CN102183327B - 机械密封端面摩擦扭矩测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种械密封端面摩擦扭矩测量方法，即直接在静环上设置传感器，并利用稳定工作状态下静环所受的总扭矩为零的力矩平衡原理，将传感器所测的各阻力矩之和表示为端面摩擦扭矩。对于具有单独静环的机械密封，其静环所受的端面摩擦扭矩可以用测得的静环密封用O形圈所受静环座的摩擦阻力矩和荷重传感器的阻力矩来表征。对于带有波纹管静环的机械密封，其静环所受的端面摩擦扭矩可用磁栅位移传感器测得的波纹管偏转角乘以产生单位扭角所需的扭矩即扭转刚度来求取。该方法简便、实用，有效地解决了现有机械密封端面摩擦扭矩测量精度低、可靠度差等问题，为开展现场装置中机械密封端面摩擦状况监控提供了可能。

Description

机械密封端面摩擦扭矩测量方法

技术领域

本发明属于机械密封技术领域，特别是涉及一种用于机械密封状态参数现场监控或考核系统的端面摩擦扭矩测量技术。

背景技术

机械密封作为动力输入轴与被密封设备壳体之间的有效密封元件，广泛应用于化工、石油化工、电力、交通运输等领域。机械密封动环与动力输入轴或轴套保持相对静止，静环与静环座保持相对静止，分别用O形圈实现彼此之间的密封；动、静环之间依靠弹性元件的弹力和被密封介质压力的轴向分力，形成一定的端面比载荷而实现密封。动、静环端面间存在相对滑动，存在摩擦磨损。动、静环之间端面摩擦扭矩的大小反映了机械密封运转时的摩擦功耗、摩擦发热量、端面温度以及端面磨损速率等工作参数，影响着机械密封性能。端面摩擦扭矩的准确测定，有利于了解机械密封工作状况，有利于进一步开展机械密封控制系统设计，提高整套机器设备运行的可靠性。

长期以来，机械密封端面摩擦扭矩测量方法的研究一直为人们所关注，并取得了一定的进展。但由于受各种因素的影响和条件限制，至今还未见有对机械密封实际运行时的端面摩擦扭矩进行测量的理想或成熟的方法。

目前公知的密封端面摩擦扭矩的测量方法有三种：在转动密封腔上安装扭矩传感器，在电机与动力输入轴之间安装扭矩传感器，以及在静环座与静环之间安装扭矩传感器测量。

Mayer(机械密封.北京：化工出版社，1981)提出的在转动密封腔上安装扭矩传感器测量密封端面摩擦扭矩的方法，是利用一组轴承1-7将由动环1-5、静环1-6、可换连接轴1-4和杯形端盖1-14组成的密封腔支撑起来，当皮带轮1-1带动动力输入轴1-2旋转时，带动安装在与动力输入轴相连的可换联接轴上的动环转动，动环通过摩擦作用带动安装在杯形端盖上的静环产生转动趋势，连接在密封腔上的扭矩仪摆臂作用于荷重传感器，将端面摩擦扭矩之力变成电信号，引入相应的仪表而测量的。图1为在转动密封腔上安装扭矩传感器测量密封端面摩擦扭矩的示意图。这种方法需要将密封腔支承起来，而密封腔中不同介质压力引起的轴承摩擦力差异对测试精度影响颇大。

Silvaggio(Silvaggo J A，Lipski M J，and Van Bramer K G.Successful Field Operation throughSeal Development and Testing.Lubrication Engineering，1987，43(6)：433-439)等提出在电机与动力输入轴之间安装扭矩传感器，将测得的信号输入到计算机，测得动力输入轴扭矩，再将所测得的动力输入轴扭矩减去主轴承的摩擦阻力矩和机械密封旋转部件在介质中产生的搅拌扭矩，便可求得机械密封端面摩擦扭矩。这种测量方法简便、直接。然而，工作过程中密封腔内介质的压力变化会产生不同的轴向载荷，而不同轴向载荷下主轴承的摩擦阻力矩是不同的；机械密封旋转部件的搅拌扭矩随密封介质的压力不同也是不同的；目前主轴承的摩擦阻力矩和机械密封旋转部件在不同压力的密封介质中的搅拌扭矩还无法直接测量，通常用空载下的主轴承的摩擦阻力矩和密封介质处于常压下的搅拌扭矩来代替，这些均给端面摩擦扭矩的测量精度带来很大的影响；特别是在现场装置上，装有机械密封动环的动力输入轴带动的工作元件是叶轮，叶轮对介质做功所消耗的扭矩比密封端面摩擦扭矩大得多，串联安装于动力输入轴和电机之间的扭矩传感器的量程较大，这使得微小的端面摩擦扭矩信号的提取变得十分困难，甚至很容易被干扰所淹没。因而这种方法不适合用于对现场装置上机械密封端面摩擦扭矩的测控。

