一种非接触式机械密封的密封间隙控制系统及控制方法与流程

本发明涉及一种磁力控制的非接触式机械密封的密封间隙控制系统及控制方法，能够实现密封间隙大小的可控性，以保证密封端面稳定流体润滑和零泄漏性能。

背景技术：

随着工业技术的发展，对机械密封的性能要求越来越高，在一些高压、高速、高温等工况下，特别是一些航空航天、核电站、石油化工等领域，要求机械密封实现零泄漏、变形小、寿命长。此外，越来越高的节能环保目标要求，也使得提高机械密封的稳定性和寿命成为机械密封制造领域深受关注和重视的课题。

为了实现机械密封的零泄漏和延长机械密封使用寿命，目前的研究主要是通过密封端面的表面微造型和组合密封实现“非接触”和“零泄漏”，并取得了一定的成效。中国专利CN101701585A、CN2534428Y、CN103527792B等公布了不同结构的上游泵送机械密封环，其泵送能力和动压效应，能够减少泄漏量，降低磨损程度，延长密封副的使用寿命；美国专利US2015345641A1公开了一种组合槽型机械密封，可以有效减少端面摩擦，增加端面润滑并促进端面冷却。但是，以上专利都没有很好解决以下问题：机械密封开机时的瞬间开启能力、停车时的磨损问题，以及运行过程中保持端面非接触的前提条件——具有一定厚度的稳定流体膜问题。

安庆石化供运公司周永生总结了《磁力机械密封设计方法及存在的问题》(机械2004年第31卷第5期)，认为轴径大、轴向空间短、密封介质压力低、转速低这类设备的密封问题，可以选用磁力接触式机械密封。磁力接触式机械密封是利用磁场作用产生足够的引力，使补偿环、非补偿环摩擦贴合面不会因为跳动等原因出现分离；利用橡胶密封圈变形，在轴及补偿环座之间产生足够大的力矩以平衡密封面摩擦力矩，确保补偿环组件与轴的同步转动。与普通接触式机械密封相同，磁力机械密封的摩擦副是整体环，因此，其工作状态稳定，介质泄漏量少，使用周期长。但这种磁场引力只是起到替代密封闭合力或进一步增大闭合力的作用，过多增大闭合力还将加大端面比压，加剧磨损；此外，如果由于安装、跳动等原因，打开了密封端面，这时补偿环与非补偿环的距离增大，磁场引力将迅速减弱，如果没有外力的干预，密封圈运动阻力的作用可能导致密封端面无法重新贴合。中国专利CN202971937U、CN101392837A、CN2101141U公布了不同结构的接触式磁力机械密封装置，其特点是利用磁力保持端面贴合，结构简单，增强了密封可靠性；中国专利CN2497116Y公布了一种改进的接触式磁力密封装置，能使密封面具有更好的抗振动性、抗冲击性和密封追随性；中国专利CN203500461U公布了一种紧顶定位接触式磁力机械密封件，使均衡磁场力替代了机械密封弹簧的不稳定弹力，从而延长了密封部件的使用寿命。从以上专利可知，它们都存在密封力有限、端面磨损严重、摩擦发热量大、寿命短的问题。韩国专利KR20160079568公开了一种磁流体机械密封装置，采用轴上圆周分布永磁铁产生的磁力对磁流体进行控制而达到密封目的，但磁流体易被介质稀释，不能形成稳定密封面且能承受的密封压力有限；美国专利US5267007公开了一种用于防止轴向末端泄漏的磁密封装置，利用铁磁材料产生的磁力吸附磁性颗粒，阻止泄漏，但磁力会随着吸附颗粒的增加减弱，易造成泄漏；美国专利US8474826B2、US2006244221A1公开了一种端面造型的磁力机械密封，磁力只是起到密封闭合力的作用，在端面开设槽型，利用槽的动压效应形成流体膜，达到减小端面摩损的目的，但流体膜在振动或变工况下容易失稳，易造成泄漏或磨损。

综上所述，现有的端面造型非接触式机械密封不能很好的解决开机时的瞬间开启能力和停车时的磨损问题，且密封间隙流体稳定性不足；而磁力接触式机械密封，在安装不精确、振动等原因下，无法控制端面的浮动补偿。可见，国内外现有技术中提出的这些密封都不能有效的解决泄漏、磨损和稳定性问题，密封性能未能达到理想的状态。

