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Speciality: Process Equipment and Control
在使用主动控制时消除对机械密封面的影响

作者：Joshua Dayan ,理工-以色列技术学院,希捷科技公司 和伊萨克·格林,乔治亚学院

摘要：机械密封磨损和失效在某些应用程式可能是至关重要的,应予以避免。大相对错位的密封面之间是最容易导致增加用于间歇时接触摩擦,最终带来失败。密封间隙的调整可能是最容易实现的相对偏差的方法减少和消密封端面接触在操作期间。这种方法,论证了其与援助的一个灵活的安装转子产生FMR)机械的脸密封试验台雇佣一个串级控制方案。涡流探头测量密封间隙附近直接。内循环控制间隙、保持预定的差距,调节空气压力在转子腔的密封。当接触是探测到外环的间隙调整设置点上的差异,根据探针的方差的信号。这些不同的方差被发现是一个可靠的定量指示进行这种接触。他们全是自由到其他一些定性的指征,并提供现象学的控制变量数据为外回路来实现。实验来验证这种积极的控制方案和策略。分析结果表明, 调查中密封都为在违反直觉,减少密封间隙可消除接触,而外在驱动控制的级联环确实可以这个解决方案。
关键词：机械密封,间隙控制,端面接触的消除
1.引言
广泛应用于机械密封泵、压缩机、流体力学和动力的船。两种类型有工作,联系和产生的机械密封。第一个密封型提供了最有效的分离液两侧密封,这样做的代价是更高的摩擦和更快的磨损。第二种类型提供了更长的寿命却失去了一些泄漏。过早老化的密封可能造成损失的价值远远超过了密封的,因此,它本身应该被避免。
在非接触式密封的失效原因并不总是很清楚，可能是由于工序，操作，设计或它们的组合。不过，也有非接触式密封失败的最可能的原因是一些意外的发生间歇性的接触面之间的密封。 因此，消除接触是最重要的，特别是在关键应用（如核能反应堆冷却泵）在密封失效的可能有严重的影响。一个全面的设计，考虑到如密封面的几何形状，材料，传热，力学，系统动力学和经验数据的所有信息，促进长期密封寿命。然而，这决不是一件容易的事，并在大量的信息是许多信息缺失。 该问题可能得到解决，但通过积极的密封操作控制。这种方法已经采[1]-[4]。 所有这些研究集中于只通过温度控制间隙调整，凡热电偶测量温度分别作为反馈使用。 温度升高一直声称是由接触引起摩擦的结果。然而，温度可能会随着其他物理现象或经营状况变化的结果。特别是，当密封面相对偏差，因为有大量接触的温度可能仍然很低，因为过量泄漏的冷却效果。此外，只测量热电偶温度大坝局部封闭，而他们的位置并不在接触的位置一定的权利。热惯量也必须考虑到事件发生的预测和控制之间的时间延迟激活。整体而言，温度测量是不是直接测量间隙，因此，这种方式才是最重要的它可能无法检测到破坏，即情况下，接触密封操作。
在本研究中，减少偏差和相对减少了密封面接触的可能性各种方式进行了介绍和审议。第一次接触是监测从​​使用涡流探头密封的动态行为。这些提供适当或不当行为密封瞬时信息。然后，控制策略以及控制系统的开发和实施，以保持尽可能清除，相对偏差小，以保证非接触式的FMR机械端面密封操作。
2.间歇面对面接触
