CN104179975A - 一种基于改变闭合力的可控型机械密封 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可控型机械密封装置，具体是一种基于改变闭合力的可控型机械密封，包括静环座，安装在静环座上的电磁加载装置，以及设置在电磁加载装置上的摩擦力矩传感器单元和U型拨插，其原理在于通过改变闭合力的电磁加载装置实现对机械密封的控制，本方案提出了直接测试密封端面摩擦力和端面温升的方法，并将其应用于可控型机械密封装置中；通过控制电磁加载装置的电流变化来实现对密封的主动控制，可用于航空航天、石油化工、能源动力等相关工程领域，在各类泵、压缩机、反应釜、膨胀机、分离机等工程装备中均可适用。

Description

一种基于改变闭合力的可控型机械密封

技术领域

本发明涉及一种基于改变闭合力的可控型机械密封，可用于航空航天、石油化工、能源动力等相关工程领域，在燃气轮机、各类泵、压缩机、反应釜、膨胀机、分离机等工程装备中均可适用。

背景技术

机械密封已经在许多工业生产中得以广泛的应用，尤其在石油化工、航空航天、能源动力等领域。大多数正在开发的机械密封专利都致力于研究通过增加密封级数和改变密封表面形状实现对密封的稳定性、耐磨损，进而提高其使用寿命和可靠性；如申请专利200880117493.X提出了一种机械密封及串联式密封，该机械密封在密封的压力低或高的情形等任何条件下，都能获得合适的滑动特性，因此将拓展密封的适用范围。申请专利201010583081.4提出了一种穗形排布微孔端面机械密封结构；申请专利201010180728.9提出了一种旋转机械动静间隙的密封结构，用于控制高温高压流体沿动静间隙泄漏，避免大流量泄漏影响下一级部件的稳定运行和安全运作。

普通的机械密封一般只能在设计点稳定运行。当环境工作条件发生变化时，其端面可能产生高的轴向载荷或者瞬时脉动，举例来说，对于泵类旋转机械主轴用机械密封系统，由于其受到了泵体轴向载荷的极大影响，载荷较大可能导致密封端面的剧烈磨损，而间隙较大则可能导致密封失效。因此研究不同载荷下的机械密封端面间接触特性及其液膜特性就变得非常重要；同时对于密封系统的主动性控制而言，若设计一种通过检测端面温升和端面摩擦力的可控型机械密封并付诸于工程应用中，将对提高机械密封的工作寿命和可靠性具有重要的工程实践价值。可控型机械密封概念自提出以来，一直受到众多学者研究。

国外I.Etsion针对航空航天领域的液氧涡轮泵机械密封监控系统发展需求，较早地提出了通过监测机械密封端面温度的方法实现对密封的控制[Etsion I,Palmor Z J,Harari N.Feasibility study of a controlled mechanical seal[J].Lubrication Eng.,1991,47(8):621-625.]；他设计了一种通过调节闭合力来控制密封运转的闭环可控型机械密封系统。它是将端面温度作为闭环控制系统的反馈信号，而温度的测量采用热电偶传感器，并在端面上安装了5个温度传感器，闭环控制系统采用最简单的线性控制器。随后R.F.Salant等对非接触式端面密封的可控性进行了分析[Wolff P,Salant R F.Electronically controlled mechanical seal for aerospace applications—Part II:Transienttests[J].Tribology Trans.,1995,38(1):51-56.]，进一步发展了通过对端面温升和密封泄漏量结合的监测来控制密封特性的研究思路；设计了一种通过调节开启力来控制密封运转的闭环可控型机械密封系统。它是针对液氧涡轮泵密封，在其原有锥面密封的基础上，通过在石墨静环背面装入压电材料，由压电材料的变形来控制石墨静环锥面的角度，从而调节开启力。此闭环控制系统的反馈信号是端面温度或泄漏量。Zou M等提出了一种新型的可控型机械密封[Zou M,Dayan J,Green I.Dynamicsimulation and monitoring of a noncontacting flexibly mounted rotor mechanical faceseal[J].IMechE,J.Mech.Eng.Sci.,2000,214(9):1195-1206.]，直接将电涡流传感器测得的间隙作为闭环控制系统的反馈信号。在柔性支撑组件上形成一个腔体，通过改变腔体内空气的压力来达到调节闭合力的目的。控制系统分为两层，内循环控制系统通过调节腔内压力使密封间隙保持在希望的值，如果发生了接触，外循环控制系统就会根据传感器的值将密封间隙调整到新的合适位置。

