一种压力适应型机械密封装置的制作方法

本发明涉及液体润滑普通机械密封装置设计领域，具体涉及一种压力适应型机械密封装置，特别适用于密封介质压力变化比较剧烈且变化幅值大的旋转设备的轴端用机械密封装置。

背景技术：

在江河、湖泊及海洋等水域环境中，潜航器的压力并不是恒定不变的，每下潜100m，压力就增加1mpa，所以水域环境中水压随潜航器潜深不断变化也是该环境中的一大特点。对于现有的液体密封装置而言，其弹性元件提供的弹力和机械密封的平衡比是固定的，在潜航器的下潜和上浮过程中，随着装备外压的不断变化，机械密封在运行过程中将面临端面比压急剧变化、液膜易破裂和稳定性变差等问题，从而影响机械密封使用的性能和寿命。

目前国内外涉及变压机械密封的专利很少，专利cn201510271206.2(一种闭合力在线可调的气体润滑机械密封装置)存在的缺陷是需要人为调节闭合力，同时由于弹簧弹力的调节范围有限，并不能适合深海的高压环境；专利cn207333716u(一种适用于变压环境的液体机械密封装置)虽然适合用于深海高压环境，但是其结构较为复杂，同时当潜航器上浮时，有部分仍需要人为调控，因此降低了装置的可靠性和变潜深带来的变压响应与适应能力；中国全国船舶标准化技术委员会于1988年专门制定了相关专业标准《船用泵轴的变压力机械密封》，但是该份标准中所涉及的变压力机械密封主要由主密封(单端面、内装、平衡型)和应急密封(填料混合组装压盖型)两部分组成，这里涉及的主密封实际上仍然是普通机械密封，对变压的适应能力是非常有限的，必将面临上述问题而无法避免变压带来的麻烦。此外，在主密封无法避免上述问题产生失效的情况下，应急密封是混合组装压盖型填料密封，在长时间运行状态下无法避免与转轴之间的磨损、径向间隙增大、泄漏上升等问题，因此安全可靠性低。特别是对下潜深度较大的潜航器如潜艇、深潜器，作为普通机械密封的主密封，则必将面临更严重的端面液膜破裂、端面液膜汽化、端面快速磨损等问题，而在运行状态调整填料密封必将带来更大泄漏的潜在威胁，是一种无法适应深潜需求的变压力机械密封，迫切需要改进。

技术实现要素：

针对现有的机械密封结构对海工装备或潜航器在海洋或江河等水域环境下变深潜航适应性较差的问题，本发明提供一种适用于水域环境下变深自适应液体机械密封装置，随着下潜深度的增加，其闭合力实时自动发生相应的变化，从而增加机械密封适应环境的能力，提高机械密封的性能和使用寿命。

因此，针对海洋等水域环境中压力随深度不断变化这一挑战，发明一种通过实时改变机械密封的闭合力，以提高机械密封在水域压力波动环境下的端面液膜稳定性，解决困扰有关海工装备艉轴密封无法适应海洋环境的问题，具有重要的实际意义。

本发明的技术方案是：

一种压力适应型机械密封装置，包括静环2、静环座1、动环16和动环座17；所述动环16固定于动环座17上并随轴旋转，所述静环2安装于静环座1上，所述动环16固定在动环座17上，所述动环座17与转轴固定并随转轴旋转，其特征在于：静环2与静环座1之间设有封闭腔体3；a引压管15下端与密封介质腔相通，左端与m压差开关13相通，右端与n压差开关5相通，b引压管4下端与封闭腔体3相通，左端与m压差开关13相通，右端与n压差开关5相通；e进/排气管14下端与封闭腔体3相通，上端与电磁阀6相通，f进气管8一端与电磁阀6相通，另一端与高压气体相通，g排气管7一端与电磁阀6相通，另一端与大气侧相通；电磁阀6包括j滑块11、k滑块12、左线圈9和右线圈10；m压差开关13连接左线圈9的控制端，左线圈9连接j滑块11，j滑块11开启或封闭f进气管8连通电磁阀6的入口，n压差开关5连接右线圈10的控制端，右线圈10连接k滑块12，k滑块12开启或封闭g排气管7连通电磁阀6的入口，m压差开关13通过控制左线圈9是否通电从而控制电磁阀6的换向，n压差开关5通过控制右线圈10是否通电从而控制电磁阀6的换向。

进一步，所述密封腔内密封介质压力为p2、封闭腔体内的压力p1、密封端面比压pc满足以下关系：为pc＝p1+(b－km)×p2，其中b为平衡系数，km为膜压系数，为了避免密封端面开启失效，同时又要保证密封长寿命的工作，密封端面比压存在下限和上限两个临界值pcmin和pcmax，故密封介质压力p2和封闭腔体内压力p1需要满足条件pcmin≤p1+(b－km)×p2≤pcmax。

本发明的工作原理如下：

本发明提供一种压力适应型机械密封装置，为此引入电磁阀和压差开关，其中m压差开关只有在a引压管内的压力大于b引压管内的压力时才打开，n压差开关只有在b引压管内的压力大于a引压管内的压力时才打开。当机械密封实际工作时(参考文献：顾永泉.机械密封实用技术[m].北京：机械工业出版社，2004)，为确保密封介质压力p2和封闭腔体内压力p1满足条件pcmin≤p1+(b－km)×p2≤pcmax，应依据密封介质压力p2的实际变化，对封闭腔体内压力p1的大小实施在线调控。如果密封介质压力p2大于[(pcmax-p1)/(b－km)]，此时m压差开关打开，n压差开关关闭，电磁阀6的左线圈9通电，右线圈10不通电，此时f进气管与e进/排气管相通，从而使封闭腔体内的压力上升；当密封介质压力p2小于[(pcmin-p1)/(b－km)]，此时m压差开关关闭，n压差开关打开，电磁阀6的右线圈10通电，左线圈9不通电，此时g排气管与e进/排气管相通，从而使封闭腔体内的压力下降；当密封介质压力p2和封闭腔体内的压力p1之间满足关系式pcmin≤p1+(b－km)×p2≤pcmax，此时m压差开关和n压差开关皆关闭，电磁阀6的左线圈9和右线圈10皆不通电，e进/排气管既不与f进气管相通也不与g排气管相通，此时处于平衡状态。

