磁流體動(dòng)壓潤(rùn)滑機(jī)械密封的自適應(yīng)控制方法研究*

(江蘇省過(guò)程強(qiáng)化與新能源裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,南京工業(yè)大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 江蘇南京 211816)

隨著工業(yè)現(xiàn)代化及裝備的自動(dòng)化程度不斷提高，對(duì)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行的要求越來(lái)越高，對(duì)動(dòng)靜密封點(diǎn)的泄漏控制要求也隨之提高。機(jī)械密封是動(dòng)密封的最常見(jiàn)型式，對(duì)于防止旋轉(zhuǎn)設(shè)備泄漏尤為實(shí)用[1]。集成化和自動(dòng)化程度越來(lái)越高以及較高的穩(wěn)定性和可靠性是機(jī)械密封技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，是密封技術(shù)發(fā)展的主流方向[2]。利用流體動(dòng)壓效應(yīng)可以使機(jī)械密封實(shí)現(xiàn)非接觸。研究人員力圖通過(guò)流體動(dòng)壓效應(yīng)來(lái)提高機(jī)械密封的密封性能[3]。利用動(dòng)壓潤(rùn)滑效應(yīng)，潤(rùn)滑介質(zhì)會(huì)在密封環(huán)的2個(gè)端面之間形成一種微米級(jí)厚度的薄膜，2個(gè)端面被這種流體膜隔開(kāi)，這樣就實(shí)現(xiàn)了機(jī)械密封的非接觸[4]。非接觸式機(jī)械密封通常應(yīng)用于高密封壓力、高轉(zhuǎn)速和介質(zhì)潤(rùn)滑性能較差等工況[5]。對(duì)于端面結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜的動(dòng)壓型機(jī)械密封，用磁流體作為潤(rùn)滑介質(zhì)，不但可有效改善端面的潤(rùn)滑狀況，而且可利用外部磁場(chǎng)來(lái)控制磁流體的黏度，從而改變潤(rùn)滑膜的動(dòng)壓特性[6]，實(shí)現(xiàn)液膜密封壓力和摩擦扭矩的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，從而提高機(jī)械密封的穩(wěn)定性、可靠性及對(duì)波動(dòng)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(lái)適應(yīng)對(duì)象以及擾動(dòng)的動(dòng)態(tài)特性變化。自適應(yīng)控制的目標(biāo)是應(yīng)用控制器對(duì)被控對(duì)象參數(shù)的緩慢變化做出適應(yīng)性調(diào)整。第一個(gè)自適應(yīng)控制系統(tǒng)早在20世紀(jì)50年代末期就由美國(guó)麻省理工學(xué)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(lèi)自適應(yīng)控制系統(tǒng)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)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(jī)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(jī)械密封本身并不具備及時(shí)調(diào)節(jié)應(yīng)變的能力，從而會(huì)導(dǎo)致密封失效。但在國(guó)內(nèi)外的研究案例中，尚未見(jiàn)將自適應(yīng)系統(tǒng)應(yīng)用在磁流體潤(rùn)滑機(jī)械密封中的公開(kāi)報(bào)道。為實(shí)現(xiàn)非接觸式機(jī)械密封的自動(dòng)化運(yùn)行，本文作者采用磁流體作為機(jī)械密封摩擦副的潤(rùn)滑介質(zhì)，并提出一套動(dòng)壓潤(rùn)滑機(jī)械密封的自適應(yīng)控制方法，通過(guò)集成在機(jī)械密封系統(tǒng)中的自適應(yīng)控制系統(tǒng)來(lái)偵測(cè)被密封介質(zhì)壓力的變化，從而調(diào)節(jié)外磁場(chǎng)強(qiáng)度，改變潤(rùn)滑介質(zhì)黏度并改變潤(rùn)滑膜動(dòng)壓，以保證機(jī)械密封的密封性能。

1 磁流體潤(rùn)滑機(jī)械密封自適應(yīng)控制原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 控制原理

機(jī)械密封保持正常工作狀態(tài)時(shí)，液膜密封壓力與被密封介質(zhì)的壓力相當(dāng)，使得被密封介質(zhì)不會(huì)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(huì)導(dǎo)致液膜密封壓力與被密封介質(zhì)的壓力不相等。這時(shí)，機(jī)械密封就無(wú)法保持正常工作狀態(tài)。

磁流體黏度會(huì)隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化。當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度增大時(shí)，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(shí)，潤(rùn)滑膜的動(dòng)壓隨之增大；反之，則動(dòng)壓減小[11]。根據(jù)這一規(guī)律，可通過(guò)改變外磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)控制磁流體潤(rùn)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(shí)，磁流體黏度的變化會(huì)導(dǎo)致潤(rùn)滑介質(zhì)泵送量發(fā)生變化，通過(guò)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(rùn)滑介質(zhì)泵送量相當(dāng)。這樣就實(shí)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(jī)械密封正常工作。

