(江蘇省過程強化與新能源裝備技術(shù)重點實驗室,南京工業(yè)大學機械與動力工程學院 江蘇南京 211816)
隨著工業(yè)現(xiàn)代化及裝備的自動化程度不斷提高,對設(shè)備安全穩(wěn)定運行的要求越來越高,對動靜密封點的泄漏控制要求也隨之提高。機械密封是動密封的最常見型式,對于防止旋轉(zhuǎn)設(shè)備泄漏尤為實用[1]。集成化和自動化程度越來越高以及較高的穩(wěn)定性和可靠性是機械密封技術(shù)發(fā)展的必然趨勢,是密封技術(shù)發(fā)展的主流方向[2]。利用流體動壓效應(yīng)可以使機械密封實現(xiàn)非接觸。研究人員力圖通過流體動壓效應(yīng)來提高機械密封的密封性能[3]。利用動壓潤滑效應(yīng),潤滑介質(zhì)會在密封環(huán)的2個端面之間形成一種微米級厚度的薄膜,2個端面被這種流體膜隔開,這樣就實現(xiàn)了機械密封的非接觸[4]。非接觸式機械密封通常應(yīng)用于高密封壓力、高轉(zhuǎn)速和介質(zhì)潤滑性能較差等工況[5]。對于端面結(jié)構(gòu)較為復雜的動壓型機械密封,用磁流體作為潤滑介質(zhì),不但可有效改善端面的潤滑狀況,而且可利用外部磁場來控制磁流體的黏度,從而改變潤滑膜的動壓特性[6],實現(xiàn)液膜密封壓力和摩擦扭矩的實時調(diào)節(jié),從而提高機械密封的穩(wěn)定性、可靠性及對波動工況的適應(yīng)性[7-9]。
自適應(yīng)控制指的是系統(tǒng)可以修正自身特性來適應(yīng)對象以及擾動的動態(tài)特性變化。自適應(yīng)控制的目標是應(yīng)用控制器對被控對象參數(shù)的緩慢變化做出適應(yīng)性調(diào)整。第一個自適應(yīng)控制系統(tǒng)早在20世紀50年代末期就由美國麻省理工學院提出并應(yīng)用,隨后出現(xiàn)了各種形式的自適應(yīng)控制系統(tǒng)。模型參考自適應(yīng)控制和自校正調(diào)節(jié)器是目前比較成熟的兩類自適應(yīng)控制系統(tǒng)。近年來國內(nèi)外學者對有關(guān)自適應(yīng)控制系統(tǒng)的理論和應(yīng)用做了大量的研究工作,并且取得了較多的研究成果[15-16]。
結(jié)構(gòu)一定并且處于特定條件下的機械密封,其密封能力是比較穩(wěn)定的。但在遇到壓力變化或者轉(zhuǎn)速突變的情況下,機械密封本身并不具備及時調(diào)節(jié)應(yīng)變的能力,從而會導致密封失效。但在國內(nèi)外的研究案例中,尚未見將自適應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)用在磁流體潤滑機械密封中的公開報道。為實現(xiàn)非接觸式機械密封的自動化運行,本文作者采用磁流體作為機械密封摩擦副的潤滑介質(zhì),并提出一套動壓潤滑機械密封的自適應(yīng)控制方法,通過集成在機械密封系統(tǒng)中的自適應(yīng)控制系統(tǒng)來偵測被密封介質(zhì)壓力的變化,從而調(diào)節(jié)外磁場強度,改變潤滑介質(zhì)黏度并改變潤滑膜動壓,以保證機械密封的密封性能。
機械密封保持正常工作狀態(tài)時,液膜密封壓力與被密封介質(zhì)的壓力相當,使得被密封介質(zhì)不會從密封環(huán)端面間泄漏。由于操作參數(shù)(被密封介質(zhì)壓力和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速)發(fā)生變化會導致液膜密封壓力與被密封介質(zhì)的壓力不相等。這時,機械密封就無法保持正常工作狀態(tài)。
磁流體黏度會隨磁場強度的變化而變化。當磁場強度增大時,磁流體黏度相應(yīng)增大,反之,則磁流體黏度減小[10]。磁流體黏度增大時,潤滑膜的動壓隨之增大;反之,則動壓減小[11]。根據(jù)這一規(guī)律,可通過改變外磁場強度來控制磁流體潤滑膜的壓力,使液膜密封壓力與被密封介質(zhì)的壓力始終保持相等。同時,磁流體黏度的變化會導致潤滑介質(zhì)泵送量發(fā)生變化,通過控制電磁閥調(diào)節(jié)磁流體供給流量,可使磁流體的供給流量與潤滑介質(zhì)泵送量相當。這樣就實現(xiàn)了密封性能的自適應(yīng)控制,在操作參數(shù)發(fā)生變化的情況下,保證機械密封正常工作。