一个基本的描述和命名富达机械密封给出了图1（见本运动学模型的细节[5 ]）。 大坝是密封的转子之间的倾斜面和固定定子（也都显示在图2）面积。 为了减少磨损，其中之一的面孔通常是由较软的材料，例如，碳石墨。 在操作过程中面临升空到一定中心线间隙， C，而较软的材料也歪曲因为机械和热变形，由锥角，β代表*. 注意，这两个C和β*非常小（一微米的和弧度，分别顺序） ，因此，图1不是比例显示这些尺寸参数。脑脊液漏由于在密封的压力降产生的情况将通过β*（如图1。流从中心向周边地区发生）造成的流体流动汇流的差距。理想情况下，密封面垂直排列轴和相互平行。正如其名称所暗示的，不应该有任何的接触过程中的非接触式机械密封操作。然而，在现实中，在操作过程中接触可能会出现由于大相对密封面之间的错位。相对偏差之间的密封面，γ* （见图1），是制造和装配公差，机械恶化，或在工艺操作，弯曲轴，密封面接触等干扰的结果，不仅会产生影响力量，是不容易预测，但同时也增加了摩擦和磨损的端面和产生热量的延长。

图1：在密封坝之间的转子和定子的相对偏差

密封面的接触将发生是否不仅取决于之间的相对偏差,分析了电机定、转子和γ*,而且还对设计的密封间隙、Co,密封的内在和外在半径的弯时, ro(的一致性与以前的出版物[5 - 15],一个星号或是小写字母用来表示空间/ non-normalized变量)。这些可以组合在一起进了归一化的相对偏差,定义为,γγ*罗依/ Co[5]。密封面接触可以发生在内部的半径和外半径,取决于归一化的角度,β=β锥进/ Co(现*抢劫,图1是更好的无量纲参数,在C = Co + zs系列)。正确设计的密封,必须有一个锥进角、β,大于临界[5、8]。(临界锥进角度βcritical = 1 /国际扶轮提供积极的流体膜刚度;在国际扶轮是无量纲内在半径的密封,国际扶轮/ ro。)应该联系发生认为会发生在内部的半径。在这种情况下,归一化的两粒子相对偏心、γ,可以用来决定接触发生。当接触发生在内部的半径,因此，为了避免可能的接触面之间的密封件的设计和运作应确保在任何时候。
3.减少了规范化的相对不重合
在某些应用中密封接触是可以预防的正确设计，即选择在这样一种方式，它不会敏感，其额定工作点左右操作参数变化的密封参数。在其他情况下，但是，负载变化或可能有很大的变动，造成超出了严格的设计可以纠正大的失准。在后者的一个或多个操作参数，间隙，密封流体压力，速度和轴以上，可用于主动控制的密封的行为[6，7]
文献[5]分析提供了灵活安装转子两个强迫函数动态响应的解决方案：固定定子错位，以及初始转子不同心。因此，总的反应是转子不对中，这两个反应矢量叠加，其最大值是加入了极大的反应迫使这两个函数获得。同样，转子之间的相对偏差和定子是不对的总转子和定子失调向量减法。因此，减少了相对偏差可以消除接触。
最大相对偏差，可以计算根据动力学模型[5,8]封闭形式的解决方案。在这个解决方案为基础，参数和敏感性研究[6,7,9]进行了调查了非接触式密封富达基本参数（包括轴转速，密封流体压力，锥角和间隙）对最大相对偏差 密封试验装置（如图所示）结果发现，增加轴的速度和密封流体压力下降的最大相对偏差归。 这种错位间隙密封效果但是，依赖于圆锥角。这是因为转子的动态系数很强的依赖性，从而动态响应后，清理和圆锥。因此，当圆锥角小，而且违背直觉，降低密封间隙会降低最大相对偏差归。反之，当圆锥角大，增加了清理工作的最大跌幅也相对偏差归。因此，轴转速，密封流体压力，或清除，可用于减少正常化的最大相对偏差，消除密封面接触。然而，由于大多数应用中，轴的转速和密封流体压力是固定的，最好的办法消除的联系是通过控制密封间隙。本研究描述了非接触式密封试验台富达联络间隙控制消除。
4.联系的消除
a：试验方法
基本的非接触FMR机械密封试验装置在这项研究中（图2）使用中介绍了李和格林的方法[ 10,11,12 ] 。最近，它已增加了先进的实时数据采集和分析系统[13， 14]。基本系统的其他重要修改包括定子，这是完全由碳石墨与转子，这完全是对AISI 440C不锈钢制成。 两人都被套圈的密封制造和制造商的行业标准（这是优于半个“氦带“或0.25微米集成的系统提供可靠的测量和转子和定子之间的相对位置的测定。
