CN104390012A - 磁流体润滑的机械密封装置及自适应密封控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种磁流体动压润滑机械密封装置及自适应密封控制方法，属密封技术领域。该机械密封的核心为一端面开设有微米级深度螺旋槽的动环及与之配合的静环。工作状态下，磁流体由静环靠近外径处的通孔注入到动环和静环的端面之间，由于螺旋槽的作用，磁流体从密封端面的外径向内径方向流动并产生动压效应，磁流体膜的压力升高，推开两个端面，实现端面的流体润滑。密封性能自适应控制系统通过比较液膜压力和被密封介质的压力来判断该机械密封的密封性能是否满足要求，若侦测到动环转速或被密封介质压力有变化，系统则会根据预置的策略调节磁场发生器的电压进而调节液膜压力，并相应地调节铁磁流体的输入流量，保证机械密封的密封效果。

Description

磁流体润滑的机械密封装置及自适应密封控制方法

技术领域：

本发明涉及一种非接触式机械密封。采用铁磁流体作为机械密封摩擦副的润滑介质，并能根据操作参数的变化，通过调节外磁场强度来控制磁流体润滑膜的粘度，使得磁流体膜的动压效应适应被密封介质压力和转轴转速的变化。属于密封技术领域。

背景技术：

现代工业装备的大型化、自动化、智能化、集成化程度不断提高，诸多旋转运动副处于高温、高压、高转速工作状态，泄漏问题普遍存在。机械密封是流体动密封中最常见的型式，是旋转设备防止泄漏的重要部件。集成化、轻量化、高精度、高稳定性、高可靠性和微/零泄漏是机械密封技术发展的大趋势，是密封技术发展的主流方向。

利用流体动压效应可实现机械密封动环和静环端面的非接触。研究人员力图通过流体动压效应来提高机械密封承载能力，减小摩擦、磨损和漏损，提高密封可靠性并延长密封寿命。非接触式机械密封的密封环端面被一层完整的微米级厚度的流体膜隔开，常用于密封高压、高速和润滑性能较差的介质。

磁流体润滑与密封是磁流体的主要应用领域之一。磁流体润滑就是用磁流体代替传统的润滑油，对摩擦副进行润滑，依靠外部磁场改善摩擦性能、延长摩擦副的使用寿命。较之于普通油润滑，磁流体润滑在外加磁场作用下，不但能准确地充满润滑表面实现连续润滑，而且能抵消重力与离心力的作用，不易泄漏、不受外部介质污染。近年来，在滚动轴承、滑动轴承、巨型压缩机、高速磨床、高速纱锭机、天文观察装置等机械装备上，以磁流体作为润滑剂的滚动、滑动表面润滑均有成功应用的实例。

目前使用的磁流体密封是利用磁场将磁流体控制在固定和转动部件之间，消除密封副的间隙，抵抗被密封介质的压力，实现对介质的密封，并未利用磁流体的动压效应。磁流体可以被磁场控制在所需位置，保持接触区良好的润滑状态，尤其适用于高温、低温、零泄漏等极端工况，且无需庞大的供油系统。虽然增大磁场强度可提高密封压力，但磁流体粘度的增大会相应增加转轴的转动阻力，摩擦功耗增大。当磁流体作为滑动轴承的润滑介质时，可利用外磁场来控制磁流体的粘度，从而改变润滑膜的动压特性，调节轴承的承载性能。研究表明，磁流体滑动轴承能形成良好的全油膜润滑，产生的摩擦力比传统的滑动轴承要小得多，承载能力和抗磨损能力大大提高。

最新的磁流体生产工艺已解决了磁流体既怕水又怕油的问题，并把磁流体的工作温度范围扩展到-60℃～260℃，基本解决了磁流体润滑和密封技术推广的瓶颈问题。对于端面结构较为复杂的螺旋槽或直线槽等动压型机械密封，改用磁流体作为润滑介质，不但可有效改善端面的润滑状况，而且可利用外部磁场控制密封性能，实现密封压力和摩擦功耗的在线调节，从而提高机械密封的稳定性、可靠性及对波动工况的适应性。

机械密封，特别是高参数机械密封，往往工作在高压、高转速条件下。对于特定条件下结构一定的机械密封，其密封能力是稳定的。但如果遇到压力波动或转速突变，机械密封本身不具备应变能力，故而会导致密封失效。在机械密封系统中集成自适应控制系统则能有效应对工况波动。自适应控制是指系统能够修正自身特性以适应对象和扰动的动特性的变化。具有自适应能力的系统应具备这样的功能，即：在系统运行中，依靠不断采集控制过程信息，确定被控对象的当前实际工作状态，优化性能准则，产生自适应控制规律，从而实时地调整控制器结构或参数，使系统始终自动地工作在最优或次最优的运行状态。自适应控制的目的是使控制器能适应被控对象参数缓慢变化或对象特性难以确知的情况。自适应控制系统要能够在线调整控制器参数以适应工况变化。常用的自适应控制方案有：编程控制、模型参考自适应和自校正控制。

自从50年代末期由美国麻省理工学院提出第一个自适应控制系统以来，先后出现过许多不同形式的自适应控制系统。模型参考自适应控制和自校正调节器是目前比较成熟的两类自适应控制系统。自适应控制近年来得到了广泛的重视，有关它的理论和应用国内外学者都做了大量的工作，取得了大量的成果。自适应系统在磁流体润滑机械密封中的应用，国内外尚未见公开的报道。为实现非接触式机械密封的自动化运行，本发明采用铁磁流体作为机械密封摩擦副的润滑介质，并由自适应控制系统侦测密封压力的变化、调节外磁场强度，从而保证机械密封的可靠运行。

