CN113944756B - 一种基于铰链结构的间隙可控机械密封装置 - Google Patents

Abstract

一种基于铰链结构的间隙可控机械密封装置，包括机械密封装置和端面间隙调控装置；机械密封装置包括外壳组件、静环组件、动环组件和转轴；外壳组件间隙套设于转轴上；静环组件包括静环座、静环，静环座间隙套设在转轴上；静环面向动环组件设有静环密封面，在静环密封面与静环的后端部之间形成一铰链结构；动环组件包括从高压侧往低压侧依次同轴套在转轴上的弹簧座、推环和动环，动环面向静环设有动环密封面，动环密封面与静环密封面之间形成密封间隙；端面间隙调控装置包括监测机构和控制机构，监测机构包括超声波换能器和流量计；控制机构包括压电驱动器、信号调理器以及微处理器。本发明的有益效果是：能控制密封间隙大小，密封端面稳定润滑。

Description

一种基于铰链结构的间隙可控机械密封装置

技术领域

本发明属于流体输送设备轴端动密封技术领域，具体涉及一种基于铰链结构的间隙可控机械密封装置，能够实现密封端面间隙的可控性，以保证密封端面液膜稳定润滑和低泄漏性能。

背景技术

装备智能化发展是未来的发展趋势，而机械密封的智能化是装备智能化中不可或缺的关键环节之一，也是有效解决高端装备机械密封现有问题、发展机械密封新功能的迫切需要和战略性发展方向。

随着工业的快速发展，机械密封装置往往工作于非最佳膜厚下，且时常经历瞬态工况，比如启停导致的压力、温度波动和速度变化等。这些工况条件通常会造成密封端面接触磨损，造成泄漏。在这种问题的困扰下，可控机械密封技术应运而生，它通过先进的控制、监测技术弥补上述不足，提高了安全可靠性，对于工程实际来说具有重要的现实意义。

对于可控型机械密封的研究，上世纪七十年代美国专利US3628799公布了一种可有效控制泄漏的机械密封装置。将密封间隙中的流体引入静环后的腔室，与被密封介质压力在静环内外形成压力差，从而改变密封间隙的形状，控制泄漏率。但是其腔室的压力变化范围较小，只能被动变化，自适应能力较差。

目前为止，可控机械密封虽已发展了数十年，但却迟迟没有大规模的使用。现今国内外研究的可控密封集中于对单一结构参数的监测与控制，系统只能在特定工况下运行，自适应能力较差，还需要人工操作；此外控制系统过于复杂，安全可靠性差，导致整个装置难以持续稳定运行。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述问题，提供一种基于铰链结构的间隙可控机械密封装置，结构简单，能够实现密封间隙大小可控，且可保证密封端面稳定润滑和低泄漏实现。

本发明由以下技术方案实现：

一种基于铰链结构的间隙可控机械密封装置，其特征在于：包括机械密封装置和端面间隙调控装置；

所述机械密封装置包括外壳组件、静环组件、与静环组件相配合并用于密封的动环组件以及用于带动动环组件周向转动的转轴；所述外壳组件间隙套设于所述转轴上，并在外壳组件和转轴之间形成安装腔；所述静环组件和所述动环组件设置于所述外壳组件与所述转轴之间的安装腔中；所述静环组件设置于安装腔的低压侧，包括静环座、密封装在静环座内的静环，所述静环座间隙套设在所述转轴上；所述静环通过静环座密封固装于所述外壳组件的低压侧，所述静环面向动环组件设有静环密封面，所述静环的前端部沿静环径向设有一连通静环外环面的静环凹槽，在所述静环密封面与静环的后端部之间形成一铰链结构；所述动环组件设置于安装腔的高压侧，包括从高压侧往低压侧依次同轴套在转轴上的弹簧座、推环和动环，所述弹簧座与所述转轴紧固连接；所述推环密封套接于所述转轴上，并通过传动销钉与所述弹簧座相连接；在弹簧座和推环之间的所述传动销钉上套设弹簧，弹簧的两端分别与弹簧座和推环抵接；所述动环密封固装在所述推环中，所述动环面向静环设有可与静环密封面对应的动环密封面，动环密封面与静环密封面之间形成密封间隙；