转子是通过灵活地安装在一个橡胶O形圈旋转轴。这使得跟踪定子转子错位和轴向移动。定子组装，密封是由几个部分组成：碳定子，垫片，定子持有人。这种设计是机械变形能力，生产的定子与各锥角密封件[11]。为了稳定，这是强制性的密封，以维持在径向流的方向收敛的差距。对于外界的最低密封加压密封膜的厚度要在内径[15]。在实际的圆锥从压力差和热应力的角度实际应用的结果。因此，随着时间而变化。因此，随着时间而变化。然而，在这些瞬态变形发生在比在密封的时间尺度动力学的兴趣步伐要慢得多。因此，这两个进程（圆锥角度的变化和瞬时动态）可视为脱钩。出于这个原因，在目前的试验台圆锥是诱导变形的脸在定子夹具和固定举办过实验。在这方面，动态分析和监测数据足以在一个几分之一秒获得，对于任何一个时间尺度发生热变形微不足道。
定子装配在一个固定的容积里，这是为了方便由三个加工，维修和试验台调整部分组成。所有可能的渗漏路径是密封由O型圈。在住房流体密封加压水。连接轴的控制，通过两个滑轮和一个定时带直流电动机的速度驱动的主轴。压缩空气是由主供气线，以通过在转子室的住房与轴孔。它是由一个密封唇密封一端，从水中分离，在另一端接触密封。工作在一个密封的平衡清除那里的开幕式和闭幕式的力量是平衡的。改变通过调整转子室气压（无论是手动或通过一个计算机的压力转换器的电压）随清除关闭力。
三电涡流探头（REBAM 1200）安装在了他们之间的距离瞬时提示和转子的端面密封措施的结束。涡流探头的灵敏度为40μm/ V的线性范围之间普遍存在0 - 1毫米。为了避免饱和度接近探针距离约0.3毫米的目标转子表面的最大跳动量的顺序为10，因此，永远不会饱和的电涡流探头。在接近探头可以同时测量静态和之间的技巧和转子的动态距离。这三个探头安装在一个25毫米直径的圆，位于90 °的。在任何特定时刻的密封间隙之间的瞬时平均读数两个探头，它被安装180 °外，和零引用的差异。后者是获得一次，而轴是固定的高气压是在转子室应用，以确保对转子定子压。在这种状态下，这两个探头的零间隙平均代表参考。在接近探头有大约10千赫的带宽。用一个低通截止频率为1 kHz滤波器是用来消除高频串扰噪音之间的探针，并作为一种抗混叠滤波器。在电压方面的减少涡流通过模拟信号发送到一个浮点数字信号处理器（DSP）的数字转换器。这个DSP，由板上外围设备，如类比，数字和数字到模拟转换器，包括设置一个普遍理事会在个人电脑安装的补充。由于DSP的最高采样速率为500 kHz时，DSP的计算结果可实时提供。应该一提的是，虽然Sehnal，等。 [16]，Etsion和康斯坦丁内斯库[17]，也提出了类似的尝试，以确定从邻近探头的读数间隙，他们最终回归估算应用，因为零漂移对测量泄漏的简化方程的通关间接导致他们高工作温度的试验条件
包括定子偏心，转子不对中，转子之间的相对偏差和定子其它关键参数的计算，实时在线从探针测量[13]。该试验台的组成部分，数据采集和分析的进一步详情，可在上述参考。
b.接触检测和接触消除策略
一个特征值稳定性分析（[5,8]）显示，在目前的密封试验台FMR动态稳定到轴至少1300赫兹和10微米以下的通关速度。这些限制是非常高，超出了正常运行的最实际的案例。接触发生在这里的问题是稳态响应定子错位（或初始条件）。一个转子，定子不佳跟踪和自己最初的转子失调，导致了相对偏差γ（见图1。），大到足以引起接触。该接触淘汰策略的目的是改善后，转子γ反应和减少，使得非接触式操作为准。但是，其他因素，如灵活的支持运动学和转子动力学系数的不确定性，机器恶化，在密封的压力或轴的速度，或意外的瞬态轴振动，影响了密封的动态行为，因此，影响了相对位置和不重合之间的转子和定子。
