一种机械密封预紧力在线调节机构的制作方法

本发明属于泵用轴端密封领域，具体涉及一种机械密封预紧力在线调节机构。

背景技术：

液体润滑机械密封广泛应用于各类液压系统中。机械密封主要包括动环组件和静环组件，动环组件安装在转轴上并与转轴保持相对静止，而静环组件安装在壳体上。由于需要由弹簧或者波纹管等弹性器件提供预紧力并补偿轴向磨损量，动环和静环均由密封圈限定径向位移。根据补偿形式的不同，机械密封又分为动环补偿和静环补偿两种形式。两种形式均依靠预紧力保证静环和动环紧密贴合，转轴与动环同时运动，稳定状态下在端面间隙中形成一定厚度的液体膜，在确保密封性能满足指标要求的前提下，同时减少动、静环间的摩擦扭矩，减缓磨损速率，实现密封结构的高性能与长寿命。而决定密封性能的重要参数是液膜厚度。密封端面中的液膜厚度h通常在0.5～1μm，厚度与密封端面的预紧力、温度、转速、介质等紧密相关。当h较小时，密封端面润滑状况较差，动、静环磨损速率大，会缩短机械密封的使用寿命，而h过大则会带来较大的泄漏量。因此需要确保h在合理的范围内，保证密封性能的同时延长机械密封的使用寿命。在实际应用中，介质、环境温度和转速都是由工况决定的，而动、静环材质一旦确定就无法改变，因此，调节预紧力的大小成为了研究油膜厚度的主要手段。

对于预紧力的调节，通常采用改变调整垫圈数量的方法改变弹簧压缩量，这种离线方法通常用于产品设计阶段，通过比较实验结果，确定统一的压缩量，不适合机械密封的深入研究。对于在线调节方法，公开号为cn104179975a的中国专利申请在2014年7月22日公开了一种基于改变闭合力的可控型机械密封，该申请中利用电磁力实现闭合力的调节，需要精确地控制电磁力；公开号为cn104896104a的中国专利申请在2015年5月25日公开了一种闭合力在线可调的气体润滑机械密封装置，该申请中利用外部供压推动静环实现闭合力的调节，需要保证压力稳定，同时可能存在轴向窜动。从现有的技术中可以看到，现有的机械密封预紧力调节机构都较为复杂，需要外部装置共同作用。

技术实现要素：

本发明针对目前机械密封预紧力调节机构都较为复杂，可靠性不高的问题，提出了一种机械密封预紧力在线调节机构，能够实现对密封端面预紧力的精确调节，适用于采用动环补偿或者静环补偿的机械密封装置。

本发明提供的机械密封预紧力在线调节机构，所应用的机械密封件包括动环组件和静环组件，动环组件固定在传动轴上，静环组件安装在试验腔壳体上。所述的在线调节机构包括：螺旋测微头、限位螺钉、螺旋测微头端帽、支撑壳体、压应力传感器、三脚推环、静环安装套。所述的支撑壳体、三脚推环、试验腔壳体与传动轴同轴。

在支撑壳体的周面上以120度间隔安装3个螺旋测微头，所述的螺旋测微头通过螺纹轴向固定在支撑壳体上，螺旋测微头的端部安装有螺旋测微头端帽，调整螺旋测微头端帽角度，使得螺旋测微头端帽平面与传动轴的轴向垂直；在支撑壳体的周面上对称安装两个限位螺钉，所述的限位螺钉通过螺纹轴向固定在支撑壳体上；所述的支撑壳体安装在试验腔壳体外，通过所述的螺旋测微头调整轴向伸长量。

所述的三脚推环为压应力传感器基座，三脚推环的正面具有三只周向等分的支撑脚，背面开有三处周向等分的安装槽，并开有两个限位孔；所述的压应力传感器固定安装在安装槽中，所述的螺旋测微头端帽放入所述的安装槽中，并与压应力传感器始终保持平面接触；所述的限位螺钉穿过三脚推环的限位孔，以使得三脚推环只能在轴向运动；所述的限位螺钉平行于传动轴的轴向；所述的三脚推环的支撑脚与静环安装套始终保持紧密接触。

