機(jī)械密封端面摩擦特性參數(shù)及測(cè)試技術(shù)

1、機(jī)械密封端面摩擦特性參數(shù)及測(cè)試技術(shù)     機(jī)械密封端面摩擦特性是決定機(jī)械密封工作壽命和密封性能好壞的關(guān)鍵因素,機(jī)械密封端面摩擦特性參數(shù)的測(cè)試是機(jī)械密封試驗(yàn)研究和產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)價(jià)中的關(guān)鍵技術(shù)。     分析了表征機(jī)械密封端面摩擦特性的常用性能參數(shù),介紹了端面摩擦扭矩、端面磨損量、端面溫度、端面流體膜厚及端面流體膜壓的測(cè)試技術(shù),探討了常用測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)及難點(diǎn)。指出了消除測(cè)試過程中外部較大的干擾信號(hào)是提高測(cè)試精度和可靠性的關(guān)鍵,而基于傳感技術(shù)的計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集與處理是機(jī)械密封端面摩擦特性參數(shù)測(cè)試技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。  

2、;   機(jī)械密封端面摩擦特性長(zhǎng)久以來都是機(jī)械密封研究人員最為關(guān)心的問題之一,因?yàn)樗菦Q定機(jī)械密封工作壽命和密封性能好壞的關(guān)鍵因素。近年來,機(jī)械密封的端面摩擦特性研究雖然已取得了很大的進(jìn)展,但由于密封結(jié)構(gòu)和工況千差萬別,至今尚未形成完整的理論體系,學(xué)術(shù)界對(duì)密封摩擦機(jī)制的分析理解還很不一致。機(jī)械密封端面摩擦特性試驗(yàn)研究無論對(duì)密封理論體系的建立,或是對(duì)指導(dǎo)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)和使用均十分必要,而端面摩擦特性參數(shù)的測(cè)試則是試驗(yàn)中的關(guān)鍵技術(shù)。     1、表征機(jī)械密封端面摩擦特性的常用性能參數(shù)    

3、0;與機(jī)械密封端面摩擦特性直接有關(guān)的性能參數(shù)主要包括端面摩擦扭矩、端面磨損量、端面溫度、端面流體膜厚及膜壓。     1.1、端面摩擦扭矩     端面摩擦扭矩是影響機(jī)械密封工作性能的重要參數(shù),決定著機(jī)械密封運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的摩擦功耗、端面磨損量、摩擦發(fā)熱量以及端面溫度等工作參數(shù)。隨著機(jī)械密封技術(shù)的不斷發(fā)展,機(jī)械密封的使用量越來越大,提高機(jī)械密封的密封性能和工作壽命,一直是人們密切關(guān)注的問題。端面摩擦扭矩反映了機(jī)械密封端面狀況,端面摩擦扭矩大,磨損相對(duì)增大,工作壽命縮短。端面摩擦扭矩的測(cè)試與控制,對(duì)保證機(jī)械密封性能和延長(zhǎng)使用

4、壽命,有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。     1.2、端面磨損量     磨損量是指機(jī)械密封運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間后,密封端面在軸向長(zhǎng)度上的磨損值。機(jī)械密封摩擦副端面的磨損是運(yùn)轉(zhuǎn)過程中發(fā)生摩擦的必然結(jié)果,也是機(jī)械密封的主要失效形式,因此,端面磨損是影響機(jī)械密封正常工作壽命的重要因素。機(jī)械密封的主要發(fā)展方向之一就是要在泄漏率允許的范圍內(nèi)控制磨損,使?jié)櫥_(dá)到最佳狀態(tài)。研究機(jī)械密封磨損規(guī)律,對(duì)于機(jī)械密封結(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)、工況條件優(yōu)化,材料評(píng)價(jià)選擇以及提高使用性能等都有重要意義。     1.3、端面溫

5、度     機(jī)械密封在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中,會(huì)由于端面摩擦和旋轉(zhuǎn)元件的攪拌產(chǎn)生熱量,使摩擦副和其它元件的溫度升高,加之工藝使用條件中溫度有的較高,這就帶來了許多問題。例如摩擦副端面溫度升高到一定程度,就會(huì)出現(xiàn)密封面間密封介質(zhì)汽化,密封環(huán)的變形,熱磨損甚至由于溫度變化引起熱沖擊和熱裂。     為保證機(jī)械密封長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行,必須掌握密封端面的溫度及其分布,從而采取有效的控制措施。     1.4、端面流體膜厚     機(jī)械密封端面流體膜厚表征了摩

