机械密封端面摩擦特性参数及测试技术

机械密封端面摩擦特性是决定机械密封工作寿命和密封性能好坏的关键因素,机械密封端面摩擦特性参数的测试是机械密封试验研究和产品质量评价中的关键技术。      分析了表征机械密封端面摩擦特性的常用性能参数,介绍了端面摩擦扭矩、端面磨损量、端面温度、端面流体膜厚及端面流体膜压的测试技术,探讨了常用测试方法的优缺点及难点。指出了消除测试过程中外部较大的干扰信号是提高测试精度和可靠性的关键,而基于传感技术的计算机数据采集与处理是机械密封端面摩擦特性参数测试技术的发展趋势。      机械密封端面摩擦特性长久以来都是机械密封研究人员最为关心的问题之一,因为它是决定机械密封工作寿命和密封性能好坏的关键因素。近年来,机械密封的端面摩擦特性研究虽然已取得了很大的进展,但由于密封结构和工况千差万别,至今尚未形成完整的理论体系,学术界对密封摩擦机制的分析理解还很不一致。机械密封端面摩擦特性试验研究无论对密封理论体系的建立,或是对指导产品的设计、检验和使用均十分必要,而端面摩擦特性参数的测试则是试验中的关键技术。      1、表征机械密封端面摩擦特性的常用性能参数      与机械密封端面摩擦特性直接有关的性能参数主要包括端面摩擦扭矩、端面磨损量、端面温度、端面流体膜厚及膜压。      1.1、端面摩擦扭矩      端面摩擦扭矩是影响机械密封工作性能的重要参数,决定着机械密封运转时的摩擦功耗、端面磨损量、摩擦发热量以及端面温度等工作参数。随着机械密封技术的不断发展,机械密封的使用量越来越大,提高机械密封的密封性能和工作寿命,一直是人们密切关注的问题。端面摩擦扭矩反映了机械密封端面状况,端面摩擦扭矩大,磨损相对增大,工作寿命缩短。端面摩擦扭矩的测试与控制,对保证机械密封性能和延长使用寿命,有着十分重要的现实意义。      1.2、端面磨损量      磨损量是指机械密封运转一定时间后,密封端面在轴向长度上的磨损值。机械密封摩擦副端面的磨损是运转过程中发生摩擦的必然结果,也是机械密封的主要失效形式,因此,端面磨损是影响机械密封正常工作寿命的重要因素。机械密封的主要发展方向之一就是要在泄漏率允许的范围内控制磨损,使润滑达到最佳状态。研究机械密封磨损规律,对于机械密封结构合理设计、工况条件优化,材料评价选择以及提高使用性能等都有重要意义。      1.3、端面温度      机械密封在运转过程中,会由于端面摩擦和旋转元件的搅拌产生热量,使摩擦副和其它元件的温度升高,加之工艺使用条件中温度有的较高,这就带来了许多问题。例如摩擦副端面温度升高到一定程度,就会出现密封面间密封介质汽化,密封环的变形,热磨损甚至由于温度变化引起热冲击和热裂。      为保证机械密封长期稳定可靠运行,必须掌握密封端面的温度及其分布,从而采取有效的控制措施。      1.4、端面流体膜厚      机械密封端面流体膜厚表征了摩擦副的摩擦状态,直接影响着机械密封的端面泄漏率和磨损量,也是确定端面摩擦生热的一个重要参数。典型的机械密封的端面液膜厚度在0.3～3μm时,干气密封的端面气膜厚度在3～5μm时,既能保持良好的密封,泄漏很少,又能有较长的工作寿命,磨损很小。通过测量端面流体膜厚可以验证理论计算结果,可以确定密封端面摩擦状态及其与泄漏、磨损之间的关系,通过膜厚测量还可以实时监控密封的工作情况。      1.5、端面流体膜压      对接触式机械密封而言,端面膜压不仅表征液膜承载能力的大小,而且决定了密封端面摩擦状态与密封性能。对端面膜压的研究,可进一步认识机械密封的端面摩擦特性。      2、机械密封端面摩擦特性参数的测试技术      2.1、端面摩擦扭矩的测试技术      机械密封端面摩擦扭矩的测试技术目前主要有支反力法和传递法。      支反力法是根据动力机械在扭矩作用下所产生的支座反力的变化来测量摩擦扭矩的。其优点是不存旋转件到静止件的信号传输问题,而且确定支座反作用力的方法简便、容易实施。EMayer、李鲲等采用支反力法对机械密封端面摩擦扭矩进行了测量。在可转动密封腔上设置测力杆,并使之作用于力传感器上,由此测得扭矩。但是,密封腔旋转支承的摩擦会影响测试精度,所以对旋转支承要求极高,李鲲采用了气体静压轴承。      