技术实现要素：

造成上述密封缺陷的原因是缺乏磁力补偿作用的控制机制，本发明针对这个问题，通过一个磁力控制系统，达到控制非接触机械密封端面间隙大小的目的，同时能够解决开机时的瞬间开启力和停车时的磨损问题，确保非接触机械密封的稳定运行。

本发明所采用的技术方案是：

在非接触式机械密封(即在动环端面开设动压槽，其槽型可以是螺旋线型、圆弧线型、斜线型、T字型、人字型等，槽深为5～10μm，槽数为6～20个)的基础上，动环、静环采用磁性耐磨材料制作；在转轴上安装转矩转速传感器，将获得的转速转换成电信号输入开关装置，以达到开机启动电路控制、停机关闭电路控制；在静环圆周表面上缠绕经防水材料包裹的线圈，并固定于静环上，同时，在静环外侧台阶上安装光纤位移传感器，用来测量动环的轴向位移量并转换成电信号传递给控制电路，控制电路可根据传感器电信号的强弱调整通过线圈的电流大小和方向，从而达到随时控制密封间隙大小的目的，使非接触式机械密封的性能达到比较理想的状态。

具体控制原理是：在绕静环线圈的电磁感应作用下，动环被磁化，产生固定磁极；分如下几种情况：

在密封环开始运转前，线圈通电使动环磁化形成固定磁极的情况下，密封环开始运转的同时，由转速传感器测出转速，转换成电信号输入开关装置，自动开启线圈电流控制电路系统，此时因密封间隙小于1.5μm，控制线圈电流的方向使动、静环产生斥力，加快间隙的形成，减少端面摩擦，提高开启性能。

在密封环开始运转至停止运转的整个过程中，根据光纤位移传感器实时测得的位移大小信号，通过控制电路改变线圈电流的大小和方向，从而使动、静环产生吸力或斥力以补偿闭合力或开启力的不足，可将1.5～5.5μm设定为正常密封间隙大小，在正常密封间隙范围内线圈电流控制电路系统自动停止工作，密封处于自然运行状态；当密封间隙低于1.5μm时，线圈电流的方向将使动、静环产生排斥力，对密封间隙的减小起阻止作用；当密封间隙大于5.5μm时，线圈电流的方向将使动、静环产生吸引力，阻止密封间隙的增大；动环、静环产生吸力或斥力的大小可以通过改变线圈电流的大小而实现。

在密封环减速、密封间隙降至1.5μm时，同样通过动、静环产生斥力而减少端面摩擦，改善停机性能。

在密封环停止转动时，由转速传感器测出转速，转换成电信号输入开关装置，自动关闭线圈电流控制电路系统，使动、静环斥力消失并闭合密封。

本发明的有益效果：

(1)通过线圈电流方向和大小的控制使非接触式机械密封动、静环的开启力或闭合力得到磁力补偿，有效避免或减少不利因素对密封运行质量的影响，将密封间隙控制在比较理想的状态，可使零泄漏非接触式机械密封的优势得到充分发挥。

(2)通过非接触式机械密封动、静环间隙的控制，可大幅减少密封开、停机阶段的端面磨损，有效改善开、停机性能，使密封寿命得到显著延长。

附图说明

图1是本发明的动环端面结构示意图。

图2是本发明的动、静环装配示意图及静环线圈控制电路示意图。

图3是本发明的密封原理示意图。

图4是电路控制器控制流体间隙稳定的系统原理图。

标记说明：1—扭矩转速传感器；2—控制电路；3—压盖；4—防转销；5—静环O形圈；6—静环；7—线圈；8—位移传感器；9—动环；10—动环O形圈；11—传动销；12—推环；13—弹簧；14—弹簧座；15—紧定螺钉；16—传动螺钉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明涉及机械密封为成对的圆柱状耐磨零件，其中动环采用硬磁耐磨材料、静环采用软磁耐磨材料。在动环端面上开设沿旋转中心对称分布的泵送螺旋槽，槽深5～10μm，槽数6～20个；端面微造型可采用电火花、电化学腐蚀、激光加工等工艺加工。

