CN108571589B - 机械密封装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种机械密封装置。所述机械密封装置包括套设于转轴的动环和静环。所述静环包括第一端面。所述动环包括第二端面。所述第一端面和所述第二端面相对设置。所述第一端面或所述第二端面设置有螺旋槽。所述第一端面和/或所述第二端面设置有使所述动环和所述静环接触时产生声发射信号的摩擦结构。所述静环进一步包括用于感测所述第一端面和所述第二端面之间产生的声发射信号的监测装置。通过所述监测装置可以有效监测动环和静环的接触情况，提高监测的准确性。

Description

机械密封装置

技术领域

本发明涉及机械领域，特别是涉及一种机械密封装置。

背景技术

机械密封一般用作旋转机械设备的轴端密封，其由一对或数对动环与静环(均称为密封环)组成相对旋转的端面摩擦副。由于摩擦副的动环与静环间隙很小，从而使动密封得以实现。此外，静止或微动的泄漏通道由副密封件阻隔。

作为关键的轴端密封元件，机械密封的失效可能带来恶劣的经济损失甚至人员伤亡。传统的机械密封无法有效了解摩擦副工作时接触的情况，无法在摩擦副发生故障的初期及时进行补救，从而造成较大的损失。

发明内容

基于此，有必要针对传统的机械密封无法有效了解动环和静环的接触情况的问题，提供一种能够有效了解动环和静环的接触情况的机械密封装置。

一种机械密封装置，包括套设于转轴的动环和静环，所述静环包括第一端面，所述动环包括第二端面，所述第一端面和所述第二端面接触设置，所述第一端面或所述第二端面设置有螺旋槽，所述静环进一步包括用于感测所述第一端面和所述第二端面之间产生的声发射信号的监测装置。

在其中一个实施例中，所述第一端面和所述第二端面之间进一步设置有多个摩擦结构，所述多个摩擦结构设置于所述第一端面和/或所述第二端面。

在其中一个实施例中，当所述螺旋槽设置于所述第二端面时，多个所述摩擦结构的设置位置包括：在所述第一端面的边缘设置，在所述第二端面的内径的边缘沿周向间隔设置或同时设置在上述位置。

在其中一个实施例中，所述螺旋槽设置于所述第一端面，多个所述摩擦结构的设置位置包括：在所述第二端面的边缘设置，在所述第二端面的内径的边缘沿周向间隔设置或同时设置在上述位置。

在其中一个实施例中，多个所述摩擦结构均匀间隔设置，或沿所述第一端面或所述第二端面的周向非均匀间隔设置。

在其中一个实施例中，所述摩擦结构为凸起、凹槽或涂层。

在其中一个实施例中，所述监测装置为声发射传感器。

在其中一个实施例中，所述监测装置设置于所述静环的内部或所述静环远离所述动环的一端。

在其中一个实施例中，所述监测装置远离所述动环的一端设置有用于减少周边振动对所述监测装置干扰的阻隔元件。

在其中一个实施例中，多个所述监测装置均匀间隔设置于所述静环。

在其中一个实施例中，所述第一端面和/或第二端面进一步设置有微米级的密封增强结构，所述密封增强结构包括波度结构、锥度结构及凹坑结构中的一种或几种。

所述机械密封装置在摩擦副设置摩擦结构，通过摩擦结构和螺旋槽、摩擦结构和摩擦结构之间的相互摩擦产生声发射信号，通过监测装置监测声发射信号。通过所述监测装置可以有效监测动环和静环的接触情况，提高监测的准确性。