发明内容：

本发明提供一种铁磁流体润滑的非接触式机械密封装置。

本发明另一目的是提供一种非接触式机械密封的密封性能自适应控制方法。

本发明的具体技术方案如下：

一种磁流体润滑的机械密封装置，该装置包括可编程控制器、转轴，以及安装在转轴上的密封腔体、动环座和静环座，密封腔体设置在转轴的一侧，密封腔体的外侧设置静环座和动环座，静环座上安装有静环，动环座上安装有动环，动环与静环一端面相配合，

所述静环内设置有一轴向引流孔，该引流孔一端引至动、静环的配合端面，另一端经管路连接磁流体储罐，在动、静环配合面外部设有磁场发生器及直流电源，动、静环配合面间形成由磁流体润滑膜形成的密封环，静环内埋设有压力传感器a，该压力传感器a头端设于动、静环配合的密封环内，所述磁流体储罐还连接有氮气瓶，磁流体储罐与引流孔之间的连接管路上还设有电磁阀、压力传感器c和流量传感器；

密封腔体内侧设有压力传感器b，转轴上还安装有转速传感器，各传感器、电磁阀和磁场发生器的直流电源分别与可编程控制器相连。

本发明的进一步设计在于：

动环端面开设有若干微米级深度的螺旋槽，螺纹方向与动环旋转方向相同，动环的该端面与静环配合。

压力传感器a头端位于动环端面的螺旋槽的底径处。

所述磁流体为铁磁流体。

静环与转轴配合面设有静环密封圈，动环与转轴配合面设有动环密封圈。

磁场发生器为环形，安装在动、静环形成的密封环的外圈。

静环座由前、后两部分，以及连接前、后部分的弹性元件组成，前部与静环相装配，后与密封腔相配合。

采用上述装置的自适应密封控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，启动程序，设置参数；

步骤二，监测参数；

由压力传感器b测量密封腔体内被密封介质压力P_m，由转速传感器测量转轴转速n，由压力传感器a测量液膜密封压力P_n，并判断P_m和n的变化幅度；

步骤三，粗调判断；

若被密封介质压力P_m变化幅度≤0.01MPa，或n变化幅度≤10rad·s^-1，则继续保持监控状态回到步骤二；

若被密封介质压力P_m变化幅度＞0.01MPa，且持续时间t≥1s；或/和转轴转速n变化幅度＞10rad·s^-1，且持续时间t≥1s；则启动粗调步骤；

所述粗调步骤如下：

①若仅有被密封介质压力P_m变化幅度＞0.01MPa，且持续时间t≥1s；

若被密封介质压力P_m变化为P_m1时，则调节磁场发生器电压，使液膜密封压力P_n变化至P_m1；

②若仅有转轴转速n变化幅度＞10rad·s^-1，且持续时间t≥1s；

若转速n变化为n’时，会导致液膜密封压力由P_n变化为P_n1，则调节磁场发生器电压，使P_n1变化至P_m；

③若被密封介质压力P_m变化幅度＞0.01MPa，且持续时间t≥1s；同时转轴转速n变化幅度＞10rad·s^-1，且持续时间t≥1s；

若被密封介质压力P_m变化为P_m1，因转速n变化为n’，使液膜密封压力P_n变化为P_n1。则调节磁场发生器电压，使P_n1变化至P_m1。

步骤四，补液判断；

粗调后，根据式(4)计算堰区和槽区的介质损失量Q，

堰区和槽区的介质损失量Q的计算公式如下；

$Q=\frac{\mathrm{\π}{h}_1^3}{6\mathrm{\μ}}\frac{p_g-p_i}{\ln \frac{r_g}{r_i}}---\left(4\right)$

其中，h₁为堰区膜厚(动环和静环之间的液膜中堰区液膜的厚度)，p_g为槽底径处的压力(液膜密封压力P_n即为槽底径处压力值p_g)，p_i为密封环内径处压力(该压力值等同于密封介质压力，由压力传感器b测得)，μ为密封结构中液膜粘度等于铁磁流体粘度η(该粘度是指粗调后计算所得的粘度，计算公式为式(2))，r_i为密封环的内径，r_g为密封环的槽底径处半径。

计算并判断Q是否超过1×10^-9m³/s；若Q没有超过1×10^-9m³/s则不进行补液；若Q超过1×10^-9m³/s则启动补液；通过控制电磁阀15、压力传感器c和流量传感器，开启磁流体储罐与引流孔之间的连接管路，向密封环补充相应的铁磁流体(补充量为Q)。

