CN113623399A - 一种自适应智能橡胶密封装置及其控制方法 - Google Patents

一种自适应智能橡胶密封装置及其控制方法 Download PDF

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Abstract

一种自适应智能橡胶密封装置及其控制方法，包括智能可调控的橡胶密封装置和实时监测及控制系统。橡胶密封装置包括橡胶基体、金属骨架、磁控形状记忆合金弹簧、密封唇、励磁线圈、压盖、螺钉、防尘唇、旋转轴、传感器铺设槽；实时监测及控制系统包括光纤光栅应力传感器、光纤光栅解调仪、光纤引线、控制器、电压调节器、电源。其控制方法是利用光纤光栅应力传感器对抱紧力实时监测，经调解仪识别，获得抱紧力调节量，并通过控制器控制电压调节器改变磁场强度实现弹簧的压缩与伸张，进而对密封抱紧力进行调整。本发明能够使密封界面形成稳定的润滑油膜，提升了密封件对服役环境的自适应能力，可实现长久稳定的密封，延长了密封件的使用寿命。

Description

一种自适应智能橡胶密封装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及橡塑密封领域，具体涉及一种自适应智能橡胶密封装置及其控制方法。
背景技术
橡胶成型密封是一种典型的橡塑动密封元件，以其结构简单、互换性强、密封性能良好等优点被广泛应用于各种旋转机械设备中。其基本结构一般由金属骨架、紧箍弹簧和橡胶密封三部分组成，依靠密封唇与旋转轴之间的过盈配合实现密封。密封唇与旋转轴的密封界面之间有一层流体动压油膜，油膜过厚，会导致流体泄漏；油膜太薄，因不能形成润滑油膜而导致唇口磨损。
由于密封件在服使役过程中与旋转轴存在相对运动，随运行时间的延长，密封唇产生磨损，导致密封界面的抱紧力减小，引起介质泄漏。随着众多尖端领域的快速发展，密封的服役环境趋于复杂化和极端化，通常在高压、高速和极端温度的苛刻工况下工作，势必更易导致密封失效。此外，目前大多数密封系统的控制仍需人工操作，不能实时在线调控，密封件在不同工况下的密封性能及可靠性难以保证。因此，有必要将传统密封技术与检测技术、控制技术融合，提出兼具实时监测和调控能力的智能密封系统。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种自适应智能橡胶密封装置及其控制方法，能够实时监测密封界面的抱紧力变化，为密封件的磨损补偿提供信息反馈，并通过控制装置调节进行相应的补偿，实现密封的自适应和实时控制，使密封界面形成稳定的润滑油膜，能够延长密封件的使用寿命，实现长久可靠的密封。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种自适应智能橡胶密封装置及其控制方法，包括智能可调控的橡胶密封装置和实时监测及控制系统；
所述智能可调控的橡胶密封装置包括橡胶基体1、金属骨架2、压盖3、磁控形状记忆合金弹簧4、密封唇5、励磁线圈6、螺钉7、防尘唇10、旋转轴11、传感器铺设槽12；所述金属骨架2的截面形状为“L”形，左端面均设有若干螺纹孔21；所述压盖3的截面形状为“L”形，外圆柱面加工有外螺纹32，左端面均设有若干个螺纹通孔31，并开设有与右端面连通的进线孔33、出线孔34；所述压盖3通过螺钉7、螺纹通孔31、螺纹孔21实现与金属骨架2的固定连接；所述励磁线圈6沿所述外螺纹32缠绕，分别从进线孔33、出线孔34引入、引出导线接口，所述导线接口与电源16连接，所述励磁线圈6在通电后产生磁场，通过调节所述电源16的电压大小来改变磁场强度；所述磁控形状记忆合金弹簧4在磁场作用下产生压缩或伸张，使所述密封唇5与所述旋转轴11之间的抱紧力发生改变，实现抱紧力的自调控；所述防尘唇10位于低压力介质侧，并开设有引线孔；所述密封唇5附近间隔180°开设两个轴向传感器铺设槽12；