磁流體動壓潤滑機械密封的自適應(yīng)控制是基于磁場強度對密封性能的影響規(guī)律實現(xiàn)的,其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。
圖1 磁流體動壓潤滑機械密封結(jié)構(gòu)原理Fig 1 Structure principle of magnetic fluid hydrodynamically lubricated mechanical seal
其結(jié)構(gòu)特點如下:
(1)采用磁流體作為非接觸式機械密封摩擦副(動環(huán)和靜環(huán))端面的潤滑介質(zhì)。在密封結(jié)構(gòu)外施加一個磁場發(fā)生器,為密封端面提供穩(wěn)定的磁場,中間設(shè)置電壓調(diào)節(jié)器并與計算機相連,實現(xiàn)對磁場的自動調(diào)節(jié)。氮氣瓶、帶壓儲罐和靜環(huán)開設(shè)的通孔通過管路連接,中間設(shè)置電磁閥和壓力表并與計算機相連,組成潤滑介質(zhì)(磁流體)供給結(jié)構(gòu),為摩擦副提供可自動控制流量的磁流體潤滑介質(zhì)。
(2)通過改變外磁場強度來控制密封端面間磁流體潤滑膜的黏度,從而控制潤滑膜的動壓,以適應(yīng)操作參數(shù)(轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速和被密封介質(zhì)壓力)的變化,實現(xiàn)密封結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)控制。
先用數(shù)值模擬的方式來確定電流I與密封間隙中的磁場強度H的關(guān)系。如圖2所示。
圖2 磁場強度H與電流強度I的關(guān)系Fig 2 Relationship between mean magnetic field intensity and current intensity
根據(jù)有限元分析的結(jié)果可知,電流I與密封間隙中的磁場強度H成正比關(guān)系,故設(shè)比例系數(shù)為K2,因此有H=I·K2而電壓U=I·R得
(1)
式中:R為磁場發(fā)生器中銅絲的電阻;I為磁場發(fā)生器線圈中的電流。
所以得出H與U成正比例關(guān)系。
磁流體的相對磁導率為μr=1+M/H,故M=(μr-1)H,又因無外磁場時磁流體動力黏度系數(shù)η0與基載液黏度系數(shù)間的關(guān)系用Rosesweig修正Einstein公式描述[12],得到磁流體的黏度在外磁場中的黏度公式為
(2)
而αL(α)可由式(3)[13]得到
(3)
將αL(α)代入式(2)得到最終磁流體在外磁場中的黏度完整表達式,即
(4)
然后簡化推導得到式(5)。
(5)
式中:ηC為磁流體基載液黏度;δ為磁流體中分散劑鏈分子的平均長度;rp為固相磁性顆粒的半徑;φ為磁流體所含固相磁性顆粒的體積分數(shù);dp為固相磁性顆粒的直徑;μ0為真空磁導率;μr為磁流體相對磁導率;k0為Boltzmann常數(shù);T為磁流體的絕對溫度。
其中,μ0、μr、k0均為磁流體的固定物理參數(shù)。
令槽底徑處的壓力為pg,pg=pn(pn為密封液膜壓力。由于在密封端面的不同位置處,流體膜的壓力也不一樣,最大壓力出現(xiàn)螺旋槽的底徑處。所以液膜密封壓力pn等于槽底徑處的壓力pg)。因此η與液膜密封壓力pn的對應(yīng)關(guān)系可由式(6)[14]得到。
(6)
式中:
(7)
(8)
基于以上裝置,提出了一種磁流體動壓潤滑機械密封自適應(yīng)控制方法,控制流程如圖3所示。
圖3 自適應(yīng)控制方法流程圖Fig 3 Flow chart of adaptive control method
系統(tǒng)需要設(shè)置以下參數(shù):
(1)磁場發(fā)生器中銅絲的電阻R,密封間隙中的磁場強度與磁場發(fā)生器線圈中的電流的比例系數(shù)K2。
(2)磁流體基載液黏度ηC,磁流體中分散劑鏈分子的平均長度δ,固相磁性顆粒的半徑rp,磁流體所含固相磁性顆粒的體積分數(shù)φ,固相磁性顆粒的直徑dp,真空磁導率μ0,磁流體相對磁導率μr,Boltzmann常數(shù)k0,絕對溫度T。