在（[6，7，9]）探讨这个γ max各种密封参数的影响，并提供有价值的信息有关的密封设计及性能预测参数研究。这些研究还提供了接触消除战略指导方针。的不良接触，然而，使系统表现非常不同的方式比非接触操作时为准。在接触操作不稳定。图2:转子角偏差的轨道联系为不同初始间隙(大定子、转子轴线γs =γri = 1.5 mrad)
含有高次谐波，而轨道偏离很大的通知。然而，这不是一个不稳定的现象。特别是，当发生间歇性的接触和假设的“非接触”印章的分析是无效的。的动态分析，包括间歇性的接触，是非常困难的，并且尚未公布。然而，接触消除上述研究的基础仍然是减少转子和定子之间的相对偏差有效。在邹等。 [18]有人认为，当涉及到实际接触检测诊断为现象学的方法是更为合适。事实上，它表明，在实验（已通过分析预测）特定的条件下探测信号变得非常不稳定的，由高次谐波振荡的陪同下（HHO）。 （类似的观察Lee和格林[10]，间歇性接触，为他们提供了一个接触模型上的傅立叶级数展开为基础。）功率谱密度（PSD）的探针分析确证检测到这些信号HHO，在现实时间。此外，角度不对轨道，表明了错位幅度时，转子进动角在其瞬时位置，在这些实验中获得的非圆（见轨道清拆图6μm，当接触时，图2）。
偏心轨道的角代表两个正交倾斜γξ和γη，大约需要两个惯性的平面坐标轨迹的瞬时ξ和η（一种广泛的讨论以绿色显示，[5,8]，LEE和GREEN[10]Zou和Green[13]，在这项工作中的命名是一致的定义与上述​​参考文献）总之，由于上述测量的间隙，因为振荡提到的因素，面接触检测基于三个探头的信号，其功率谱密度和角度偏差轨道取得格局。
应该指出的是，PSD已对所有清拆第二高次谐波振荡（HHO），这等于两倍轴旋转频率[18]。其中部分HHO水平在系统中所固有的。它们存在，即使没有到位定子和转子运行，是由于如O型圈灵活的支持其他系统组件。然而，在接触情况（例如，在图6μm的间隙情况。3）这些HHO能量水平远高于非接触情况（图1微米的间隙）为高，并明确表示不正常操作（即间歇性接触）。作为密封间隙的形状和峰值下降到峰探头的信号值的变化以及，并往往成为彼此相似的。当间隙达到1微米（图3）三个探头的信号几乎是相同的，而实际上已经消失HHO。在HHO缺乏的PSD是一项非接触式操作已恢复迹象（[10]）因为是圆形的轨道得到[18]。在接触被检测到，需要下一步应该触发机制，这将决定所需的清关的控制回路。保持这种期望将消除接触间隙，恢复正常（非接触）操作。
接触消除控制系统和策略包括一个级联或监督控制计划（图4）非常规类型。内在的比例积分（PI）反馈控制回路控制清理和维护所需的设定点，其中，反过来，是由外部控制回路调整。论所需的设定点和实际计算的间隙（即三个信号是指由直接探测器获得的测量）的PI算法的基础上，输出信号的误差发送到电动气动传感器（通过一个D / A转换器），这提供所需的空气压力，转子。如前所述，良好的经营条件，区域内的稳定和物理上的密封不能变得不稳定。
随着PI控制算法由根轨迹考虑调整）有可能维持一个准确（例如，图5）任何需要的间隙高度值Zou and Green [14]以及Zou等。 [18]提供这方面的一个控制计划的一部分进行深入的描述。然而，当间歇性（甚至永久）接触时，间隙控制回路可能的是，表面上，显示“良好”的控制，也就是说，平均通关是保持在一个适当的值，但联系，使信号振动（高次谐波出现在探头信号）。在这种情况下，外环不看信号的均值或在自己个人的任何间隙。相反，它着眼于对信号施加是否相关的高次谐波（如在非接触的制度）或没有（接触时发生）。接触后发现，这是纠正或消除口述适当间隙的内部循环。在由外循环所需要的间隙值的变化方向取决于在特定的灵敏度锥角，β，把密封是工作在（为试验台间隙减少所需要）