1.2 磁流體潤(rùn)滑機(jī)械密封的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

磁流體動(dòng)壓潤(rùn)滑機(jī)械密封的自適應(yīng)控制是基于磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)密封性能的影響規(guī)律實(shí)現(xiàn)的，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 磁流體動(dòng)壓潤(rùn)滑機(jī)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(diǎn)如下：

(1)采用磁流體作為非接觸式機(jī)械密封摩擦副(動(dòng)環(huán)和靜環(huán))端面的潤(rùn)滑介質(zhì)。在密封結(jié)構(gòu)外施加一個(gè)磁場(chǎng)發(fā)生器，為密封端面提供穩(wěn)定的磁場(chǎng)，中間設(shè)置電壓調(diào)節(jié)器并與計(jì)算機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁場(chǎng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。氮?dú)馄?、帶壓?chǔ)罐和靜環(huán)開(kāi)設(shè)的通孔通過(guò)管路連接，中間設(shè)置電磁閥和壓力表并與計(jì)算機(jī)相連，組成潤(rùn)滑介質(zhì)(磁流體)供給結(jié)構(gòu)，為摩擦副提供可自動(dòng)控制流量的磁流體潤(rùn)滑介質(zhì)。

(2)通過(guò)改變外磁場(chǎng)強(qiáng)度來(lái)控制密封端面間磁流體潤(rùn)滑膜的黏度，從而控制潤(rùn)滑膜的動(dòng)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(shí)現(xiàn)密封結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)控制。

2 磁場(chǎng)發(fā)生器電壓與密封液膜壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.1 磁場(chǎng)發(fā)生器電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系

先用數(shù)值模擬的方式來(lái)確定電流I與密封間隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度H的關(guān)系。如圖2所示。

圖2 磁場(chǎng)強(qiáng)度H與電流強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)發(fā)生器中銅絲的電阻;I為磁場(chǎng)發(fā)生器線圈中的電流。

所以得出H與U成正比例關(guān)系。

2.2 磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁流體黏度的關(guān)系

磁流體的相對(duì)磁導(dǎo)率為μr=1+M/H，故M=(μr-1)H，又因無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)磁流體動(dòng)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(chǎng)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(chǎng)中的黏度完整表達(dá)式，即

(4)

然后簡(jiǎn)化推導(dǎo)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(zhǎng)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?jǐn)?shù)；dp為固相磁性顆粒的直徑；μ0為真空磁導(dǎo)率；μr為磁流體相對(duì)磁導(dǎo)率；k0為Boltzmann常數(shù)；T為磁流體的絕對(duì)溫度。

其中，μ0、μr、k0均為磁流體的固定物理參數(shù)。

2.3 磁流體黏度與密封液膜壓力的關(guān)系

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(duì)應(yīng)關(guān)系可由式(6)[14]得到。

(6)

式中:

(7)

(8)

3 機(jī)械密封自適應(yīng)控制方法

基于以上裝置，提出了一種磁流體動(dòng)壓潤(rùn)滑機(jī)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

3.1 參數(shù)的設(shè)置

系統(tǒng)需要設(shè)置以下參數(shù)：

(1)磁場(chǎng)發(fā)生器中銅絲的電阻R，密封間隙中的磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)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(zhǎng)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?jǐn)?shù)φ，固相磁性顆粒的直徑dp，真空磁導(dǎo)率μ0，磁流體相對(duì)磁導(dǎo)率μr，Boltzmann常數(shù)k0，絕對(duì)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(dòng)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(cè)得)，密封環(huán)外徑處壓力p0(該壓力為大氣壓力p)。

3.2 參數(shù)的監(jiān)測(cè)

由壓力傳感器b測(cè)量密封腔體內(nèi)被密封介質(zhì)壓力pm，由轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速n，并判斷pm和n的變化幅度。

3.3 粗調(diào)判斷

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(cè)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(shí)間t≥1 s)，則監(jiān)測(cè)程序發(fā)出指令啟動(dòng)粗調(diào)程序。

粗調(diào)程序通過(guò)設(shè)置磁場(chǎng)發(fā)生器電壓U來(lái)改變磁場(chǎng)強(qiáng)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(shí)現(xiàn)對(duì)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(shí)間t≥1 s。

若pm變?yōu)閜m1(壓力傳感器b測(cè)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(chǎng)發(fā)生器電壓與液膜密封壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出磁場(chǎng)發(fā)生器所需電壓值U2；調(diào)節(jié)磁場(chǎng)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(shí)間t≥1 s。

若轉(zhuǎn)速n變化為n′(轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)得)，會(huì)導(dǎo)致液膜密封壓力pn變化為pn1。此時(shí)，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(chǎng)發(fā)生器與液膜密封壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出磁場(chǎng)發(fā)生器所需電壓值U2；調(diào)節(jié)磁場(chǎng)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(shí)變化，且持續(xù)時(shí)間t≥1 s。