孙见君(机械密封可控性研究及其工程应用问题的探讨.机械工程学报，2005，41(2)：15-19)等提出的在静环座与静环之间安装扭矩传感器测量密封端面摩擦扭矩的方法，就是将小量程大直径筒形扭矩传感器串联在静环座与静环之间，通过动环旋转带动静环偏转所产生的摩擦扭矩由扭矩传感器的阻力扭矩平衡，来测得机械密封端面摩擦扭矩。这种方法的优点是传感器结构简单、安装方便，特别是省去了静环与静环座之间O形圈的摩擦阻力矩对测量的影响，但小量程大直径筒形扭矩传感器的设计制造存在困难，一值未能获得有效的突破。对于带有波纹管静环的机械密封，端面摩擦扭矩可以采用专利号ZL 200610039084.5“多参数可测控高转速机械密封性能试验装置”中的方法测量，该方法所述的测量系统由静环座、导向筒、角位移传动扇形齿片、角位移传感器及小齿轮组成；导向筒一端与静环托环内孔螺纹紧密连接，导向筒的另一端活套在静环座压盖内孔中并通过轴套伸出到密封腔外部。通过角位移传感器测量伸出密封腔外部的导向筒的偏移，可以测量机械密封在工作前后弹性元件扭转角度的变化，再根据弹性元件刚度计算出端面摩擦扭矩。这种测量方法可以使静环的角位移无损失地传递给导向筒，至扇形齿片，至小齿轮，再至角位移传感器，避免了附加扭矩对测量值的干扰。但存在于扇形齿片和小齿轮之间的传动误差严重影响着测量精度。

发明内容

本发明是为解决现有机械密封端面摩擦扭矩测量精度低、可靠度差，小量程大直径筒形扭矩传感器制造困难，以及无法开展现场装置中端面密封摩擦状况监控等问题，而提出一种机械密封端面摩擦扭矩测量方法。

本发明的技术方案是根据工作状态下静环所受的端面摩擦扭矩与阻力矩平衡的原理来设计的，其特征是，直接在静环上设置传感器，将在静环上设置的传感器所测的各阻力矩之和表示为端面摩擦扭矩M_m。常用机械密封的静环结构分为单独静环和带波纹管的静环两种。

对于具有单独静环的机械密封，其端面摩擦扭矩测量系统由动力输入轴或轴套、机械密封、荷重传感器、荷重传感器支持架、端面轴承、端面轴承座和密封腔端盖组成。机械密封包括带传动套的动环座、弹性元件、动环密封用O形圈、动环、静环、静环密封用O形圈。动力输入轴或轴套将动力传递给密封腔内的工作部件，同时支承和带动动环座(动环座与动力输入轴或轴套采用紧定螺钉固定，或者采用螺纹连接)随动力输入轴转动；动环座通过传动套将动力输入轴的转动传递给动环，并支承弹性元件，使弹性元件推动动环紧贴于静环密封面上；静环密封面的背面端部由摩擦系数很小的端面轴承支承，以有效降低静环密封面的背面端部支承处摩擦力对密封端面摩擦扭矩测量的影响；端面轴承的另一端面支承在与荷重传感器支持架采用螺纹连接的端面轴承座上，用以平衡介质压力和弹性元件对机械密封产生的轴向载荷。荷重传感器支持架内嵌于密封腔端盖的内孔中，用螺栓固定；荷重传感器支持架的端部轴对称设有2个外凸的支耳，承插于静环密封面背面的防转销孔内；每个支耳上安装一个荷重传感器，其测力点沿切向布置在静环的防转销孔的侧面。密封腔端盖内孔与静环外圆面之间的配合设计成静环可沿密封腔端盖内孔滑动的间隙配合，静环的外圆面上开设有安装实现静环和密封腔端盖之间密封的O形圈的槽；安装在槽内的O形圈与密封腔端盖内孔之间的摩擦力不因介质压力的变化而变化。工作过程中，由于动、静环之间的端面摩擦扭矩M_m的作用，静环具有跟随动环发生转动的趋势，这一趋势被静环密封用O形圈所受密封腔端盖内孔的摩擦阻力矩M_f以及防转销孔侧面处安装的荷重传感器产生的阻力矩M_1s所平衡，即M_m＝M_f+M_1s。其中，O形圈与静环座内孔之间的摩擦阻力矩M_f，可以在密封腔未加载工作介质之前通过设置在静环的2个防转销孔侧面的荷重传感器预先测定；工作状态下防转销孔侧面处安装的荷重传感器产生的阻力矩M_s由传感器测得的静环周边的切向力的当量值乘以2个荷重传感器测力点之间的距离(即力臂)而获得。作用于静环防转销孔侧面上的荷重传感器的2个测力点的间距(即力臂)可预先标定。

