近年來,機械密封的端面摩擦特性研究雖然已取得了很大的進展,但由于密封結構和工況千差萬別,至今尚未形成完整的理論體系,學術界對密封摩擦機制的分析理解還很不一致。
機械密封端面摩擦特性是決定機械密封工作壽命和密封性能好壞的關鍵因素,機械密封端面摩擦特性參數的測試是機械密封試驗研究和產品質量評價中的關鍵技術。
分析了表征機械密封端面摩擦特性的常用性能參數,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試技術,探討了常用測試方法的優缺點及難點。指出了消除測試過程中外部較大的干擾信號是提高測試精度和可靠性的關鍵,而基于傳感技術的計算機數據采集與處理是機械密封端面摩擦特性參數測試技術的發展趨勢。
機械密封端面摩擦特性長久以來都是機械密封研究人員最為關心的問題之一,因為它是決定機械密封工作壽命和密封性能好壞的關鍵因素。
機械密封端面摩擦特性試驗研究無論對密封理論體系的建立,或是對指導產品的設計、檢驗和使用均十分必要,而端面摩擦特性參數的測試則是試驗中的關鍵技術。
1、表征機械密封端面摩擦特性的常用性能參數
與機械密封端面摩擦特性直接有關的性能參數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械密封工作性能的重要參數,決定著機械密封運轉時的摩擦功耗、端面磨損量、摩擦發熱量以及端面溫度等工作參數。隨著機械密封技術的不斷發展,機械密封的使用量越來越大,提高機械密封的密封性能和工作壽命,一直是人們密切關注的問題。端面摩擦扭矩反映了機械密封端面狀況,端面摩擦扭矩大,磨損相對增大,工作壽命縮短。端面摩擦扭矩的測試與控制,對保證機械密封性能和延長使用壽命,有著十分重要的現實意義。
1.2、端面磨損量
磨損量是指機械密封運轉一定時間后,密封端面在軸向長度上的磨損值。機械密封摩擦副端面的磨損是運轉過程中發生摩擦的必然結果,也是機械密封的主要失效形式,因此,端面磨損是影響機械密封正常工作壽命的重要因素。機械密封的主要發展方向之一就是要在泄漏率允許的范圍內控制磨損,使潤滑達到最佳狀態。研究機械密封磨損規律,對于機械密封結構合理設計、工況條件優化,材料評價選擇以及提高使用性能等都有重要意義。
1.3、端面溫度
機械密封在運轉過程中,會由于端面摩擦和旋轉元件的攪拌產生熱量,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,就會出現密封面間密封介質汽化,密封環的變形,熱磨損甚至由于溫度變化引起熱沖擊和熱裂。
為保證機械密封長期穩定可靠運行,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
機械密封端面流體膜厚表征了摩擦副的摩擦狀態,直接影響著機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重要參數。典型的機械密封的端面液膜厚度在0.3～3μm時,干氣密封的端面氣膜厚度在3～5μm時,既能保持良好的密封,泄漏很少,又能有較長的工作壽命,磨損很小。通過測量端面流體膜厚可以驗證理論計算結果,可以確定密封端面摩擦狀態及其與泄漏、磨損之間的關系,通過膜厚測量還可以實時監控密封的工作情況。
1.5、端面流體膜壓
對接觸式機械密封而言,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與密封性能。對端面膜壓的研究,可進一步認識機械密封的端面摩擦特性。
2、機械密封端面摩擦特性參數的測試技術
2.1、端面流體膜壓的測試技術
EMayer較早對機械密封端面間的流體膜壓進行了測量嘗試,他通過在靜環上開相隔90°的3個直徑為2mm的通孔將流體引至壓力傳感器,對端面膜壓進行了測量。宋鵬云、GFBremner、VAZikeev、張繼革等也采用開測壓孔的方法,對端面膜壓進行了測量。用開測壓孔的方法測量膜壓時,由于測壓孔的存在會使開孔部位的液膜流場發生改變,從而測量結果中引入了誤差。IJBillington用不同直徑測壓孔進行比較,得到的結論是:對于層流流動,開孔尺寸的影響可以忽略;而對于紊流流動,影響則相當顯著。
