基于TRlZ理论的非接触式磁力机械密封创新设计

李明龙　王和顺　朱维兵　黄泽沛　张车宁　翟金垒

摘 要：针对传统非接触式机械密封在低转速状态下密封间隙大小及端面间流体膜的不稳定性和无法主动调整密封端面间隙的问题，通过对传统机械密封整体原理和结构的分析，运用TRIZ理论，以“结构的稳定性”和“适应性及多用性”为改善参数，“监控与测试的困难性”和“装置的复杂程度”为恶化参数，由矛盾矩阵得到发明原理号，选取“反馈原理”和“机械系统的替代原理”，并由此创新设计了以磁悬浮方式工作的非接触式磁力机械密封，通过电磁力获得开启力和闭合力，实现密封端面间隙的主动调控。提升了非接触式机械密封运行的稳定性和可靠性，延长了使用寿命。

关键词：密封；机械密封；TRIZ理论；磁力

机械密封是一种至少有一对垂直于旋转轴的端面，在补偿元件和介质压力的作用下而防止流体泄露的密封装置，也称为端面密封。它是流体机械和动力机械中不可缺少的零部件[1]。由于机械密封具有泄漏量少、功率损耗小、寿命长等优点，所以被广泛应用于离心泵、离心机以及反应釜等设备[2]。机械密封按密封端面接触状态可分为接触式机械密封和非接触式机械密封，本文主要针对非接触式机械密封进行研究。非接触式机械密封的基本原理是介质通过相对转动的动环和静环间的间隙时，形成一极薄的流体膜，从而产生阻力，阻止泄漏[3]。流体膜压力由流体动压效应产生的流体动压型机械密封和流体膜压力由流体静压力效应产生的流体静压型机械密封都属于非接触式机械密封。其中流体动压型机械密封能较好的满足高PV工况，且具有省工、泄漏小、工作寿命长等优势，因此广泛应用于宇航、海洋、核能利用等工业[4]。但对于反应釜、搅拌机等主轴转速较低的设备，过低的转速难以形成足够的流体膜开启力和刚度，无法保证密封的正常运转[5]。在近年来的机械密封设计中，研究人员对摩擦副、材料、密封动静环的结构方面进行了很多研究，但缺乏对密封装置整体机构改变的创新。本文主要针对非接触式机械密封现研究阶段所存在的问题，以TRIZ理论为指导，以实现非接触式机械密封端面间隙可主动调控为目标，进行创新设计。

1.TRIZ理论简介

TRIZ的含义是发明问题的解决理论， 其拼写是由“发明问题解决理论”俄语含义的单词置换成英语单词的字头组成的。该理论是前苏联G.S.Altshuler及其领导的一批研究人员，在分析研究世界各国250万件专利的基础上，提出的由解决技术问题和实现创新开放的各种方法、算法组成的综合理论体系。TRIZ是一种基于知识的、面向人的、系统化的解决发明问题的理论[6， 7]。TRIZ解决问题的流程：首先，将领域问题应用39个工程参数转化为TRIZ标准问题；然后，应用TRIZ的40条原理得到TRIZ的标准解；最后，针对实际问题，应用专业知识，通过类比思维将标准解转化为解决实际问题的领域解。

2.机械密封创新设计过程

2.1 问题分析

传统的非接触式机械密封结构如图1所示，它存在两个问题：其一是无法主动调整密封端面间隙。因受密封系统本身及外界干扰，如密封环端面划痕、轴向窜动、力（热）变形、端面磨损、压力波动、操作不当等导致工况发生波动时，由于无法对密封间隙进行主动控制，密封稳定性可能会受到影响。其二是密封间隙大小及端面流体膜稳定性严重依赖于机组工况及介质条件，特别是机组转速。密封面间较高的相对转速有利于获得更大的流体膜承载力和刚度，但给定机组的转速往往是不可改变或只能在一定范围内变化的，这极大限制了高性能端面流体膜的形成，导致机械密封的性能和使用范围受到了限制。现欲设计一种机械密封结构，实现密封端面间隙的主动调节，使密封的稳定性不再与机组转速直接相关和受其约束，能适用于转速更加广泛的场合。

图1传统动压非接触式机械密封结构 图2 非接触式磁力密封结构

2.2 应用TRIZ解决技术矛盾

首先，将机械密封中的问题抽象成TRIZ中的39个标准工程参数。由分析问题的结果，我们可知希望改进的参数是：结构的稳定性、适应性或多用性，恶化的参数为：监控与测试的困难性、装置的复杂性。由TRIZ矛盾矩阵查得发明原理号为35、22、39、23和15、29、37、28。经过分析，选取23（反馈原理）、28（置换机械系统原理）。

