接觸式機(jī)械密封啟停過程摩擦特性實(shí)驗(yàn)研究*

郝木明 周 芮 孫彭濤 王銘章 馬 婷 任寶杰

(1.中國石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院 山東青島 266580；2.西安航天動(dòng)力研究所 陜西西安 710199；3.中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)航空發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力傳輸重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧沈陽 110015；4.東營海森密封技術(shù)有限責(zé)任公司 山東東營 257067)

接觸式機(jī)械密封因其高密封效率和低泄漏率的特性，在流體動(dòng)力密封領(lǐng)域(如泵、壓縮機(jī)、渦輪機(jī)等)得到了廣泛應(yīng)用。然而，它也面臨著高摩擦磨損、高溫升、潤滑失效等挑戰(zhàn)，這些因素都可能會(huì)影響其性能和可靠性。因此，深入研究接觸式機(jī)械密封的摩擦特性，理解其作用機(jī)制，對(duì)于設(shè)計(jì)、優(yōu)化和維護(hù)密封設(shè)備具有重要意義。

盡管目前對(duì)于摩擦磨損的理論研究已經(jīng)相當(dāng)豐富，許多學(xué)者利用相關(guān)有限元軟件進(jìn)行了針對(duì)性的分析和研究[1]，但相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究卻相對(duì)較少。許多學(xué)者聚焦于某些摩擦材料的研究分析方面[2-3]。例如，ROE和TORRANCE[4]開發(fā)了一種石墨磨損實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過試驗(yàn)研究與理論分析結(jié)合的方法，分析石墨材料的磨損機(jī)制。薛雯[5]對(duì)高溫下高強(qiáng)石墨的磨損機(jī)制進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，通過分析不同石墨材料磨損后表面形貌的變化以及表面元素能量譜，探討了不同高溫石墨材料的磨損機(jī)制，并研究了轉(zhuǎn)速、載荷、溫度等工況參數(shù)對(duì)于不同石墨材料磨損特性的影響。這些研究對(duì)特定材料的摩擦特性有了深入理解，但對(duì)于摩擦狀態(tài)本身的關(guān)注卻相對(duì)較少。

此外，也有許多研究針對(duì)穩(wěn)態(tài)工況，研究了其摩擦磨損機(jī)制。例如，王曉虎[6]對(duì)極端工況的機(jī)械密封進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、溫度場(chǎng)分析、摩擦學(xué)性能實(shí)驗(yàn)等，分析了9Cr18與石墨配對(duì)的摩擦學(xué)性能與密封性能，發(fā)現(xiàn)最佳的磨損性能溫度范圍為150～200 ℃。張琛[7]研究了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵機(jī)械密封的磨損機(jī)制，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致磨損的主要原因是介質(zhì)的特性引起了密封環(huán)結(jié)構(gòu)疏松和強(qiáng)度降低，進(jìn)而產(chǎn)生劇烈的磨損。胡松濤等[8-9]將干氣密封作為研究對(duì)象，以雙高斯表面分層理論為基礎(chǔ)，研究了干氣密封在啟動(dòng)過程中的表面磨損情況以及雙高斯參數(shù)演化機(jī)制，為干氣密封磨損研究提供理論依據(jù)。這些研究對(duì)穩(wěn)態(tài)工況下的摩擦機(jī)制有了深刻認(rèn)識(shí)，但對(duì)于啟停階段卻缺少關(guān)注，而這同樣對(duì)于密封設(shè)計(jì)、優(yōu)化和維護(hù)至關(guān)重要。

目前對(duì)于密封摩擦狀態(tài)的研究，大多以摩擦扭矩的測(cè)試為主。而近年來，聲發(fā)射信號(hào)作為一種無損監(jiān)測(cè)手段，正在得到廣泛應(yīng)用[10-14]。雖然密封運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的摩擦扭矩?cái)?shù)據(jù)可在一定程度上反映端面的摩擦磨損情況，但其對(duì)于摩擦狀態(tài)的反映，仍難以達(dá)到聲發(fā)射信號(hào)檢測(cè)的準(zhǔn)確與高效。