对于带有波纹管静环的机械密封，其端面摩擦扭矩测量系统由动力输入轴或轴套、机械密封、磁栅位移传感器(测量探头、磁栅)和密封腔端盖组成。机械密封包括动环座、动环、动环密封用O形圈、静环、波纹管和静环座。磁栅位移传感器的测量探头沿周向安装在密封腔体上，磁栅粘贴在静环上。动力输入轴或轴套将动力传递给密封腔内的工作部件，同时支承和带动动环座(动环座与动力输入轴或轴套采用紧定螺钉固定，或者采用螺纹连接)及动环随动力输入轴转动；动环密封面贴紧于静环，压缩焊接在静环和静环座之间的波纹管，使动环与静环的接触端面上形成一定的端面比载荷；静环座由密封腔端盖支承。工作过程中，受动、静环之间端面摩擦扭矩M_m的影响，静环发生一定的周向偏转，并在波纹管阻力矩作用下稳定在某一偏转角(扭角)上。此时，端面摩擦扭矩等于静环随波纹管偏转这一角度所具有的阻力矩M_ds，即M_m＝M_ds。静环发生一定的周向偏转后波纹管所具有的阻力矩，用静环周向产生的偏转角乘以产生单位扭角所需的扭矩即扭转刚度来求取。静环周向产生的偏转角可以用安装在密封腔壳体和静环上的磁栅位移传感器测得的静环偏离原有位置的弧长和半径比来表征。波纹管产生单位扭角所需的扭矩需预先标定。

本发明的有益效果

(1)能实现机械密封端面摩擦扭矩的精确测量。无论是在静环密封面背面的防转销孔侧面沿周向轴对称加装2只荷重传感器，测量动、静环密封面之间的摩擦力，再乘以力臂(2个传感器测力点之间的距离)获取端面摩擦扭矩的方法，还是通过在静环和静环座之间加装磁栅位移传感器测量扭转状态下静环外径处偏转位移获取动、静环端面间摩擦扭矩的方法，都避开了轴承摩擦阻力矩、搅拌扭矩的影响以及被密封设备动力输入轴上做功零件的扭矩对传感器的大量程要求，保证了测量精度。

(2)由于本发明中所设计的两种方案，都是利用传感器直接提取端面摩擦扭矩的力信号或偏转位移信号，避免了传导零件之间的信号传递误差，因而提高了扭矩测量的可靠性。

(3)为实现对现场生产装置中机械密封端面摩擦工况的监控提供了条件。

附图说明

图1是在转动密封腔上安装扭矩传感器测量密封端面摩擦扭矩的示意图。

1-1皮带轮；1-2动力输入轴；1-3承受轴向力的止推轴承；1-4可换联接轴；1-5被测机械密封动环；1-6被测机械密封静环；1-7轴承；1-8冷却液路；1-9扭矩仪摆臂；1-10可换的扭矩测量杆；1-11液体进入口；1-12流体排出口；1-13支架；1-14杯形端盖。

图2是针对具有单独静环的机械密封而设计的端面摩擦扭矩测量方法示意图。

2-1端面轴承座；2-2荷重传感器支持架；2-3线槽；2-4螺栓；2-5密封腔端盖；2-6端面轴承；2-7荷重传感器；2-8静环密封用O形圈；2-9静环；2-10动环；2-11弹性元件；2-12轴套；2-13带传动套的动环座；2-14密封腔壳体；2-15动力输入轴；2-16动力输入轴与轴套之间密封用O形圈；2-17动环密封用O形圈；2-18荷重传感器引出线。