所述的静环组件通过静环安装套安装在试验腔壳体上，并与动环组件紧密贴合。

本发明与现有技术相比，具有以下优势：

(1)本发明通过简单的调节机构，实现了机械密封预紧力的在线可调，对机械密封性能和寿命研究有重要作用。相较于其他调节方式，本发明的结构简单可靠，不需要外部的动力装置。传感器采用现有的成熟产品，易于安装的同时精度更高。

(2)本发明中三脚推环是由限位螺钉限定移动的，因此轴向运动过程中不会发生明显偏转，进而保证预紧力均匀分布。同时，对于不同尺寸的机械密封，可通过设计大小匹配的三脚推环实现相同的功能，拆装简单，更换成本低。

(3)本发明针对的是机械密封，三脚推环推动静环安装套轴向运动，调节弹簧压缩量从而调节弹簧预紧力，进而达到静环补偿的目的。动环补偿也可以采样该结构。

(4)本发明通过合理地设计机械结构，将预紧力的调节转化为螺旋测微头的伸长量调节，利用螺旋测微头实现轴向伸长量精确的调整，并利用高精度的压应力传感器实现预紧力的在线检测，在不改变实际工况的前提下，实现预紧力在线调节，简单方便。

附图说明

图1是本发明的密封预紧力调节机构的剖视图；

图2是本发明密封预紧力调节机构中的三脚推环主视图；

图3是本发明密封预紧力调节机构中的三脚推环左剖视图；

图4是本发明密封预紧力调节机构中的三脚推环后视图；

图5是本发明密封预紧力调节机构中的三脚推环上下二等角轴侧视图。

图中：

1-螺旋测微头、2-限位螺钉、3-螺旋测微头端帽、4-支撑壳体、5-压应力传感器、6-三脚推环、7-试验腔壳体、8-安装螺丝、9-密封圈、10-静环安装套、11-静环组件、12-动环组件、13-传动轴、14-限位孔、15-通孔、16-推环支撑脚、17-安装槽。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图对本发明作进一步的详细和深入描述。

本发明针对在机械密封性能的研究中，预紧力的大小对机械密封动、静环中的液膜厚度具有重要影响，直接关系到机械密封的性能和使用寿命。现有的调节方式都较为复杂，可靠性不高，在机械密封装置研究中的应用价值不高。本发明为了解决静环补偿的机械密封预紧力在线调节问题，提出了一种机械密封预紧力在线调节机构。

如图1所示，是本发明的密封预紧力调节机构，包括如下部件：螺旋测微头1、限位螺钉2、螺旋测微头端帽3、支撑壳体4、压应力传感器5、三脚推环6、试验腔壳体7和安装螺丝8；所涉及的部件包括密封圈9、静环安装套10、静环组件11、动环组件12和传动轴13。如图2-5所示，是本发明密封预紧力调节机构中的三脚推环6。三脚推环6包括：限位孔14、通孔15、推环支撑脚16和安装槽17。

如图1所示，支撑壳体4、三脚推环6、试验腔壳体7与传动轴13同轴。在支撑壳体4轴向横截面即周面上以120度间隔安装3个螺旋测微头1，每个螺旋测微头1通过螺纹轴向固定在支撑壳体4上。螺旋测微头1的端部安装螺旋测微头端帽3，调整螺旋测微头端帽3的角度，保证螺旋测微头端帽3平面与传动轴13的轴向垂直。螺旋测微头端帽3放入三脚推环6的安装槽17中。在支撑壳体4轴向横截面上对称安装2个限位螺钉2，每个限位螺钉2以螺纹形式轴向固定在支撑壳体4上。各限位螺钉2穿过三脚推环6的限位孔14，保证三脚推环6只能在轴向运动。

如图2～5所示，三脚推环16为压应力传感器5的基座，三脚推环16的正面具有三只周向等分的支撑脚16，背面开有三处周向等分的安装槽17。压应力传感器5固定安装在三脚推环6的安装槽17中。在每个安装槽17中开有两个通孔15，压应力传感器5由安装螺丝8通过通孔15固定在安装槽17中。调整安装螺丝8保证压应力传感器5端面与传动轴13的轴向垂直。螺旋测微头端帽3放入安装槽17，与压应力传感器5始终保持平面接触。