以此为基础的现有的对机械密封的监测和控制主要以控制泄漏量为目标，但在限制泄漏的过程中，往往忽视了密封可能由于严重磨损造成的更严重损失。针对这一状况，Goilkar S S[Goilkar S S,Hirani H.Design and development of a test setup foronline wear monitoring of mechanical face seals using a torque sensor[J].TribologyTransactions,2009,52(1):47-58.]、Zhang H[Zhang H,Landers R G,Miller B A.Adaptivecontrol of mechanical gas face seals with rotor runout and static stator misalignment[J].Journal of Dynamic Systems,Measurement and Control,Transactions of the ASME,2010,132(4):1-10.]等在最新的研究中提出了以观测端面磨损状况和监测轴向位移的机械密封监测新思路，但如何应用这些新思路到具体的机械密封监测过程尚需要进一步深入研究。

国内周剑锋等也提出了将静环内侧温度和泄漏率作为反馈参数、闭合力作为调节参数，建立螺旋槽机械密封的控制方法[周剑锋,顾伯勤.螺旋槽机械密封的可控性[J].机械工程学报,2009,45(1):106-110.]。然而在实际的密封工作过程中，端面间温升不仅仅是由于端面间接触摩擦引起的，诸如散热、热传导、运行工况的变化等也会造成温升的累积，同时检测的热偶元件放在离端面1～2mm附近的密封静环内，因此已有的以端面温升为主要反馈参数的动态监控方法不利于密封的实时监测。为此本专利申请发明人曾提出通过测试机械密封端面摩擦力结合端面温升的方法来实现对密封的动态监测的研究思路[张国渊,赵伟刚,闫秀天,袁小阳.可控式液体润滑高速螺旋槽端面密封试验研究[J].航空动力学报,2011,26(4):947-953.]；以机械密封端面接触摩擦力作为机械密封是否接触的主要判据，同时配合对端面温升和泄漏量的辅助反馈信号为补充，实现对密封端面的实时监测。

已有的研究(如I.Etsion，R.F.Salant，M.Zou，顾伯勤等)都均采用通过对端面温升的监测来实现对密封的控制，然而在实际的密封工作过程中，端面间温升不仅仅是由于端面间接触摩擦引起的，诸如散热、热传导、运行工况的变化等也会造成温升的增加，同时检测的热偶元件放在离端面1～2mm附近的密封静环内，对端面液膜温升的测量也不太准确。

对于机械密封的控制研究，已有的为数不多的发明专利都集中于解决机械密封可控过程中的反馈参数测量操作性差、反馈执行机构复杂或者安全可靠性低等问题，并由此提出了一些对机械密封实现控制的技术方法，如专利200610039084.5发展了多参数可测控高转速机械密封性能试验装置，该可控型机械密封系统包括密封系统、驱动系统、端面比压加载及伺服反馈系统、端面摩擦扭矩和端面比压测量系统、膜厚测量系统、泄漏测量系统、静环温度测量系统、介质温度及压力测量系统、试验介质加压及循环系统和数据采集与控制系统；该密封系统设计功能较为强大，但由于涉及的测试过程复杂，其控制实现过程可靠性较差。

专利200910261020.3提出一种新型流体密封结构改进配套装置用于实现对密封的泄漏量的控制，其特点是密封件两端的压差动态平衡通过两端自身压力做出反馈调整控制动态通道的流道大小来完成。