若pm變?yōu)閜m1(壓力傳感器b測(cè)得)，同時(shí)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(chǎng)發(fā)生器與液膜密封壓力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算出磁場(chǎng)發(fā)生器所需電壓值U2；調(diào)節(jié)磁場(chǎng)發(fā)生器電壓至U2，使pn1變化至pm1。

3.4 補(bǔ)液判斷

粗調(diào)后，根據(jù)式(6)[14]計(jì)算潤(rùn)滑介質(zhì)泵送量Q。

(6)

式中：h1為堰區(qū)膜厚(動(dòng)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(cè)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(jì)算所得的黏度，計(jì)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(jì)算并判斷Q是否超過(guò)1×10-9m3/s；若Q沒(méi)有超過(guò)1×10-9m3/s則不進(jìn)行補(bǔ)液；若Q超過(guò)1×10-9m3/s則啟動(dòng)補(bǔ)液；通過(guò)控制電磁閥15、壓力傳感器c和流量傳感器，開(kāi)啟磁流體儲(chǔ)罐與引流孔之間的連接管路，向密封環(huán)補(bǔ)充相應(yīng)的磁流體(補(bǔ)充量為Q)。

3.5 微調(diào)判斷

繼續(xù)測(cè)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(guò)0.01 MPa，則該控制過(guò)程結(jié)束，監(jiān)測(cè)程序繼續(xù)保持監(jiān)控；若二者相差超過(guò)0.01 MPa，則啟動(dòng)微調(diào)程序：

(1)如果pn2>pm2，則以0.2 V的步長(zhǎng)逐步減小磁場(chǎng)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(zhǎng)，增加磁場(chǎng)發(fā)生器電壓。3次微調(diào)后仍不符，繼續(xù)以前步長(zhǎng)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pn20.01 MPa，則以0.1 V步長(zhǎng)，減小電壓。3次微調(diào)后仍不符，繼續(xù)以前步長(zhǎng)的1/2增大電壓，直至-0.01 MPa≤pn2-pm2≤0.01 MPa。然后繼續(xù)保持監(jiān)控狀態(tài)。

3.6 測(cè)試效果

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(duì)控制程序進(jìn)行了測(cè)試。

密封腔內(nèi)的初始?jí)毫i=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(cè)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(dòng)粗調(diào)程序。

根據(jù)上述磁場(chǎng)發(fā)生器與液膜密封壓力的對(duì)應(yīng)函數(shù)關(guān)系(設(shè)置在計(jì)算程序中)，計(jì)算出磁場(chǎng)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(guò)電壓調(diào)節(jié)器將磁場(chǎng)發(fā)生器電壓直接調(diào)節(jié)到19.5 V，完成對(duì)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(jì)算公式(6)(設(shè)置在計(jì)算程序中)，計(jì)算出潤(rùn)滑介質(zhì)的泵送量Q=2.49×10-8m3/s。判斷Q值超過(guò)了1×10-9m3/s，則對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)液。

壓力傳感器a測(cè)得密封間隙中液膜密封壓力pn2=1.48 MPa，壓力傳感器b測(cè)得被密封介質(zhì)壓力pm2=1.5 MPa。pn2與pm2相差0.02 MPa，超過(guò)0.01 MPa，微調(diào)程序發(fā)出調(diào)節(jié)指令，對(duì)液膜密封壓力進(jìn)行微調(diào)。最終將pn2調(diào)節(jié)為1.51 MPa，滿足程序要求。

4 結(jié)論

(1)采用磁流體作為非接觸式機(jī)械密封端面的潤(rùn)滑介質(zhì)，并提出一套動(dòng)壓潤(rùn)滑機(jī)械密封的自適應(yīng)控制方法。磁場(chǎng)發(fā)生器電壓與所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，而磁場(chǎng)強(qiáng)度又對(duì)磁流體的黏度產(chǎn)生影響，磁流體黏度的變化會(huì)引起端面密封液膜壓力的改變。因此，可以通過(guò)控制磁場(chǎng)發(fā)生器電壓來(lái)達(dá)到控制端面液膜壓力的目的。

(2)當(dāng)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(shí)，無(wú)論是兩參數(shù)單獨(dú)變化，還是兩參數(shù)同時(shí)發(fā)生改變，最終都會(huì)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(lái)調(diào)節(jié)機(jī)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(guò)程中，粗調(diào)系統(tǒng)能快速確定磁場(chǎng)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(dāng)被密封介質(zhì)壓力或轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速的變化幅度較大時(shí)，可縮短自適應(yīng)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。微調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)發(fā)生器電壓的步長(zhǎng)較小，對(duì)操作參數(shù)變化的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，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(shí)，縮短響應(yīng)時(shí)間。

(4)以煤油作為基載液，對(duì)控制程序進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，該控制程序能自適應(yīng)調(diào)節(jié)機(jī)械密封的密封性能。