CN113944757A - 一种机械密封界面流体膜成形测控系统 - Google Patents

一种机械密封界面流体膜成形测控系统 Download PDF

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Abstract

一种机械密封界面流体膜成形测控系统，包括流体容器、机械密封机构以及液膜成形测量机构；机械密封机构包括静环组件和动环组件，静环组件包括静环座和装在静环座内的静环，静环座密封装于凹腔中；静环座顶部设有一环形凹槽，在环形凹槽内沿周向设有多个台阶通孔；动环组件设置于静环组件正上方，包括动环顶驱结构和装于动环顶驱结构下方的动环，在静环密封面与动环密封面之间形成流体膜；液膜成形测量机构包括集成装置以及数据处理装置，集成装置内集成激光发射器、图像采集器以及流体膜发射器和图像存储器；数据处理装置内置图像采集卡、数据处理器、图像分析装置和流体膜厚分析测试装置。本发明的有益效果是：实时监测密封界面流体膜成膜规律。

Description

一种机械密封界面流体膜成形测控系统
技术领域
本发明涉及一种机械密封界面流体膜成形测控系统，，特别适用于不同工况条件下机械密封界面流体膜成形的测试与控制装置，属于机械密封性能测试与智能密封领域。
背景技术
机械密封作为石油、石化、化工、电力、制药和航空航天等行业中旋转机器常用的轴端密封，其稳定的运行性能为旋转机器的安全稳定运行提供了可靠的保障。但是，在实际使用过程中，机械密封的失效往往难以预知，运行性能实现测控进而成为智能型密封是未来机械密封的目标，目前通常测试的参数包括端面摩擦扭矩、端面温升和泄漏量等，而这些参数的测控尚难以直接调控界面间流体膜的生成与规范演变。目前，已经授权、公开的专利包括《一种对机械密封端面液膜变化信号采集装置》(申请号：201820003086.7公布号：CN207964199 U)；《一种机械密封端面液膜相变可视化实验装置》(申请号：201621115111.8公布号：CN 206248285 U)；《一种新型液膜密封空化观测实验装置》(申请号：201621309859.1公布号：CN 206248320 U)等。以上这些实验装置在一定程度上实现了对机械密封界面液膜相态变化的测试，但是尚无法确保界面流体膜的成形及其完整性，更无法及时调控界面流体膜的成膜状态及厚度分布及其大小，因此，为了更好掌握机械密封在不同工况参数下界面流体膜的成膜规律、膜的形态及流体膜的相态变化情况，研制开发一种机械密封界面流体膜成形测控系统具有重要意义。
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机械密封界面流体膜成形测控系统，能实现多种工况条件下对机械密封界面流体膜成形情况的测试，并实时监测运行过程中机械密封界面流体膜成膜规律、膜的形态及相态变化情况，准确获得密封运行期间流体膜成形信息的同时，还可通过调节密封的法向载荷，包括静环弹簧加载和动环伺服机构加载，实现流体膜形状、膜分布和膜相态等关键膜参数的监控，进而实现机械密封的智能化运行。
为达上述目的，本发明的技术方案是：
一种机械密封界面流体膜成形测控系统，其特征在于，包括流体容器、机械密封机构以及液膜成形测量机构；
所述流体容器的顶部开口，内底部固装一支座，所述支座顶部设有一下沉的凹腔，所述凹腔的底部设有一底部螺纹通孔；所述支座的侧壁设有多个支座螺纹孔；
所述机械密封机构包括相配合的静环组件和动环组件，所述静环组件包括静环座和装在静环座内的静环，所述静环座密封安装于所述凹腔中，并在所述静环座与凹腔之间留有缓冲区；所述静环座的顶部设有一嵌装静环的环形凹槽，在环形凹槽内沿周向设有多个台阶通孔，每个台阶通孔对应一个支座螺纹孔；所述静环为透明环体结构，并且所述静环嵌装于所述环形凹槽内，所述静环面向动环设置静环密封面；所述动环组件设置于所述静环组件正上方，包括动环顶驱结构和装于动环顶驱结构下方的动环，所述动环顶驱结构的顶部设有外接驱动设备的竖向动力输入轴；所述动环密封悬装于所述动环顶驱结构的底部，所述动环面向静环设置与静环密封面对应的动环密封面，并在静环密封面与动环密封面之间的间隙中填充流体，所述流体形成流体膜；