专利201010130437.9提出一种结构简单、利用系统介质及其压力差作为控制源的自适应控制机械密封装置及控制方法，但是该方法结构复杂，并且存在对于变化工况时明显滞后的响应弊端，工程实践的安全可靠性尚需进一步验证。

专利201110045736.7提出一种可控机械密封装置，该思路类似于前述专利201010130437.9，主要由旋转环、静止环、梳齿环和弹簧座构成，静止环与梳齿形成梳齿密封，弹簧座处开设通孔，其原理也是通过调整进出口的压力平衡来实现。

在机械密封有关测试及控制申请专利方面，已有的专利均为测试系统和测试方法的研究，主要针对特殊极端工况进行，如专利200910144871.X针对核主泵用机械密封，发展了其试验测试系统，该测试系统可用于模拟核主泵用流体静压式、流体动压式机械密封试验以及核主泵用流体动、静压组合式机械密封试验。

本方案提出直接测试密封端面摩擦力和端面温升的方法，并将其应用于密封系统的控制中；在对比及分析动态测试参数的基础上，通过控制电磁加载装置的电流变化来实现对密封的主动控制。本方案不同于已有的任何一种具有控制特点的机械密封专利，其原理在于通过改变闭合力实现对机械密封的控制，采用发明的一种电磁加载装置实现此类控制；发明涉及机械密封控制装置及控制方法，可用于航空航天、石油化工、能源动力等相关工程领域，在各类泵、压缩机、反应釜、膨胀机、分离机等工程装备中均可适用。

发明内容

为了拓展机械密封的工作范围和提高密封的寿命及工作可靠性，解决在保证低泄漏的同时，保证密封副的低摩擦和低磨损的主要矛盾，本发明提出一种基于改变闭合力的可控型机械密封；解决现有的机械密封动态控制响应慢、可靠性差的实际情况；通过引入一种轴向力电磁加载装置和端面摩擦力矩测试装置，实现了对密封的动态控制。

本发明提供的一种基于改变闭合力的可控型机械密封，包括静环座，安装在静环座上的电磁加载装置，以及设置在电磁加载装置上的摩擦力矩传感器单元和U型拨插。

上述电磁加载装置包括有电磁端盖，该电磁端盖与静环座通过螺钉连接。

上述摩擦力矩传感器单元包括底座、悬臂梁、圆柱体端顶；悬臂梁的一端固定设置有底座另一端设置有圆柱体端顶；所述底座上设置有固定螺钉孔、进线出线孔、过线卡槽；所述固定螺钉孔设置于悬臂梁的两侧，所述过线卡槽位置固定螺钉孔的一侧，并且所述进线出线孔设置在过线卡槽的底面。

上述U型拨插上设置有用于固定U型拨插的螺钉孔和用于与摩擦力矩传感器单元配合的弧型槽。

上述摩擦力矩传感器单元通过两个M5×0.5的螺钉固定在电磁加载装置。

上述的基于改变闭合力的可控型机械密封，还包括辅助参数监测单元：安装在密封静环表面的位移传感器；距离密封静环表面1～2mm位置的温度传感器；安装在密封静环上与密封动环密封坝相对应位置处的压力传感器；以及用于测量电磁加载装置电流信息的电流传感器和用于测量泄漏量的流量计。

上述位移传感器是3个，用于监测密封静环与密封动环之间的缝隙；所述温度传感器是2个，用于监测可端面温度；所述压力传感器也是2个用于监测密封静环与密封动环密封坝处的压力。

本发明的有益效果：本发明提供的这种基于改变闭合力的可控型机械密封不同于已有的任何一种可控型机械密封专利，其原理在于通过改变闭合力实现对机械密封的控制，以一种电磁加载装置实现对控制的实现；本方案提出了直接测试密封端面摩擦力和端面温升的方法，并将其应用于可控型机械密封装置中；通过控制电磁加载装置的电流变化来实现对密封的主动控制。发明涉及机械密封控制装置及控制方法，可用于航空航天、石油化工、能源动力等相关工程领域，在各类泵、压缩机、反应釜、膨胀机、分离机等工程装备中均可适用。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是现有技术的机械密封结构示意图；