本文作者著眼于啟停狀態(tài)，在不同的壓力、轉(zhuǎn)速工況下對(duì)接觸式機(jī)械密封進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試密封的摩擦扭矩?cái)?shù)據(jù)以及聲發(fā)射信號(hào)，分析二者的變化規(guī)律，并探討其相關(guān)性；同時(shí)揭示接觸式機(jī)械密封啟停過程中摩擦狀態(tài)的演變特性。

1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)主要測(cè)試參數(shù)為運(yùn)行過程中的摩擦扭矩以及端面摩擦聲發(fā)射信號(hào)。采用自主研發(fā)的試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)的測(cè)量與保存，圖1所示為試驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖以及聲發(fā)射傳感器在測(cè)試工裝上的安裝方式，用于摩擦扭矩測(cè)試的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩儀安裝于電機(jī)與軸承箱之間。傳感器安裝在密封靜環(huán)座背側(cè)，并且與靜環(huán)座保持緊密接觸。動(dòng)靜環(huán)端面摩擦產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)經(jīng)過靜環(huán)、靜環(huán)座傳遞至聲發(fā)射傳感器。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)及測(cè)試工裝Fig.1 Test rig(a)and test device structure(b)

試驗(yàn)臺(tái)中，變頻電機(jī)與變頻器連接實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，1 Hz對(duì)應(yīng)30 r/min，頻率上限為200 Hz，轉(zhuǎn)速上限為6 000 r/min；利用變頻器自帶的“簡(jiǎn)易PLC功能”可實(shí)現(xiàn)編程設(shè)置和自動(dòng)控制電機(jī)的多段速運(yùn)轉(zhuǎn)。而聯(lián)軸器采用柔性連接，并在外部安裝防護(hù)罩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)與密封腔之間的動(dòng)力傳輸。

摩擦扭矩?cái)?shù)值通過轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；聲發(fā)射信號(hào)通過聲發(fā)射傳感器采集，經(jīng)過前置放大器、采集卡將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)，采集功能通過MATLAB編程實(shí)現(xiàn)。

2 試驗(yàn)方法

采用碳化硅-碳石墨配對(duì)研究啟停過接觸式機(jī)械密封的摩擦狀態(tài)。試驗(yàn)以水作為密封介質(zhì)，降低端面溫度，以保障聲發(fā)射傳感器在適用溫度范圍內(nèi)工作。

在啟動(dòng)階段，保持壓力為0.5 MPa，將轉(zhuǎn)速從0增加至目標(biāo)轉(zhuǎn)速(1 000、3 000和5 000 r/min)。記錄3種條件下的聲發(fā)射信號(hào)及摩擦扭矩，以分析轉(zhuǎn)速對(duì)啟動(dòng)過程密封性能的影響。

接著，保持相同的目標(biāo)轉(zhuǎn)速(5 000 r/min)，將壓力設(shè)置為0.3、0.5和0.7 MPa，并測(cè)量對(duì)應(yīng)工況下的聲發(fā)射信號(hào)及摩擦扭矩，以分析壓力對(duì)啟動(dòng)過程密封性能的影響。

對(duì)于停機(jī)階段，采取類似方案，測(cè)量和分析轉(zhuǎn)速與壓力對(duì)停機(jī)過程密封性能的影響。

此外，在升速與降速階段，各自保持了恒定的加速度(100 r/(min/s2))，故不同目標(biāo)轉(zhuǎn)速下，加速時(shí)間不同。

3 聲發(fā)射信號(hào)處理

采用AE144SA40-BNC型富士聲發(fā)射傳感器測(cè)量聲發(fā)射信號(hào)，同時(shí)采用通用的NI數(shù)據(jù)采集卡搭建數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，只需要配備聲發(fā)射傳感器、通用型的前置放大器就可以組裝成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。但該系統(tǒng)只能采集聲發(fā)射波形數(shù)據(jù)，不能實(shí)時(shí)計(jì)算聲發(fā)射特征參數(shù)，需編寫數(shù)據(jù)采集和分析程序。

對(duì)于連續(xù)型聲發(fā)射信號(hào)，常用均方根來對(duì)其進(jìn)行分析。聲發(fā)射信號(hào)的能量變化率可以用均方根隨時(shí)間的變化來表示，即動(dòng)態(tài)均方根[15]。文中以均方根值來表示端面間摩擦產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)。即