步骤五，微调判断；

继续测量密封环处的液膜密封压力P_n2与被密封介质压力P_m2。若二者相差不超过0.01MPa，则该控制过程结束回到步骤二；

若二者相差超过0.01MPa，则启动微调程序。

所述微调程序如下：

如果P_n2>P_m2，则以0.2V的步长逐步减小磁场发生器电压至﹣0.01MPa≤P_n2-P_m2≤0.01MPa；然后至步骤二；

如果P_n2＜P_m2，则以0.2V的步长逐步增大磁场发生器电压至﹣0.01MPa≤P_n2-P_m2≤0.01MPa；然后至步骤二。

步骤五中还包括以下步骤，

若三次微调后，仍有P_n2-P_m2＜﹣0.01MPa，则以0.1V步长，增加磁场发生器电压；

三次仍不符，继续以前步长的一半减小电压，直至﹣0.01MPa≤P_n2-P_m2≤0.01MPa；

若三次微调后，仍有P_n2-P_m2>0.01MPa，则以0.1V步长，减小磁场发生器电压；

三次仍不符，继续以前步长的一半增加电压，直至﹣0.01MPa≤P_n2-P_m2≤0.01Mpa。

步骤三中，

磁场发生器电压V与液膜密封压力P_n的对应关系如：

①根据磁场发生器电压V与磁场强度H的关系，确定磁场发生器电压V；

采用数值模拟的方式来确定电压与密封间隙中的磁场强度H的关系，其

V＝I·R  H＝I·K得 $H=\frac{\mathrm{VK}}{R}---\left(1\right)$

R为磁场发生器中铜丝的电阻，I为磁场发生器线圈中的电流，K为密封间隙中的磁场强度H与磁场发生器线圈中的电流I的比例系数，由图4的模拟结果可见，H与I成正比，故设参数K为二者比例系数，；并可推导出H与V成正比例关系；

②根据磁场强度H与铁磁流体粘度η之间的关系如下，确定磁场强度H：

η_c为铁磁流体基载液粘度，δ为铁磁流体中分散剂链分子的平均长度，r_p为固相磁性颗粒的半径，为磁流体所含固相磁性颗粒的体积浓度，d_p为固相磁性颗粒的直径，μ₀为真空磁导率，μ_r为磁流体相对磁导率，k₀为Boltzmann常数，以上各参数为铁磁流体的固定物理参数，T为铁磁流体的绝对温度(由温度传感器22测得)。

③根据铁磁流体粘度η与液膜密封压力P_n的关系，确定铁磁流体粘度η：

令槽底径处的压力为p_g，p_g＝P_n

$p_g={[1-k_1\frac{\mathrm{\π}{h}_1^3}{6\mathrm{\μ}}\frac{\ln \frac{r_g}{r_o}}{\ln \frac{r_g}{r_i}}]}^{-1}[p_o-p_i{k}_1\frac{\mathrm{\π}{h}_1^3}{6\mathrm{\μ}}\frac{\ln \frac{r_g}{r_o}}{\ln \frac{r_g}{r_i}}+\frac{1}{2}{k}_2(r_g^2-r_o^2)]---\left(3\right)$

式中

$k_1=\frac{\frac{6\mathrm{\μ}(1+\mathrm{\ξ})}{\mathrm{\π}{h}_1^3}\left[(1+H^3\frac{1}{\mathrm{\ξ}})(\cot \mathrm{\α}+\mathrm{tab\α})\right]}{H^3(\mathrm{\ξ}+\frac{1}{\mathrm{\ξ}}+2)\cot \mathrm{\α}+(1+\mathrm{\ξ}{H}^3)(1+\frac{H^3}{\mathrm{\ξ}})\tan \mathrm{\α}}$

$k_2=\frac{\frac{6\mathrm{\μ\ω}}{h_1^2}(1-H)(H^3-1)}{H^3(\mathrm{\ξ}+\frac{1}{\mathrm{\ξ}}+2)\cot \mathrm{\α}+(1+\mathrm{\ξ}{H}^3)(1+\frac{H^3}{\mathrm{\ξ}})\tan \mathrm{\α}}$

h₁为堰区膜厚，m₁为堰宽度，m₂为槽宽度，α为螺旋角，ξ为槽宽堰宽比r_i为密封环的内径，r_o为密封环的外径，r_g为密封环的槽底径处半径，以上各参数为动环的固定几何参数，n为转轴转速，ω为磁流体旋转角速度(ω＝2πn)，p_i为密封环内径处压力(该压力值等同于密封介质压力，由压力传感器b测得)，p_o为密封环外径处压力(该压力为大气压力p)，H为磁场强度，μ为密封结构中液膜粘度等于铁磁流体粘度η。

1、本发明采用铁磁流体作为非接触式机械密封摩擦副(动环和静环)端面的润滑介质。在密封结构外施加一个磁场发生器，为密封端面提供稳定的磁场，中间设置电压调节器并与计算机相连，实现磁场的自动调节。氮气瓶、带压储罐和静环开设的通孔通过管路连接，中间设置电磁阀和压力表并与计算机相连，组成润滑介质(磁流体)供给结构，为摩擦副提供可自动控制流量的磁流体润滑介质。密封结构设置在密封腔体外。

2、本发明通过改变外磁场强度来控制密封端面间铁磁流体润滑膜的粘度，从而控制润滑膜的动压，以适应操作参数(主轴转速和被密封介质压力)的变化，实现密封结构的自适应控制。

本发明具有如下优点：

按照操作条件设计的机械密封在安装后，一般不能自我调节以适应操作参数(被密封介质压力和转轴转速)的变化。本发明采用铁磁流体作为非接触式机械密封动环和静环端面间的润滑介质，利用铁磁流体粘度的可控性，在密封环端面间产生可以控制的流体动压，以适应操作参数的变化，保证密封效果。具体优点为：

(1)用外磁场控制铁磁流体粘度进而控制液膜的压力，是一种非接触式控制，无需调节弹性元件的压缩量和转轴的转速，不影响机械密封的正常运转。

(2)铁磁流体粘度的变化范围广，因此液膜压力的可调节范围广，适应能力强。随着磁场强度的增大，一般铁磁流体的粘度会增大到无磁场时的2～3倍，相应地，铁磁流体膜的压力也可提高至2～3倍。