传递法是根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化来测量扭矩的。采用传递法测量扭矩的仪器小巧轻便,扭矩传感器可以直接串接到传动系统中,而无须改变机械系统结构。JASilvaggo、宋鹏云、赵增顺等在电动机与密封主轴之间安装扭矩传感器,测量转轴扭矩,将所测得的扭矩减去空载运行时主轴承的摩擦扭矩和旋转件在介质中的搅拌扭矩,便可求得机械密封端面摩擦扭矩。但该方法不够直接,而且由于正常运行时与空载运行时的工况并不相同,致使结果可能出现较大的偏差,准确性较难保证。      精确测量在役机械密封端面摩擦扭矩,有利于机械密封工作寿命的提高和泄漏率的控制。然而正常工作时,机械密封端面摩擦扭矩较小,传感器输出量较小,特别是高参数(高转速、高压力、高温)下,机械密封端面摩擦扭矩信号往往被测量过程中其它信号甚至是干扰所淹没。因而实际工况下,难以通过转动密封腔或在电动机与密封主轴之间安装扭矩传感器来测试机械密封端面摩擦扭矩。为避开主要耗功设备及轴承摩擦扭矩对机械密封端面摩擦扭矩测量的影响,孙见君等在静环之后设置了扭矩传感器,提高了测量精度。      2.2、端面磨损量的测试技术      机械密封产品型式试验中通常采用密封环试验前后的长度之差来测量端面磨损量,也可采用密封环试验前后的重量之差换算出磨损量。长度测量仪一般选用千分尺,也可采用光学测长仪。如果磨损量很小,可以用表面轮廓仪(泰勒仪)来测摩擦副宽环端面的磨损量。对于窄环端面,由于磨损后原来的基准已不复存在,但可以用“比较法”来测量(用光学测长仪对块规与窄环试验前后的高度进行比较),或者用“划痕法”来测量,即在不影响性能的前提下,在窄环端面上沿周向刻上2～4条很浅的划痕,一般为5～10μm,用泰勒仪测量试验前后的划痕深度,便可测量出微量磨损。      由于采用拆卸密封摩擦副测量累计磨损量的方法,会破坏摩擦副的摩擦和配合状态,使变工况磨损量的测试产生较大的误差。因此,不拆卸摩擦副甚至于连续动态测试磨损量将是研究机械密封磨损过程的理想方法。郝点等在机械密封端面磨损试验中采用了电阻磨损测试法,在不拆卸摩擦副的情况下测试了不同工况下碳石墨环的磨损变化量。其测试原理是在密封环摩擦端面下嵌入电阻率一定的条形薄电阻片并加以绝缘,摩擦副工作时,电阻片与摩擦端面一起磨损,电阻片截面积受磨损而减小,引起电阻值增加。测出电阻变化值便可推算出密封端面的磨损量。     2.3、端面温度的测试技术      机械密封端面温度的测量方法主要有热电阻法、热电偶法和非接触红外测量法等。热电阻温度传感器测量精度高、响应速度快,因而在测量端面温度时能直观地反映密封面的摩擦发热情况。它的缺点是测量精度相对较低、线性差、老化快、对环境温度敏感性大,且体积较大,难以多点测量。用于测量流体润滑状态下的机械密封端面温度时,效果较好,在混合摩擦状态下,测试数据稳定性较差。热电偶温度传感器可以做得很小,因而可方便地埋设于密封环内,且便于多点测量。该类传感器的最显著特点是测试精度高、相对稳定性好,其缺点是响应速度不如热电阻温度传感器。红外测温法是利用红外光谱进行测温的一种方法,能实现端面温度的连续、实时测试,但是,因受表面发射率、周围环境等许多因素的影响,其测温精度通常低于热电偶的测温精度,特别是红外热像仪价格昂贵,因而难以推广使用。      TPWill利用在密封环内埋设热电偶的方法,对密封端面沿径向和轴向的温度梯度,以及靠近密封端面的液体温度进行了测量;JCDoane在密封环内埋设许多热电偶也测量了密封端面的温度及其梯度;RLPhillips等在一个实质为泵装置的密封中埋设热电偶,对密封端面温度进行了测量,并用接近测量结果的数值方法估算了努赛尔数。BTournerie利用红外照相机对机械密封端面温度场进行了测量。      在国内,王玉明通过在距离静环端面1mm左右处埋设热敏电阻对螺旋槽流体动压非接触式机械密封的端面温度进行了测量。宋鹏云、朱孝平等利用在静环内埋设热电偶对机械密封端面温度进行了测定。白英铎采用HUGHES27300型热像仪对气膜密封端面温度进行了测量。      2.4、端面流体膜厚的测试技术      流体膜厚测量实质上是位移和振幅测量,但由于流体膜极薄,测量难度较大,一般位移传感器难以对如此小的位移变化做出精确响应,国内外的密封工作者多年来对此做了大量的尝试和研究。