所述液膜成形测量机构包括集成装置以及数据处理装置，所述集成装置内集成激光发射器、图像采集器以及流体膜发射器和图像存储器，并且激光发射器的出光口、流体膜发射器的出液口均连通至集成装置的总出口，所述总出口从支座螺纹孔伸入所述缓冲区，并保持总出口处的图像采集器的检测端对准台阶通孔，用于采集观察流体膜的形态并采集流体膜的测试数据；所述数据处理装置内置图像采集卡、数据处理器、图像分析装置和流体膜厚分析测试装置，所述图像采集卡的信号输入端与所述图像采集器的信号输出端电连接，所述图像采集卡的信号输出端与所述数据处理器的信号输入端电连接，所述数据处理器的测试信号输出端与所述图像分析装置的信号输入端信号连接，所述图像分析装置的信号输出端与所述流体膜厚分析测试装置的信号输入端信号连接；所述数据处理器的控制信号输出端与所述激光发射器以及流体膜发射器的控制端信号连接，用于控制所述流体膜的形成和破裂。
进一步，所述缓冲区内设弹簧，所述弹簧的顶端与静环座的外底面抵接、底端与凹腔的内底面抵接。
进一步，所述液膜成形测量机构还包括流量计和数显压力计，所述流量计设置于所述底部螺纹通孔处，并且所述流量计的信号输出端与所述数据处理器的信号输出端电连接，用于测量流体的泄漏量；所述数显压力计设置于支座侧壁的压力测试螺纹孔中，用于测量缓冲区的压力。
进一步，所述环形凹槽的槽壁上设有多个轴向卡槽，所述静环的外环壁上设有卡入卡槽内的卡凸，用于实现静环在静环座内的周向转动。
进一步，所述台阶通孔的数量优选范围为3～6个。
进一步，所述轴向卡槽为圆弧凹槽或矩形凹槽。
进一步，所述支座面向静环座的内侧壁上设有一用于静环辅助密封圈的卡入环形槽，用于实现所述支座与所述静环座之间的密封。
进一步，所述动环顶驱结构面向动环的内壁设有一环形卡槽，并在所述环形卡槽中卡入动环辅助密封圈，用于实现动环与所述动环顶驱结构之间的密封。
进一步，所述动环密封面上开设螺旋槽、圆弧槽或直线槽。
进一步，激光照射器内置显微物镜，沿静环座圆周方向规则排列，随静环大小可以排列3～6个，多角度拍摄流体膜的成膜与破裂规律，全方位获取流体膜的形态和性态。
本发明的有益效果是：该测控系统主要由流体容器、机械密封机构和流体膜成形测控机构三部分组成。机械密封系统的动环顶驱结构既可以外联变频电机实现速度的连续调节，又可以外联伺服机构实现动环上法向载荷的连续改变，进而测量出机械密封特别是流体动压型或流体动静压型机械密封的最低端面开启速度，并获得满足泄漏率不超标的最小端面比压；
静环座下面的弹簧不仅可以满足机械密封合适的端面比压要求，而且可以实现长期运行过程中对端面磨损的自动补偿；静环采用透明钢化玻璃制作，既确保了密封环的强度、耐磨损特性，也为流体介质在界面上流动、分布、相变和空化等特征的可视化创造了条件，同时钢化玻璃静环可以方便安装拆卸，便于维护更换；
流体膜成形测控机构具备实现激光照射、流体膜发射、超高速COMS拍摄、图像采集处理系统处理并贮存等功能，其中激光光源发射器可以多角度拍摄流体膜的成膜与破裂规律，全方位获取流体膜的形态和性态；外置数据处理器控制集成装置和动环顶驱结构，并依据有关指令自动完成端面上法向载荷或端面比压的改变或调节，实现流体膜的优化智能调控。这种机械密封流体膜测控系统为实现机械密封的智能化提供了新的思路和新的实现途径。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的流体膜成形测控机构的结构示意图；
图3为本发明的静环座的结构示意图；
图4为本发明的静环的结构示意图；
图5为本发明的动环密封面的结构示意图(箭头方向为动环旋转方向)。
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1一种机械密封界面流体膜成形测控系统，包括流体容器15、机械密封机构100以及液膜成形测量机构200；
