可主动控制润滑与密封性能的机械密封结构及其控制方法
阅读说明：本技术 可主动控制润滑与密封性能的机械密封结构及其控制方法 (Mechanical sealing structure capable of actively controlling lubricating and sealing performances and control method thereof ) 是由 陈桑秋 戴庆文 陈磊 黄巍 王晓雷 于 2021-08-23 设计创作，主要内容包括：一种可主动控制润滑与密封性能的机械密封结构及其控制方法,在机械密封端面的静环外圈和静环内圈的上安装温控模块,通过温控模块精准调节内外圈温度,从而在密封端面形成所需的温度场,利用红外油膜测量仪实时监控温度场,由数据采集卡采集获得端面油膜厚度,通过油膜厚度反映端面润滑油的泄漏量,并根据泄漏量再次调节静环的内外圈温度将润滑油锚固在指定位置,直至润滑油的泄漏量达到规定范围,最终实现机械密封润滑和密封性能的协调控制,对润滑和密封性能要求较高的机械密封提供一种新的设计思路。(A temperature control module is arranged on a static ring outer ring and a static ring inner ring of a mechanical sealing end face, the temperature of the inner ring and the outer ring is accurately adjusted through the temperature control module, so that a required temperature field is formed on the sealing end face, the temperature field is monitored in real time by using an infrared oil film measuring instrument, the end face oil film thickness is acquired through a data acquisition card, the leakage amount of end face lubricating oil is reflected through the oil film thickness, the temperature of the inner ring and the outer ring of the static ring is adjusted again according to the leakage amount to anchor the lubricating oil at a specified position until the leakage amount of the lubricating oil reaches a specified range, finally, the coordination control of the lubrication and the sealing performance of the mechanical sealing is realized, and a new design idea is provided for the mechanical sealing with higher requirements on the lubrication and the sealing performance.)
技术领域
本发明涉及机械设计和自动控制领域，具体是一种可主动控制润滑与密封性能的机械密封结构及其控制方法。
背景技术
机械密封是现代旋转机械轴封中的重要部件，其原理是依靠弹力补偿机构使动、静环紧密贴合并相对滑动，达到防止流体泄漏的目的。这类接触式机械密封因结构简单、制造方便，维护成本低，被广泛应用于石油化工、航空航天、船舶等工业领域设备中。随着现代机械设备向大型、高效以及高可靠性快速发展，机械密封的使用环境正逐步向高参数化转变，要求其能在高速、高压、高温及复杂介质等严苛的工况条件保持可靠的工作状态。据不完全统计，约有80％机械密封失效是因端面直接接触的摩擦磨损引起的，而在特殊工况下这一比例更高。
润滑和密封性能是端面机械密封的两个关键指标，二者之间存在矛盾关系，提升润滑性能会导致端面泄漏增加，而降低泄漏会导致端面磨损加剧，如何协调润滑和密封性能是接触式端面密封设计的难点。针对机械密封润滑和泄漏特性的矛盾关系，研究人员提出了多目标优化设计方法，即，根据实际工况对润滑和密封性能的需求，设定优先级，对二者进行协调优化。