張家犀等將3個微型壓阻式傳感器沿靜環周向均布安裝于3處不同的徑向位置,對端面膜壓進行了測試。JDigard在靜環上設置一直徑為1.6mm的微型傳感器,以測試端面膜壓,靜環及其支承可相對于動環作徑向移動,以便測試沿徑向寬度的膜壓分布。用于機械密封端面流體膜壓的測試,還有壓電式傳感器、電容式傳感器及電容式壓力傳感器。總之,上述各種膜壓的測試方法都取得了一定結果,但還存在不少問題,研究工作還有待于進一步深入。
2.2、端面摩擦扭矩的測試技術
機械密封端面摩擦扭矩的測試技術目前主要有支反力法和傳遞法。
支反力法是根據動力機械在扭矩作用下所產生的支座反力的變化來測量摩擦扭矩的。其優點是不存旋轉件到靜止件的信號傳輸問題,而且確定支座反作用力的方法簡便、容易實施。EMayer、李鯤等采用支反力法對機械密封端面摩擦扭矩進行了測量。在可轉動密封腔上設置測力桿,并使之作用于力傳感器上,由此測得扭矩。但是,密封腔旋轉支承的摩擦會影響測試精度,所以對旋轉支承要求極高,李鯤采用了氣體靜壓軸承。
傳遞法是根據彈性元件在傳遞扭矩時所產生的物理參數的變化來測量扭矩的。采用傳遞法測量扭矩的儀器小巧輕便,扭矩傳感器可以直接串接到傳動系統中,而無須改變機械系統結構。JASilvaggo、宋鵬云、趙增順等在電動機與密封主軸之間安裝扭矩傳感器,測量轉軸扭矩,將所測得的扭矩減去空載運行時主軸承的摩擦扭矩和旋轉件在介質中的攪拌扭矩,便可求得機械密封端面摩擦扭矩。但該方法不夠直接,而且由于正常運行時與空載運行時的工況并不相同,致使結果可能出現較大的偏差,準確性較難保證。
精確測量在役機械密封端面摩擦扭矩,有利于機械密封工作壽命的提高和泄漏率的控制。然而正常工作時,機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(高轉速、高壓力、高溫)下,機械密封端面摩擦扭矩信號往往被測量過程中其它信號甚至是干擾所淹沒。因而實際工況下,難以通過轉動密封腔或在電動機與密封主軸之間安裝扭矩傳感器來測試機械密封端面摩擦扭矩。為避開主要耗功設備及軸承摩擦扭矩對機械密封端面摩擦扭矩測量的影響,孫見君等在靜環之后設置了扭矩傳感器,提高了測量精度。
2.3、端面磨損量的測試技術
機械密封產品型式試驗中通常采用密封環試驗前后的長度之差來測量端面磨損量,也可采用密封環試驗前后的重量之差換算出磨損量。長度測量儀一般選用千分尺,也可采用光學測長儀。如果磨損量很小,可以用表面輪廓儀(泰勒儀)來測摩擦副寬環端面的磨損量。對于窄環端面,由于磨損后原來的基準已不復存在,但可以用“比較法”來測量(用光學測長儀對塊規與窄環試驗前后的高度進行比較),或者用“劃痕法”來測量,即在不影響性能的前提下,在窄環端面上沿周向刻上2～4條很淺的劃痕,一般為5～10μm,用泰勒儀測量試驗前后的劃痕深度,便可測量出微量磨損。
由于采用拆卸密封摩擦副測量累計磨損量的方法,會破壞摩擦副的摩擦和配合狀態,使變工況磨損量的測試產生較大的誤差。因此,不拆卸摩擦副甚至于連續動態測試磨損量將是研究機械密封磨損過程的理想方法。郝點等在機械密封端面磨損試驗中采用了電阻磨損測試法,在不拆卸摩擦副的情況下測試了不同工況下碳石墨環的磨損變化量。其測試原理是在密封環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,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。測出電阻變化值便可推算出密封端面的磨損量。
2.4、端面溫度的測試技術
機械密封端面溫度的測量方法主要有熱電阻法、熱電偶法和非接觸紅外測量法等。熱電阻溫度傳感器測量精度高、響應速度快,因而在測量端面溫度時能直觀地反映密封面的摩擦發熱情況。它的缺點是測量精度相對較低、線性差、老化快、對環境溫度敏感性大,且體積較大,難以多點測量。用于測量流體潤滑狀態下的機械密封端面溫度時,效果較好,在混合摩擦狀態下,測試數據穩定性較差。熱電偶溫度傳感器可以做得很小,因而可方便地埋設于密封環內,且便于多點測量。該類傳感器的最顯著特點是測試精度高、相對穩定性好,其缺點是響應速度不如熱電阻溫度傳感器。紅外測溫法是利用紅外光譜進行測溫的一種方法,能實現端面溫度的連續、實時測試,但是,因受表面發射率、周圍環境等許多因素的影響,其測溫精度通常低于熱電偶的測溫精度,特別是紅外熱像儀價格昂貴,因而難以推廣使用。