6、擦副的摩擦狀態(tài),直接影響著機(jī)械密封的端面泄漏率和磨損量,也是確定端面摩擦生熱的一個(gè)重要參數(shù)。典型的機(jī)械密封的端面液膜厚度在0.33m時(shí),干氣密封的端面氣膜厚度在35m時(shí),既能保持良好的密封,泄漏很少,又能有較長(zhǎng)的工作壽命,磨損很小。通過測(cè)量端面流體膜厚可以驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果,可以確定密封端面摩擦狀態(tài)及其與泄漏、磨損之間的關(guān)系,通過膜厚測(cè)量還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控密封的工作情況。     1.5、端面流體膜壓     對(duì)接觸式機(jī)械密封而言,端面膜壓不僅表征液膜承載能力的大小,而且決定了密封端面摩擦狀態(tài)與密封性能。對(duì)端面膜壓的研究

7、,可進(jìn)一步認(rèn)識(shí)機(jī)械密封的端面摩擦特性。     2、機(jī)械密封端面摩擦特性參數(shù)的測(cè)試技術(shù)     2.1、端面摩擦扭矩的測(cè)試技術(shù)     機(jī)械密封端面摩擦扭矩的測(cè)試技術(shù)目前主要有支反力法和傳遞法。     支反力法是根據(jù)動(dòng)力機(jī)械在扭矩作用下所產(chǎn)生的支座反力的變化來測(cè)量摩擦扭矩的。其優(yōu)點(diǎn)是不存旋轉(zhuǎn)件到靜止件的信號(hào)傳輸問題,而且確定支座反作用力的方法簡(jiǎn)便、容易實(shí)施。EMayer、李鯤等采用支反力法對(duì)機(jī)械密封端面摩擦扭矩進(jìn)行了測(cè)量。在可轉(zhuǎn)動(dòng)密封

8、腔上設(shè)置測(cè)力桿,并使之作用于力傳感器上,由此測(cè)得扭矩。但是,密封腔旋轉(zhuǎn)支承的摩擦?xí)绊憸y(cè)試精度,所以對(duì)旋轉(zhuǎn)支承要求極高,李鯤采用了氣體靜壓軸承。     傳遞法是根據(jù)彈性元件在傳遞扭矩時(shí)所產(chǎn)生的物理參數(shù)的變化來測(cè)量扭矩的。采用傳遞法測(cè)量扭矩的儀器小巧輕便,扭矩傳感器可以直接串接到傳動(dòng)系統(tǒng)中,而無須改變機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。JASilvaggo、宋鵬云、趙增順等在電動(dòng)機(jī)與密封主軸之間安裝扭矩傳感器,測(cè)量轉(zhuǎn)軸扭矩,將所測(cè)得的扭矩減去空載運(yùn)行時(shí)主軸承的摩擦扭矩和旋轉(zhuǎn)件在介質(zhì)中的攪拌扭矩,便可求得機(jī)械密封端面摩擦扭矩。但該方法不夠直接,而且由于正常運(yùn)行時(shí)與空載運(yùn)行時(shí)的工

9、況并不相同,致使結(jié)果可能出現(xiàn)較大的偏差,準(zhǔn)確性較難保證。     精確測(cè)量在役機(jī)械密封端面摩擦扭矩,有利于機(jī)械密封工作壽命的提高和泄漏率的控制。然而正常工作時(shí),機(jī)械密封端面摩擦扭矩較小,傳感器輸出量較小,特別是高參數(shù)(高轉(zhuǎn)速、高壓力、高溫)下,機(jī)械密封端面摩擦扭矩信號(hào)往往被測(cè)量過程中其它信號(hào)甚至是干擾所淹沒。因而實(shí)際工況下,難以通過轉(zhuǎn)動(dòng)密封腔或在電動(dòng)機(jī)與密封主軸之間安裝扭矩傳感器來測(cè)試機(jī)械密封端面摩擦扭矩。為避開主要耗功設(shè)備及軸承摩擦扭矩對(duì)機(jī)械密封端面摩擦扭矩測(cè)量的影響,孫見君等在靜環(huán)之后設(shè)置了扭矩傳感器,提高了測(cè)量精度。   

10、60; 2.2、端面磨損量的測(cè)試技術(shù)     機(jī)械密封產(chǎn)品型式試驗(yàn)中通常采用密封環(huán)試驗(yàn)前后的長(zhǎng)度之差來測(cè)量端面磨損量,也可采用密封環(huán)試驗(yàn)前后的重量之差換算出磨損量。長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x一般選用千分尺,也可采用光學(xué)測(cè)長(zhǎng)儀。如果磨損量很小,可以用表面輪廓儀(泰勒儀)來測(cè)摩擦副寬環(huán)端面的磨損量。對(duì)于窄環(huán)端面,由于磨損后原來的基準(zhǔn)已不復(fù)存在,但可以用“比較法”來測(cè)量(用光學(xué)測(cè)長(zhǎng)儀對(duì)塊規(guī)與窄環(huán)試驗(yàn)前后的高度進(jìn)行比較),或者用“劃痕法”來測(cè)量,即在不影響性能的前提下,在窄環(huán)端面上沿周向刻上24條很淺的劃痕,一般為510m,用泰勒儀測(cè)量試驗(yàn)前后的劃痕深度,便可測(cè)量出微