附图说明

图1为本发明一个实施例提供的一种机械密封装置中监测装置设置于静环的结构示意图；

图2为本发明一个实施例提供的一种机械密封装置的静环的第一端面的外径的摩擦结构均匀排布示意图；

图3为本发明一个实施例提供的一种机械密封装置的动环的第二端面螺旋槽排布示意图；

图4为本发明一个实施例提供的一种机械密封装置的静环的第一端面的内径和外径的摩擦结构排布示意图；

图5为本发明一个实施例提供的一种机械密封装置的动环的第二端面摩擦结构排布示意图；

图6为本发明一个实施例提供的一种机械密封装置的静环的第一端面摩擦结构不均匀排布示意图；

图7为本发明一个实施例提供的一种机械密封装置的静环的第一端面的波度结构的示意图；

图8为本发明一个实施例提供的一种机械密封装置的静环的第一端面的锥度结构的示意图；

图9为本发明一个实施例提供的一种机械密封装置的动环的第二端面设置有凹坑结构的示意图；

图10为本发明一个实施例提供的一种机械密封装置中监测装置设置于动环的结构示意图；

图11为本发明一个实施例提供的一种机械密封装置的监测装置设置于动环的分布结构的示意图。

附图标记说明

机械密封装置10、机械密封装置20、监测装置100、接收装置110、静环200、第一端面210、阻隔元件300、动环400、第二端面410、螺旋槽411、弹性元件500、副密封600、静环座700、密封腔体800、轴套900、转轴910、摩擦结构920，锥度结构930、锥台931、波度结构940、凹坑结构950。

具体实施方式

为了使本发明的发明目的、技术方案及技术效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明的具体实施例进行描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参见图1-3，本发明实施例提供的一种机械密封装置10。所述静环200包括第一端面210，所述动环400包括第二端面410。所述第一端面210和所述第二端面410接触设置。所述第一端面210或所述第二端面410设置有螺旋槽411。所述机械密封装置10进一步包括用于感测所述第一端面210和所述第二端面410之间产生的声发射信号的监测装置100。

设置于所述第一端面210的所述螺旋槽411与所述第二端面410接触、或设置于所述第二端面410的螺旋槽411与所述第一端面210接触时会产生声发射信号。所述监测装置100可以实时监测声发射信号。通过所述监测装置100可以有效监测所述动环400和所述静环200的接触情况，提高监测的准确性。

材料内部产生微裂纹或微裂纹扩展时，会以弹性波(即应力波)的形式释放能量，即产生声发射信号。有时声发射也被称为“应力波发射”。机械密封端面接触摩擦产生的声发射信号(摩擦声发射)不仅容易测得，而且易从各种背景噪声中分离，因而适合在工业现场等较复杂的环境下使用。声发射信号能够携带频率分布信息，因而可以通过滤波来排除噪声，从而提高了测量的准确性。利用这些信息可以更深入地分析端面的工作状态。

所述监测装置100用于将所述第一端面210和所述第二端面410接触时所述摩擦结构920产生的周期性的声发射信号变化特征转换为电信号。所述监测装置100相对于所述静环200静止。通过分析所述电信号的变化可以得到测点处的信号幅值，也可以得到声发射信号的频率、周期。通过所述电信号也可以区分不同材料的摩擦振动的频率。所述监测装置100可以为声发射传感器、加速度传感器和电涡流位移传感器等。

可以理解，所述监测装置100可以设置在所述静环200或所述动环400的内部，也可以设置在所述静环200或所述动环400工作区域的附近，只要所述监测装置100能够感测到所述静环200和所述动环400之间产生的声发射信号即可。所述监测装置100的数量也可以为多个。

在其中一个实施例中，多个所述监测装置100均匀间隔设置于所述静环200。多个所述监测装置100能够具有更多的信号采集点。

旋转机械设备通常会通过转轴910向外界传输动力。所述转轴910的一端位于所述旋转机械设备内部，另一端伸出所述旋转机械设备。在所述转轴910伸出所述旋转机械设备的端口通常会存在圆周的间隙。旋转机械设备中的介质(如润滑油等)会从所述间隙向外部泄露。所述机械密封装置10用于防止旋转机械设备中的介质向外部泄露。

旋转机械设备工作中需要密封介质，在所述静环200和所述动环400相对旋转过程中，在所述静环200和所述静环400之间会形成流体膜。所述流体膜会产生流体静压效应和流体动压效应。流体静压效应和流体动压效应都能够给流体膜带来稳定性。当膜厚减小时，流体静压效应和流体动压效应都具有将所述静环200和所述动环400向两侧推开以增强流体膜厚度的功能。