所述流体容器15中注入含有纳米荧光粉流体润滑剂，且所述流体容器15的顶部开口，内底部固装一支座1；所述支座1顶部设有一下沉的凹腔，所述凹腔的底部设有一底部螺纹通孔14；所述支座1的侧壁设有多个支座螺纹孔2a，所述支座螺纹孔2a沿支座周向设置；
所述机械密封机构100包括相配合的静环组件110和动环组件120，所述静环组件110包括静环座5和装在静环座内的静环11，所述静环座5密封安装于所述凹腔中，并在所述静环座5与凹腔之间留有缓冲区130；所述静环座5的顶部设有一嵌装静环的环形凹槽5a，在环形凹槽5a内沿周向设有多个台阶通孔5c，所述台阶通孔5c沿静环座轴向排布，且每个台阶通孔5c对应一个支座螺纹孔2a，用作拍摄界面流体膜10的状态变化提供可视化通道；所述静环11为透明环体结构，采用钢化玻璃加工而成，并且所述静环11嵌装于所述环形凹槽5a中，所述静环11面向动环设置静环密封面；所述动环组件120设置于所述静环组件110正上方，包括动环顶驱结构7和装于动环顶驱结构下方的动环6，所述动环顶驱结构7的顶部设有外接驱动设备的竖向动力输入轴，可实现动环的变速和背部法向载荷的改变；所述动环6通过传动销8密封悬装于所述动环顶驱结构7的底部，所述动环6面向静环设置与静环密封面对应的动环密封面，并在静环密封面与动环密封面之间的间隙中填充流体，所述流体形成流体膜10；
所述液膜成形测量机构200包括集成装置13以及数据处理装置210，所述集成装置13内集成激光发射器、图像采集器以及流体膜发射器和图像存储器，并且激光发射器的出光口、流体膜发射器的出液口均连通至集成装置的总出口，所述总出口贯穿支座螺纹孔后伸入所述缓冲区，并保持总出口处的图像采集器的检测端对准台阶通孔，用于采集观察流体膜的形态并采集流体膜的测试数据；所述数据处理装置210内置图像采集卡211、数据处理器212、图像分析装置213和流体膜厚分析测试装置214，所述图像采集卡211的信号输入端与所述图像采集器的信号输出端电连接，所述图像采集卡212的信号输出端与所述数据处理器的信号输入端电连接，所述数据处理器的测试信号输出端与所述图像分析装置的信号输入端信号连接，所述图像分析装置的信号输出端与所述流体膜厚分析测试装置的信号输入端信号连接；所述数据处理器的控制信号输出端与所述激光发射器以及流体膜发射器的控制端信号连接，用于控制所述流体膜的形成和破裂。
所述缓冲区内设弹簧4，所述弹簧4的顶端与静环座的外底面抵接、底端与凹腔的内底面抵接。
所述液膜成形测量机构200还包括流量计和数显压力计3，所述流量计设置于所述底部螺纹通孔14处，并且所述流量计的信号输出端与所述数据处理器的信号输出端电连接，用于测量流体的泄漏量；所述数显压力计3设置于支座侧壁的压力测试螺纹孔2b中，用于测量缓冲区的压力。
所述环形凹槽5a的槽壁上设有多个轴向卡槽5b，所述静环11的外环壁上设有卡入卡槽内的卡凸111，用于实现静环在静环座内的周向转动。所述环形凹槽5a的底面平面度不大于0.9微米。
所述台阶通孔5c的数量优选范围为3～6个。
所述轴向卡槽为圆弧凹槽或矩形凹槽。
所述支座1面向静环座的内侧壁上设有一用于静环辅助密封圈12的卡入环形槽，用于实现所述支座与所述静环座之间的密封。
所述动环顶驱结构7面向动环的内壁设有一环形卡槽，并在所述环形卡槽中卡入动环辅助密封圈9，用于实现动环与所述动环顶驱结构之间的密封。
所述动环密封面上开设螺旋槽、圆弧槽或直线槽。
图像采集器为超高速COMS相机，激光照射器内置显微物镜，沿静环座圆周方向规则排列，随静环大小可以排列3～6个，多角度拍摄流体膜的成膜与破裂规律，全方位获取流体膜的形态和性态。
系统在运行期间动环和静环的密封界面上可形成流体膜10，流体膜10的形成和破裂经激光照射器、超高速COMS相机和图像采集处理器的集成装置13实现激光照射、流体膜发射、超高速COMS相机拍摄、图像采集处理系统处理并贮存等功能；密封端面比压数值通过动环顶驱加载结构的加载或/和弹簧3的作用而改变，并因此控制所述流体膜的形成和破裂。经流体膜泄漏的流体压力值通过安装在支座螺纹孔2b上数显压力计3计量并显示，泄漏量通过静环座下面的螺纹通孔14连接的流量计计量。