图2是可控型机械密封的控制原理图；

图3是可控型机械密封监测及反馈控制流程；

图4是可控型机械密封装置结构示意图；

图5是开槽动环结构示意图；

图6是电磁动态加载装置标定示意图；

图7是传感器安装位置示意图；

图8是摩擦力矩的传感器单元结构示意图；

图9是U型拨叉结构示意图。

图中：1、旋转轴；2、静环座；3、弹簧；4、辅助密封圈；5、密封静环；6、密封动环；7、锁紧螺母；8、压力传感器；9、温度传感器；10、振动传感器；11、电磁端盖；12、摩擦力矩传感器单元；13、电磁加载装置；14、标准力传感器；15、手动调节间隙螺杆；16、法兰盘；17、U型拨叉；18、底座；19、悬臂梁；20、圆柱体端顶；21、固定螺钉孔；22、进线出线孔；23、过线卡槽；24、螺钉孔；25、弧型槽。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1:

为了拓展机械密封的工作范围和提高密封的寿命及工作可靠性，解决在保证低泄漏的同时，保证密封副的低摩擦和低磨损的主要矛盾，本发明提出一种基于改变闭合力的可控型机械密封，(可控型机械密封根据被控量进行分类，可分为以下两种：一种是通过调节开启力来控制密封工作情况，另一种是通过调节闭合力来控制密封工作情况。根据机械密封的控制方式进行分类，又可分为开环和闭环两种；最早出现的可控型机械密封都是通过开环控制系统来调节闭合力的。)包括静环座2，安装在静环座2上的电磁加载装置13，以及设置在电磁加载装置13上的摩擦力矩传感器单元12(如图8所示)和U型拨插17(如图9所示)。

上述电磁加载装置13包括电磁端盖11，该电磁端盖11与静环座2通过螺钉连接；所述电磁端盖11上设置有环状线圈槽,该环状线圈槽内设置有可通过电流的导线圈；所述导线圈的内侧还设置有电磁铁芯。

上述摩擦力矩传感器单元12包括悬臂梁19，悬臂梁19的一端固定设置有底座18另一端设置有圆柱体的端顶20；所述底座18上设置有固定螺钉孔21、进线出线孔22、过线卡槽23；所述固定螺钉孔21设置于悬臂梁的两侧，所述过线卡槽23位置固定螺钉孔21的一侧，并且所述进线出线孔22设置在过线卡槽23的底面。

上述U型拨插17上设置有用于固定U型拨插17的螺钉孔24和用于与摩擦力矩传感器单元12配合的弧型槽25；所述摩擦力矩传感器单元12通过两个M5×0.5的螺钉固定在电磁加载装置13上。

为了采集上述基于改变闭合力的可控型机械密封的静环振动信息、端面温升、泄漏量、摩擦力等信息，用以分析是否对密封进行控制、调节电磁加载装置电流值以及处理多传感器信息；该基于改变闭合力的可控型机械密封还包括辅助参数监测单元：安装在密封静环5表面的位移传感器10；距离密封静环表面1～2mm位置的温度传感器9；安装在密封静环5上与密封动环6密封坝相对应位置处的压力传感器8；以及用于测量电磁加载装置13电流信息的电流传感器和用于测量泄漏量的流量计。

如图7所示，上述位移传感器10是3个，用于监测密封静环5与密封动环6之间的缝隙；所述温度传感器9是2个，用于监测可端面温度；所述压力传感器8也是2个用于监测密封静环5与密封动环6密封坝处的压力。