TPWill利用在密封環內埋設熱電偶的方法,對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行了測量;JCDoane在密封環內埋設許多熱電偶也測量了密封端面的溫度及其梯度;RLPhillips等在一個實質為泵裝置的密封中埋設熱電偶,對密封端面溫度進行了測量,并用接近測量結果的數值方法估算了努賽爾數。BTournerie利用紅外照相機對機械密封端面溫度場進行了測量。
在國內,王玉明通過在距離靜環端面1mm左右處埋設熱敏電阻對螺旋槽流體動壓非接觸式機械密封的端面溫度進行了測量。宋鵬云、朱孝平等利用在靜環內埋設熱電偶對機械密封端面溫度進行了測定。白英鐸采用HUGHES27300型熱像儀對氣膜密封端面溫度進行了測量。
2.5、端面流體膜厚的測試技術
流體膜厚測量實質上是位移和振幅測量,但由于流體膜極薄,測量難度較大,一般位移傳感器難以對如此小的位移變化做出精確響應,國內外的密封工作者多年來對此做了大量的嘗試和研究。目前常用的測量方法有電容法和電渦流法。
BABatch應用電容法進行膜厚測量,在靜環端面相距90°安裝了3個圓柱形探頭,探頭埋在靜環中粘牢后,靜環端面與探頭一起研磨平齊,每個探頭作為平板電容器的一個極,動環接地形成電容器的另一個極,工作時兩極間由液膜隔開,通過電子線路將電容量的變化轉變為電壓的變化,即可測出膜厚;JCarl在密封環端面上安裝了5個探頭,其中3個測量環向間隙,另2個測量徑向間隙,從而可同時測出平均膜厚和膜厚的波動;JDigard在其試驗裝置中也采用了電容法測量端面流體膜厚。
電容法具有簡單易行、靈敏度高、輸出線性和熱穩定好的特點,但是寄生電容以及介質介電常數的變化對測量結果將產生不可忽略的影響。特別是常用動環接地的引線方式受試驗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量結果完全掩蓋。李寶彥等采用電容法測量膜厚,動環引線采用了集流環方式,以消除軸承中流體膜變化帶來的影響,同時測量了動態下寄生電容和介質的介電常數,并對測量結果進行了修正,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械位移、振幅等參量轉換成電信號輸出的非電量電測裝置。它由探頭、變換器、連接電纜及被測導體組成,既可用于靜態測量也可用于動態測量,是一種能實現非接觸測量的有效工具。電渦流法具有線性范圍大、靈敏度高、動態響應好、結構簡單、尺寸小、可實現非接觸測量等優點,特別是傳感器不受其前流體的影響,比較適合機械密封端面流體膜厚的測量。但電渦流傳感器使用時會受很多因素限制,如電渦流傳感器的工作對象必須是金屬導體,且表面應光滑;被測金屬表面的面積應大于電渦流傳感器直徑的1183倍;電渦流傳感器的感應磁場很弱,因此周圍存在的雜散磁場對其靈敏度會產生很大的影響,同時也會在信號中夾雜干擾磁場的成份,所以需要屏蔽措施;另外,動環的材料必須有較好的導磁性(可采用硬質合金碳化鎢)。目前,國內外采用電渦流法測量機械密封端面膜厚試驗裝置較多。顧永泉、胡丹梅、陳銘和MinZou等均采用電渦流法對機械密封端面流體膜厚進行了測量,并取得了較好的效果。
WBAnderson于2001年將超聲波檢測技術用于機械密封端面接觸狀態研究中,在多種工況下,對超聲波的變化進行了分組實驗,并取得了滿意的實驗結果。王和順等對聲波檢測法測試機械密封端面接觸狀態進行了探討。目前,利用聲波技術對機械密封端面接觸情況進行檢測尚處于起步階段,實用型檢測還需大量的實驗研究。
除上述的膜厚測試方法外,還有電阻法、電壓降或電荷電壓法、光干涉法和激光法等。
3、結束語
隨著機械密封技術的日益發展,對試驗裝置和檢測手段的要求也越來越高,特別是端面摩擦特性參數的測試精度,可靠性要求更加嚴格。為提高試驗效率,減輕試驗人員負擔,利用計算機進行數據采集與處理已成為一種趨勢。與密封端面摩擦有關的特性參數的測試難度較大,測試精度和可靠性還有待于進一步提高,而消除測試過程中外部較大的干擾信號則是關鍵技術。
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