如图2所示，为控制系统与机械密封的装配示意图。静环6上缠绕线圈，动环9的工作面为动静环的相对面，形状为圆环状，动环和静环之间有一层流体间隙h，是由开设的动压型槽产生的。

如图3所示，为密封环的工作原理。动环通过传动销11、推环12、弹簧13、弹簧座14、紧定螺钉15、传动螺钉16固定于轴上，随轴一同旋转，静环通过防转销4固定于外壳上。运行时，动环旋转，转速到达一定范围时，槽产生明显的动压效应，在动环和静环之间产生一层流体间隙膜。

在转轴上安装转矩转速传感器1，将获得转速转换成电信号输入扭矩继电器开关电路，以达到开机启动电路控制，停机关闭电路控制；在静环圆周表面上缠绕经防水材料包裹的线圈7，并固定于静环6上，在设计时增大静环外侧台阶长度，方便安装光纤位移传感器8，并使其满足传感器测量量程，光纤位移传感器8用来测量动环的轴向位移量并转换成电信号传递给控制电路2，控制电路可根据传感器电信号的强弱调整通过线圈的电流大小和方向，从而达到随时控制密封间隙大小的目的，使非接触式机械密封的性能达到比较理想的状态。

如图4所示为本发明控制原理示意图。首先对信号的含义说明如下：

n：转轴转速；

d：通过测量转轴转速，扭矩转速传感器输出的电信号；

r+：稳定运行时流体膜厚度数字信号输入值；

e：通过比较求和算法输出的信号，通常为两个信号的代数和；

I：电路向线圈输入的电流；

I’：动环位移过程中，静环线圈切割磁感线产生的电流；

B：静环线圈产生的磁场强度；

S：动环的偏移距离；

b：通过测量动环位移量，光纤位移传感器输出的电信号；

b-：输入比较求和算法的位移反馈电路数字信号；

CP：比较求和运算算法；

具体控制过程：在绕静环线圈的电磁感应作用下，动环9被磁化，产生固定磁极；分为如下几种情况：①在密封环开机前，线圈通电使动环磁化形成固定磁极的情况下，密封环开机运转的同时，由扭矩转速传感器1测出转速，转换成电信号输入扭矩继电器开关电路，自动开启线圈电流控制电路2，此时因密封间隙小于1.5μm，线圈电流的方向将使动、静环产生斥力，加快间隙的形成，减少端面摩擦，提高开启性能。②在密封环停机减速、密封间隙降至1.5μm时，同样通过控制动环、静环产生斥力而减少端面摩擦，改善停机性能。③在密封环停止转动时，由扭矩转速传感器1测出转速为0，转换成电信号输入开关装置，自动关闭线圈电流控制电路系统，使动环、静环斥力消失并闭合密封。④在密封开机至停机的整个过程中，根据光纤位移传感8器实时测得的位移大小信号，通过放大、A/D变换、校正，调节信号质量并转换成数字信号，通过PLC控制器，将位移信号转换成对应的电流信号，再由晶闸管可控整流装置改变线圈电流的大小和方向，从而改变磁场，使动环9、静环6产生吸力或斥力以补偿闭合力或开启力的不足。本发明将1.5～5.5μm设定为正常密封间隙大小，具体是将r+设为3.5μm，s反馈为±2μm。在正常密封间隙范围内线圈电流控制电路系统自动停止工作，密封处于自然运行状态；当密封间隙低于1.5μm时(即s小于-2μm)，控制线圈电流的方向，使动环9、静环6产生排斥力，对密封间隙的减小起阻止作用；当密封间隙大于5.5μm时(即s大于2μm)，控制线圈电流的方向，使动环、静环产生吸引力，阻止密封间隙的增大；其中，动环、静环产生吸力或斥力的大小可以通过改变线圈电流的大小实现。

以上所述，仅仅是对本发明构思的实现形式的列举，并非对本发明作任何形式的限制，本发明的保护范围包括本领域技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段，凡依据本发明对以上实施例作任何的等同变化的更改、修饰和演变等，均属于本发明的保护范围。