(3)堰區(qū)膜厚h1,堰寬度m1,槽寬度m2,螺旋角α,槽寬堰寬比ξ,密封環(huán)的內(nèi)徑ri,密封環(huán)的外徑ro,密封環(huán)的槽底徑處半徑rg(以上各參數(shù)為動環(huán)固定幾何參數(shù))。密封環(huán)內(nèi)徑處壓力pi(該壓力值等同于密封介質(zhì)壓力,由壓力傳感器b測得),密封環(huán)外徑處壓力p0(該壓力為大氣壓力p)。
由壓力傳感器b測量密封腔體內(nèi)被密封介質(zhì)壓力pm,由轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速n,并判斷pm和n的變化幅度。
若被密封介質(zhì)壓力pm和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速n變化幅度很小(pm變化幅度Δpm≤0.01 MPa或n變化幅度Δn≤10 rad/s),則監(jiān)測程序繼續(xù)保持監(jiān)控狀態(tài);若被密封介質(zhì)壓力pm和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速n變化幅度很大(pm變化幅度Δpm>0.01 MPa或n變化幅度Δn>10 rad/s并且持續(xù)時間t≥1 s),則監(jiān)測程序發(fā)出指令啟動粗調(diào)程序。
粗調(diào)程序通過設(shè)置磁場發(fā)生器電壓U來改變磁場強度H從而改變磁流體黏度η,使液膜密封壓力pn變?yōu)榕c被密封介質(zhì)壓力pm相近的值,實現(xiàn)對密封結(jié)構(gòu)的粗調(diào)。具體分為3種情況:
(1)僅有被密封介質(zhì)壓力pm變化,且持續(xù)時間t≥1 s。
若pm變?yōu)閜m1(壓力傳感器b測得),則粗調(diào)程序令液膜密封壓力pn等于pm1。根據(jù)上述磁場發(fā)生器電壓與液膜密封壓力的對應(yīng)關(guān)系,計算出磁場發(fā)生器所需電壓值U2;調(diào)節(jié)磁場發(fā)生器電壓至U2,使液膜密封壓力pn變化至pm1。
(2)僅有轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速n變化,且持續(xù)時間t≥1 s。
若轉(zhuǎn)速n變化為n′(轉(zhuǎn)速傳感器測得),會導致液膜密封壓力pn變化為pn1。此時,粗調(diào)程序令液膜密封壓力pn等于被密封介質(zhì)壓力pm。根據(jù)上述磁場發(fā)生器與液膜密封壓力的對應(yīng)關(guān)系,計算出磁場發(fā)生器所需電壓值U2;調(diào)節(jié)磁場發(fā)生器電壓至U2,使pn1變化至pm。
(3)被密封介質(zhì)壓力pm和轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速n同時變化,且持續(xù)時間t≥1 s。
若pm變?yōu)閜m1(壓力傳感器b測得),同時轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速n變化為n′,使液膜密封壓力pn變化為pn1。粗調(diào)程序令液膜密封壓力pn等于pm1。根據(jù)上述磁場發(fā)生器與液膜密封壓力的對應(yīng)關(guān)系,計算出磁場發(fā)生器所需電壓值U2;調(diào)節(jié)磁場發(fā)生器電壓至U2,使pn1變化至pm1。
粗調(diào)后,根據(jù)式(6)[14]計算潤滑介質(zhì)泵送量Q。
(6)
式中:h1為堰區(qū)膜厚(動環(huán)和靜環(huán)之間的液膜中堰區(qū)液膜的厚度);pg為槽底徑處的壓力(液膜密封壓力pn即為槽底徑處壓力值pg);pi為密封環(huán)內(nèi)徑處壓力(該壓力值等同于密封介質(zhì)壓力,由壓力傳感器b測得),μ為密封結(jié)構(gòu)中液膜黏度(其等于磁流體黏度η,該黏度是指粗調(diào)后計算所得的黏度,計算公式為式5);ri為密封環(huán)的內(nèi)徑;rg為密封環(huán)的槽底徑處半徑。
計算并判斷Q是否超過1×10-9m3/s;若Q沒有超過1×10-9m3/s則不進行補液;若Q超過1×10-9m3/s則啟動補液;通過控制電磁閥15、壓力傳感器c和流量傳感器,開啟磁流體儲罐與引流孔之間的連接管路,向密封環(huán)補充相應(yīng)的磁流體(補充量為Q)。