(3)对于在役的机械密封，一般不能调节转速和密封环的压紧力来调节液膜的压力，当被密封介质压力变化时，不能做出任何响应，于是造成介质泄漏(介质压力增大)或摩擦功耗增大(介质压力减小)。本发明的自适应控制系统能保持对密封状态的监控，并及时调整磁场发生器电压以产生所需的铁磁流体膜压力。

(4)在密封结构中铁磁流体液膜压力调节过程中，粗调系统能快速确定磁场发生器的所需电压，并一步将直流电源的输出电压调节至所需电压，当被密封介质压力或转轴转速的变化幅度较大时，可缩短自适应系统的响应时间。微调系统调节磁场发生器电压的步长较小，对操作参数变化的响应时间较长，但调节精度高于粗调系统。两者结合，可在保证调节精度的同时，缩短响应时间。

附图说明:

图1为本发明磁流体动压润滑机械密封装置的结构图。

图2为设置有螺旋槽的动环端面，图2中箭头方向表示旋转方向。

图3自适应密封控制流程图。

图4磁场强度H和电流I的关系图。

图中：

1-转速传感器；2-动环密封圈；3-动环座；4-动环；5-静环；6-压力传感器a；7-静环座；8-弹性元件；9-静环密封圈；10-压力传感器b；11-密封腔体；12-转轴；13-压力传感器c；14-流量传感器；15-电磁阀；16-磁流体储罐；17-氮气瓶；18-可编程控制器；19-计算机；20-直流电源；21-磁场发生器；22-温度传感器；23-堰区；24-槽区。

具体实施方式：

实施例一：

一、铁磁流体润滑非接触式机械密封的结构

本发明的磁流体润滑的机械密封装置的结构如附图1所示。

本发明的磁流体动压润滑机械密封装置，该装置包括可编程控制器18、转轴12，以及安装在转轴12上的密封腔体11、动环座3和静环座7，密封腔体11设置在转轴12的一侧，密封腔体11的外侧设置静环座7和动环座3，静环座7上安装有静环5，动环座3上安装有动环4，动环4与静环5一端面相配合。

静环5内设置有一轴向引流孔，该引流孔一端引至动、静环的配合端面，另一端经管路连接磁流体储罐16，在动、静环配合面外部设有磁场发生器21及直流电源20，动、静环配合面间形成由磁流体润滑膜形成的密封环，静环内埋设有压力传感器a6和温度传感器22，该压力传感器a6和温度传感器22头端设于动、静环配合的密封环内，磁流体储罐16还连接有氮气瓶17，磁流体储罐16与引流孔之间的连接管路上还设有电磁阀15、压力传感器c13和流量传感器14；

密封腔体内侧设有压力传感器b10，转轴12上还安装有转速传感器1，各传感器、电磁阀和磁场发生器的直流电源分别与可编程控制器18相连。

动环4端面开设有若干微米级深度的螺旋槽，螺纹方向与动环旋转方向相同，动环的该端面与静环配合。压力传感器a6头端位于动环端面的螺旋槽的底径处。磁流体为铁磁流体。静环与转轴配合面设有静环密封圈9，动环与转轴配合面设有动环密封圈2。

磁场发生器21为环形，安装在动、静环形成的密封环的外圈。静环座7由前、后两部分，以及连接前、后部分的弹性元件8组成，前部与静环相装配，后与密封腔相配合。

如图2所示，动环端面结构图设有螺旋槽，该动环端面中设有堰区23和槽区24。

本发明装置中，各部分的作用如下：

1、该装置的左端设置一个密封腔体11，用以盛放被密封介质。

2、转轴12穿过密封腔体11的壁面深入到密封腔内，以输出或输入轴功，转轴和壁面之间需要安装机械密封以阻止腔体内介质的泄漏。

3、静环5通过与其连接的静环座7安装于密封腔体11的壁面上，静环座7内有一弹性元件8，弹性元件压紧时可提供密封环的压紧力。

4、环密封圈9用于消除静环座7与密封腔体11之间的泄漏。

5、静环5采用过盈配合连接于静环座外侧；静环5靠近外径位置处设置有一轴向引流孔，铁磁流体经由该引流孔进入动环和静环端面之间；

6、静环端面与动环螺旋槽底径对应的设置上有一微型压力传感器6和温度传感器22，其通过导线与可编程控制器18连接，用于测试液膜的压力和温度。

7、动环4亦采用过盈配合连接于动环座3上。动环密封圈2用于消除动环座4与转轴12之间的泄漏。

8、动环座3后侧设置有两个对称的卡口，卡在转轴的凹槽内，以保证动环和转轴同步转动。

9、铁磁流体储存于带压储罐16中，氮气瓶17为储罐增压，该储罐可承受1～2bar的压力。储罐内的铁磁流体在压力的作用下经由管路输送到静环5的引流孔内。该管路上串联有压力传感器13和流量传感器14，用于测试铁磁流体的输入压力、流量；该管路上的电磁阀15用于控制铁磁流体的输入流量。压力传感器13、流量传感器14和电磁阀15均与可编程控制器18通过导线连接。