①組織施工人員開展相關(guān)技術(shù)培訓(xùn)，使其應(yīng)用于水箱涵施工技術(shù)的能力提升，從而能夠?qū)κ┕ぶ懈鞣N可能出現(xiàn)的問題及時(shí)應(yīng)對(duì)[4]；②對(duì)施工人員的職業(yè)道德素質(zhì)進(jìn)行提升，使其在施工期間能夠?qū)⑹┕ぜ夹g(shù)的操作規(guī)范嚴(yán)格貫徹落實(shí)，不以敷衍心態(tài)工作和偷工減料，以高度的工作責(zé)任心認(rèn)真履行自身職責(zé)[5]；③嚴(yán)謹(jǐn)選用相關(guān)專業(yè)技術(shù)人才，施工技術(shù)人員的能力和水平需達(dá)到一定標(biāo)準(zhǔn)，堅(jiān)持要求施工技術(shù)人員持證上崗從而將整體的施工團(tuán)隊(duì)素質(zhì)提升。

(1)

4 密封性能演化機(jī)制分析

4.1 轉(zhuǎn)速對(duì)于啟停過程密封性能的影響

4.1.1 聲發(fā)射信號(hào)演化規(guī)律

圖2所示為0.5 MPa壓力下不同轉(zhuǎn)速工況的啟動(dòng)過程中聲發(fā)射信號(hào)均方根值變化曲線。由于升速過程中加速度恒定，所以不同轉(zhuǎn)速下加速時(shí)間不同。首先分析同一轉(zhuǎn)速下升速過程的聲發(fā)射信號(hào)變化規(guī)律。由圖2可以看出，隨著轉(zhuǎn)速不斷提升，1 000與5 000 r/min轉(zhuǎn)速下在開機(jī)7 s左右出現(xiàn)明顯的凸峰。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因?yàn)?，剛開機(jī)時(shí)端面之間不存在潤滑介質(zhì)，處于干摩擦狀態(tài)；隨著轉(zhuǎn)速的升高端面間微凸體相互剪切擠壓，產(chǎn)生很高的聲發(fā)射信號(hào)值，在7 s左右時(shí)，潤滑介質(zhì)進(jìn)入端面間，處于混合潤滑狀態(tài)。潤滑介質(zhì)的存在減弱了微凸體的剪切擠壓效應(yīng)，導(dǎo)致聲發(fā)射信號(hào)減弱。隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高，由于端面間液膜黏度的原因，端面微凸體與介質(zhì)之間以及介質(zhì)內(nèi)部的剪切振動(dòng)導(dǎo)致信號(hào)出現(xiàn)大幅增強(qiáng)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后進(jìn)入穩(wěn)定階段。其次對(duì)比分析不同轉(zhuǎn)速下的聲發(fā)射信號(hào)，可以發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速越高，穩(wěn)定時(shí)期聲發(fā)射信號(hào)值呈指數(shù)增長趨勢(shì)，說明轉(zhuǎn)速對(duì)于微凸體剪切與振動(dòng)影響十分顯著。升速至3 000 r/min的工況下，聲發(fā)射信號(hào)未出現(xiàn)明顯的凸峰，可能因?yàn)樵陟o壓條件下端面間已浸入較多介質(zhì)(可歸因于盤車操作、環(huán)端面平面度等因素)，導(dǎo)致其以較為良好的潤滑狀態(tài)啟動(dòng)，因而未出現(xiàn)表征傾向于干摩擦狀態(tài)的聲發(fā)射信號(hào)凸峰特征。

圖2 不同轉(zhuǎn)速工況的啟動(dòng)過程聲發(fā)射信號(hào)Fig.2 AE signal during start-up under different speed conditions

