本發明涉及一種磁力控制的非接觸式機械密封的密封間隙控制系統及控制方法，能夠實現密封間隙大小的可控性，以保證密封端面穩定流體潤滑和零泄漏性能。

背景技術：

隨著工業技術的發展，對機械密封的性能要求越來越高，在一些高壓、高速、高溫等工況下，特別是一些航空航天、核電站、石油化工等領域，要求機械密封實現零泄漏、變形小、壽命長。此外，越來越高的節能環保目標要求，也使得提高機械密封的穩定性和壽命成為機械密封制造領域深受關注和重視的課題。

為了實現機械密封的零泄漏和延長機械密封使用壽命，目前的研究主要是通過密封端面的表面微造型和組合密封實現“非接觸”和“零泄漏”，并取得了一定的成效。中國專利CN101701585A、CN2534428Y、CN103527792B等公布了不同結構的上游泵送機械密封環，其泵送能力和動壓效應，能夠減少泄漏量，降低磨損程度，延長密封副的使用壽命；美國專利US2015345641A1公開了一種組合槽型機械密封，可以有效減少端面摩擦，增加端面潤滑并促進端面冷卻。但是，以上專利都沒有很好解決以下問題：機械密封開機時的瞬間開啟能力、停車時的磨損問題，以及運行過程中保持端面非接觸的前提條件——具有一定厚度的穩定流體膜問題。

安慶石化供運公司周永生總結了《磁力機械密封設計方法及存在的問題》(機械2004年第31卷第5期)，認為軸徑大、軸向空間短、密封介質壓力低、轉速低這類設備的密封問題，可以選用磁力接觸式機械密封。磁力接觸式機械密封是利用磁場作用產生足夠的引力，使補償環、非補償環摩擦貼合面不會因為跳動等原因出現分離；利用橡膠密封圈變形，在軸及補償環座之間產生足夠大的力矩以平衡密封面摩擦力矩，確保補償環組件與軸的同步轉動。與普通接觸式機械密封相同，磁力機械密封的摩擦副是整體環，因此，其工作狀態穩定，介質泄漏量少，使用周期長。但這種磁場引力只是起到替代密封閉合力或進一步增大閉合力的作用，過多增大閉合力還將加大端面比壓，加劇磨損；此外，如果由于安裝、跳動等原因，打開了密封端面，這時補償環與非補償環的距離增大，磁場引力將迅速減弱，如果沒有外力的干預，密封圈運動阻力的作用可能導致密封端面無法重新貼合。中國專利CN202971937U、CN101392837A、CN2101141U公布了不同結構的接觸式磁力機械密封裝置，其特點是利用磁力保持端面貼合，結構簡單，增強了密封可靠性；中國專利CN2497116Y公布了一種改進的接觸式磁力密封裝置，能使密封面具有更好的抗振動性、抗沖擊性和密封追隨性；中國專利CN203500461U公布了一種緊頂定位接觸式磁力機械密封件，使均衡磁場力替代了機械密封彈簧的不穩定彈力，從而延長了密封部件的使用壽命。從以上專利可知，它們都存在密封力有限、端面磨損嚴重、摩擦發熱量大、壽命短的問題。韓國專利KR20160079568公開了一種磁流體機械密封裝置，采用軸上圓周分布永磁鐵產生的磁力對磁流體進行控制而達到密封目的，但磁流體易被介質稀釋，不能形成穩定密封面且能承受的密封壓力有限；美國專利US5267007公開了一種用于防止軸向末端泄漏的磁密封裝置，利用鐵磁材料產生的磁力吸附磁性顆粒，阻止泄漏，但磁力會隨著吸附顆粒的增加減弱，易造成泄漏；美國專利US8474826B2、US2006244221A1公開了一種端面造型的磁力機械密封，磁力只是起到密封閉合力的作用，在端面開設槽型，利用槽的動壓效應形成流體膜，達到減小端面摩損的目的，但流體膜在振動或變工況下容易失穩，易造成泄漏或磨損。

綜上所述，現有的端面造型非接觸式機械密封不能很好的解決開機時的瞬間開啟能力和停車時的磨損問題，且密封間隙流體穩定性不足；而磁力接觸式機械密封，在安裝不精確、振動等原因下，無法控制端面的浮動補償。可見，國內外現有技術中提出的這些密封都不能有效的解決泄漏、磨損和穩定性問題，密封性能未能達到理想的狀態。