所述实时监测及控制系统包括光纤光栅应力传感器8、光纤引线9、光纤光栅解调仪13、控制器14、电压调节器15、电源16；所述光纤光栅应力传感器8紧贴传感器铺设槽12点胶固定，并利用环氧树脂高温胶填充传感器铺设槽12，通过光纤光栅波长漂移来获取密封唇5与旋转轴11接触界面间的应变信息；所述光纤引线9从所述防尘唇10的引线孔导出，并与所述光纤光栅解调仪13连接；所述光纤光栅解调仪13用于识别波长并得到抱紧力变化信息；所述电压调节器15用于调节电源16的电压，从而改变励磁线圈6产生的磁场强度；所述控制器14用于控制电压调节器15。
进一步的：所述压盖3的材料为导磁性金属。
进一步的：所述磁控形状记忆合金弹簧4的安装中心以密封唇5所在位置为起点沿轴向往金属骨架2方向偏移，其偏移量为0.4～0.7mm。
进一步的：所述螺钉7的个数为N，N取值为4～12。
进一步的：所述光纤光栅应力传感器8的封装方式为将碳纤维配合环氧树脂胶无缝缠绕在圆柱体光纤光栅上，形成复合体，或者采用毛细钢管封装。
一种自适应智能橡胶密封装置的智能控制方法，包括如下步骤：
(1)光纤光栅应力传感器3对密封唇5与旋转轴11之间的抱紧力进行实时监测，经光纤光栅解调仪13处理后判断密封界面的接触状态变化，为抱紧力补偿提供信息反馈，将应变信息传入控制器14进行处理；当弹性体受压使光纤光栅产生应力变化时，将导致光栅周期Λ和光纤纤芯有效折射率neff变化，产生波长漂移ΔλB，光纤光栅的布拉格波长表达式为λB＝2neffΛ；波长λB与应变Δε的对应关系为ΔλB/λB＝(1-Pe)Δε，Pe为光纤光栅弹光系数，外界应力变化与波长的变化呈线性关系，根据波长λB的变化信息可以得到应力变化Δε的信息，即为抱紧力调节量；
(2)根据抱紧力调节量Δε，通过控制器14控制电压调节器15，调节电源16电压，改变输入励磁线圈6的电压值，进而改变励磁线圈6产生的磁场强度，磁控形状记忆合金弹簧4的刚度随磁场强度的变化而变化，从而实现弹簧的压缩和伸张，进而调节抱紧力大小，保持密封的稳定有效。
磁控形状记忆合金是一种新型的智能材料，既有传统记忆合金的热弹性马氏体相变，也具有铁磁相和顺磁相之间的居里转变，在磁场作用下为马氏体相，通过加热或去掉磁场的方式恢复到奥氏体相，响应速度快且易于控制。磁控形状记忆合金弹簧能够随磁场强度的变化实现弹簧的压缩与伸张，在一定磁场作用下，弹簧的压缩量能够满足抱紧力的要求，通过减小磁场，增大抱紧力，对磨损进行相应的补偿；通过增大磁场，减小抱紧力，可减少对密封唇的磨损，以此实现长久稳定的密封。
本发明的工作原理：
光纤光栅应力传感器对密封唇与旋转轴之间的抱紧力进行实时监测，经光纤光栅解调仪处理后判断密封界面的接触状态变化，为抱紧力补偿提供信息反馈，将应变信息传入控制器进行处理；弹性体受压使光纤光栅产生应力变化，导致光栅周期Λ和光纤纤芯有效折射率neff变化，产生波长漂移ΔλB，光纤光栅的布拉格波长表达式为λB＝2neffΛ；波长λB与应变Δε的对应关系为ΔλB/λB＝(1-Pe)Δε，Pe为光纤光栅弹光系数，外界应力变化与波长的变化呈线性关系，根据波长λB的变化信息可以得到应力变化Δε的信息，即为抱紧力调节量；根据抱紧力调节量Δε，通过控制器控制电压调节器，调节电源电压，改变输入励磁线圈的电压值，进而改变励磁线圈产生的磁场强度，磁控形状记忆合金弹簧的刚度随磁场强度的变化而变化，从而实现弹簧的压缩和伸张，进而调节抱紧力大小，保持密封的稳定有效。
本发明具有以下有益效果：