所述端面间隙调控装置包括监测机构和控制机构，所述监测机构包括超声波换能器和流量计，所述超声波换能器设置于所述静环凹槽中，并贴合静环密封面的背面；所述流量计设置于外壳组件低压侧与所述转轴的间隙出口处；所述控制机构包括压电驱动器、信号调理器以及微处理器，所述压电驱动器设置于所述静环的静环外环面与外壳组件之间，并且所述压电驱动器的轴向伸缩端分别与所述静环密封面的背面、所述静环座相连；所述信号调理器的信号输入端分别与所述超声波换能器的信号输出端、流量计的信号输出端电连接，所述信号调理器的信号输出端与所述微处理器的信号输入端电连接，所述微处理器的信号输出端通过电压分配器与所述压电驱动器的控制端、所述超声波换能器的控制端电连接。

进一步，所述外壳组件包括机械壳体和密封压盖，所述机械壳体间隙套合在所述转轴上；所述密封压盖密封紧装在机械壳体的低压端开口处，并且所述密封压盖与套设于转轴上的静环座密封连接，使得靠近低压侧的整个静环与静环座、密封压盖一同形成密封。

进一步，所述静环座面向静环的前端面上设有卡槽，并在卡槽与静环外环面接触的槽壁沿径向设有一突起结构，所述突起结构插入所述静环外环面上的插槽内，以旋转卡扣的形式限制静环的轴向位移。

进一步，所述压电驱动器设置于静环外环面上，包括锥形尾帽、半球端帽、平面端帽、压电晶体和电极片，所述平面端帽与静环座的前端面相粘结；所述锥形尾帽与所述静环密封面的背面相连接；所述半球端帽插入锥形尾帽的凹槽内；所述半球端帽与所述平面端帽之间设置若干压电晶体和电极片，且所述压电晶体和所述电极片沿轴向交替设置于半球端帽与所述平面端帽之间，且所述电极片通过所述电压分配器与所述微处理器的信号输出端电连接。

进一步，所述监测机构还包括第一热电偶和第二热电偶，所述第一热电偶设置于所述安装腔中，所述第二热电偶设置于所述动环面向静环与静环密封面之间的密封间隙出口处，并且所述第一热电偶的信号输出端、所述第二热电偶的信号输出端均与所述信号调理器的信号输入端电连接。

进一步，所述静环与静环座之间的间隙、静环座与密封压盖之间的间隙、静环与密封压盖之间的间隙处均配装O形密封圈，形成二级密封。

进一步，所述铰链结构的内径环面上设有用于卡入O形密封圈的环形凹槽。

本发明所述的一种基于铰链结构的间隙可控机械密封装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)超声波换能器通过高频超声波检测间隙液膜厚度或摩擦状态；同时第一热电偶、第二热电偶分别测量安装腔内和密封间隙出口处温度；

2)信号调理器将超声波换能器测得的超声波信号、第一热电偶、第二热电偶测得的温度信号转换成微处理器能识别的数字信号；

3)微处理器将获取的数字信号进行计算、并与标准数据库对比得到对应的密封间隙值；

4)微处理器向压电驱动器输出对应的电流，激励和控制压电驱动器，压电驱动器的轴向长度发生变化，从而调控具有铰链结构的静环密封面变形，直至超声波换能器不再反馈信号，且泄漏率小于预定值。

本发明具有以下有益的技术效果：能实现用较低的代价控制密封间隙的目的，具有结构简单，可控性高的优点。使用超声波换能器检测密封间距，压电驱动器作为控制端，以保证密封端面流体稳定润滑和低泄漏性能。同时将信息化技术引入，提高了机械密封装置的智能化。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的机械密封装置的示意图；