图3是布置在荷重传感器支持架上的2个荷重传感器与静环接触状态下的A-A剖视图。

3-1荷重传感器支持架；3-2传感器引出线；3-3荷重传感器；3-4防转销孔；3-5静环；3-6静环密封用O形圈的横截面。

图4是具有单独静环的机械密封的端面摩擦扭矩测量原理图。

M_m动、静环之间端面摩擦扭矩；M_f静环密封用O形圈所受静环座的摩擦阻力矩；M_1s荷重传感器产生的阻力矩。

图5是荷重传感器支持架的三维结构图。

5-1荷重传感器支持架基体；5-2线槽；5-3支耳；5-4荷重传感器安装孔。

图6是针对带有波纹管静环的机械密封而设计的端面摩擦扭矩测量方法示意图。

6-1密封腔端盖；6-2静环密封用O形圈；6-3静环座；6-4波纹管；6-5静环；6-6信号引出线；6-7测量探头；6-8磁栅；6-9动环；6-10密封腔体；6-11动环密封用O形圈；6-12轴套；6-13动力输入轴；6-14轴套与动力输入轴之间密封用O形圈。

图7是磁位移传感器布置在密封腔壳体和静环上的B-B剖视图。

7-1测量探头；7-2传感器引出线；7-3磁栅；7-4密封腔壳体；7-5静环。

图8是带有波纹管静环的机械密封的端面摩擦扭矩测量原理图。

M_m动、静环之间端面摩擦扭矩；M_ds磁栅位移传感器测得的静环随波纹管偏转一定角度所具有的阻力矩。

具体实施方式

为进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

实施例一：图2是针对具有单独静环的机械密封而设计的端面摩擦扭矩测量方法示意图。先将端面轴承2-6放入荷重传感器支持架2-2，再把端面轴承座2-1旋入荷重传感器支持架2-2的内螺纹中，使端面轴承2-6紧贴在荷重传感器支持架2-2右端；在荷重传感器支持架2-2右端设计的2个支耳上分别嵌入荷重传感器2-7，测力点朝外，并将荷重传感器2-7的引出线2-18从线槽2-3中引出。将装有荷重传感器2-7的支持架2-2放入到密封腔端盖2-5中，用螺栓2-4连接于密封腔端盖2-5；再将外径处带有O形圈2-8的静环2-9从密封腔端盖2-5的右端口推入，并使静环2-9的2个防转销孔跨过荷重传感器2-7；静环2-9的左端面支承在端面轴承2-6上，每个防转销孔的一个侧面紧贴在对应的一个荷重传感器2-7的测力点上，形成一个具有测量端面摩擦扭矩能力的密封腔端盖组合件。将这一密封腔端盖组合件穿轴装入密封腔，使静环2-9密封面与前期安装在轴套2-12(轴套与动力输入轴螺纹连接)上的动环2-10的密封面紧贴；当动力输入轴2-15带动轴套2-12转动时，动环座2-13利用端部拨叉插入轴套2-12右端的槽中随之旋转，动环座2-13右端的传动套带动动环2-9运转，动环2-10和静环2-9之间的端面摩擦扭矩使静环2-9产生偏转趋势，并与荷重传感器2-7测力点的阻力矩和静环密封用O形圈2-8在密封腔端盖2-5内孔中滑动的摩擦阻力矩达成平衡，即端面摩擦扭矩M_m等于荷重传感器测力点的阻力矩M_1s，以及静环密封用O形圈2-8与密封腔端盖2-5内孔之间的摩擦阻力矩M_f之和。

静环密封用O形圈2-8与密封腔端盖2-5内孔之间的摩擦阻力矩M_f，可在动环2-10、静环2-9不接触的情况下，利用荷重传感器2-7进行测量。将装有荷重传感器2-7和端面轴承2-6的支持架2-2放入到密封腔端盖2-5中后，先不用螺栓2-4连接，而是将外径处带有O形圈2-8的静环2-9从密封腔端盖2-5的右端推入，并使静环2-9上的2个防转销孔跨过荷重传感器2-7；静环2-9的左端面支承在端面轴承2-6上，每个防转销孔的一个侧面紧贴在对应的一个荷重传感器的测力点上。固定住荷重传感器2-7的支持架2-2，轻轻转动密封腔端盖2-5，通过荷重传感器2-7的输出可以获得静环密封用O形圈2-8与密封腔端盖2-5内孔之间的当量摩擦力，2个测力点之间的距离L即为当量摩擦力的力臂。