技術實現要素：

造成上述密封缺陷的原因是缺乏磁力補償作用的控制機制，本發明針對這個問題，通過一個磁力控制系統，達到控制非接觸機械密封端面間隙大小的目的，同時能夠解決開機時的瞬間開啟力和停車時的磨損問題，確保非接觸機械密封的穩定運行。

本發明所采用的技術方案是：

在非接觸式機械密封(即在動環端面開設動壓槽，其槽型可以是螺旋線型、圓弧線型、斜線型、T字型、人字型等，槽深為5～10μm，槽數為6～20個)的基礎上，動環、靜環采用磁性耐磨材料制作；在轉軸上安裝轉矩轉速傳感器，將獲得的轉速轉換成電信號輸入開關裝置，以達到開機啟動電路控制、停機關閉電路控制；在靜環圓周表面上纏繞經防水材料包裹的線圈，并固定于靜環上，同時，在靜環外側臺階上安裝光纖位移傳感器，用來測量動環的軸向位移量并轉換成電信號傳遞給控制電路，控制電路可根據傳感器電信號的強弱調整通過線圈的電流大小和方向，從而達到隨時控制密封間隙大小的目的，使非接觸式機械密封的性能達到比較理想的狀態。

具體控制原理是：在繞靜環線圈的電磁感應作用下，動環被磁化，產生固定磁極；分如下幾種情況：

在密封環開始運轉前，線圈通電使動環磁化形成固定磁極的情況下，密封環開始運轉的同時，由轉速傳感器測出轉速，轉換成電信號輸入開關裝置，自動開啟線圈電流控制電路系統，此時因密封間隙小于1.5μm，控制線圈電流的方向使動、靜環產生斥力，加快間隙的形成，減少端面摩擦，提高開啟性能。

在密封環開始運轉至停止運轉的整個過程中，根據光纖位移傳感器實時測得的位移大小信號，通過控制電路改變線圈電流的大小和方向，從而使動、靜環產生吸力或斥力以補償閉合力或開啟力的不足，可將1.5～5.5μm設定為正常密封間隙大小，在正常密封間隙范圍內線圈電流控制電路系統自動停止工作，密封處于自然運行狀態；當密封間隙低于1.5μm時，線圈電流的方向將使動、靜環產生排斥力，對密封間隙的減小起阻止作用；當密封間隙大于5.5μm時，線圈電流的方向將使動、靜環產生吸引力，阻止密封間隙的增大；動環、靜環產生吸力或斥力的大小可以通過改變線圈電流的大小而實現。

在密封環減速、密封間隙降至1.5μm時，同樣通過動、靜環產生斥力而減少端面摩擦，改善停機性能。

在密封環停止轉動時，由轉速傳感器測出轉速，轉換成電信號輸入開關裝置，自動關閉線圈電流控制電路系統，使動、靜環斥力消失并閉合密封。

本發明的有益效果：

(1)通過線圈電流方向和大小的控制使非接觸式機械密封動、靜環的開啟力或閉合力得到磁力補償，有效避免或減少不利因素對密封運行質量的影響，將密封間隙控制在比較理想的狀態，可使零泄漏非接觸式機械密封的優勢得到充分發揮。

(2)通過非接觸式機械密封動、靜環間隙的控制，可大幅減少密封開、停機階段的端面磨損，有效改善開、停機性能，使密封壽命得到顯著延長。

附圖說明

圖1是本發明的動環端面結構示意圖。

圖2是本發明的動、靜環裝配示意圖及靜環線圈控制電路示意圖。

圖3是本發明的密封原理示意圖。

圖4是電路控制器控制流體間隙穩定的系統原理圖。

標記說明：1—扭矩轉速傳感器；2—控制電路；3—壓蓋；4—防轉銷；5—靜環O形圈；6—靜環；7—線圈；8—位移傳感器；9—動環；10—動環O形圈；11—傳動銷；12—推環；13—彈簧；14—彈簧座；15—緊定螺釘；16—傳動螺釘。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步描述。

如圖1所示，本發明涉及機械密封為成對的圓柱狀耐磨零件，其中動環采用硬磁耐磨材料、靜環采用軟磁耐磨材料。在動環端面上開設沿旋轉中心對稱分布的泵送螺旋槽，槽深5～10μm，槽數6～20個；端面微造型可采用電火花、電化學腐蝕、激光加工等工藝加工。