三脚推环16上对称开有两个限位孔14，限位孔14与限位螺钉2配合。限位螺钉2穿过三脚推环6上开的限位孔14，保证三脚推环6只能在轴向运动。保证三脚推环6只能在轴向运动、螺旋测微头端帽3平面保证垂直于轴向，并与压应力传感器5紧密贴合，都是为了保证压应力的传递始终沿着轴向并且没有其他应力的干扰。

本发明的在线调节机构中，支撑壳体4安装在试验腔壳体7外，推环支撑脚16与静环安装套10始终保持紧密接触，静环组件11由弹簧组件推动并与动环组件12紧密贴合，始终由弹簧提供闭合力。利用支撑壳体4上安装的螺旋测微头1实现轴向伸长量精确的调整，通过调节3个螺旋测微头1达到调节静环预紧力大小的目的。

动环组件12固定安装在传动轴13上，并与传动轴13保持相对静止。静环安装套10套在静环组件11外，二者固定一起。静环安装套10套在试验腔壳体7内，并与试验腔壳体7之间设置有密封圈9进行密封紧固。静环组件11由其内的弹簧组件推动并与动环组件12紧密贴合。

进一步，本发明实施例的压应力传感器5采用标准的高精度微型扁平状拉压应力传感器，可将单向压应力转化为电信号实时输出。压应力传感器5采用现有的成熟产品，易于安装的同时精度更高。

本发明实施例的试验腔壳体7由静环补偿的机械密封实现密封。机械密封常用改变垫圈数量的方式改变静环组件11内的弹簧压缩量，与现有不同的是，本发明利用三脚推环6推动静环安装套10。静环安装套10由密封圈9限定位移，只能在轴向小范围移动，因为辅助密封圈9轴向作用力小，并且预紧力的调节过程缓慢，因此可以忽略辅助密封对轴向应力的影响。

本发明为了保证对静环补偿的密封端面预紧力均匀分布，在调节3个螺旋测微头1时保证三个压应力传感器5输出一致。

为了避免调节预紧力的过程中，密封端面因为压应力过小而导致密封介质泄漏，需设定最低预紧力大小，该数值在实际运行中，通过测量介质泄漏量进行估计。

本发明对轴向平行度要求高，因此在设计和加工零件的时候，需要保证足够的精度，减小因轴向偏离带来的误差。

在安装本发明的机械密封预紧力在线调节机构时，先将支撑壳体4与试验腔壳体7连接，将螺旋测微头1固定后安装螺旋测微头端帽3，拧入限位螺钉2，再将安装好压应力传感器5的三脚推环6穿过限位螺钉2，调节螺旋测微头1伸长量，保证三脚推环6垂直于轴向，最后依次放入静环安装套10、静环组件11和动环组件12，完成试验腔密封端面的组装。

确保试验腔安装完毕并检查无误，导入试验介质，提高试验腔油温和油压至额定值。接通压应力传感器5电源，在线检测压应力传感器5输出，调节三个螺旋测微头1的伸长量，保证三个压应力传感器5的输出一致，并且总应力为期望机械密封预紧力。通过保证三处压应力传感器5输出一致，进而保证机械密封预紧力均匀分布在静环安装套10上，从而保证密封端面闭合力均匀分布。机械密封在运转中的磨损率极小，短时间内因磨损导致的动、静环尺寸变化几乎可以忽略，静环上的预紧弹簧补偿该磨损量，保证动、静环始终紧密贴合。预紧弹簧的压缩量变化将反映到压应力传感器5的输出上，当出现明显压应力变化，或者需要研究预紧力对机械密封性能和寿命的影响时，可以主动调节螺旋测微头1的伸长量，进而改变预紧力。由于机械密封的密封性能和预紧力紧密相关，因此预紧力调节过程中，需保证压应力大于允许最小闭合力，即保证最低密封性能要求，以免密封介质泄漏，造成安全隐患。

本发明针对机械密封中的预紧力调节问题，通过合理地设计机械结构，将预紧力的调节转化为螺旋测微头1的伸长量调节，并利用高精度的压应力传感器5实现预紧力的在线检测，在不改变实际工况的前提下，实现预紧力在线调节。

以上内容对本发明的设计原理、机械结构、实现功能和技术特点进行了详细说明。上述示范性示例不代表本发明的权利范围，不应将本示例及附图视为权利要求的限制范围。本发明具体权利要求参阅权利要求书。