工作状态下，荷重传感器2-7测力点的阻力矩M_1s由传感器2-7测得的静环周边的切向力的当量值乘以2个荷重传感器2-7测力点之间的距离即力臂L而获得。

实施例二：图6是针对带有波纹管静环的机械密封而设计的端面摩擦扭矩测量方法示意图。带有波纹管6-4的静环6-5套装在轴套6-12上，波纹管6-4左端的静环座6-3的外螺纹与密封腔端盖6-1的内孔螺纹相连接，采用O形圈6-2密封；静环6-5的密封端面与动环6-9的密封端面紧贴；动环6-9密封面的背面支承在轴套6-12上，轴套6-12端部的2个轴对称的凸缘嵌入动环6-9密封面背面的凹槽中；静环6-5的外圆面上沿周向粘贴有一段磁栅6-8，与磁栅6-8相对的密封腔壳体6-10上安装有磁位移测量传感器的测量探头6-7；测量探头6-7与磁栅6-8之间的径向间隙控制在0.5-1mm。工作过程中，动力输入轴6-13的旋转带动轴套6-12旋转，并通过轴套6-12上的凸缘带动动环6-9转动；受动环6-9端面摩擦扭矩的作用，静环6-5发生一定的周向偏转，并在波纹管阻力矩作用下稳定在某一偏转角上。此时，静环6-5只受这2个扭矩作用且保持平衡，因而动环6-9对静环6-5的摩擦作用形成的端面摩擦扭矩与波纹管6-4对静环6-5产生的阻力矩相等。磁栅位移传感器测出的周向偏转位移除以静环外圆的半径可获得偏转角(扭角)，再乘以波纹管扭转刚度的标定值，便可获得作用在静环上的波纹管阻力矩。

上述实施例不以任何方式限定本发明，凡采用等同替换或等效替换的形式所形成的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种机械密封端面摩擦扭矩测量方法，其特征是，直接在静环上设置传感器，并利用稳定工作状态下静环所受的总扭矩为零的力矩平衡原理，将在静环上设置的传感器所测的各阻力矩之和表示为端面摩擦扭矩M_m；对于具有单独的静环的机械密封，其测量系统由动环(2-10)、静环(2-9)、静环密封用O形圈(2-8)、荷重传感器(2-7)、荷重传感器支持架(2-2)、端面轴承(2-6)、端面轴承座(2-1)和密封腔端盖(2-5)组成，2个荷重传感器轴对称安装在密封腔端盖内孔侧的荷重传感器支持架上，其测力点沿切向成轴对称布置在静环的2个防转销孔的侧面。

2.如权利要求1所述的机械密封端面摩擦扭矩测量方法，其特征是，对于具有单独静环的机械密封，工作状态下静环所受的端面摩擦扭矩M_m与静环密封用O形圈所受静环座的摩擦阻力矩M_f及荷重传感器的阻力矩M_ls之和相平衡，在分别测得静环密封用O形圈所受静环座的摩擦阻力矩M_f和荷重传感器的阻力矩M_ls之后求得机械密封端面摩擦扭矩。

3.如权利要求1所述的机械密封端面摩擦扭矩测量方法，其特征是，对于具有单独静环的机械密封所用的测量系统，静环密封面的背面端部设置有端面轴承。

4.如权利要求1所述的机械密封端面摩擦扭矩测量方法，其特征是，对于具有单独静环的机械密封所用的测量系统，静环外圆面的中部开设有O形圈槽，用以放置静环密封用O形圈。

5.一种机械密封端面摩擦扭矩测量方法，其特征是，直接在静环上设置传感器，并利用稳定工作状态下静环所受的总扭矩为零的力矩平衡原理，将在静环上设置的传感器所测的各阻力矩之和表示为端面摩擦扭矩M_m；对于带有波纹管静环的机械密封，其端面摩擦扭矩测量系统由动环(6-9)、带波纹管静环(6-5)、波纹管(6-4)、静环座(6-3)、磁栅位移传感器和密封腔端盖(6-1)组成，磁栅位移传感器的测量探头(6-7)安装在密封腔体(6-10)上，磁栅(6-8)粘贴在静环上。

6.如权利要求5所述的机械密封端面摩擦扭矩测量方法，其特征是，对于带有波纹管静环的机械密封，工作状态下静环所受的端面摩擦扭矩M_m与波纹管产生的阻力矩M_ds相平衡，用波纹管产生的偏转角乘以产生单位扭角所需的扭矩即扭转刚度来求取。

7.如权利要求6所述的机械密封端面摩擦扭矩测量方法，其特征是，对于带有波纹管静环的机械密封，静环产生的周向偏转角用安装在密封腔壳体和静环上的磁栅位移传感器测得的静环偏离原有位置的弧长和半径比来表征。

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