利用TRIZ的第23（反馈原理）、28（置换机械系统原理）发明原理，对传统非接触式机械密封结构进行改进，在传统非接触式机械密封中加入传感器，实时检测密封间隙的变化情况，实现密封端面间隙的主动可调。用电磁驱动系统置换机械系统，以电磁力代替传统非接触式机械密封的流体膜动、静压力来获得开启力和闭合力，使密封间隙大小及端面流体膜稳定性不再依赖机组工况。改进后的非接触式机械密封结构如图2所示。同轴设置有旋转密封环和静止密封环，并以其轴向端面实现密封。动环为可作轴向位移且两轴向端面均为密封面的铁磁材料或永磁材料结构，两个静环分别设置于动环的轴向两侧，与动环相对的端面为密封面。动环与两静环之间存在一定大小的间隙，分别为h1和h2。两个静环分别开有一个大小相同的环形槽，槽内缠绕面积相等的线圈组。在两静环的边缘分别装有一个传感器，以便检测动环的偏移量信号。

2.3 非接触式磁力机械密封工作原理

图3 密封控制系统工作原理

上述非接触式磁力机械密封工作时，动环随转轴转动，由通电控制结构向两静环中的线圈通电，两静环分别对动环产生方向相反的电磁吸引力，该电磁作用力与密封端面间介质流体压力综合后形成对动环的大小相等、方向相反的吸引力，使动环悬浮于两静环之间的平衡位置，两侧密封端面间隙处于设计状态，实现密封环间的非接触式机械密封。运行过程中，当出现扰动，导致动环发生轴向位移偏离了平衡位置，即其动环两侧的密封间隙发生了增大/减小的改变，设置在各密封间隙部位的传感器结构即可将相应的位置偏移量信号反馈到其所连接的通电控制结构，与预设范围进行比较运算和放大处理后，转换为相应增大或减小的控制电流，分别加载到两静环中的对应电磁线圈上，改变其两侧电磁铁对动环的磁性作用力，通过两侧电磁铁的合力使动环重新恢复到设定的平衡位置。

以上是基于TRIZ理论完成的一种非接触式磁力机械密封设计，体现了TRIZ理论在创新设计中应用的高效性。该装置改善了非接触式机械密封运行的稳定性，使其能够适用于转速更加广泛的场合。

3.结论

本文运用TRIZ理论对非接触式机械密封进行了创新设计，在分析实际问题的基础上，确定了结构的稳定性和监控与测试的困难性、适应性或多用性和装置的复杂性之间的冲突领域，用TRIZ中的标准参数来描述冲突，查找矛盾矩阵，确定发明原理，设计出非接触式磁力机械密封。此设计解决了一直困扰传统非接触式机械密封的问题，即无法主动调整密封端面间隙和密封端面间隙大小及端面流体膜稳定性严重依赖于机组工况的问题，使密封的稳定性不再受机组转速的约束和影响，因此适用于转速更加广泛的场合且都能具有良好的动态性能，增强了非接触式机械密封运行的可靠性和稳定性，具有良好的可实施性。

参考文献：

[1]顾永泉. 机械密封实用技术 [M].北京： 机械工业出版社， 2001.

[2]车晓刚. 机械密封的原理及应用 [J]. 科技创新导报， 2008（31）： 231.

[3]张金凤， 袁寿其， 曹武陵. 机械端面密封技术研究现状及发展趋势 [J]. 流体机械， 2004（10）： 26-31.

[4]王和顺， 董霖，黄泽沛，等. 静压干气密封端面流场数值模拟 [J]. 排灌机械工程学报， 2011， 29（2）： 165-169.

[5]刘尚明， 刘东亮， 刘恒义. TRIZ理论及其在机械产品创新设计中的应用[J]. 现代制造技术与装备， 2007（03）： 43-44， 84.

[6]牛占文， 徐燕申， 林岳， 等. 发明创造的科学方法论——TRIZ [J]. 中国机械工程， 1999（01）： 92-97.

[7]沈萌红. 创新的方法-- TRIZ理论概述 [M]. 北京： 北京大学出版社， 2011.

作者简介：

李明龙（1989年—），男，硕士研究生，主要从事机械密封技术研究工作。

*基金项目： 国家自然科学基金项目（51005188）；四川省教育厅重点项目（11ZA285）；西华大学教育部重点实验室学术成果培育项目（SBZDPY-11-21）。