图3是本发明的端面间隙调控装置的结构图；

图4是本发明的动环和静环结构图；

图5是本发明的压电驱动器结构示意图；

图6为图1的A-A方向超声波换能器和压电驱动器排列方式示意图；

图7a、图7b和图7c为静环与静环座的连接方式示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

参照附图：

实施例1本发明所述的一种基于铰链结构的间隙可控机械密封装置，包括机械密封装置100和端面间隙调控装置200；

所述机械密封装置100包括外壳组件110、静环组件120、与静环组件相配合并用于密封的动环组件130以及用于带动动环组件周向转动的转轴1；所述外壳组件110间隙套设于所述转轴1上，并在外壳组件110和转轴1之间形成安装腔；所述静环组件120和所述动环组件130设置于所述外壳组件110与所述转轴1之间的安装腔中；所述静环组件120设置于安装腔的低压侧25，包括静环座4、密封装在静环座内的静环2，所述静环座4间隙套设在所述转轴1上；所述静环2通过静环座4密封固装于所述外壳组件110的低压侧，所述静环2面向动环组件130设有静环密封面206，所述静环2的前端部沿静环径向设有一连通静环外环面的静环凹槽208，在所述静环密封面206与静环的后端部之间形成一铰链结构210；所述动环组件130设置于安装腔的高压侧24，包括从高压侧往低压侧依次同轴套在转轴上的弹簧座8、推环5和动环3，所述弹簧座8通过紧定螺钉9与所述转轴1紧固连接；所述推环5密封套接于所述转轴1上，并通过传动销钉27与所述弹簧座8相连接；在弹簧座8和推环5之间的所述传动销钉27上套设弹簧7，弹簧7的两端分别与弹簧座8和推环5抵接；所述动环3通过传动销6周向密封固装在所述推环5中，所述动环3面向静环设有可与静环密封面对应的动环密封面，动环密封面与静环密封面之间形成密封间隙；

所述端面间隙调控装置200包括监测机构和控制机构，所述监测机构包括超声波换能器19和流量计26，所述超声波换能器19设置于所述静环凹槽208中，并贴合静环密封面206的背面；所述流量计26设置于外壳组件110低压侧与所述转轴1的间隙出口处；所述控制机构包括压电驱动器20、信号调理器21以及微处理器22，所述压电驱动器20设置于所述静环2的静环外环面与外壳组件110之间，并且所述压电驱动器20的轴向伸缩端分别与所述静环密封面206的背面、所述静环座4相连；所述信号调理器21的信号输入端分别与所述超声波换能器19的信号输出端、流量计26的信号输出端电连接，所述信号调理器21的信号输出端与所述微处理器22的信号输入端电连接，所述微处理器22的信号输出端通过电压分配器23与所述压电驱动器20的控制端、所述超声波换能器19的控制端电连接。

所述动环3采用硬耐磨材料，静环2采用柔性耐磨材料。超声波换能器19由PZT材料制成，以横向模式工作。压电驱动器20由压电晶体与电极材料交替堆叠而成，通过电流后会产生轴向变形。

如图4所示为带铰链结构的静环，所述铰链结构210设置于所述静环2的内径侧，该铰链结构210由静环整体切削而成，静环凹槽208较深，超声波换能器19设置于其中；环形凹槽209呈半圆形，一个O形密封圈置于其中，起到铰链结构缓冲，防止应力集中的作用，还兼具密封效果。在此结构下，静环密封面206变形更加容易偏转，提高了密封间隙大小的可控性。所述静环密封面206设计有预加工锥度β。在静环2上预设锥度可形成有效静压效应，静环密封面与动环密封面之间形成稳定润滑液膜，防止密封端面的接触磨损。该润滑膜应具有正刚度，以使得当膜厚减小时，开启力增加，或者是当膜厚增加时，开启力减小，此时机械密封方能稳定工作，这就要求润滑膜必须是收敛的。

所述外壳组件110包括机械壳体16和密封压盖13，所述机械壳体16间隙套合在所述转轴1上，所述机械壳体的高压端中心设有供转轴通过的通孔，机械壳体16的低压端开口，并在低压端部设有注油孔；所述密封压盖13密封紧装在机械壳体16的低压端开口处，并且所述密封压盖13利用螺钉28与静环座4固定连接，并在密封压盖13与静环座4之间用O形密封圈进行密封，使得靠近低压侧的整个静环与静环座、密封压盖一同形成密封。

所述静环座4面向静环2的前端面上设有卡槽，并在卡槽与静环外环面接触的槽壁沿径向设有一突起结构29，所述突起结构29插入所述静环外环面上的插槽内，以旋转卡扣的形式限制静环的轴向位移。

所述压电驱动器20设置于静环外环面上，包括锥形尾帽201、半球端帽202、平面端帽205、压电晶体203和电极片204，所述平面端帽205与静环座4的前端面相粘结；所述锥形尾帽201与所述静环密封面206的背面相连接；所述半球端帽202插入锥形尾帽201的凹槽内；所述半球端帽202与所述平面端帽205之间设置若干压电晶体203和电极片204，且所述压电晶体203和所述电极片204沿轴向交替设置于半球端帽202与所述平面端帽205之间，且所述电极片204通过所述电压分配器23与所述微处理器22的信号输出端电连接。若密封装置运行工况发生变化，压电驱动器20便能伸长或压缩变形，以改变间隙大小。同时因为杠杆原理，压电驱动器20应用少许的力便能达到要求，减少了大电流的使用，提高了密封装置安全性。