11、量磨損。     由于采用拆卸密封摩擦副測(cè)量累計(jì)磨損量的方法,會(huì)破壞摩擦副的摩擦和配合狀態(tài),使變工況磨損量的測(cè)試產(chǎn)生較大的誤差。因此,不拆卸摩擦副甚至于連續(xù)動(dòng)態(tài)測(cè)試磨損量將是研究機(jī)械密封磨損過程的理想方法。郝點(diǎn)等在機(jī)械密封端面磨損試驗(yàn)中采用了電阻磨損測(cè)試法,在不拆卸摩擦副的情況下測(cè)試了不同工況下碳石墨環(huán)的磨損變化量。其測(cè)試原理是在密封環(huán)摩擦端面下嵌入電阻率一定的條形薄電阻片并加以絕緣,摩擦副工作時(shí),電阻片與摩擦端面一起磨損,電阻片截面積受磨損而減小,引起電阻值增加。測(cè)出電阻變化值便可推算出密封端面的磨損量。    

12、2.3、端面溫度的測(cè)試技術(shù)     機(jī)械密封端面溫度的測(cè)量方法主要有熱電阻法、熱電偶法和非接觸紅外測(cè)量法等。熱電阻溫度傳感器測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快,因而在測(cè)量端面溫度時(shí)能直觀地反映密封面的摩擦發(fā)熱情況。它的缺點(diǎn)是測(cè)量精度相對(duì)較低、線性差、老化快、對(duì)環(huán)境溫度敏感性大,且體積較大,難以多點(diǎn)測(cè)量。用于測(cè)量流體潤滑狀態(tài)下的機(jī)械密封端面溫度時(shí),效果較好,在混合摩擦狀態(tài)下,測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差。熱電偶溫度傳感器可以做得很小,因而可方便地埋設(shè)于密封環(huán)內(nèi),且便于多點(diǎn)測(cè)量。該類傳感器的最顯著特點(diǎn)是測(cè)試精度高、相對(duì)穩(wěn)定性好,其缺點(diǎn)是響應(yīng)速度不如熱電阻溫度傳感器。紅外測(cè)溫法是利

13、用紅外光譜進(jìn)行測(cè)溫的一種方法,能實(shí)現(xiàn)端面溫度的連續(xù)、實(shí)時(shí)測(cè)試,但是,因受表面發(fā)射率、周圍環(huán)境等許多因素的影響,其測(cè)溫精度通常低于熱電偶的測(cè)溫精度,特別是紅外熱像儀價(jià)格昂貴,因而難以推廣使用。     TPWill利用在密封環(huán)內(nèi)埋設(shè)熱電偶的方法,對(duì)密封端面沿徑向和軸向的溫度梯度,以及靠近密封端面的液體溫度進(jìn)行了測(cè)量;JCDoane在密封環(huán)內(nèi)埋設(shè)許多熱電偶也測(cè)量了密封端面的溫度及其梯度;RLPhillips等在一個(gè)實(shí)質(zhì)為泵裝置的密封中埋設(shè)熱電偶,對(duì)密封端面溫度進(jìn)行了測(cè)量,并用接近測(cè)量結(jié)果的數(shù)值方法估算了努賽爾數(shù)。BTournerie利用紅外照相機(jī)對(duì)機(jī)械密封端

14、面溫度場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)量。     在國內(nèi),王玉明通過在距離靜環(huán)端面1mm左右處埋設(shè)熱敏電阻對(duì)螺旋槽流體動(dòng)壓非接觸式機(jī)械密封的端面溫度進(jìn)行了測(cè)量。宋鵬云、朱孝平等利用在靜環(huán)內(nèi)埋設(shè)熱電偶對(duì)機(jī)械密封端面溫度進(jìn)行了測(cè)定。白英鐸采用HUGHES27300型熱像儀對(duì)氣膜密封端面溫度進(jìn)行了測(cè)量。     2.4、端面流體膜厚的測(cè)試技術(shù)     流體膜厚測(cè)量實(shí)質(zhì)上是位移和振幅測(cè)量,但由于流體膜極薄,測(cè)量難度較大,一般位移傳感器難以對(duì)如此小的位移變化做出精確響應(yīng),國內(nèi)外的密封工作者多年來對(duì)此做了大