目前常用的测量方法有电容法和电涡流法。      BABatch应用电容法进行膜厚测量,在静环端面相距90°安装了3个圆柱形探头,探头埋在静环中粘牢后,静环端面与探头一起研磨平齐,每个探头作为平板电容器的一个极,动环接地形成电容器的另一个极,工作时两极间由液膜隔开,通过电子线路将电容量的变化转变为电压的变化,即可测出膜厚;JCarl在密封环端面上安装了5个探头,其中3个测量环向间隙,另2个测量径向间隙,从而可同时测出平均膜厚和膜厚的波动;JDigard在其试验装置中也采用了电容法测量端面流体膜厚。      电容法具有简单易行、灵敏度高、输出线性和热稳定好的特点,但是寄生电容以及介质介电常数的变化对测量结果将产生不可忽略的影响。特别是常用动环接地的引线方式受试验装置中轴承流体膜的影响,轴承流体膜厚度的变化有可能将密封端面流体膜厚的测量结果完全掩盖。李宝彦等采用电容法测量膜厚,动环引线采用了集流环方式,以消除轴承中流体膜变化带来的影响,同时测量了动态下寄生电容和介质的介电常数,并对测量结果进行了修正,从而提高了精确度和可信度。      电涡流法采用的是一种电感传感器———电涡流传感器。电涡流传感器是一种能将机械位移、振幅等参量转换成电信号输出的非电量电测装置。它由探头、变换器、连接电缆及被测导体组成,既可用于静态测量也可用于动态测量,是一种能实现非接触测量的有效工具。电涡流法具有线性范围大、灵敏度高、动态响应好、结构简单、尺寸小、可实现非接触测量等优点,特别是传感器不受其前流体的影响,比较适合机械密封端面流体膜厚的测量。但电涡流传感器使用时会受很多因素限制,如电涡流传感器的工作对象必须是金属导体,且表面应光滑;被测金属表面的面积应大于电涡流传感器直径的1183倍;电涡流传感器的感应磁场很弱,因此周围存在的杂散磁场对其灵敏度会产生很大的影响,同时也会在信号中夹杂干扰磁场的成份,所以需要屏蔽措施;另外,动环的材料必须有较好的导磁性(可采用硬质合金碳化钨)。目前,国内外采用电涡流法测量机械密封端面膜厚试验装置较多。顾永泉、胡丹梅、陈铭和MinZou等均采用电涡流法对机械密封端面流体膜厚进行了测量,并取得了较好的效果。      WBAnderson于2001年将超声波检测技术用于机械密封端面接触状态研究中,在多种工况下,对超声波的变化进行了分组实验,并取得了满意的实验结果。王和顺等对声波检测法测试机械密封端面接触状态进行了探讨。目前,利用声波技术对机械密封端面接触情况进行检测尚处于起步阶段,实用型检测还需大量的实验研究。      除上述的膜厚测试方法外,还有电阻法、电压降或电荷电压法、光干涉法和激光法等。      2.5、端面流体膜压的测试技术      EMayer较早对机械密封端面间的流体膜压进行了测量尝试,他通过在静环上开相隔90°的3个直径为2mm的通孔将流体引至压力传感器,对端面膜压进行了测量。宋鹏云、GFBremner、VAZikeev、张继革等也采用开测压孔的方法,对端面膜压进行了测量。用开测压孔的方法测量膜压时,由于测压孔的存在会使开孔部位的液膜流场发生改变,从而测量结果中引入了误差。IJBillington用不同直径测压孔进行比较,得到的结论是:对于层流流动,开孔尺寸的影响可以忽略;而对于紊流流动,影响则相当显著。      张家犀等将3个微型压阻式传感器沿静环周向均布安装于3处不同的径向位置,对端面膜压进行了测试。JDigard在静环上设置一直径为1.6mm的微型传感器,以测试端面膜压,静环及其支承可相对于动环作径向移动,以便测试沿径向宽度的膜压分布。用于机械密封端面流体膜压的测试,还有压电式传感器、电容式传感器及电容式压力传感器。总之,上述各种膜压的测试方法都取得了一定结果,但还存在不少问题,研究工作还有待于进一步深入。      3、结束语      随着机械密封技术的日益发展,对试验装置和检测手段的要求也越来越高,特别是端面摩擦特性参数的测试精度,可靠性要求更加严格。为提高试验效率,减轻试验人员负担,利用计算机进行数据采集与处理已成为一种趋势。与密封端面摩擦有关的特性参数的测试难度较大,测试精度和可靠性还有待于进一步提高,而消除测试过程中外部较大的干扰信号则是关键技术。

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