裝在距離密封靜環(huán)5密封壩表面1-2毫米的位置(直徑方向分布)。
[0102]7)密封壩處壓膜壓力傳感器安裝在密封靜環(huán)5上與密封動6環(huán)密封壩相對應(yīng)的位置，沿直徑方向在密封壩半徑圓周面排列2個。
[0103]8)可控型機(jī)械密封控制對多傳感器信息的融合以靜環(huán)軸向位移反映出的密封間隙為主；以密封副摩擦力和端面溫升、泄漏量為重要輔助補(bǔ)充參量。
[0104]9)可控型機(jī)械密封系統(tǒng)包含一個控制平臺，該平臺用以分析是否對密封進(jìn)行控制、調(diào)節(jié)電磁加載裝置13電流值以及處理多傳感器信息。
[0105]實(shí)施例5:
[0106]上述電磁加載裝置13包括電磁端蓋11，該電磁端蓋11與靜環(huán)座2通過螺釘連接；以及與電磁端蓋11連接的法蘭盤16 (用于標(biāo)定過程)，所述電磁端蓋11上設(shè)置有環(huán)狀線圈槽，該環(huán)狀線圈槽內(nèi)設(shè)置有可通過電流的導(dǎo)線圈；所述導(dǎo)線圈的內(nèi)側(cè)還設(shè)置有電磁鐵芯。
[0107]圖6為電磁動態(tài)加載裝置13標(biāo)定安裝圖，主要是將電磁動態(tài)加載裝置13安裝在標(biāo)定臺上通過調(diào)節(jié)電磁端蓋13與法蘭盤16之間的間隙，并測量電磁力的值實(shí)現(xiàn)對該電磁動態(tài)加載裝置標(biāo)定。
[0108]標(biāo)定臺主要由標(biāo)定臺支架、標(biāo)準(zhǔn)力傳感器14和手動調(diào)節(jié)間隙螺桿15組成，由圖6可知:標(biāo)定臺支架的兩側(cè)設(shè)置有固定支架，電磁動態(tài)加載裝置13通過螺釘固定在標(biāo)定臺的一側(cè)，標(biāo)準(zhǔn)力傳感器14安裝在靠近電磁動態(tài)加載裝置13的一側(cè)，手動調(diào)節(jié)間隙螺桿15沿電磁動態(tài)加載裝置的軸向設(shè)置與并且靠近電磁鐵芯，這樣可以方便通過力傳感器14測量電磁力的值；手動調(diào)節(jié)間隙螺桿15沿電磁動態(tài)加載裝置的軸向相同的方向設(shè)置于標(biāo)定臺的另一側(cè)，并且有部分置于標(biāo)定臺外，方便手動調(diào)節(jié)，該手動調(diào)節(jié)間隙螺桿15可以沿沿電磁動態(tài)加載裝置的軸向延伸或者縮回，從而達(dá)到調(diào)節(jié)電磁端蓋13與法蘭盤16之間的間隙的目的。
[0109]綜上，電磁力的計算公式為
I^ ,
_ ^ -ryO \ r 2 r 2
[0110]Ps=^1Sfi0N I
[0111]式中，δ為電磁端蓋13與法蘭盤16之間的間隙。
[0112]根據(jù)以上的設(shè)計參數(shù)，代入上式，化簡后可得
[0113]Fs =14.82 X16
ljSC 2
d (6)
[0114]本發(fā)明的有益效果是:本方案不同于已有的任何一種可控型機(jī)械密封專利，其原理在于通過改變閉合力的電磁加載裝置13實(shí)現(xiàn)對機(jī)械密封的控制；本方案提出了直接測試密封端面摩擦力和端面溫升的方法，并將其應(yīng)用于可控型機(jī)械密封裝置中；通過控制電磁加載裝置13的電流變化來實(shí)現(xiàn)對密封的主動控制。發(fā)明涉及機(jī)械密封控制裝置及控制方法，可用于航空航天、石油化工、能源動力等相關(guān)工程領(lǐng)域，在各類泵、壓縮機(jī)、反應(yīng)釜、膨脹機(jī)、分離機(jī)等工程裝備中均可適用。
[0115]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實(shí)施方式對本發(fā)明所作的進(jìn)一步詳細(xì)說明，不能認(rèn)定本發(fā)明的具體實(shí)施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于改變閉合力的可控型機(jī)械密封，包括靜環(huán)座(2)，其特征在于:還包括安裝在靜環(huán)座(2)上的電磁加載裝置(13)，以及設(shè)置在電磁加載裝置(13)上的摩擦力矩傳感器單元(12)和U型撥插(17)。
2.如權(quán)利要求1所述的基于改變閉合力的可控型機(jī)械密封，其特征在于:所述電磁加載裝置(13)包括電磁端蓋(11)，該電磁端蓋(11)與靜環(huán)座(2)通過螺釘連接。
3.如權(quán)利要求1所述的基于改變閉合力的可控型機(jī)械密封，其特征在于:所述摩擦力矩傳感器單元(12)包括底座(18)、懸臂梁(19)、圓柱體端頂(20);懸臂梁(19)的一端固定設(shè)置有底座(18)另一端設(shè)置有圓柱體端頂(20);所述底座(18)上設(shè)置有固定螺釘孔(21)、進(jìn)線出線孔(22)、過線卡槽(23);所述固定螺釘孔(21)設(shè)置于懸臂梁的兩側(cè)，所述過線卡槽(23)位置固定螺釘孔(21)的一側(cè)，并且所述進(jìn)線出線孔(22)設(shè)置在過線卡槽(23)的底面。
4.如權(quán)利要求1所述的基于改變閉合力的可控型機(jī)械密封，其特征在于:所述U型撥插(17)上設(shè)置有用于固定U型撥插(17)的螺釘孔(24)和用于與摩擦力矩傳感器單元(12)配合的弧型槽(25)。
5.如權(quán)利要求1所述的基于改變閉合力的可控型機(jī)械密封，其特征在于:所述摩擦力矩傳感器單元(12)通過兩個M5X0.5的螺釘固定在電磁加載裝置(13)。
6.如權(quán)利要求1所述的基于改變閉合力的可控型機(jī)械密封，其特征在于:還包括輔助參數(shù)監(jiān)測單元:安裝在密封靜環(huán)(5)表面的位移傳感器(10);距離密封靜環(huán)(5)密封壩表面I?2mm位置的溫度傳感器(9);安裝在密封靜環(huán)(5)上與密封動環(huán)(6)密封壩相對應(yīng)位置處的壓力傳感器(8);以及用于測量電磁加載裝置(13)電流信息的電流傳感器和用于測量泄漏量的流量計。
7.如權(quán)利要求6所述的基于改變閉合力的可控型機(jī)械密封，其特征在于:所述位移傳感器(10)是3個，用于監(jiān)測密封靜環(huán)(5)與密封動環(huán)(6)之間的縫隙；所述溫度傳感器(9)是2個，用于監(jiān)測可端面溫度；所述壓力傳感器(8)也是2個用于監(jiān)測密封靜環(huán)(5)與密封動環(huán)(6)密封壩處的壓力。
【文檔編號】F16J15/53GK104179975SQ201410349229
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年7月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月22日
【發(fā)明者】張國淵, 趙偉剛, 段清娟, 陳永琴, 胡銳鋒 申請人:西安電子科技大學(xué)