15、量的嘗試和研究。目前常用的測(cè)量方法有電容法和電渦流法。     BABatch應(yīng)用電容法進(jìn)行膜厚測(cè)量,在靜環(huán)端面相距90°安裝了3個(gè)圓柱形探頭,探頭埋在靜環(huán)中粘牢后,靜環(huán)端面與探頭一起研磨平齊,每個(gè)探頭作為平板電容器的一個(gè)極,動(dòng)環(huán)接地形成電容器的另一個(gè)極,工作時(shí)兩極間由液膜隔開,通過電子線路將電容量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷旱淖兓?即可測(cè)出膜厚;JCarl在密封環(huán)端面上安裝了5個(gè)探頭,其中3個(gè)測(cè)量環(huán)向間隙,另2個(gè)測(cè)量徑向間隙,從而可同時(shí)測(cè)出平均膜厚和膜厚的波動(dòng);JDigard在其試驗(yàn)裝置中也采用了電容法測(cè)量端面流體膜厚。   

16、; 電容法具有簡(jiǎn)單易行、靈敏度高、輸出線性和熱穩(wěn)定好的特點(diǎn),但是寄生電容以及介質(zhì)介電常數(shù)的變化對(duì)測(cè)量結(jié)果將產(chǎn)生不可忽略的影響。特別是常用動(dòng)環(huán)接地的引線方式受試驗(yàn)裝置中軸承流體膜的影響,軸承流體膜厚度的變化有可能將密封端面流體膜厚的測(cè)量結(jié)果完全掩蓋。李寶彥等采用電容法測(cè)量膜厚,動(dòng)環(huán)引線采用了集流環(huán)方式,以消除軸承中流體膜變化帶來的影響,同時(shí)測(cè)量了動(dòng)態(tài)下寄生電容和介質(zhì)的介電常數(shù),并對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了修正,從而提高了精確度和可信度。     電渦流法采用的是一種電感傳感器電渦流傳感器。電渦流傳感器是一種能將機(jī)械位移、振幅等參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的非電量電

17、測(cè)裝置。它由探頭、變換器、連接電纜及被測(cè)導(dǎo)體組成,既可用于靜態(tài)測(cè)量也可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量,是一種能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量的有效工具。電渦流法具有線性范圍大、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn),特別是傳感器不受其前流體的影響,比較適合機(jī)械密封端面流體膜厚的測(cè)量。但電渦流傳感器使用時(shí)會(huì)受很多因素限制,如電渦流傳感器的工作對(duì)象必須是金屬導(dǎo)體,且表面應(yīng)光滑;被測(cè)金屬表面的面積應(yīng)大于電渦流傳感器直徑的1183倍;電渦流傳感器的感應(yīng)磁場(chǎng)很弱,因此周圍存在的雜散磁場(chǎng)對(duì)其靈敏度會(huì)產(chǎn)生很大的影響,同時(shí)也會(huì)在信號(hào)中夾雜干擾磁場(chǎng)的成份,所以需要屏蔽措施;另外,動(dòng)環(huán)的材料必須有較好的導(dǎo)磁性(可采用硬質(zhì)合

18、金碳化鎢)。目前,國內(nèi)外采用電渦流法測(cè)量機(jī)械密封端面膜厚試驗(yàn)裝置較多。顧永泉、胡丹梅、陳銘和MinZou等均采用電渦流法對(duì)機(jī)械密封端面流體膜厚進(jìn)行了測(cè)量,并取得了較好的效果。     WBAnderson于2001年將超聲波檢測(cè)技術(shù)用于機(jī)械密封端面接觸狀態(tài)研究中,在多種工況下,對(duì)超聲波的變化進(jìn)行了分組實(shí)驗(yàn),并取得了滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。王和順等對(duì)聲波檢測(cè)法測(cè)試機(jī)械密封端面接觸狀態(tài)進(jìn)行了探討。目前,利用聲波技術(shù)對(duì)機(jī)械密封端面接觸情況進(jìn)行檢測(cè)尚處于起步階段,實(shí)用型檢測(cè)還需大量的實(shí)驗(yàn)研究。     除上述的膜厚測(cè)試方法外,還有電阻法、電壓降或電荷電壓法、光干涉法和激光法等。     2.5、端面流體膜壓的測(cè)試技術(shù)     EMayer較早對(duì)機(jī)械密封端面間的流體膜壓進(jìn)行了測(cè)量嘗試,他通過在靜環(huán)上開相隔90°的3個(gè)直徑為2mm的通孔將流體引至壓力傳感器,對(duì)端面膜壓進(jìn)