所需的间隙计算应基于实时探测信号的统计与接触检测测试结果。由于是在密封转​​子轴与旋转轴装，三电涡流传感器测得的信号应具有相同的特征，只要因为没有面对面的接触。特别是探头的信号变化也应该是相同的，以任何轴革命重复。因此，这里提出的方法主要包括清关测量来自三个接近探测器获得的数据融合。一个探针测量方差是相对于其他两个人，和变异值的绝对差异是总结和反馈到外循环使用。只有变化的统计特征（例如，在方差变化）的探针信号以外的平均水平，揭示了他们之间的分歧寻求现象。
接触控制可以检测和消除工作有两种方式：
1、外部控制回路切换“开”和“关”，按照一个监管算法，该算法确定（由私营部门司/AMD的分析）是否发生接触。当关闭外循环为内循环的设定值在其最近举行的更新值（图3a）。
2、另外，外循环所有的时间（图3b）。实际上，这样的安排可以消除用最少的控制工作联系。
图3a:监控应用DSP芯片和分析检测联系

图3b:连续监控使用方差分析来检测接触
图四:框图的密封间隙控制系统
对于特别是在这个研究和实际情况，在许多类似实验装置系统，所以基本上没有“正式”接触所引发的纠正措施后检测的需要。相反，连续监督方差控制回路将简单（可靠）消除交往提供安全工作条件的所有的时间。对于设定值的变异被选为Δσ2= 10-12平方米，高产Δσ= 10-6米，或50的原预期为钻机2微米），即面平整度的量级和设定值％表面粗糙度。方差的计算方法为一轴抽样在0.0004Sec间隔。
外部控制回路生成所需间隙输出（这被看作是对内部控制回路设定值使用）。这已被设定的PI算法，平滑滤波器和提高整个系统的准确度（由归零的外循环位置错误）。就业外环控制器试验台was0.5（1 1 / 10）的传递函数。如前所述，有没有这种制度和特定算法调整稳定限制已经通过试验和发现的错误。
在传感器的信号统计行为的差异，也使用Shoval等。 [19]一个完全不同的系统，如果数据从两个不同的位置测量传感器融合已被用来确定环境。
c.间隙控制（内部循环的性能）
如前所述，密封间隙控制（内“从动”循环）是通过一个PI控制器所需的值是由外部“大师”循环所决定的。测量的反馈是从探头的信号计算出的平均水平，由此产生的控制作用是通过电动气动传感器，提供了在转子密封试验室所需的空气压力传送。各种间隙然后可以得到不同的关闭力的转子室中的空气压力产生。
该间隙控制回路能力按照设定点的变化和无轴转速和密封水压力的干扰，经过测试，其性能的试验台展示。所有的实验都进行约207千帕密封水压力，15赫兹和4轴转速微米间隙名义工况。在密封的圆锥角的实验是1.6弧度。
图5描述了测试的8分钟内控制回路的结果。所需的密封间隙（设定点变化），实际测量间隙和所需的空气压力，保持设定点绘制。在这个测试中，清除设定点在25％-50％的标称值的变化步骤，介绍了伴随着对轴的速度（30％）和密封水压力（高达18％）的干扰。在测试过程中的变化，介绍了在一分钟的时间间隔根据表1，其中图。五清楚地表明，该控制器可以按照上述提到的这些干扰的存在设定点的变化。所需的控制工作，即在转子室的空气压力变化，接缝非常小。
d.联系消除的结果
实验是在不同的定子进行锥角，轴速度和密封水压力，如果整个测试级联控制器能够消除面对面接触。实验一的结果（如标称条件：β* = 1.6毫弧度，水压= 207千帕，ω= 15赫兹，通关和定子错位2毫弧度，为​​准）在下面的一组数字（6-10绘制）。
图6描述了在探头位移变化的信号时，获得控制开启和关闭。显然，当控制开的时候，形状和峰值到峰值的信号值是三个不同的探针上.