如圖2所示，為控制系統與機械密封的裝配示意圖。靜環6上纏繞線圈，動環9的工作面為動靜環的相對面，形狀為圓環狀，動環和靜環之間有一層流體間隙h，是由開設的動壓型槽產生的。

如圖3所示，為密封環的工作原理。動環通過傳動銷11、推環12、彈簧13、彈簧座14、緊定螺釘15、傳動螺釘16固定于軸上，隨軸一同旋轉，靜環通過防轉銷4固定于外殼上。運行時，動環旋轉，轉速到達一定范圍時，槽產生明顯的動壓效應，在動環和靜環之間產生一層流體間隙膜。

在轉軸上安裝轉矩轉速傳感器1，將獲得轉速轉換成電信號輸入扭矩繼電器開關電路，以達到開機啟動電路控制，停機關閉電路控制；在靜環圓周表面上纏繞經防水材料包裹的線圈7，并固定于靜環6上，在設計時增大靜環外側臺階長度，方便安裝光纖位移傳感器8，并使其滿足傳感器測量量程，光纖位移傳感器8用來測量動環的軸向位移量并轉換成電信號傳遞給控制電路2，控制電路可根據傳感器電信號的強弱調整通過線圈的電流大小和方向，從而達到隨時控制密封間隙大小的目的，使非接觸式機械密封的性能達到比較理想的狀態。

如圖4所示為本發明控制原理示意圖。首先對信號的含義說明如下：

n：轉軸轉速；

d：通過測量轉軸轉速，扭矩轉速傳感器輸出的電信號；

r+：穩定運行時流體膜厚度數字信號輸入值；

e：通過比較求和算法輸出的信號，通常為兩個信號的代數和；

I：電路向線圈輸入的電流；

I’：動環位移過程中，靜環線圈切割磁感線產生的電流；

B：靜環線圈產生的磁場強度；

S：動環的偏移距離；

b：通過測量動環位移量，光纖位移傳感器輸出的電信號；

b-：輸入比較求和算法的位移反饋電路數字信號；

CP：比較求和運算算法；

具體控制過程：在繞靜環線圈的電磁感應作用下，動環9被磁化，產生固定磁極；分為如下幾種情況：①在密封環開機前，線圈通電使動環磁化形成固定磁極的情況下，密封環開機運轉的同時，由扭矩轉速傳感器1測出轉速，轉換成電信號輸入扭矩繼電器開關電路，自動開啟線圈電流控制電路2，此時因密封間隙小于1.5μm，線圈電流的方向將使動、靜環產生斥力，加快間隙的形成，減少端面摩擦，提高開啟性能。②在密封環停機減速、密封間隙降至1.5μm時，同樣通過控制動環、靜環產生斥力而減少端面摩擦，改善停機性能。③在密封環停止轉動時，由扭矩轉速傳感器1測出轉速為0，轉換成電信號輸入開關裝置，自動關閉線圈電流控制電路系統，使動環、靜環斥力消失并閉合密封。④在密封開機至停機的整個過程中，根據光纖位移傳感8器實時測得的位移大小信號，通過放大、A/D變換、校正，調節信號質量并轉換成數字信號，通過PLC控制器，將位移信號轉換成對應的電流信號，再由晶閘管可控整流裝置改變線圈電流的大小和方向，從而改變磁場，使動環9、靜環6產生吸力或斥力以補償閉合力或開啟力的不足。本發明將1.5～5.5μm設定為正常密封間隙大小，具體是將r+設為3.5μm，s反饋為±2μm。在正常密封間隙范圍內線圈電流控制電路系統自動停止工作，密封處于自然運行狀態；當密封間隙低于1.5μm時(即s小于-2μm)，控制線圈電流的方向，使動環9、靜環6產生排斥力，對密封間隙的減小起阻止作用；當密封間隙大于5.5μm時(即s大于2μm)，控制線圈電流的方向，使動環、靜環產生吸引力，阻止密封間隙的增大；其中，動環、靜環產生吸力或斥力的大小可以通過改變線圈電流的大小實現。

以上所述，僅僅是對本發明構思的實現形式的列舉，并非對本發明作任何形式的限制，本發明的保護范圍包括本領域技術人員根據本發明構思所能想到的等同技術手段，凡依據本發明對以上實施例作任何的等同變化的更改、修飾和演變等，均屬于本發明的保護范圍。