上述思路为提升机械密封服役寿命提供了一种可行性方案，但并未能从根本上解决这一矛盾。最近研究人员发现，构造温度场可以驱动润滑油在界面间流动，这意味着可以通过合理设计温度场，将润滑油“锚固”在机械密封端面，既能够保证机械密封端面的润滑需求，又能够防止密封介质从端面泄漏。
发明内容
本发明为了解决现有技术的问题，提供了一种可主动控制润滑与密封性能的机械密封结构及其控制方法，在密封端面设计温控模块调控端面温度，设计红外油膜测量仪实时监测端面润滑状态，根据润滑状态精准调节端面温度场，构造温度梯度将润滑油锚固在指定位置，最终实现机械密封润滑和密封性能的协调控制。
本发明提供了一种可主动控制润滑与密封性能的机械密封结构，包括智能温控模块和泄漏量实时监测模块，所述的智能温控模块包括智能调节模块以及与智能调节模块连接的两个温控模块，两个温控模块分别安装在机械密封端面的静环外圈和静环内圈的上；所述的泄漏量实时监测模块包括红外油膜测量仪以及与其连接的力臂，其中力臂与机械密封端面的静环连接。
所述的机械密封端面包括转动轴以及安装在转动轴上的紧固环、静环和动环，紧固环、静环和动环外部通过密封腔体密封，密封腔体内填充有润滑油；所述的紧固环通过紧定螺钉与转动轴固定连接，紧固环和动环之间通过导杆连接，导杆上套有密封环，密封环和紧固环之间连接有弹性单元；所述的静环外圈和内圈分别开有环形槽，环形槽内安装温控模块。
所述的密封环截面为L型，L型密封环的一条边插入动环和转动轴之间，L型密封环与动环、转动轴之间设置有动环密封圈。
所述的静环和密封腔体之间设置有静环密封圈。
本发明还提供了一种可主动控制润滑与密封性能的方法，在机械密封端面的静环外圈和静环内圈的上安装温控模块，通过温控模块精准调节内外圈温度，从而在密封端面形成所需的温度场，利用红外油膜测量仪实时监控温度场，由数据采集卡采集获得端面油膜厚度，通过油膜厚度反映端面润滑油的泄漏量，并根据泄漏量再次调节静环的内外圈温度直至润滑油的泄漏量达到规定范围。
本发明具体过程包括以下步骤：
1)智能温控模块设计：将温控模块安装在静环上，在静环外圈开设环形槽，用于安装外圈温控单元；在静环内圈开设环形槽，用于安装内圈温控单元。
2)在静环安装一个力臂并使力臂与红外油膜测量仪连接，测量动静环之间的油膜厚度，由数据采集卡采集获得端面油膜厚度，利用由计算机通过油膜厚度判断端面润滑油的泄漏量，即低膜厚对应低泄漏量、高膜厚对应高泄漏量。
3)若油膜厚度高于设定值上限，表示端面润滑油充足，润滑油泄漏量偏高，需要抑制润滑油泄漏；
3.1)计算机传递信号给温控模块，缓慢提高内圈温控模块的温度同时缓慢降低外圈温控模块的温度，在密封端面形成外端冷内端热的温度场，调控润滑油的流动，抑制润滑油泄漏；
3.2)温控模块和红外油膜测量仪对工况实时监测，若红外油膜测量仪测量的油膜厚度仍高于设定值上限，则重复步骤3.1),直至油膜厚度不高于设定值，记录此时温度场，温控模块维持该状态。
4)若油膜厚度低于设定值下限，表示端面润滑油匮乏，端面缺少润滑油润滑，需要创造润滑条件；
4.1)计算机传递信号给温控模块，缓慢降低内圈温控模块的温度同时缓慢提高外圈温控模块的温度，在密封端面形成外端热内端冷的温度场，调控润滑油的流动，创造润滑条件；
4.2)温控模块和红外油膜测量仪对工况实时监测，若红外油膜测量仪测量的油膜厚度低于设定值下限，则重复步骤4.1),直至油膜厚度不低于设定值，记录此时温度场，温控模块维持该状态。
5)若油膜厚度在设定的上下限值之间，则表示润滑油泄漏量正常，无需创造温度梯度调控润滑油流动，一切正常工作。
本发明有益效果在于：在密封端面设计温控模块调控端面温度，设计红外油膜测量仪实时监测端面润滑状态，根据润滑状态精准调节端面温度场，构造温度梯度将润滑油锚固在指定位置，最终实现机械密封润滑和密封性能的协调控制。本发明专利的实施，为服役于极端工况，对润滑和密封性能要求较高的机械密封提供一种新的设计思路。
附图说明
图1为本发明原理图。
图2为实验现象图。
图3为动环结构图。
图4为静环结构图。
图5为可主动控制润滑与密封性能的机械密封结构示意图。
图6为控制原理图。