请参见图1，所述机械密封装置10还可以包括静环座700、轴套900、弹性元件500和副密封600。所述静环200可以设置于所述静环座700的一端。所述弹性元件500设置于所述静环座700和所述静环200之间。所述弹性元件500的一端可以固定于所述静环座700。所述弹性元件500的另一端可以抵接于所述静环200。所述弹性元件500可以使所述静环200靠近所述动环400。所述轴套900可以设置于所述转轴910靠近所述动环400的一端。所述动环400可以固定设置于所述轴套900。所述副密封600可以用来密封所述静环座700和所述静环200之间的空隙。所述副密封600可以是密封圈。所述动环400和所述静环200依次套设于所述转轴910，并位于所述转轴910伸出所述旋转机械设备的端口位置。

这里对旋转机械设备的机械密封装置10的工作状态进行说明：所述转轴910静止时，所述弹性元件500推动所述静环200靠近所述动环400。所述第一端面210和所述第二端面410相互接触。所述转轴910启动时，所述转轴910可以带动所述轴套900和所述动环400旋转。所述静环200相对所述转轴910静止。当所述动环400转动达到一定速率后，在所述螺旋槽411的作用下，所述第一端面210和所述第二端面410逐渐分离并形成一层稳定的流体膜。所述旋转机械设备内的介质不能从所述流体膜中流出。所述流体膜增强了所述第一端面210和所述第二端面410的密封效果。所述第一端面210和所述第二端面410为圆环形，具有内径和外径。所述摩擦结构920设置于所述外径的边缘时，能够在所述第一端面210和所述第二端面410的外径接触时产生周期性的声发射信号变化特征。经过对所述声发射信号变化特征的分析可以确定摩擦位置发生在所述外径。

请参见图2-6，在其中一个实施例中，所述第一端面210和所述第二端面410之间进一步设置有多个摩擦结构920。所述多个摩擦结构920设置于所述第一端面210和/或所述第二端面410。

在其中一个实施例中，当所述螺旋槽411设置于所述第二端面410时，多个所述摩擦结构920的设置位置包括：在所述第一端面210的边缘设置，在所述第二端面410的内径的边缘沿周向间隔设置或同时设置在上述位置。

在其中一个实施例中，所述螺旋槽411设置于所述第一端面210。多个所述摩擦结构920的设置位置包括：在所述第二端面410的边缘设置，在所述第二端面410的内径的边缘沿周向间隔设置或同时设置在上述位置。

所述摩擦结构920在所述第一端面210和所述第二端面410的设置方式可以有多种：1、所述第一端面210只有外径设置有所述摩擦结构920，所述第二端面410只设置有所述螺旋槽411；2、所述第一端面210只有外径设置有所述摩擦结构920，所述第二端面410的内径设置有所述摩擦结构920；3、所述第一端面210的内径和外径都设置所述摩擦结构920，所述第二端面410只有螺旋槽411；4、所述第一端面的外径和内径都设置有所述摩擦结构920，所述第二端面的内径设置有所述摩擦结构920；5、所述第一端面210只有内径设置有所述摩擦结构920，所述第二端面410只设置有所述螺旋槽411；6、所述第一端面210只有内径设置有所述摩擦结构920，所述第二端面410的内径设置有所述摩擦结构920。

在其中一个实施例中，所述螺旋槽411设置于所述第一端面210。多个所述摩擦结构920在所述第二端面410的外径、或在所述第一端面210和所述第二端面410的内径的边缘沿周向间隔设置。本实施例的所述第一端面210和所述第二端面410的设置方式与上述实施例类似，均有多种对应的布置方式。