当潜航器下潜时，对应的密封介质压力p2不断增大，当p2大于[(pcmax-p1)/(b－km)]，此时m压差开关打开，n压差开关关闭，电磁阀6的左线圈9通电，右线圈10不通电，f进气管与e进/排气管相通，从而使封闭腔体内的压力上升，密封的闭合力和开启力仍可以处于一个平衡的状态，不容易出现端面打开的情况；当潜航器上浮时，对应于密封介质压力p2不断减小，当密封介质压力p2小于[(pcmin-p1)/(b－km)]，此时m压差开关关闭，n压差开关打开，电磁阀的右线圈10通电，左线圈9不通电，g排气管与e进/排气管相通，从而使封闭腔体内的压力下降，密封的闭合力和开启力仍可以处于一个平衡的状态，不容易出现密封被压死的情况；当潜航器处于某一深度范围，当密封介质压力p2和封闭腔体内的压力p1之间满足关系式pcmin≤p1+(b－km)×p2≤pcmax时，此时m压差开关和n压差开关皆关闭，电磁阀的左线圈9和右线圈10皆不通电，e进/排气管既不与f进气管相通也不与g排气管相通，密封处于平衡状态。

通过电磁阀控制封闭腔体内的压力，可以在一定程度上保持密封处于力平衡状态，从而提高了机械密封端面见液膜膜厚的稳定性，使其膜厚始终保持在一定的数值范围内，在理论上保证机械密封始终具有低泄漏率，提高机械密封装置的系统稳定性、密封性和浮动密封环的追随性。

本发明的优点是：

使机械密封可以实时、自动、连续调节闭合力，可以代替多级密封使用，从而可以节省潜航器中密封所占空间，适用于如水下深潜器这种对配置零部件占用空间要求极高的此类装置或场所。

附图说明

图1为本发明一种压力适应型机械密封装置当密封介质压力p2和封闭腔体内的压力p1之间满足关系式pcmin≤p1+(b－km)×p2≤pcmax时的示意图；

图2为本发明一种压力适应型机械密封装置当密封介质压力p2大于[(pcmax-p1)/(b－km)]时的示意图；

图3为本发明一种压力适应型机械密封装置当密封介质压力p2小于[(pcmin-p1)/(b－km)]时的示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明。

参考图1-3所示，一种压力适应型机械密封装置，包括静环2、静环座1、封闭腔体3、b引压管4、n压差开关5、电磁阀6、g排气管7、f进气管8、m压差开关13、e进/排气管14、a引压管15、动环16和动环座17；所述动环16固定于动环座17上，所述动环座17与转轴固定并随转轴旋转，所述静环2安装于静环座1上，静环2与静环座1之间设有封闭腔体3；a引压管15下端与密封介质腔相通，左端与m压差开关13相通，右端与n压差开关5相通，b引压管4下端与封闭腔体3相通，左端与m压差开关13相通，右端与n压差开关5相通；e进/排气管14下端与封闭腔体3相通，上端与电磁阀6相通，f进气管8一端与电磁阀6相通，另一端与高压气体相通，g排气管7一端与电磁阀6相通，另一端与大气侧相通；电磁阀6包括j滑块11、k滑块12、左线圈9和右线圈10；m压差开关13连接左线圈9的控制端，左线圈9连接j滑块11，j滑块11开启或封闭f进气管8连通电磁阀6的入口，n压差开关5连接右线圈10的控制端，右线圈10连接k滑块12，k滑块12开启或封闭g排气管7连通电磁阀6的入口，m压差开关13通过控制左线圈9是否通电从而控制电磁阀6的换向，n压差开关5通过控制右线圈10是否通电从而控制电磁阀6的换向。

所述密封腔内密封介质压力为p2、封闭腔体内的压力为p1、密封端面比压pc满足以下关系：pc＝p1+(b－km)×p2，其中b为平衡系数，km为膜压系数，为了避免密封端面开启失效，同时又要保证密封长寿命的工作，密封端面比压存在两个临界值pcmin和pcmax，故密封腔内密封介质压力p2和封闭腔体内压力p1需要满足条件pcmin≤p1+(b－km)×p2≤pcmax。

当机械密封实际工作时，如果密封介质压力p2大于[(pcmax-p1)/(b－km)]，如图2所示，此时m压差开关打开，n压差开关关闭，电磁阀6的左线圈9通电，右线圈10不通电，此时f进气管与e进/排气管相通，从而使封闭腔体内的压力上升；当密封介质压力p2小于[(pcmin-p1)/(b－km)]，如图3所示，此时m压差开关关闭，n压差开关打开，电磁阀6的右线圈10通电，左线圈9不通电，此时g排气管与e进/排气管相通，从而使封闭腔体内的压力下降；当密封介质压力p2和封闭腔体内的压力p1之间满足关系式pcmin≤p1+(b－km)×p2≤pcmax，此时压m差开关和n压差开关皆关闭，电磁阀6的左线圈9和右线圈10皆不通电，e进/排气管既不与f进气管相通也不与g排气管相通，此时处于平衡状态。

本说明书所述内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于所陈述的具体形式，本发明的保护范围也包括本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。