根据光纤光栅应力传感器实时监测抱紧力，控制器实时控制输入励磁线圈电压并调节弹簧压缩量，实现抱紧力自适应控制，可补偿密封件长期工作导致的磨损，使密封界面形成稳定的润滑油膜，提升了密封件对服役环境的自适应能力；此外，本发明具有结构简单、响应速度快、易于控制等优点，适用于工况波动频繁及高参数工况的场合，可实现抱紧力自补偿及宽温域下的可靠密封，延长了密封件的使用寿命。
附图说明
图1为本发明的截面结构二维示意图。
图2为本发明中橡胶密封装置的3/4剖面结构三维示意图。
图3为本发明中金属骨架的三维结构示意图。
图4为本发明中压盖的三维结构示意图。
图5为本发明中磁控形状记忆合金弹簧拉伸状态的三维结构示意图。
图6为本发明中磁控形状记忆合金弹簧压缩状态的三维结构示意图。
图7为本发明的控制原理图。
图中，1-橡胶基体；2-金属骨架；3-压盖；4-磁控形状记忆合金弹簧；5-密封唇；6-励磁线圈；7-螺钉；8-光纤光栅应力传感器；9-光纤引线；10-防尘唇；11-轴；12-传感器铺设槽；13-光纤光栅解调仪；14-控制器；15-电压调节器；16-电源；21-螺纹孔；31-螺纹通孔；32-外螺纹；33-进线孔；34-出线孔。
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。
参照图1至图7所示，一种自适应智能橡胶密封装置及其控制方法，包括智能可调控的橡胶密封装置和实时监测及控制系统。所述智能可调控的橡胶密封装置包括橡胶基体1、金属骨架2、压盖3、磁控形状记忆合金弹簧4、密封唇5、励磁线圈6、螺钉7、防尘唇10、旋转轴11、传感器铺设槽12；所述金属骨架2的截面形状为“L”形，左端面均设有若干螺纹孔21；所述压盖3的截面形状为“L”形，外圆柱面加工有外螺纹32，左端面均设有若干个螺纹通孔31，并开设有与右端面连通的进线孔33、出线孔34；所述压盖3通过螺钉7、螺纹通孔31、螺纹孔21实现与金属骨架2的固定连接；所述励磁线圈6沿所述外螺纹32缠绕，分别从进线孔33、出线孔34引入、引出导线接口，所述导线接口与电源16连接，所述励磁线圈6在通电后产生磁场，通过调节所述电源16的电压大小来改变磁场强度；所述磁控形状记忆合金弹簧4在磁场作用下产生压缩或伸张，使所述密封唇5与所述旋转轴11之间的抱紧力发生改变，实现抱紧力的自调控；所述防尘唇10位于低压力介质侧，并开设有引线孔；所述密封唇5附近间隔180°开设两个轴向传感器铺设槽12；所述压盖3的材料为导磁性金属；所述磁控形状记忆合金弹簧4的安装中心以密封唇5所在位置为起点沿轴向往金属骨架2方向偏移，其偏移量为0.4～0.7mm；所述螺钉7的个数为N，N取值为4～12
所述实时监测及控制系统包括光纤光栅应力传感器8、光纤引线9、光纤光栅解调仪13、控制器14、电压调节器15、电源16；所述光纤光栅应力传感器8紧贴传感器铺设槽12点胶固定，并利用环氧树脂高温胶填充传感器铺设槽12，通过光纤光栅波长漂移来获取密封唇5与旋转轴11接触界面间的应变信息；所述光纤引线9从所述防尘唇10的引线孔导出，并与所述光纤光栅解调仪13连接；所述光纤光栅解调仪13用于识别波长并得到抱紧力变化信息；所述电压调节器15用于调节电源16的电压，从而改变励磁线圈6产生的磁场强度；所述控制器14用于控制电压调节器15。所述光纤光栅应力传感器8的封装方式为将碳纤维配合环氧树脂胶无缝缠绕在圆柱体光纤光栅上，形成复合体，或者采用毛细钢管封装。
本说明书实施例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实施例所陈述的具体形式，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。