10、转速传感器1安装在转轴12的右侧，通过导线与可编程控制器18连接。测试动环的转速。

11、压力传感器10埋置在静环里并通过导线与可编程控制器连接。测试被密封介质的压力。

12、在密封环的外侧安装一个环形的磁场发生器21，其通过导线与直流电源20相连接。直流电源20通过导线与可编程控制器18连接。用以施加可变的磁场。

磁场发生器21由若干组圆环形线圈构成，其轴线与密封环的轴线共线。直流电源20为磁场发生器21供电，可产生稳定的磁场，通过调节输出电压可调节磁场强度。所述的动环和静环采用具有良好导磁能力的材料(如45钢)制成，而动环座和静环座则采用不导磁或导磁能力较弱的金属材料(如316L不锈钢)制成，如此可保证磁场发生器21的磁力线穿过动环和静环，并在端面间形成均匀和稳定的感应磁场。

所述的密封环及螺旋槽的几何参数、密封环端面比压应根据操作参数(转轴的直径、转轴的转速、被密封介质的压力)确定。

13、可编程控制器(PLC)18和计算机19通过数据线连接组成数据采集和控制系统。

当转轴处于静止状态时，光滑的动环和静环端面紧密贴合，不发生泄漏。动环端面开设有若干微米级深度的螺旋槽(附图2)，当转轴驱动动环旋转时，在螺旋槽的泵送下，由静环背面进入密封环端面间的铁磁流体将充满螺旋槽及密封环端面。铁磁流体被持续泵入密封面，并在螺旋槽底径处形成高压，以抵抗被密封介质的压力。

实施例二：

本发明自适应密封控制方法

机械密封保持正常工作状态时，液膜密封压力与被密封介质的压力相当，使得被密封介质不会从密封环端面间泄漏。由于操作参数(被密封介质压力和转轴转速)发生变化会导致液膜密封压力与被密封介质的压力不相等。这时，机械密封就无法保持正常工作状态。

铁磁流体粘度会随磁场强度的变化而变化。当磁场强度增大时，铁磁流体粘度相应增大，反之，则铁磁流体粘度减小。铁磁流体粘度增大时，流体膜的压力随之增大；反之，则铁流体膜的压力减小。根据这一规律，本发明通过改变外磁场强度来控制铁磁流体润滑膜的压力使液膜密封压力与被密封介质的压力始终保持相等。同时，铁磁流体粘度的变化会导致通过堰区和槽区的介质流量发生变化，于是设置程序通过控制电磁阀调节铁磁流体供给流量，使铁磁流体的供给流量与通过堰区和槽区的介质流量相当。这样就实现了密封性能的自适应控制。在操作参数发生变化的情况下，机械密封能够保持正常的工作。

密封性能自适应控制方法(自适应控制流程如图3)，该方法包括以下步骤：

步骤一，启动程序，设置参数；

设置的参数包括：

1、磁场发生器中铜丝的电阻R，密封间隙中的磁场强度与磁场发生器线圈中的电流的比例系数K。

2、铁磁流体基载液粘度η_c，铁磁流体中分散剂链分子的平均长度δ，固相磁性颗粒的半径r_p，磁流体所含固相磁性颗粒的体积浓度固相磁性颗粒的直径d_p，真空磁导率μ₀，磁流体相对磁导率μ_r，Boltzmann常数k₀，绝对温度T(由温度传感器22测得)。

3、堰区膜厚h₁，堰宽度m₁，槽宽度m₂，螺旋角α，槽宽堰宽比ξ，为密封环的内径r_i，密封环的外径r_o，密封环的槽底径处半径r_g，(以上各参数为动环固定几何参数)。密封环内径处压力p_i(该压力值等同于密封介质压力，由压力传感器b测得)，密封环外径处压力p_o(该压力为大气压力p)。

步骤二，监测参数；

由压力传感器b测量密封腔体内被密封介质压力P_m，由转速传感器测量转轴转速n，并判断P_m和n的变化幅度；

步骤三，粗调判断；

1若被密封介质压力P_m和转轴转速n变化幅度很小(P_m变化幅度≤0.01MPa或n变化幅度≤10rad·s^-1)，则监测程序继续保持监控状态回到步骤二。

2若被密封介质压力P_m和转轴转速n变化幅度很大(P_m变化幅度＞0.01MPa或n变化幅度＞10rad·s^-1并且持续时间t≥1s)，则监测程序发出指令启动粗调程序。

粗调程序通过设置磁场发生器电压V来改变磁场强度H从而改变铁磁流体粘度η，使液膜密封压力P_n变为与被密封介质压力P_m相近的值，实现对密封结构的粗调。具体过程如下：

①仅有被密封介质压力P_m变化，且持续时间t≥1s；

若P_m变为P_m1(压力传感器b测得)，则粗调程序令液膜密封压力P_n等于P_m1，根据上诉磁场发生器电压与液膜密封压力的对应关系计算出磁场发生器所需电压值V₂。则调节磁场发生器电压至V₂，使液膜密封压力P_n变化至P_m1；

②仅有转轴转速n变化，且持续时间t≥1s；

若转速n变化为n’(转速传感器测得)，会导致液膜密封压力P_n变化为P_n1。此时，粗调程序令液膜密封压力P_n等于被密封介质压力P_m，根据上诉磁场发生器与液膜密封压力的对应关系计算出磁场发生器所需电压值V₂。则调节磁场发生器电压至V₂，使P_n1变化至P_m；

③被密封介质压力P_m和转轴转速n同时变化，且持续时间t≥1s。

若P_m变为P_m1(压力传感器b测得)，同时转轴转速n变化为n’，使液膜密封压力P_n变化为P_n1。粗调程序令液膜密封压力P_n等于P_m1，根据上诉磁场发生器与液膜密封压力的对应关系计算出磁场发生器所需电压值V₂。则调节磁场发生器电压至V₂，使P_n1变化至P_m1。