圖3所示為經(jīng)過24 h運(yùn)轉(zhuǎn)之后停機(jī)過程的聲發(fā)射信號(hào)均方根值的變化趨勢(shì)?？梢园l(fā)現(xiàn)，低轉(zhuǎn)速工況停機(jī)過程中聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)小幅度的增強(qiáng)，而高轉(zhuǎn)速工況停機(jī)過程中聲發(fā)射信號(hào)連續(xù)降低。產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因?yàn)榈娃D(zhuǎn)速工況在停機(jī)時(shí)轉(zhuǎn)速逐漸降低，微凸體之間的微流體動(dòng)壓效應(yīng)減弱，在閉合力作用下會(huì)發(fā)生更多的微凸體接觸，因此會(huì)出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)小幅度的上升。但是上升幅度小于啟動(dòng)階段的值，原因?yàn)榻?jīng)過長時(shí)間的磨損，端面間微凸體變得相對(duì)光滑，因此由于微凸體剪切振動(dòng)產(chǎn)生的聲發(fā)射信號(hào)也相對(duì)較弱。在5 000 r/min轉(zhuǎn)速工況并未出現(xiàn)聲發(fā)射信號(hào)升高的趨勢(shì)，原因?yàn)樵摴r轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，密封端面原本因機(jī)械加工而產(chǎn)生的微凸體與加工痕跡，經(jīng)過長時(shí)間的磨損后，大部分較高的微凸體已被磨平，微凸體已經(jīng)不會(huì)產(chǎn)生劇烈的碰撞，因此在停機(jī)過程中潤滑劑失去潤滑效果后，聲發(fā)射信號(hào)未產(chǎn)生如開機(jī)階段出現(xiàn)的局部凸峰。

圖3 不同轉(zhuǎn)速工況的停機(jī)過程聲發(fā)射信號(hào)Fig.3 AE signal during shut down under different speed conditions

4.1.2 摩擦扭矩演化規(guī)律

圖4所示為啟動(dòng)階段摩擦扭矩的變化曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，在啟動(dòng)階段摩擦扭矩首先升高至一峰值，然后減小至一谷值，最后緩慢增加至穩(wěn)定值，且最終的穩(wěn)定值與轉(zhuǎn)速呈線性關(guān)系。分析其原因?yàn)閱?dòng)階段初始狀態(tài)端面間不存在潤滑介質(zhì)，摩擦扭矩主要為微凸體接觸摩擦力；隨著轉(zhuǎn)速升高，而加速時(shí)間約為7 s時(shí)，端面間進(jìn)入潤滑介質(zhì)，由干摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌夏Σ翣顟B(tài)，導(dǎo)致端面間摩擦扭矩減?。坏请S著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，端面間潤滑介質(zhì)的黏性剪切扭矩增加，同時(shí)微凸體之間相互碰撞產(chǎn)生的接觸摩擦扭矩也變大，最終轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后摩擦扭矩也保持穩(wěn)定。

圖4 不同轉(zhuǎn)速工況的開機(jī)摩擦扭矩曲線Fig.4 Friction torque curves during start up under different speed conditions

圖5 不同轉(zhuǎn)速工況的停機(jī)摩擦扭矩曲線Fig.5 Friction torque curves during shut down under different speed conditions

4.2 壓力對(duì)于啟停過程密封性能的影響

4.2.1 聲發(fā)射信號(hào)演化規(guī)律

圖6所示為5 000 r/min轉(zhuǎn)速、不同壓力下在啟動(dòng)階段聲發(fā)射信號(hào)的變化曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射信號(hào)隨壓力的增加而變大，原因?yàn)閴毫υ礁?，微凸體接觸承載力越大，且潤滑膜之間因剪切而產(chǎn)生的振動(dòng)越明顯，因此聲發(fā)射值隨壓力的增加而變大。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在不同壓力下啟動(dòng)階段聲發(fā)射信號(hào)都出現(xiàn)一個(gè)小幅峰值，數(shù)值大小基本相同，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因與之前轉(zhuǎn)速影響實(shí)驗(yàn)的原因相同，在此不做贅述。聲發(fā)射信號(hào)最終都進(jìn)入穩(wěn)定階段，且壓力越低進(jìn)入穩(wěn)定階段所需時(shí)間越短，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因?yàn)楦邏毫ο露嗣骈g閉合力大，參與承載的微凸體數(shù)量較多、變形較大，需要更多的時(shí)間進(jìn)入穩(wěn)定階段。

圖6 不同壓力工況下啟動(dòng)過程聲發(fā)射信號(hào)Fig.6 AE signal during start up under different pressure conditions