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 (9)

1.一种机械密封界面流体膜成形测控系统，其特征在于，包括流体容器、机械密封机构以及液膜成形测量机构；
所述流体容器的顶部开口，内底部固装一支座，所述支座顶部设有一下沉的凹腔，所述凹腔的底部设有一底部螺纹通孔；所述支座的侧壁设有多个支座螺纹孔；
所述机械密封机构包括相配合的静环组件和动环组件，所述静环组件包括静环座和装在静环座内的静环，所述静环座密封安装于所述凹腔中，并在所述静环座与凹腔之间留有缓冲区；所述静环座的顶部设有一嵌装静环的环形凹槽，在环形凹槽内沿周向设有多个台阶通孔，每个台阶通孔对应一个支座螺纹孔；所述静环为透明环体结构，并且所述静环嵌装于所述环形凹槽内，所述静环面向动环设置静环密封面；所述动环组件设置于所述静环组件正上方，包括动环顶驱结构和装于动环顶驱结构下方的动环，所述动环顶驱结构的顶部设有外接驱动设备的竖向动力输入轴；所述动环密封悬装于所述动环顶驱结构的底部，所述动环面向静环设置与静环密封面对应的动环密封面，并在静环密封面与动环密封面之间的间隙中填充流体，所述流体形成流体膜；
所述液膜成形测量机构包括集成装置以及数据处理装置，所述集成装置内集成激光发射器、图像采集器以及流体膜发射器和图像存储器，并且激光发射器的出光口、流体膜发射器的出液口均连通至集成装置的总出口，所述总出口从支座螺纹孔伸入所述缓冲区，并保持总出口处的图像采集器的检测端对准台阶通孔，用于采集观察流体膜的形态并采集流体膜的测试数据；所述数据处理装置内置图像采集卡、数据处理器、图像分析装置和流体膜厚分析测试装置，所述图像采集卡的信号输入端与所述图像采集器的信号输出端电连接，所述图像采集卡的信号输出端与所述数据处理器的信号输入端电连接，所述数据处理器的测试信号输出端与所述图像分析装置的信号输入端信号连接，所述图像分析装置的信号输出端与所述流体膜厚分析测试装置的信号输入端信号连接；所述数据处理器的控制信号输出端与所述激光发射器以及流体膜发射器的控制端信号连接，用于控制所述流体膜的形成和破裂。
2.如权利要求1所述的一种机械密封界面流体膜成形测控系统，其特征在于：所述缓冲区内设弹簧，所述弹簧的顶端与静环座的外底面抵接、底端与凹腔的内底面抵接。
3.如权利要求1所述的一种机械密封界面流体膜成形测控系统，其特征在于：所述液膜成形测量机构还包括流量计和数显压力计，所述流量计设置于所述底部螺纹通孔处，并且所述流量计的信号输出端与所述数据处理器的信号输出端电连接，用于测量流体的泄漏量；所述数显压力计设置于支座侧壁的压力测试螺纹孔中，用于测量缓冲区的压力。
4.如权利要求1所述的一种机械密封界面流体膜成形测控系统，其特征在于：所述环形凹槽的槽壁上设有多个轴向卡槽，所述静环的外环壁上设有卡入卡槽内的卡凸，用于实现静环在静环座内的周向转动。
5.如权利要求4所述的一种机械密封界面流体膜成形测控系统，其特征在于：所述台阶通孔的数量优选范围为3～6个。
6.如权利要求4所述的一种机械密封界面流体膜成形测控系统，其特征在于：所述轴向卡槽为圆弧凹槽或矩形凹槽。
7.如权利要求1所述的一种机械密封界面流体膜成形测控系统，其特征在于：所述支座面向静环座的内侧壁上设有一用于静环辅助密封圈的卡入环形槽，用于实现所述支座与所述静环座之间的密封。
8.如权利要求1所述的一种机械密封界面流体膜成形测控系统，其特征在于：所述动环顶驱结构面向动环的内壁设有一环形卡槽，并在所述环形卡槽中卡入动环辅助密封圈，用于实现动环与所述动环顶驱结构之间的密封。
9.如权利要求8所述的一种机械密封界面流体膜成形测控系统，其特征在于：所述动环密封面上开设螺旋槽、圆弧槽或直线槽。
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