基于TRlZ理論的非接觸式磁力機(jī)械密封創(chuàng)新設(shè)計(jì)

李明龍　王和順　朱維兵　黃澤沛　張車寧　翟金壘

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)非接觸式機(jī)械密封在低轉(zhuǎn)速狀態(tài)下密封間隙大小及端面間流體膜的不穩(wěn)定性和無法主動(dòng)調(diào)整密封端面間隙的問題，通過對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械密封整體原理和結(jié)構(gòu)的分析，運(yùn)用TRIZ理論，以“結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性”和“適應(yīng)性及多用性”為改善參數(shù)，“監(jiān)控與測(cè)試的困難性”和“裝置的復(fù)雜程度”為惡化參數(shù)，由矛盾矩陣得到發(fā)明原理號(hào)，選取“反饋原理”和“機(jī)械系統(tǒng)的替代原理”，并由此創(chuàng)新設(shè)計(jì)了以磁懸浮方式工作的非接觸式磁力機(jī)械密封，通過電磁力獲得開啟力和閉合力，實(shí)現(xiàn)密封端面間隙的主動(dòng)調(diào)控。提升了非接觸式機(jī)械密封運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，延長(zhǎng)了使用壽命。

關(guān)鍵詞：密封；機(jī)械密封；TRIZ理論；磁力

機(jī)械密封是一種至少有一對(duì)垂直于旋轉(zhuǎn)軸的端面，在補(bǔ)償元件和介質(zhì)壓力的作用下而防止流體泄露的密封裝置，也稱為端面密封。它是流體機(jī)械和動(dòng)力機(jī)械中不可缺少的零部件[1]。由于機(jī)械密封具有泄漏量少、功率損耗小、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用于離心泵、離心機(jī)以及反應(yīng)釜等設(shè)備[2]。機(jī)械密封按密封端面接觸狀態(tài)可分為接觸式機(jī)械密封和非接觸式機(jī)械密封，本文主要針對(duì)非接觸式機(jī)械密封進(jìn)行研究。非接觸式機(jī)械密封的基本原理是介質(zhì)通過相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)環(huán)和靜環(huán)間的間隙時(shí)，形成一極薄的流體膜，從而產(chǎn)生阻力，阻止泄漏[3]。流體膜壓力由流體動(dòng)壓效應(yīng)產(chǎn)生的流體動(dòng)壓型機(jī)械密封和流體膜壓力由流體靜壓力效應(yīng)產(chǎn)生的流體靜壓型機(jī)械密封都屬于非接觸式機(jī)械密封。其中流體動(dòng)壓型機(jī)械密封能較好的滿足高PV工況，且具有省工、泄漏小、工作壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，因此廣泛應(yīng)用于宇航、海洋、核能利用等工業(yè)[4]。但對(duì)于反應(yīng)釜、攪拌機(jī)等主軸轉(zhuǎn)速較低的設(shè)備，過低的轉(zhuǎn)速難以形成足夠的流體膜開啟力和剛度，無法保證密封的正常運(yùn)轉(zhuǎn)[5]。在近年來的機(jī)械密封設(shè)計(jì)中，研究人員對(duì)摩擦副、材料、密封動(dòng)靜環(huán)的結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行了很多研究，但缺乏對(duì)密封裝置整體機(jī)構(gòu)改變的創(chuàng)新。本文主要針對(duì)非接觸式機(jī)械密封現(xiàn)研究階段所存在的問題，以TRIZ理論為指導(dǎo)，以實(shí)現(xiàn)非接觸式機(jī)械密封端面間隙可主動(dòng)調(diào)控為目標(biāo)，進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

1.TRIZ理論簡(jiǎn)介

TRIZ的含義是發(fā)明問題的解決理論， 其拼寫是由“發(fā)明問題解決理論”俄語含義的單詞置換成英語單詞的字頭組成的。該理論是前蘇聯(lián)G.S.Altshuler及其領(lǐng)導(dǎo)的一批研究人員，在分析研究世界各國(guó)250萬件專利的基礎(chǔ)上，提出的由解決技術(shù)問題和實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新開放的各種方法、算法組成的綜合理論體系。TRIZ是一種基于知識(shí)的、面向人的、系統(tǒng)化的解決發(fā)明問題的理論[6， 7]。TRIZ解決問題的流程：首先，將領(lǐng)域問題應(yīng)用39個(gè)工程參數(shù)轉(zhuǎn)化為TRIZ標(biāo)準(zhǔn)問題；然后，應(yīng)用TRIZ的40條原理得到TRIZ的標(biāo)準(zhǔn)解；最后，針對(duì)實(shí)際問題，應(yīng)用專業(yè)知識(shí)，通過類比思維將標(biāo)準(zhǔn)解轉(zhuǎn)化為解決實(shí)際問題的領(lǐng)域解。