Claims (6)

1.一种自适应智能橡胶密封装置及其控制方法，包括智能可调控的橡胶密封装置和实时监测及控制系统；
所述智能可调控的橡胶密封装置包括橡胶基体(1)、金属骨架(2)、压盖(3)、磁控形状记忆合金弹簧(4)、密封唇(5)、励磁线圈(6)、螺钉(7)、防尘唇(10)、旋转轴(11)、传感器铺设槽(12)；所述金属骨架(2)的截面形状为“L”形，左端面均设有若干个螺纹孔(21)；所述压盖(3)的截面形状为“L”形，外圆柱面加工有外螺纹(32)，左端面均设有若干个螺纹通孔(31)，并开设有与右端面连通的进线孔(33)、出线孔(34)；所述压盖(3)通过螺钉(7)、螺纹通孔(31)、螺纹孔(21)实现与金属骨架(2)的固定连接；所述励磁线圈(6)沿所述外螺纹(32)缠绕，分别从进线孔(33)、出线孔(34)引入、引出导线接口，所述导线接口与电源(16)连接，所述励磁线圈(6)在通电后产生磁场，通过调节所述电源(16)的电压大小来改变磁场强度；所述磁控形状记忆合金弹簧(4)在磁场作用下产生压缩或伸张，使所述密封唇(5)与所述旋转轴(11)之间的抱紧力发生改变，实现抱紧力的自调控；所述防尘唇(10)位于低压力介质侧，并开设有引线孔；所述密封唇(5)附近间隔180°开设两个轴向传感器铺设槽(12)；
所述实时监测及控制系统包括光纤光栅应力传感器(8)、光纤引线(9)、光纤光栅解调仪(13)、控制器(14)、电压调节器(15)、电源(16)；所述光纤光栅应力传感器(8)紧贴传感器铺设槽(12)点胶固定，并利用环氧树脂高温胶填充传感器铺设槽(12)，通过光纤光栅波长漂移来获取密封唇(5)与旋转轴(11)接触界面间的应变信息；所述光纤引线(9)从所述防尘唇(10)的引线孔导出，并与所述光纤光栅解调仪(13)连接；所述光纤光栅解调仪(13)用于识别波长并得到抱紧力变化信息；所述电压调节器(15)用于调节电源(16)的电压，从而改变励磁线圈(6)产生的磁场强度；所述控制器(14)用于控制电压调节器(15)。
2.如权利要求1所述的一种自适应智能橡胶密封装置及其控制方法，其特征在于：所述压盖(3)的材料为导磁性金属。
3.如权利要求1所述的一种自适应智能橡胶密封装置及其控制方法，其特征在于：所述磁控形状记忆合金弹簧(4)的安装中心以密封唇(5)所在位置为起点沿轴向往金属骨架(2)方向偏移，其偏移量为0.4～0.7mm。
4.如权利要求1所述的一种自适应智能橡胶密封装置及其控制方法，其特征在于：所述螺钉(7)的个数为N，N取值为4～12。
5.如权利要求1所述的一种自适应智能橡胶密封装置及其控制方法，其特征在于：所述光纤光栅应力传感器(8)的封装方式为将碳纤维配合环氧树脂胶无缝缠绕在圆柱体光纤光栅上，形成复合体，或者采用毛细钢管封装。
6.上述任意一项权利要求所述的一种自适应智能橡胶密封装置及其控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)光纤光栅应力传感器对密封唇与旋转轴之间的抱紧力进行实时监测，经光纤光栅解调仪处理后判断密封界面的接触状态变化，为抱紧力补偿提供信息反馈，将应变信息传入控制器进行处理；当弹性体受压使光纤光栅产生应力变化时，将导致光栅周期Λ和光纤纤芯有效折射率neff变化，产生波长漂移ΔλB，光纤光栅的布拉格波长表达式为λB＝2neffΛ；波长λB与应变Δε的对应关系为ΔλB/λB＝(1-Pe)Δε，Pe为光纤光栅弹光系数，外界应力变化与波长的变化呈线性关系，根据波长λB的变化信息可以得到应力变化Δε的信息，即为抱紧力调节量；
(2)根据抱紧力调节量Δε，通过控制器控制电压调节器，调节电源电压，改变输入励磁线圈的电压值，进而改变励磁线圈产生的磁场强度，磁控形状记忆合金弹簧的刚度随磁场强度的变化而变化，从而实现弹簧的压缩和伸张，进而调节抱紧力大小，保持密封的稳定有效。
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