实施例2：

本方案提出的密封控制的技术方案为通过改变密封动态补偿力来调节密封闭合力实现对密封的闭环控制。附图1给出了一个机械密封的结构示意图。动态补偿力通过加载在端盖部分的轴向电磁加载装置13来供给实现,如图4所示。

采用电磁加载装置13后，机械密封的闭合力由三部分组成为，即弹簧补偿单元F_s、密封间隙流体引起的流体静动压载荷F_d和电磁加载装置13提供的电磁力F_e。

F_c＝F_d+F_s+F_e  (1)

对可控式密封在运行中的状态参数进行监测及对比后，通过改变电磁力的大小实现对密封状态的控制。

首先是基于以下几个原则的：

(1)尽可能通过位移传感器10(即振动传感器)信号直接反映密封流体膜的厚度，以间接反映润滑状态的温升、泄漏量等信号为补充；

(2)要求可控机械密封工作在一定的平衡点位置，通过反馈调节使得密封可绕平衡位置变化；平衡点位置需满足密封的泄漏量满足设计目标要求，并保证密封为非接触机械密封。

(3)密封系统识别，主要通过试验来确定密封分析模型；理论模型作为补充；

(4)采用连续双π控制器实现对密封间隙的控制。

为此，附图2给出了一类新的动静结合型机械密封主动反馈控制实现的流程图。

由附图2可见，提出的改变密封动态补偿力实现对密封控制的技术方案特征在于：

1)以电磁加载装置提供的电磁力作为可控型机械密封的动态补偿力。

2)反馈信号为多传感器信息融合的反馈信号。

3)可控型机械密封控制系统包含一个多传感器信息融合处理系统和一个控制算法及硬件系统。

4)可控型机械密封系统包含一个机械密封性能计算分析软件，用于对初始状态的密封性能及运行过程密封性能的预测。

5)可控型机械密封设计并设置了一个满足泄漏量要求和非接触状态要求的静态平衡位置。

6)可控型机械密封动态控制过程通过调节电磁加载装置的电流大小来实现。

7)采用连续双π控制器实现对控制量(密封阈值)的控制。

参照附图2，多传感器信息融合的作为反馈控制参数的密封阀值K，是一个反映机械密封运行状态的参数，它将包含大多数被测试密封状态参数；与现有的密封可控参数，如温度、泄漏量等作为反馈参数不同，该阀值的定义将以静环轴向位移反映出的密封间隙h为主；以密封副摩擦力f和端面温升T、泄漏量Q为重要辅助补充参量，据此定义的密封阀值K如下：

$K_i=\mathrm{\α}\·\left(\frac{h_i}{h^{*}}\right)+(1-\mathrm{\α})\·(\frac{f_i}{f^{*}}\·\frac{T_i}{T^{*}}\·\frac{Q_i}{Q^{*}})---\left(2\right)$

其中，hi为实际测量的密封间隙，fi为实际测量的摩擦力，Ti为实际测量的端面温升，Qi为实际测量的泄漏量，h*为可控型密封设定的密封间隙，f*为设定的摩擦力，T*为设定的端面温升，Q*为设定的泄漏量，α为控制量的敏感性参数。对于控制策略，采用连续双π控制器实现对控制量的控制。

本方案提出的基于电磁加载装置的机械密封动态监测实现的流程如图3所示，该流程图包含了一个机械密封性能计算分析软件，用于对初始状态的密封性能及运行过程密封性能的预测。

对于此可控型密封来说，一个确定另外一个重要的附加参数，即密封可控型参数C。对于改变电磁加载装置电流I引起密封闭合力变化，进而控制密封间隙h的可控性过程，可控型参数将被定义为：

$C=\frac{{\mathrm{dh}}_i}{\mathrm{dI}}=\frac{{\mathrm{dh}}_i}{\mathrm{dK}}\·\frac{\mathrm{dK}}{\mathrm{dI}}---\left(3\right)$