2.機(jī)械密封創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程

2.1 問題分析

傳統(tǒng)的非接觸式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖1所示，它存在兩個(gè)問題：其一是無法主動(dòng)調(diào)整密封端面間隙。因受密封系統(tǒng)本身及外界干擾，如密封環(huán)端面劃痕、軸向竄動(dòng)、力（熱）變形、端面磨損、壓力波動(dòng)、操作不當(dāng)?shù)葘?dǎo)致工況發(fā)生波動(dòng)時(shí)，由于無法對(duì)密封間隙進(jìn)行主動(dòng)控制，密封穩(wěn)定性可能會(huì)受到影響。其二是密封間隙大小及端面流體膜穩(wěn)定性嚴(yán)重依賴于機(jī)組工況及介質(zhì)條件，特別是機(jī)組轉(zhuǎn)速。密封面間較高的相對(duì)轉(zhuǎn)速有利于獲得更大的流體膜承載力和剛度，但給定機(jī)組的轉(zhuǎn)速往往是不可改變或只能在一定范圍內(nèi)變化的，這極大限制了高性能端面流體膜的形成，導(dǎo)致機(jī)械密封的性能和使用范圍受到了限制。現(xiàn)欲設(shè)計(jì)一種機(jī)械密封結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)密封端面間隙的主動(dòng)調(diào)節(jié)，使密封的穩(wěn)定性不再與機(jī)組轉(zhuǎn)速直接相關(guān)和受其約束，能適用于轉(zhuǎn)速更加廣泛的場(chǎng)合。

圖1傳統(tǒng)動(dòng)壓非接觸式機(jī)械密封結(jié)構(gòu) 圖2 非接觸式磁力密封結(jié)構(gòu)

2.2 應(yīng)用TRIZ解決技術(shù)矛盾

首先，將機(jī)械密封中的問題抽象成TRIZ中的39個(gè)標(biāo)準(zhǔn)工程參數(shù)。由分析問題的結(jié)果，我們可知希望改進(jìn)的參數(shù)是：結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、適應(yīng)性或多用性，惡化的參數(shù)為：監(jiān)控與測(cè)試的困難性、裝置的復(fù)雜性。由TRIZ矛盾矩陣查得發(fā)明原理號(hào)為35、22、39、23和15、29、37、28。經(jīng)過分析，選取23（反饋原理）、28（置換機(jī)械系統(tǒng)原理）。

利用TRIZ的第23（反饋原理）、28（置換機(jī)械系統(tǒng)原理）發(fā)明原理，對(duì)傳統(tǒng)非接觸式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在傳統(tǒng)非接觸式機(jī)械密封中加入傳感器，實(shí)時(shí)檢測(cè)密封間隙的變化情況，實(shí)現(xiàn)密封端面間隙的主動(dòng)可調(diào)。用電磁驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)置換機(jī)械系統(tǒng)，以電磁力代替?zhèn)鹘y(tǒng)非接觸式機(jī)械密封的流體膜動(dòng)、靜壓力來獲得開啟力和閉合力，使密封間隙大小及端面流體膜穩(wěn)定性不再依賴機(jī)組工況。改進(jìn)后的非接觸式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)如圖2所示。同軸設(shè)置有旋轉(zhuǎn)密封環(huán)和靜止密封環(huán)，并以其軸向端面實(shí)現(xiàn)密封。動(dòng)環(huán)為可作軸向位移且兩軸向端面均為密封面的鐵磁材料或永磁材料結(jié)構(gòu)，兩個(gè)靜環(huán)分別設(shè)置于動(dòng)環(huán)的軸向兩側(cè)，與動(dòng)環(huán)相對(duì)的端面為密封面。動(dòng)環(huán)與兩靜環(huán)之間存在一定大小的間隙，分別為h1和h2。兩個(gè)靜環(huán)分別開有一個(gè)大小相同的環(huán)形槽，槽內(nèi)纏繞面積相等的線圈組。在兩靜環(huán)的邊緣分別裝有一個(gè)傳感器，以便檢測(cè)動(dòng)環(huán)的偏移量信號(hào)。