所述摩擦结构920可以为多个。所述摩擦结构920可以为设置在所述第一端面210和/或所述第二端面410的凸起或凹坑。所述摩擦结构920也可以为条状、块状等不同的形状。所述摩擦结构920可以分布于所述第一端面210或者所述第二端面410的不同位置。在所述旋转机械设备工作的过程中，所述第一端面210和所述第二端面410相互接触摩擦时，可以认为所述机械密封装置10发生了故障。所述摩擦结构920会参与到所述第一端面210和所述第二端面410的摩擦中，并与所述动环400或所述静环200接触。在所述动环400、所述静环200相对旋转接触的过程中，所述摩擦结构920会产生周期性的声发射信号变化特征(比如振动情况、应力大小变化等)。通过对所述周期性的声发射信号变化特征的分析，可以确定所述静环200和所述动环400的发生摩擦的位置。

所述机械密封装置10运转时，可以通过所述监测装置100采集到的信号幅值在旋转周期时间尺度上的变化趋势来判断故障的类型。在一个实施例中，所述监测装置100可以在一定间隔时间内采集一次信号幅值。在所述转轴910转动一个周期内会采集多个信号幅值点。通过对信号幅值采集点的分析可以了解到每个周期内和各周期间信号幅值的直观的变化趋势。

在开机和停机过程中，当转速低于一定的值时，会产生固体接触摩擦，从而使信号幅值显著上升。若开启转速过大，或开启过程中信号幅值变化趋势与正常的变化趋势有很大差异，则可以认为发生了故障。

所述机械密封装置10稳定运转时，所述静环200和所述动环400之间由空气膜隔开，故不会发生固体接触摩擦，信号幅值很小。稳定运转时信号幅值应很小。若稳定运转时信号幅值较大则可以认为发生了故障。

优选地，可以将电信号通过傅里叶变换转换为功率谱。所述功率谱可以包含所述转轴910的频率和各倍频谐波。综合信号形态和所述功率谱可以区分不同的故障形式。例如，当所述静环200受到较大轴向力的作用时，信号幅值增大，功率谱中主要为直流量。在平衡比过大、动压效应不足、支承弹簧过硬、支承弹簧全部卡死等情况下可能产生这样的故障模式。

在其中一个实施例中，所述第一端面210的所述摩擦结构920的数量可以为N(N为正整数)个。所述第二端面410的所述螺旋槽411的个数为M(M为正整数)个。正常工作时，所述第一端面210和所述第二端面410相互平行。出现故障时，可以参考下列判断方式：

1、信号幅值特征：从形态上看，信号持续存在，并有大量以在所述转轴910周期的1/M左右的时长为周期的起伏曲线。功率谱中会有大量M倍频谐波和M倍附近的倍频谐波。

故障可能原因：所述第一端面210朝向所述第二端面410倾斜。

故障分析：所述第一端面210朝向所述第二端面410倾斜时，所述动环400和所述静环200的外径的接触的部分会产生摩擦。所述静环200参与摩擦的部位基本不变。随着所述动环400转动，所述动环400的M个螺旋槽411之间的堰区交替参与到摩擦中。

2、信号幅值特征：从形态上看，信号持续存在，并有大量在转轴910周期的1/N左右的时长为周期的起伏曲线。功率谱中会有大量N倍频谐波和N倍附近的倍频谐波。

故障可能原因：所述第二端面410朝向所述第一端面210倾斜。

故障分析：当所述第二端面410朝向所述第一端面210倾斜时，所述动环400和所述静环200接触的部分会产生摩擦。所述动环400参与摩擦的部位基本不变。而随着所述动环400的转动，所述静环200的N个摩擦结构920交替参与到摩擦中。

可以理解,这里以所述摩擦结构920设置于所述第一端面210，所述螺旋槽411设置于所述第二端面410为例。可以理解，所述摩擦结构920设置于所述第二端面210，所述螺旋槽411设置于所述第一端面410时的分析方法与上述分析方法相同。