其中，dh_i为间隙的变化率，dI为电流的变化率，dK为密封阈值的变化率。

对在已经定义机械密封静态平衡位置的情况下，

$C=\frac{{\mathrm{dh}}_i}{\mathrm{dI}}=\frac{{\mathrm{dh}}_i}{\mathrm{dK}}\·\frac{\mathrm{dK}}{\mathrm{dI}}=\left(\frac{h^{*}}{\mathrm{\α}}\right)\·\frac{\mathrm{dK}}{\mathrm{dI}}=C^{*}\·\frac{\mathrm{dK}}{\mathrm{dI}}---\left(4\right)$

C^*为可控型密封的设定可控型参数。

由此，一个可控型机械密封的控制策略均被给出。

实施例3：

附图1给出了机械密封结构示意图，附图4给出了含有一种电磁加载装置的可控型机械密封装置的结构示意图。

如前所述，先前大多数密封装置的闭合力由密封间隙内流体动静压F_d和弹簧力F_s组成，在密封运转过程中，无法实现动态调节，只能通过在停机状态下，通过更换弹簧的数量来实现。为此引入一种电磁加载闭合力调控装置，可以实现在运转过程中对密封闭合力的实时调节，从而更有效地研究轴向载荷对密封性能的影响及密封的可控性。

已有的绝大多数机械密封及其装置系统中对密封功耗的测试包括了电机、辅助支撑轴承和密封三部分，不能准确地测出实际密封副的摩擦功耗。本方案提出的机械密封装置及系统，作为反馈信号的摩擦功耗测试量装置及测试系统，不仅可以准确地测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，同时也可以通过摩擦力矩的大小来评价密封膜是否形成以及密封是否失效等。如此以测试得到的摩擦力矩作为反馈信号，根据其值大小来调节闭合力(增加或减小电磁加载装置的电流)，以达到控制密封动态行为的目的，将建立可靠的可控式密封系统。

可控型机械密封由端面开槽密封动环6(端面开螺旋槽结构示意图如图5所示)、密封静环5、辅助密封装置(铺助密封圈4)、固定螺母、密封腔体、电磁加载装置13、摩擦力矩传感器单元12、弹簧补偿单元(8根弹簧3)组成。开槽密封动环与静环形成动摩擦副，结合附图4，提出的一种基于改变闭合力的可控型机械密封装置组成部分的连接关系及其特征在于：

1)可控型机械密封由端面开槽密封动环6、密封静环5、辅助密封装置、锁紧螺母7、密封腔体、电磁加载装置13、摩擦力矩传感器单元12、弹簧补偿单元3组成。

2)机械密封系统与电磁加载装置13的连接方式为：

a)将电磁端盖11与静环座2用螺钉连接，使得摩擦力直接传递到处在密封腔体外部的电磁端盖11上；

b)设计一个U型拨插17，并将其安装在电磁加载装置13上；

c)设计如图8所示摩擦力矩传感器单元12(上贴应变片)，将应变片贴在悬臂梁的两侧，可以测量反方向的摩擦力，同时实现温度补偿。安装时将磁传感器的头部圆柱部分卡入U型拨插17中的弧型槽25，面1和面2紧配合，实现将电磁端盖所受到的摩擦力矩传递到传感器单元的功能；

d)摩擦力矩传感器单元12另一端通过两个M5×0.5的螺钉固定在电磁加载装置13上；电磁加载装置13与机械密封静环5的内圈用螺钉固定成为一体。

3)密封动环6为端面开槽结构；开槽螺旋槽结构包括单排或双排螺旋槽、人字槽、台阶型槽、矩形槽、三角形槽、半圆形槽、直线槽、圆弧槽、椭圆形槽、叶形槽以及由这些槽组合而成的组合结构；开槽方向可以与密封旋转方向相同或相反。