繼續(xù)測量密封環(huán)處的液膜密封壓力pn2與被密封介質(zhì)壓力pm2。若二者相差不超過0.01 MPa,則該控制過程結(jié)束,監(jiān)測程序繼續(xù)保持監(jiān)控;若二者相差超過0.01 MPa,則啟動微調(diào)程序:
(1)如果pn2>pm2,則以0.2 V的步長逐步減小磁場發(fā)生器電壓,直至-0.01 MPa≤pn2-pm2≤0.01 MPa。若3次微調(diào)后,仍有pn2-pm2<-0.01 MPa,則以0.1 V步長,增加磁場發(fā)生器電壓。3次微調(diào)后仍不符,繼續(xù)以前步長的1/2減小電壓,直至-0.01 MPa≤pn2-pm2≤0.01 MPa。然后繼續(xù)保持監(jiān)控狀態(tài)。
(2)如果pn2
以黏度ηC=1.1×10-3Pa·s的煤油作為基載液,結(jié)合以上裝置,對控制程序進行了測試。
密封腔內(nèi)的初始壓力pi=1.0 MPa,將密封腔體中的壓力升為1.5 MPa,模擬被密封介質(zhì)壓力pm發(fā)生了變化。程序監(jiān)測到被密封介質(zhì)壓力pm增加了0.5 MPa,變化幅度大于0.01 MPa,發(fā)出指令啟動粗調(diào)程序。
根據(jù)上述磁場發(fā)生器與液膜密封壓力的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系(設(shè)置在計算程序中),計算出磁場發(fā)生器所需電壓值U2為19.5 V。粗調(diào)程序發(fā)出指令通過電壓調(diào)節(jié)器將磁場發(fā)生器電壓直接調(diào)節(jié)到19.5 V,完成對密封結(jié)構(gòu)的粗調(diào)。
根據(jù)設(shè)置的參數(shù)以及流量計算公式(6)(設(shè)置在計算程序中),計算出潤滑介質(zhì)的泵送量Q=2.49×10-8m3/s。判斷Q值超過了1×10-9m3/s,則對系統(tǒng)進行補液。
壓力傳感器a測得密封間隙中液膜密封壓力pn2=1.48 MPa,壓力傳感器b測得被密封介質(zhì)壓力pm2=1.5 MPa。pn2與pm2相差0.02 MPa,超過0.01 MPa,微調(diào)程序發(fā)出調(diào)節(jié)指令,對液膜密封壓力進行微調(diào)。最終將pn2調(diào)節(jié)為1.51 MPa,滿足程序要求。
(1)采用磁流體作為非接觸式機械密封端面的潤滑介質(zhì),并提出一套動壓潤滑機械密封的自適應(yīng)控制方法。磁場發(fā)生器電壓與所產(chǎn)生的磁場強度成正比,而磁場強度又對磁流體的黏度產(chǎn)生影響,磁流體黏度的變化會引起端面密封液膜壓力的改變。因此,可以通過控制磁場發(fā)生器電壓來達到控制端面液膜壓力的目的。
(2)當工況參數(shù)(轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速、被密封介質(zhì)壓力)發(fā)生變化時,無論是兩參數(shù)單獨變化,還是兩參數(shù)同時發(fā)生改變,最終都會反映到被密封介質(zhì)壓力的變化上去,因此,均可以利用自適應(yīng)控制方法來調(diào)節(jié)機械密封的密封性能。
(3)在密封結(jié)構(gòu)中的磁流體液膜壓力調(diào)節(jié)過程中,粗調(diào)系統(tǒng)能快速確定磁場發(fā)生器的所需電壓,并迅速將直流電源的輸出電壓調(diào)節(jié)至所需電壓,當被密封介質(zhì)壓力或轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的變化幅度較大時,可縮短自適應(yīng)系統(tǒng)的響應(yīng)時間。微調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)磁場發(fā)生器電壓的步長較小,對操作參數(shù)變化的響應(yīng)時間較長,但調(diào)節(jié)精度高于粗調(diào)系統(tǒng)。兩者結(jié)合,可在保證調(diào)節(jié)精度的同時,縮短響應(yīng)時間。
(4)以煤油作為基載液,對控制程序進行了測試,測試結(jié)果表明,該控制程序能自適應(yīng)調(diào)節(jié)機械密封的密封性能。