当以上两种故障均存在时，信号幅值和功率谱中会同时包含这两个故障因素各自单独出现时带来的特征。

所述第一端面210的内径的边缘可以设置有E(E为正整数)个所述摩擦结构920。所述第二端面410的内径的边缘可以设置有F(F为正整数)个所述摩擦结构920。由于所述第一端面210和所述第二端面410的外径处和内径处有完全不同数量的摩擦结构920，因而可以区分摩擦发生在内径处还是外径处。一般锥角很小或成负锥度时，摩擦应发生在外径处，并可以按上述实施例中所提的方式区分故障模式。但当有较大的正锥角时，摩擦发生在内径处，并可能带来E倍、F倍等倍频的谐波。可据此判断所述动环400和所述静环200中至少一个产生了较大的正锥角。可以理解，所述第一端面210或所述第二端面410的所述内径和所述外径可以同时设置有所述摩擦结构920。

在其中一个实施例中，多个所述摩擦结构920均匀间隔设置。或沿所述第一端面210或所述第二端面410的周向非均匀间隔设置。所述摩擦结构920均匀设置的方式能够根据在功率谱中产生的具有规律的特征。便于判别故障发生在外径还是内径。所述摩擦结构920非均匀间隔设置的方式产生的功率谱的特征，能够在均匀设置的所述摩擦结构920产生的功率谱的基础上进一步确定故障产生的区域。

在其中一个实施例中，所述摩擦结构920为凸起、凹槽或涂层。所述凸起和所述凹槽能够在摩擦过程中产生声发射信号的变化。在一个实施例中，所述凸起可以为2μm高的表面波纹度。所述涂层发生固体摩擦时，生成的声发射信号频率与所述静环200基体材料所产生声发射信号频率在不同的频率带上。通过对声发射信号进行滤波处理即可分别得到基体材料摩擦的信号幅值和涂层材料摩擦的信号幅值。根据信号幅值的变化即可判断故障的位置。

在一个实施例中，所述监测装置100为声发射传感器。所述声发射传感器100可以为多个，并均布于所述静环200。所述声发射传感器能够将声发射信号转换为电信号并向外界输出。工程领域中，设备裂纹的产生与扩展、接触摩擦、撞击、磨损、塑性变形、腐蚀，流体的泄漏、相变等。都可以由所述声发射传感器检测。

请参见图1，在其中一个实施例中，所述监测装置100设置于所述静环200的内部或所述静环200远离所述动环400的一端。所述监测装置100设置于所述静环200的内部可以减少对所述静环200整体形状的影响。所述监测装置100设置于所述静环200远离所述动环400的一端能够防止所述静环200靠近所述动环400时对所述监测装置100造成损坏。使用所述机械密封装置10的机械设备的密封部位和非密封部位通常具有一定的压力差。当所述监测装置100通过信号线将电信号向外界传递时，所述信号线从机械设备的低压侧引出以防止高压影响信号线的正常工作。

请参见图1，在其中一个实施例中，所述监测装置100远离所述动环400的一端设置有用于减少周边振动对所述监测装置100干扰的阻隔元件300。机械设备的大部分零部件设置于所述监测装置100远离所述动环400的一端。所述阻隔元件300用来减少来自机械设备其它部分的碰撞对信号的干扰，从而得到更高品质的端面接触信号。

请参见图7-9，在一个实施例中，所述第一端面210和/或第二端面410设置有微米级的密封增强结构。所述密封增强结构包括波度结构940、锥度结构930及凹坑结构950中的一种或几种。

所述锥度结构930可以引起流体静压效应。所述波度结构940可以带来流体动压效应。所述凹坑950也可以带来流体压力效应从而增强密封性能。

所述波度结构940和所述锥度结构930可以通过单独加工所述第一端面210构成，也可以是由所述监测装置100与所述静环200组装成型过程中造成的所述第一端面210的不均匀性构成。所述波度结构940可以是具有波浪起伏形态的端面。所述波度结构940可以为具有波高约为0.02μm-0.2μm的波度。所述微米级的锥度结构930的锥台931的高度可以为0.1μm-1μm。