图中，1-紧固环；2-紧定螺钉；3-导杆；4-弹性元件；5-密封环；6-动环；7-动环密封圈；8-润滑油；9-外圈温控单元；10-静环；11-外圈热传感器；12-密封腔体；13-静环密封圈；14-防转销；15-内圈热传感器；16-内圈温控单元；17-红外油膜测量仪；18-转动轴；19-导杆孔；20-内圈温控单元安装槽；21-外圈温控单元安装槽；22-防转销孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，当一液体置于固体表面时，可以视为气、液、固三相共存的系统。固体表面温度梯度的存在会改变固-液界面张力γSL和接触角θ，使得三相界面处受力不再平衡，从而产生了驱使液体运动的驱动力，驱使液体从热端向冷端爬移。图2是初步的试验结果图，从图中可以看出，两平面间的润滑油在温度梯度作用下会从高温区向低温区缓慢移动。该热驱动流可以被用来抑制机械密封动/静环端面润滑油的定向泄漏。
基于此原理，拟首先对静环结构进行改造，在其端面构筑出温度场，同时采用红外油膜测量仪实时监测动/静环端面的油膜厚度；由于油膜厚度与润滑油的泄漏量有关，低膜厚反映低泄漏量、高膜厚反映高泄漏量。根据实时采集的油膜厚度，利用计算机分析获得油膜厚度的幅值和变化趋势，由此确定端面所需要的温度场并将相应电信号输入到密封端面的温控模块，精准调节端面温差，从而调控密封介质的泄漏速率，最终实现机械密封装置的润滑和密封性能协调控制。
下面以润滑油内泄式机械密封为例，详细阐述其技术方案。
本发明专利的核心是通过构造温度梯度，将润滑油“锚固”在机械密封端面，关键在于设计智能温控模块和监测油膜厚度两部分，具体如下：
1.智能温控模块设计：温控模块安装在静环上，在静环外圈(如图4)开设环形槽，用于安装外圈温控单元(如图5)；在静环内圈(如图4)开设环形槽，用于安装内圈温控单元(如图5)。装配图如图5所示，正常工作时，通过温控模块精准调节内外圈温度，从而在密封端面形成所需的温度场。
2.泄漏量实时监测：为了实时监测端面润滑油的泄漏量，在静环设计一个力臂，并与红外油膜测量仪连接，测量动静环之间的油膜厚度，由数据采集卡采集获得端面油膜厚度，利用油膜厚度反映端面润滑油的泄漏量，即低膜厚对应低泄漏量、高膜厚对应高泄漏量。
参考图6，具体的实施步骤如下：
(1)系统运行，温控模块、各传感器正常工作。
(2)红外油膜测量仪实时测量端面油膜厚度，经由计算机判断端面油膜厚度是否超过设定值。
(3)若油膜厚度高于设定值上限，表示端面润滑油充足，这意味着润滑油泄漏量偏高，需要适当抑制润滑油泄漏。
计算机传递信号给温控模块，缓慢提高内圈温控模块的温度同时缓慢降低外圈温控模块的温度，在密封端面形成外端冷内端热的温度场，调控润滑油的流动，抑制润滑油泄漏；
温控模块和红外油膜测量仪对工况实时监测，若红外油膜测量仪测量的油膜厚度仍高于设定值上限，则重复上述步骤；直至油膜厚度不高于设定值，记录此时温度场，温控模块维持该状态。
至此，实现机械密封端面润滑和密封性能的协调控制。
(4)若油膜厚度低于设定值下限，表示端面润滑油匮乏，这意味着端面缺少润滑油润滑，需要适当创造润滑条件。
计算机传递信号给温控模块，缓慢降低内圈温控模块的温度同时缓慢提高外圈温控模块的温度，在密封端面形成外端热内端冷的温度场，调控润滑油的流动，创造润滑条件；
温控模块和红外油膜测量仪对工况实时监测，若红外油膜测量仪测量的油膜厚度低于设定值下限，则重复上述步骤,直至油膜厚度不低于设定值，记录此时温度场，温控模块维持该状态。
至此，实现机械密封端面润滑和密封性能的协调控制。
(5)若油膜厚度在设定的上下限值之间，则表示润滑油泄漏量正常，无需创造温度梯度调控润滑油流动，一切正常工作。
本发明采用的可主动控制润滑与密封性能的机械密封结构如图5所示，具体结构如下：包括转动轴18以及安装在转动轴18上的紧固环1、静环10和动环6，紧固环1、静环10和动环6外部通过密封腔体12密封，密封腔体12内填充有润滑油8；所述的紧固环1通过紧定螺钉2与转动轴18固定连接，紧固环1和动环6之间通过导杆3连接，导杆3上套有密封5环，密封环5和紧固环1之间连接有弹性单元4；所述的静环如图4所示，静环的外圈和内圈分别开有温控单元安装环形槽，环形槽内安装温控模块，其中内圈温控单元安装槽20装有外圈温控单元9，外圈温控单元安装槽21装有内圈温控单元16。静环上还开有防转销孔22，密封腔体和静环之间插入有防转销14。所述的静环内设置有穿过密封腔体的力臂，力臂连接有外圈热传感器11；红外油膜测量仪19连接有内圈热传感器15，内圈热传感器15与外圈热传感器11相连。
所述的动环如图3所示，动环6上开有导杆孔19，导杆3插入导杆孔19中。
所述的密封环截面为L型，L型密封环的一条边插入动环和转动轴之间，L型密封环与动环、转动轴之间设置有动环密封圈7。
所述的静环和密封腔体之间设置有静环密封圈13。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
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