磁场发生器V与液膜密封压力P_n的对应关系如以下式(1)、式(2)、式(3)：

①根据磁场发生器电压V与磁场强度H的关系，确定磁场发生器电压V：

由于磁场发生器产生的磁场作用在密封间隙过程中，有密封环的阻隔。而密封环的磁导率是非线性的，所以采用数值模拟的方式来确定电压与密封间隙中的磁场强度H的关系。

V＝I·R  H＝I·K得 $H=\frac{\mathrm{VK}}{R}---\left(1\right)$

R为磁场发生器中铜丝的电阻，I为磁场发生器线圈中的电流，K为密封间隙中的磁场强度H与磁场发生器线圈中的电流I的比例系数。

H与V成正比例关系，是通过ANSYS有限元分析软件进行模拟计算得出的。计算结果得出电流I与密封间隙中的磁场强度H成正比关系，并且比例系数为K(由模拟结果图4得出)。

ANSYS有限元分析软件分析计算过程：首先，建立该密封结构和磁场发生器的几何模型；然后，划分网格和施加电流等边界条件；最后，分别取不同的电流值计算密封间隙的磁场大小。由计算所得数据绘制成图4。

②根据磁场强度H与铁磁流体粘度η之间的关系如下，确定磁场强度H：

η_c为铁磁流体基载液粘度，δ为铁磁流体中分散剂链分子的平均长度，r_p为固相磁性颗粒的半径，为磁流体所含固相磁性颗粒的体积浓度，d_p为固相磁性颗粒的直径，μ₀为真空磁导率，μ_r为磁流体相对磁导率，k₀为Boltzmann常数，以上各参数为铁磁流体的固定物理参数，T为铁磁流体的绝对温度(由温度传感器22测得)。

③根据铁磁流体粘度η与液膜密封压力P_n的关系，确定铁磁流体粘度η：

令槽底径处的压力为p_g，p_g＝P_n(由于在密封端面的不同位置处，流体膜的压力也不一样，最大压力出现螺旋槽的底径处。所以液膜密封压力P_n等于槽底径处的压力为p_g)。

$p_g={[1-k_1\frac{\mathrm{\π}{h}_1^3}{6\mathrm{\μ}}\frac{\ln \frac{r_g}{r_o}}{\ln \frac{r_g}{r_i}}]}^{-1}[p_o-p_i{k}_1\frac{\mathrm{\π}{h}_1^3}{6\mathrm{\μ}}\frac{\ln \frac{r_g}{r_o}}{\ln \frac{r_g}{r_i}}+\frac{1}{2}{k}_2(r_g^2-r_o^2)]---\left(3\right)$

式中

$k_1=\frac{\frac{6\mathrm{\μ}(1+\mathrm{\ξ})}{\mathrm{\π}{h}_1^3}\left[(1+H^3\frac{1}{\mathrm{\ξ}})(\cot \mathrm{\α}+\mathrm{tab\α})\right]}{H^3(\mathrm{\ξ}+\frac{1}{\mathrm{\ξ}}+2)\cot \mathrm{\α}+(1+\mathrm{\ξ}{H}^3)(1+\frac{H^3}{\mathrm{\ξ}})\tan \mathrm{\α}}$

$k_2=\frac{\frac{6\mathrm{\μ\ω}}{h_1^2}(1-H)(H^3-1)}{H^3(\mathrm{\ξ}+\frac{1}{\mathrm{\ξ}}+2)\cot \mathrm{\α}+(1+\mathrm{\ξ}{H}^3)(1+\frac{H^3}{\mathrm{\ξ}})\tan \mathrm{\α}}$

h₁为堰区膜厚，m₁为堰宽度，m₂为槽宽度，α为螺旋角，ξ为槽宽堰宽比r_i为密封环的内径，r_o为密封环的外径，r_g为密封环的槽底径处半径，以上各参数为动环的固定几何参数，n为转轴转速，ω为磁流体旋转角速度(ω＝2πn)，p_i为密封环内径处压力(该压力值等同于密封介质压力，由压力传感器b测得)，p_o为密封环外径处压力(该压力为大气压力p)，H为磁场强度，μ为密封结构中液膜粘度等于铁磁流体粘度η。

步骤四，补液判断；

粗调后，根据式(4)计算堰区和槽区的介质损失量Q，

堰区和槽区的介质损失量Q的计算公式如下；

$Q=\frac{\mathrm{\π}{h}_1^3}{6\mathrm{\μ}}\frac{p_g-p_i}{\ln \frac{r_g}{r_i}}---\left(4\right)$

其中，h₁为堰区膜厚(动环和静环之间的液膜中堰区液膜的厚度)，p_g为槽底径处的压力(液膜密封压力P_n即为槽底径处压力值p_g)，p_i为密封环内径处压力(该压力值等同于密封介质压力，由压力传感器b测得)，μ为密封结构中液膜粘度等于铁磁流体粘度η(该粘度是指粗调后计算所得的粘度，计算公式为式(2))，r_i为密封环的内径，r_g为密封环的槽底径处半径。

计算并判断Q是否超过1×10^-9m³/s；若Q没有超过1×10^-9m³/s则不进行补液；若Q超过1×10^-9m³/s则启动补液；通过控制电磁阀15、压力传感器c和流量传感器，开启磁流体储罐与引流孔之间的连接管路，向密封环补充相应的铁磁流体(补充量为Q)。