所述监测机构还包括用于测量被密封流体温度的第一热电偶17和第二热电偶18，所述第一热电偶17设置于所述安装腔中，所述第二热电偶18设置于所述动环面向静环与静环密封面之间的密封间隙出口处，并且所述第一热电偶的信号输出端、所述第二热电偶的信号输出端均与所述信号调理器的信号输入端电连接。

所述推环5与动环之间的间隙、所述静环2与静环座4之间的间隙、静环座4与密封压盖13之间的间隙、静环2与密封压盖13之间的间隙处、密封压盖13与机械壳体16之间的间隙处均配装O形密封圈(10、11、12、14、15)，形成二级密封。

所述铰链结构210的内径环面上设有用于卡入O形密封圈的环形凹槽，O形密封圈置于其中，起到铰链结构缓冲，防止应力集中的作用。

图6所示为本发明A-A方向压电驱动器和超声波换能器19的排列布局样式。外面的六个大圈为压电驱动器20，里面的12个小圈为超声波换能器19。其中换能器有两种布局样式。样式(Ⅰ)为换能器在驱动器的正下方，并与压电驱动器20保持一定距离，呈圆周阵列分布；样式(Ⅱ)为换能器与驱动器在圆周方向上有30°的夹角，与两个驱动器的距离相等，呈圆周阵列分布。

图7a、图7b和图7c为静环与静环座的连接方式示意图，其中图7a中静环通过连接螺栓与静环座相连接；图7b中静环通过突起结构与静环座连接；图7c中静环的齿与静环座的齿啮合，实现静环座与静环的连接。

实施例2本发明所述的一种基于铰链结构的间隙可控机械密封装置的控制方法，包括以下步骤：

1)超声波换能器19通过高频超声波检测间隙液膜厚度或摩擦状态；同时第一热电偶17、第二热电偶18分别测量安装腔内和密封间隙出口处温度；

2)信号调理器21将超声波换能器19测得的超声波信号、第一热电偶和第二热电偶测得的温度信号转换成微处理器22能识别的数字信号；

3)微处理器22将获取的数字信号进行计算、并与标准数据库对比得到对应的密封间隙值；

4)微处理器22向压电驱动器20输出对应的电流，激励和控制压电驱动器，压电驱动器20的轴向长度发生变化，从而调控具有铰链结构的静环密封面变形，直至超声波换能器19不再反馈信号，且泄漏率小于预定值。

具体的，机械密封工作时，动环3通过传动销6、推环5、弹簧7、弹簧座8、紧定螺钉9固定于转轴1上，随转轴1一同旋转，静环2通过静环座4安装在密封压盖13上。在流体静压作用下，动环3与静环2之间的密封间隙内存在一层稳定的流体润滑膜，避免密封环的接触磨损。若机械密封工作时，密封间隙理想锥度为β，将静环密封面206的预锥度设计为α(α>β)。在开始运行前，施加一定电压于压电驱动器，让压电晶体203沿轴向伸长变形，推动静环密封面206形成锥度β，以适应运行工况。这样更有利于扩大密封间隙的控制范围。超声波换能19产生一个已知的频率和振幅的超声波横波，通过监测界面传输或反射后波的振幅，检测润滑膜的厚度和密封端面之间的接触程度。如果密封表面被润滑膜隔开，波主要会被反射，但如果它们相互接触，就会形成一条传播路径，波就会部分传播。第一热电偶17和第二热电偶18所测得的温度信号输入信号调理器21内，与超声波信号一同传输至微处理器22计算；所述流量计26用来测量密封装置的泄漏率，反馈泄漏率信号以指导控制系统是否继续运行。而压电驱动器20在电流作用下会发生轴向变形，推动静环密封面206发生偏转，从而改变静环密封面206与动环密封面之间的密封间隙大小，以适应不同的密封运行状态，确保密封端面非接触运行。压电驱动器响应快，精度高，能快速高效的实现密封间隙的控制。如图3所示，压电驱动器的前端有锥形尾帽201和半球端帽202，后端有平面端帽205，其中半球端帽202插入锥形尾帽201中，使得压电驱动器20变形产生的力可以均匀分布在静环密封面206上，密封间隙大小变化更均匀。信号调理器21接收超声波和温度信号，将其转换为数字信号，传递给微处理器22，微处理器22将信号与标准数据库对比，结合相应的控制策略，配合泄漏率检测值，得到对应的密封间隙值，释放电压信号给电压分配器，电压分配器输出控制电压给压电驱动器，改变静环密封面206的斜率，直至超声波换能器19不再反馈信号，且控制泄漏率小于预定值，也可以输出高频电压给超声波换能器，以维持其运转。