2.3 非接觸式磁力機(jī)械密封工作原理

圖3 密封控制系統(tǒng)工作原理

上述非接觸式磁力機(jī)械密封工作時(shí)，動(dòng)環(huán)隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，由通電控制結(jié)構(gòu)向兩靜環(huán)中的線圈通電，兩靜環(huán)分別對(duì)動(dòng)環(huán)產(chǎn)生方向相反的電磁吸引力，該電磁作用力與密封端面間介質(zhì)流體壓力綜合后形成對(duì)動(dòng)環(huán)的大小相等、方向相反的吸引力，使動(dòng)環(huán)懸浮于兩靜環(huán)之間的平衡位置，兩側(cè)密封端面間隙處于設(shè)計(jì)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)密封環(huán)間的非接觸式機(jī)械密封。運(yùn)行過程中，當(dāng)出現(xiàn)擾動(dòng)，導(dǎo)致動(dòng)環(huán)發(fā)生軸向位移偏離了平衡位置，即其動(dòng)環(huán)兩側(cè)的密封間隙發(fā)生了增大/減小的改變，設(shè)置在各密封間隙部位的傳感器結(jié)構(gòu)即可將相應(yīng)的位置偏移量信號(hào)反饋到其所連接的通電控制結(jié)構(gòu)，與預(yù)設(shè)范圍進(jìn)行比較運(yùn)算和放大處理后，轉(zhuǎn)換為相應(yīng)增大或減小的控制電流，分別加載到兩靜環(huán)中的對(duì)應(yīng)電磁線圈上，改變其兩側(cè)電磁鐵對(duì)動(dòng)環(huán)的磁性作用力，通過兩側(cè)電磁鐵的合力使動(dòng)環(huán)重新恢復(fù)到設(shè)定的平衡位置。

以上是基于TRIZ理論完成的一種非接觸式磁力機(jī)械密封設(shè)計(jì)，體現(xiàn)了TRIZ理論在創(chuàng)新設(shè)計(jì)中應(yīng)用的高效性。該裝置改善了非接觸式機(jī)械密封運(yùn)行的穩(wěn)定性，使其能夠適用于轉(zhuǎn)速更加廣泛的場(chǎng)合。

3.結(jié)論

本文運(yùn)用TRIZ理論對(duì)非接觸式機(jī)械密封進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，在分析實(shí)際問題的基礎(chǔ)上，確定了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和監(jiān)控與測(cè)試的困難性、適應(yīng)性或多用性和裝置的復(fù)雜性之間的沖突領(lǐng)域，用TRIZ中的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)來描述沖突，查找矛盾矩陣，確定發(fā)明原理，設(shè)計(jì)出非接觸式磁力機(jī)械密封。此設(shè)計(jì)解決了一直困擾傳統(tǒng)非接觸式機(jī)械密封的問題，即無法主動(dòng)調(diào)整密封端面間隙和密封端面間隙大小及端面流體膜穩(wěn)定性嚴(yán)重依賴于機(jī)組工況的問題，使密封的穩(wěn)定性不再受機(jī)組轉(zhuǎn)速的約束和影響，因此適用于轉(zhuǎn)速更加廣泛的場(chǎng)合且都能具有良好的動(dòng)態(tài)性能，增強(qiáng)了非接觸式機(jī)械密封運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，具有良好的可實(shí)施性。

參考文獻(xiàn)：

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[7]沈萌紅. 創(chuàng)新的方法-- TRIZ理論概述 [M]. 北京： 北京大學(xué)出版社， 2011.

作者簡(jiǎn)介：

李明龍（1989年—），男，碩士研究生，主要從事機(jī)械密封技術(shù)研究工作。

*基金項(xiàng)目： 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51005188）；四川省教育廳重點(diǎn)項(xiàng)目（11ZA285）；西華大學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)成果培育項(xiàng)目（SBZDPY-11-21）。