图5:根据瞬态结果与变化表1

图6:接近探针信号当控制是断断续续的
这是比较容易看到的三个探头的PSD的这些差异。该PSD是最佳地呈现一个线性比例。在这样的规模，控制“开”时表示，三个探针'PSD是2.5倍以上时，得到的PSD值控制为“关”在首相的频率，这是不到一半的乘法获得较高的价值这个频率。因为它是无法看到的线性比例之间的每个探测信号的个体差异PDS的日志（PSD）是绘于图7，为各自的控制和控制了案件。虽然它并没有比线性情节。第7条明确表明，控制“计划互相配合比的控制关”的好。
图8可知，转子和定子之间的最大相对偏差明显减少时，控制为“ON”时相比，该控件是“关闭”，因此这两个元素是更好地适应和接触是不太可能（显示在这种情况下接触淘汰）。为控制“开”和控制“关”的个案转子偏心轨道，绘制图9轨道变得更“开”情形对照圆，其中心对移动点由定子偏差和角度定义。当级联控制“上”方差循环驱动对更好地调整（消除接触）系统，从图中可以看出。 10它会自动降低了通关。这是一个迹象表明，在实验条件下降低了通关确实减少了相对偏差，如表明了绿[8]解析。图10还显示，从探针测量计算的间隙很好的相关性与泄漏测量（保证这两种方法已经足够）计算，间隙基本吻合。在控制器所需的输出（在转子室气压）的变化非常小，表明控制良好和有效的调整。

图7:接近探针PSDs当控制是断断续续的

图8:转子不对中当控制是断断续续的
5结论
一个消除了机械密封接触面联系的新方法介绍。该方法采用主动控制的间隙之间的密封面。它成为了一个从非接触机械密封​​的铁磁共振的详细参数和敏感性分析结果的结论。直觉相反，这项工作表明，间隙应减少反而增加，接触时发生。在间隙减小的相对减少密封面之间的错位，因此，它减少了密封面接触的可能性。通过将密封面的距离，不仅消除了接触，泄漏也明显减少。主动控制，实现了一种新型的级联使用两个PI控制回路方案。内部控制回路维护所需的间隙，而外环计算并决定了设定值，在联系检测结果为基础。
接触是由HHO异常在测量间隙（即涡流探头输出）信号的出现。这些被检测HHO由DSP和用于密封偏心轨道参数。外层循环的新颖之处在于在其对测量信号的统计特性，而不是依赖通过传感器的测量值。一旦接触被检测到，外层循环相加计算的涡流探头信号的方差差异的“反馈”的信号。它是那么相比，“目标”变异 - 一个非接触运行中的典型行为 - 并随后确定新的理想的差距，从而消除了接触和非接触操作恢复正常。对于大多数的实际情况外循环，可连续运行，而不需要单独的检测。从目标的偏差是指外观方差HHO，或联系人的发生，外控制回路将利用这种干扰的照顾。