本说明书实施例所述的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)

1.一种基于铰链结构的间隙可控机械密封装置，其特征在于：包括机械密封装置和端面间隙调控装置；

所述机械密封装置包括外壳组件、静环组件、与静环组件相配合并用于密封的动环组件以及用于带动动环组件周向转动的转轴；所述外壳组件间隙套设于所述转轴上，并在外壳组件和转轴之间形成安装腔；所述静环组件和所述动环组件设置于所述外壳组件与所述转轴之间的安装腔中；所述静环组件设置于安装腔的低压侧，包括静环座、密封装在静环座内的静环，所述静环座间隙套设在所述转轴上；所述静环通过静环座密封固装于所述外壳组件的低压侧，所述静环面向动环组件设有静环密封面，所述静环的前端部沿静环径向设有一连通静环外环面的静环凹槽，在所述静环密封面与静环的后端部之间形成一铰链结构；所述动环组件设置于安装腔的高压侧，包括从高压侧往低压侧依次同轴套在转轴上的弹簧座、推环和动环，所述弹簧座与所述转轴紧固连接；所述推环密封套接于所述转轴上，并通过传动销钉与所述弹簧座相连接；在弹簧座和推环之间的所述传动销钉上套设弹簧，弹簧的两端分别与弹簧座和推环抵接；所述动环密封固装在所述推环中，所述动环面向静环设有可与静环密封面对应的动环密封面，动环密封面与静环密封面之间形成密封间隙；

所述端面间隙调控装置包括监测机构和控制机构，所述监测机构包括超声波换能器和流量计，所述超声波换能器设置于所述静环凹槽中，并贴合静环密封面的背面；所述流量计设置于外壳组件低压侧与所述转轴的间隙出口处；所述控制机构包括压电驱动器、信号调理器以及微处理器，所述压电驱动器设置于所述静环的静环外环面与外壳组件之间，并且所述压电驱动器的轴向伸缩端分别与所述静环密封面的背面、所述静环座相连；所述信号调理器的信号输入端分别与所述超声波换能器的信号输出端、流量计的信号输出端电连接，所述信号调理器的信号输出端与所述微处理器的信号输入端电连接，所述微处理器的信号输出端通过电压分配器与所述压电驱动器的控制端、所述超声波换能器的控制端电连接；

所述压电驱动器设置于静环外环面上，包括锥形尾帽、半球端帽、平面端帽、压电晶体和电极片，所述平面端帽与静环座的前端面相粘结；所述锥形尾帽与所述静环密封面的背面相连接；所述半球端帽插入锥形尾帽的凹槽内；所述半球端帽与所述平面端帽之间设置若干压电晶体和电极片，且所述压电晶体和所述电极片沿轴向交替设置于半球端帽与所述平面端帽之间，且所述电极片通过所述电压分配器与所述微处理器的信号输出端电连接。

2.如权利要求1所述的一种基于铰链结构的间隙可控机械密封装置，其特征在于：所述外壳组件包括机械壳体和密封压盖，所述机械壳体间隙套合在所述转轴上；所述密封压盖密封紧装在机械壳体的低压端开口处，并且所述密封压盖与套设于转轴上的静环座密封连接。

3.如权利要求1所述的一种基于铰链结构的间隙可控机械密封装置，其特征在于：所述静环座面向静环的前端面上设有卡槽，并在卡槽与静环外环面接触的槽壁沿径向设有一突起结构，所述突起结构插入所述静环的静环外环面上的插槽内，用于限制静环的轴向移动。

4.如权利要求1所述的一种基于铰链结构的间隙可控机械密封装置，其特征在于：所述监测机构还包括第一热电偶和第二热电偶，所述第一热电偶设置于所述安装腔中，所述第二热电偶设置于所述动环面向静环与静环密封面之间的密封间隙出口处，并且所述第一热电偶的信号输出端、所述第二热电偶的信号输出端均与所述信号调理器的信号输入端电连接。

5.如权利要求1所述的一种基于铰链结构的间隙可控机械密封装置，其特征在于：所述推环与动环之间的间隙、所述静环与静环座之间的间隙、静环座与密封压盖之间的间隙、静环与密封压盖之间的间隙处、密封压盖与机械壳体之间的间隙处均配装O形密封圈。

6.如权利要求5所述的一种基于铰链结构的间隙可控机械密封装置，其特征在于：所述铰链结构的内径环面上设有用于卡入O形密封圈的环形凹槽。