4)密封静环5表面处理，焊接1-3mm厚石墨层或喷涂涂层。

5)密封弹性补偿单元为弹簧3补偿，进一步可以发展为柔性波纹管补偿。

6)密封系统适合于内装式、外装式、内流式、外流式、单端面、双端面、多端面机械密封。

7)提出的机械密封装置实现了对端面摩擦力矩和摩擦功耗的测试，并将其引入到控制阈值求解中。

实施例4：

为扩展可控型机械密封的适用范围，在密封的装配阶段，即给电磁加载装置13通预设电流，保证密封装置时的闭合力在密封初始阶段已经包含了电磁力；装配阶段便使密封处在预定的平衡位置(h^*)，并确定此时的平衡位置密封阈值K^*。由附图2所示，密封在运行过程，依据测试反馈量，利用公式(2)可以获得新的平衡位置密封阈值K_i。对比密封阈值K_i与K^*，来实现对密封的动态控制，定义可控制系数：

$\mathrm{\β}=\frac{K_i}{K^{*}}---\left(5\right)$

则密封的控制过程描述如下：

β<1意味着K_i<K^*，表明此时的密封状态相对于平衡位置时密封状态，密封间隙变大，泄漏量将变大，密封副端面温升和摩擦力矩降低；因此，此时调整电磁加载装置的电流使其增加，这将导致密封闭合力的增加，间隙变小，使得密封回到平衡位置。

β＝1表明密封正处在平衡位置。

β>1意味着K_i>K^*，表明此时的密封状态相对于平衡位置时密封状态，密封间隙变小，泄漏量变小，密封副端面温升和摩擦力矩增加；因此，此时调整电磁加载装置的电流使其减小，这将致使密封闭合力降低，间隙变大，使得密封回到平衡位置。

综上，提出的一种基于改变闭合力的可控型机械密封控制实现方法其特征在于：

1)可控型机械密封的控制过程与设定的平衡位置直接相关，通过对比平衡位置阈值参数进行是否控制操作。

2)在可控型机械密封的装配阶段，需给电磁加载装置13通预设电流，保证密封装置时的闭合力在密封初始阶段已经包含了电磁力。

3)可控型机械密封多传感器信息包括：密封静环5振动信息、端面温升、泄漏量、摩擦力等信息。

4)可控型机械密封系统通过采集密封静环5的振动信息反映动静环之间的密封间隙。

5)3个电涡流位移传感器以嵌入式分别安装在密封静环5表面，探头与表面齐平，用来检测其与密封动环6表面之间的间隙，安装位置分别处于静环直径为R_m R_i、R_o分别表示动静环的内径和外径)分布线上，周向均匀分布，两两夹角120度，且其中的一个测点位置处于Y轴轴线上。

6)2个热电偶温度传感器以嵌入式安装在距离密封静环5密封坝表面1-2毫米的位置(直径方向分布)。

7)密封坝处压膜压力传感器安装在密封静环5上与密封动6环密封坝相对应的位置，沿直径方向在密封坝半径圆周面排列2个。

8)可控型机械密封控制对多传感器信息的融合以静环轴向位移反映出的密封间隙为主；以密封副摩擦力和端面温升、泄漏量为重要辅助补充参量。

9)可控型机械密封系统包含一个控制平台，该平台用以分析是否对密封进行控制、调节电磁加载装置13电流值以及处理多传感器信息。

实施例5：

上述电磁加载装置13包括电磁端盖11，该电磁端盖11与静环座2通过螺钉连接；以及与电磁端盖11连接的法兰盘16(用于标定过程)，所述电磁端盖11上设置有环状线圈槽,该环状线圈槽内设置有可通过电流的导线圈；所述导线圈的内侧还设置有电磁铁芯。

图6为电磁动态加载装置13标定安装图，主要是将电磁动态加载装置13安装在标定台上通过调节电磁端盖13与法兰盘16之间的间隙，并测量电磁力的值实现对该电磁动态加载装置标定。