步骤五，微调判断；

1继续测量密封环处的液膜密封压力P_n2与被密封介质压力P_m2。若二者相差不超过0.01MPa，则该控制过程结束回到步骤二；

2若二者相差超过0.01MPa，则启动微调程序。

所述微调程序如下：

(1)如果P_n2>P_m2，则以0.2V的步长逐步减小磁场发生器电压，直至﹣0.01MPa≤P_n2-P_m2≤0.01MPa。若三次微调后，仍有P_n2-P_m2＜﹣0.01MPa，则以0.1V步长，增加磁场发生器电压。三次微调后仍不符，继续以前步长的一半减小电压，直至﹣0.01MPa≤P_n2-P_m2≤0.01MPa。然后至步骤二；

(2)如果P_n2＜P_m2，则以0.2V的步长逐步增大磁场发生器电压，直至﹣0.01MPa≤P_n2-P_m2≤0.01MPa。若三次微调后，仍有P_n2-P_m2>0.01MPa，则以0.1V步长，减小电压。三次微调后仍不符，继续以前步长的一半增大电压，直至﹣0.01MPa≤P_n2-P_m2≤0.01MPa。然后至步骤二。

实施例三：

步骤一，启动程序，设置参数；

1开启计算机，启动程序。

2手动控制，将设备运行开关打开。通过计算机手动控制电磁阀的开关，使密封环中产生稳定的铁磁流体液膜，使密封结构处于正常运行状态。

3设置参数。

设置的参数包括：

①输入磁场发生器中铜丝的电阻R＝0.02176Ω，密封间隙中的磁场强度与磁场发生器线圈中的电流的比例系数K＝18638。

②输入铁磁流体基载液粘度η_c＝1.1×10^-3Pa·s(以煤油为基液)，铁磁流体中分散剂链分子的平均长度δ＝8.6×10^-9m，固相磁性颗粒的半径r_p＝5×10^-9m，磁流体所含固相磁性颗粒的质量分量固相磁性颗粒的直径d_p＝10×10^-9m，真空磁导率μ₀＝1.256×10^-6T·m/A，磁流体相对磁导率μ_r＝1.256×10^-6T·m/A，Boltzmann常数k₀＝1.38×10^-23J/K(N·m/K)，绝对温度T＝293.15K(通过温度传感器测得)。

③输入堰区膜厚h₁＝10μm，螺旋角α＝0.17rad，槽宽堰宽比ξ，为密封环的内径r_i＝67mm，密封环的外径r_o＝104mm，密封环的槽底径处半径r_g＝80mm，密封环内径处压力p_i＝1.0MPa(此时密封腔体内的压力)，密封环外径处压力p_o＝0.1MPa。

步骤二，监测参数；

由压力传感器b测量密封腔体内被密封介质压力P_m，由转速传感器测量转轴转速n，并判断P_m和n的变化幅度；

步骤三，粗调判断；

1将密封腔体中的压力升为1.5MPa，模拟被密封介质压力P_m发生了变化。

2监测程序监测到被密封介质压力P_m增加了0.5MPa，变化幅度大于0.01MPa。发出指令启动粗调程序。

3粗调程序对参数的变化进行判别，仅有被密封介质压力P_m变化为P_m1。

粗调程序令液膜密封压力P_n等于P_m1(压力传感器b测得为1.5MPa)，并采集转速传感器测得的n值(n＝500r/min)。根据上诉磁场发生器与液膜密封压力的对应函数关系(设置在计算程序中)计算出磁场发生器所需电压值V₂为19.5V。粗调程序发出指令通过电压调节器将磁场发生器电压直接调节到19.5V，完成对密封结构的粗调。

步骤四，补液判断；

1根据设置的参数以及流量计算公式(设置在计算程序中)计算出堰区和槽区的介质损失量Q＝2.49×10^-8m³/s。

2判断Q值超过了1×10^-9m³/s，则启动补液。

流量调节程序控制电磁阀15(该电磁阀通过0-10V的电压控制流过的液体流量，电压与流量成线性关系)、压力传感器c和流量传感器，开启磁流体储罐与引流孔之间的连接管路，向密封环补充2.49×10^-8m³/s的铁磁流体。

步骤五，微调判断。

1压力传感器a测得密封间隙中液膜密封压力P_n2＝1.48MPa和压力传感器b测得的被密封介质压力P_m2＝1.5MPa传送到密封性能微调程序。

2P_n2与P_m2相差0.02MPa超过0.01MPa，则微调程序发出调节指令，对液膜密封压力进行微调。

(1)微调程序判别出P_n2＜P_m2。

(2)以0.2V的步长增大磁场发生器电压，直到电压值增加到20.3V。此时，压力传感器a测得密封间隙中液膜密封压力P_n2＝1.51MPa。微调程序计算P_m2－P_n2＝0.01MPa，得出﹣0.01MPa≤P_m2－P_n2≤0.01MPa。

(3)微调程序停止调节，返回步骤二。

结论：

1该密封结构是在传统非接触式机械密封结构的基础上做出的创兴。其安装方便，操作简单，有很好的通用性。

2密封结构的密封性能良好。在转轴转动过程中，能够保持稳定良好的密封性能。

3在工况改变时，自适应系统能够快速准确的做出响应并控制调节程序对密封性能进行调节。实现了密封结构的自适应控制，使密封结构始终能够保持最佳工作状态。

4自适应控制中，采用粗调和微调相结合的调节方式，响应时间较短，精度较高。

Claims (9)