所述凹坑结构950可以用于增强流体动压效应，从而增强所述动环400和所述静环200在工作过程中的稳定性。所述凹坑结构950也可以容纳所述静环200和所述动环400在工作过程中因摩擦而产生的磨屑，从而提高所述动环400和所述静环200在工作时的可靠性。所述凹坑结构950可以在所述第二端面410和/或所述第一端面210均匀布置。所述凹坑结构950的尺寸可以为微米级。请参见图9，所述螺旋槽411表面也可以设置所述凹坑结构950。

请参见图10，在一个实施例中提供了一种机械密封装置20。所述机械密封装置20的结构和技术特征与上述的机械密封装置10基本相同。区别在于：

所述监测装置100设置方式不同。本实施例中，所述监测装置100设置于所述动环400。所述监测装置100设置于所述动环400的内部以减少对所述动环400整体形状的影响。

请参见图11，所述机械密封装置20还可以包含多个所述监测装置100，所述监测装置100在同一圆周等圆心角间隔安装于所述动环400的内部。所述监测装置100的均匀设置的方式能够减少所述动环400在长期转动过程中由于偏重引起故障。

请参见图10，在一个实施例中，所述机械密封装置20还包括用于接收所述监测装置100发出的无线信号的接收装置110。所述接收装置110装设于密封腔体800。所述密封腔800是所述机械密封装置20密封的对象。所述密封腔800中可以为气体或液体。

在所述机械密封装置20运行过程中，所述监测装置100会随着动环400转动。所述监测装置100向所述接收装置110传递无线电信号。使用无线传输功能可以避免使用信号线由于缠绕的问题引起故障。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种机械密封装置，包括套设于转轴（910）的动环（400）和静环（200），所述静环（200）包括第一端面（210），所述动环（400）包括第二端面（410），所述第一端面（210）和所述第二端面（410）接触设置，所述第一端面（210）或所述第二端面设置有螺旋槽（411），其特征在于，所述静环（200）进一步包括用于感测所述第一端面（210）和所述第二端面（410）之间产生的声发射信号的监测装置（100），所述监测装置（100）设置于所述静环（200）远离所述动环（400）的一端，所述监测装置（100）远离所述动环（400）的一端设置有用于减少周边振动对所述监测装置（100）干扰的阻隔元件（300）；

所述第一端面（210）和所述第二端面（410）之间进一步设置有多个摩擦结构（920），所述多个摩擦结构（920）设置于所述第一端面（210）和/或所述第二端面（410）；

所述第一端面（210）和所述第二端面（410）接触时所述摩擦结构（920）产生周期性的所述声发射信号，所述监测装置（100）采集所述声发射信号的幅值在旋转周期时间尺度上的变化趋势来判断故障的类型。

2.如权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，当所述螺旋槽（411）设置于所述第二端面（410）时，多个所述摩擦结构（920）的设置位置包括：在所述第一端面（210）的边缘设置，在所述第二端面（410）的内径的边缘沿周向间隔设置或同时设置在上述位置。

3.如权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，所述螺旋槽（411）设置于所述第一端面（210），多个所述摩擦结构（920）的设置位置包括：在所述第二端面（410）的边缘设置，在所述第二端面（410）的内径的边缘沿周向间隔设置或同时设置在上述位置。

4.如权利要求2或3所述的机械密封装置，其特征在于，多个所述摩擦结构（920）均匀间隔设置，或沿所述第一端面（210）或所述第二端面（410）的周向非均匀间隔设置。

5.如权利要求4所述的机械密封装置，其特征在于，所述摩擦结构（920）为凸起、凹槽或涂层。

6.如权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，所述监测装置（100）为声发射传感器。

7.如权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，所述监测装置（100）远离所述动环（400）的一端设置有用于减少周边振动对所述监测装置（100）干扰的阻隔元件（300）。

8.如权利要求1所述的机械密封装置，其特征在于，所述第一端面（210）和/或第二端面（410）进一步设置有微米级的密封增强结构，所述密封增强结构包括波度结构（940）、锥度结构（930）及凹坑结构（950）中的一种或几种。