标定台主要由标定台支架、标准力传感器14和手动调节间隙螺杆15组成，由图6可知：标定台支架的两侧设置有固定支架，电磁动态加载装置13通过螺钉固定在标定台的一侧，标准力传感器14安装在靠近电磁动态加载装置13的一侧，手动调节间隙螺杆15沿电磁动态加载装置的轴向设置与并且靠近电磁铁芯，这样可以方便通过力传感器14测量电磁力的值；手动调节间隙螺杆15沿电磁动态加载装置的轴向相同的方向设置于标定台的另一侧，并且有部分置于标定台外，方便手动调节，该手动调节间隙螺杆15可以沿沿电磁动态加载装置的轴向延伸或者缩回，从而达到调节电磁端盖13与法兰盘16之间的间隙的目的。

综上，电磁力的计算公式为

$F_s=\frac{1}{{8\mathrm{\&delta;}}^2}{\mathrm{S\&mu;}}_0{N}^2{I}^2$

式中，δ为电磁端盖13与法兰盘16之间的间隙。

根据以上的设计参数，代入上式，化简后可得

$F_s=14.82\&times;{10}^6\frac{I^2}{{\mathrm{\&delta;}}^2}---\left(6\right)$

本发明的有益效果是：本方案不同于已有的任何一种可控型机械密封专利，其原理在于通过改变闭合力的电磁加载装置13实现对机械密封的控制；本方案提出了直接测试密封端面摩擦力和端面温升的方法，并将其应用于可控型机械密封装置中；通过控制电磁加载装置13的电流变化来实现对密封的主动控制。发明涉及机械密封控制装置及控制方法，可用于航空航天、石油化工、能源动力等相关工程领域，在各类泵、压缩机、反应釜、膨胀机、分离机等工程装备中均可适用。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于改变闭合力的可控型机械密封，包括静环座(2)，其特征在于：还包括安装在静环座(2)上的电磁加载装置(13)，以及设置在电磁加载装置(13)上的摩擦力矩传感器单元(12)和U型拨插(17)。

2.如权利要求1所述的基于改变闭合力的可控型机械密封，其特征在于：所述电磁加载装置(13)包括电磁端盖(11)，该电磁端盖(11)与静环座(2)通过螺钉连接。

3.如权利要求1所述的基于改变闭合力的可控型机械密封，其特征在于：所述摩擦力矩传感器单元(12)包括底座(18)、悬臂梁(19)、圆柱体端顶(20)；悬臂梁(19)的一端固定设置有底座(18)另一端设置有圆柱体端顶(20)；所述底座(18)上设置有固定螺钉孔(21)、进线出线孔(22)、过线卡槽(23)；所述固定螺钉孔(21)设置于悬臂梁的两侧，所述过线卡槽(23)位置固定螺钉孔(21)的一侧，并且所述进线出线孔(22)设置在过线卡槽(23)的底面。

4.如权利要求1所述的基于改变闭合力的可控型机械密封，其特征在于：所述U型拨插(17)上设置有用于固定U型拨插(17)的螺钉孔(24)和用于与摩擦力矩传感器单元(12)配合的弧型槽(25)。

5.如权利要求1所述的基于改变闭合力的可控型机械密封，其特征在于：所述摩擦力矩传感器单元(12)通过两个M5×0.5的螺钉固定在电磁加载装置(13)。

6.如权利要求1所述的基于改变闭合力的可控型机械密封，其特征在于:还包括辅助参数监测单元：安装在密封静环(5)表面的位移传感器(10)；距离密封静环(5)密封坝表面1～2mm位置的温度传感器(9)；安装在密封静环(5)上与密封动环(6)密封坝相对应位置处的压力传感器(8)；以及用于测量电磁加载装置(13)电流信息的电流传感器和用于测量泄漏量的流量计。

7.如权利要求6所述的基于改变闭合力的可控型机械密封，其特征在于:所述位移传感器(10)是3个，用于监测密封静环(5)与密封动环(6)之间的缝隙；所述温度传感器(9)是2个，用于监测可端面温度；所述压力传感器(8)也是2个用于监测密封静环(5)与密封动环(6)密封坝处的压力。