1.一种磁流体润滑的机械密封装置，该装置包括可编程控制器、转轴，以及安装在转轴上的密封腔体、动环座和静环座，密封腔体设置在转轴的一侧，密封腔体的外侧设置静环座和动环座，静环座上安装有静环，动环座上安装有动环，动环与静环一端面相配合，其特征是：

所述静环5内设置有一轴向引流孔，该引流孔一端引至动、静环的配合端面，另一端经管路连接磁流体储罐，在动、静环配合面外部设有磁场发生器及直流电源，动、静环配合面间形成由磁流体润滑膜形成的密封环，静环内埋设有压力传感器a，该压力传感器a头端设于动、静环配合的密封环内，所述磁流体储罐还连接有氮气瓶，磁流体储罐与引流孔之间的连接管路上还设有电磁阀、压力传感器c和流量传感器；

密封腔体内侧设有压力传感器b，转轴上还安装有转速传感器，各传感器、电磁阀和磁场发生器的直流电源分别与可编程控制器相连。

2.根据权利要求1所述密封装置，其特征是：动环端面开设有若干微米级深度的螺旋槽，螺纹方向与动环旋转方向相同，动环的该端面与静环配合。

3.根据权利要求1所述密封装置，其特征是：压力传感器a头端位于动环端面的螺旋槽的底径处。

4.根据权利要求1所述密封装置，其特征是：所述磁流体为铁磁流体。

5.根据权利要求1所述密封装置，其特征是：静环与转轴配合面设有静环密封圈，动环与转轴配合面设有动环密封圈。

6.根据权利要求1所述密封装置，其特征是：磁场发生器为环形，安装在动、静环形成的密封环的外圈。

7.根据权利要求1所述密封装置，其特征是：静环座由前、后两部分，以及连接前、后部分的弹性元件组成，前部与静环相装配，后与密封腔相配合。

8.利用权利要求1-7任一所述密封装置的自适应密封控制方法，该方法包括以下步骤：

步骤一，启动程序，设置参数；

步骤二，监测参数；

由压力传感器b测量密封腔体内被密封介质压力P_m，由转速传感器测量转轴转速n，由压力传感器a测量液膜密封压力P_n，并判断P_m和n的变化幅度；

步骤三，粗调判断；

若被密封介质压力P_m变化幅度≤0.01MPa，或n变化幅度≤10rad·s^-1，则继续保持监控状态回到步骤二；

若被密封介质压力P_m变化幅度＞0.01MPa，且持续时间t≥1s；或/和转轴转速n变化幅度＞10rad·s^-1，且持续时间t≥1s；则启动粗调步骤；

所述粗调步骤如下：

①若仅有被密封介质压力P_m变化幅度＞0.01MPa，且持续时间t≥1s；

若被密封介质压力P_m变化为P_m1时，则调节磁场发生器电压，使液膜密封压力P_n变化至P_m1；

②若仅有转轴转速n变化幅度＞10rad·s^-1，且持续时间t≥1s；

若转速n变化为n’时，会导致液膜密封压力由P_n变化为P_n1，则调节磁场发生器电压，使P_n1变化至P_m；

③若被密封介质压力P_m变化幅度＞0.01MPa，且持续时间t≥1s；同时转轴转速n变化幅度＞10rad·s^-1，且持续时间t≥1s；

若被密封介质压力P_m变化为P_m1，因转速n变化为n’，使液膜密封压力P_n变化为P_n1。则调节磁场发生器电压，使P_n1变化至P_m1。

步骤四，补液判断；

粗调后，根据式(4)计算堰区和槽区的介质损失量Q，

堰区和槽区的介质损失量Q的计算公式如下；

$Q=\frac{\mathrm{\π}{h}_1^3}{6\mathrm{\μ}}\frac{p_g-p_i}{\ln \frac{r_g}{r_i}}---\left(4\right)$

其中，h₁为堰区膜厚，p_g为槽底径处的压力，p_i为密封环内径处压力，μ为密封结构中液膜粘度等于铁磁流体粘度η，r_i为密封环的内径，r_g为密封环的槽底径处半径。

计算并判断Q是否超过1×10^-9m³/s；若Q没有超过1×10^-9m³/s则不进行补液；若Q超过1×10^-9m³/s则启动补液；通过控制电磁阀15、压力传感器c和流量传感器，开启磁流体储罐与引流孔之间的连接管路，向密封环补充相应的铁磁流体。

步骤五，微调判断；

继续测量密封环处的液膜密封压力P_n2与被密封介质压力P_m2。若二者相差不超过0.01MPa，则该控制过程结束回到步骤二；

若二者相差超过0.01MPa，则启动微调程序。

所述微调程序如下：

如果P_n2>P_m2，则以0.2V的步长逐步减小磁场发生器电压至﹣0.01MPa≤P_n2-P_m2≤0.01MPa；然后至步骤二；

如果P_n2＜P_m2，则以0.2V的步长逐步增大磁场发生器电压至﹣0.01MPa≤P_n2-P_m2≤0.01MPa；然后至步骤二。

9.根据权利要求8所述控制方法，其特征是：步骤五中还包括以下步骤，

若三次微调后，仍有P_n2-P_m2＜﹣0.01MPa，则以0.1V步长，增加磁场发生器电压；

三次仍不符，继续以前步长的一半减小电压，直至﹣0.01MPa≤P_n2-P_m2≤0.01MPa；

若三次微调后，仍有P_n2-P_m2>0.01MPa，则以0.1V步长，减小磁场发生器电压；

三次仍不符，继续以前步长的一半增加电压，直至﹣0.01MPa≤P_n2-P_m2≤0.01Mpa。