圖7所示為不同壓力工況下經(jīng)過24 h運(yùn)轉(zhuǎn)后，在停機(jī)階段聲發(fā)射信號(hào)的變化曲線?？梢园l(fā)現(xiàn)，在停機(jī)過程中整體信號(hào)值呈線性減小趨勢(shì)，與停機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，并未出現(xiàn)低轉(zhuǎn)速條件下的小幅度上升現(xiàn)象。原因?yàn)榇藭r(shí)轉(zhuǎn)速相對(duì)較高，密封端面原本因機(jī)械加工而產(chǎn)生的微凸體與加工痕跡經(jīng)過長時(shí)間的磨損后，表面已磨合，大部分較高的微凸體經(jīng)過磨損后已不會(huì)產(chǎn)生劇烈的碰撞，因此在停機(jī)過程中聲發(fā)射信號(hào)未產(chǎn)生開機(jī)階段出現(xiàn)的局部凸峰。

圖7 不同壓力工況下停機(jī)聲發(fā)射信號(hào)Fig.7 AE signal during shut down under different pressure conditions

4.2.2 摩擦扭矩演化規(guī)律

圖8所示為轉(zhuǎn)速5 000 r/min、不同介質(zhì)壓力下啟動(dòng)過程的摩擦扭矩變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，在啟動(dòng)過程中，不同壓力下都會(huì)首先出現(xiàn)一個(gè)峰值，然后減小至一谷值，最后逐漸增大直至穩(wěn)定，且壓力越大扭矩峰值與穩(wěn)定扭矩值越大。主要原因?yàn)槌跏紗?dòng)過程中端面處于干摩擦狀態(tài)，因此會(huì)出現(xiàn)扭矩峰值；經(jīng)過7 s左右的時(shí)間后，端面間進(jìn)入潤滑介質(zhì)，使得摩擦扭矩急劇減??；然后隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高端面間微凸體相互碰撞以及潤滑介質(zhì)黏性剪切產(chǎn)生的摩擦扭矩不斷變大，因此會(huì)不斷上升。介質(zhì)壓力越高端面間閉合力越大，導(dǎo)致扭矩峰值與穩(wěn)定值都隨著壓力的增加而變大。

圖8 不同壓力工況下開機(jī)摩擦扭矩曲線Fig.8 Friction torque curves during start up under different pressure conditions

圖9所示為不同介質(zhì)壓力下經(jīng)過24 h運(yùn)轉(zhuǎn)后停機(jī)過程摩擦扭矩變化曲線。可以發(fā)現(xiàn)，停機(jī)過程摩擦扭矩變化趨勢(shì)與啟動(dòng)過程具有高度相似性，停機(jī)初期端面間存在潤滑介質(zhì)，隨著轉(zhuǎn)速的降低，微凸體相互碰撞以及潤滑介質(zhì)黏性剪切產(chǎn)生的扭矩不斷減小，端面間微凸體微動(dòng)壓效應(yīng)也隨之減小，微凸體劇烈摩擦?xí)a(chǎn)生小幅度的凸峰，但是凸峰的峰值遠(yuǎn)小于啟動(dòng)階段，原因?yàn)榻?jīng)過長時(shí)間的磨合，表面微凸體粗糙度相對(duì)減小，因此產(chǎn)生的摩擦扭矩也較小。

圖9 不同壓力工況下停機(jī)摩擦扭矩曲線Fig.9 Friction torque curves during shut down under different pressure conditions

5 摩擦扭矩與聲發(fā)射信號(hào)相關(guān)性分析

分別對(duì)比圖2—9中相同條件下，啟停過程的聲發(fā)射信號(hào)與摩擦扭矩?cái)?shù)值之間的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，聲發(fā)射信號(hào)與摩擦扭矩信號(hào)具有一定的相關(guān)性[16]，兩者在啟動(dòng)過程中都是先增加后減小最終穩(wěn)定，且時(shí)間是相互對(duì)應(yīng)的。初始時(shí)刻密封處于干摩擦狀態(tài)，摩擦扭矩很高，同時(shí)對(duì)應(yīng)聲發(fā)射信號(hào)出現(xiàn)峰值；隨著轉(zhuǎn)速提高，潤滑介質(zhì)的介入，摩擦扭矩與聲發(fā)射信號(hào)均出現(xiàn)小幅度下降；隨著轉(zhuǎn)速的繼續(xù)升高端面間摩擦扭矩與聲發(fā)射信號(hào)同時(shí)逐漸增加直至穩(wěn)定。綜上，摩擦扭矩與聲發(fā)射信號(hào)具有很高的相關(guān)性，可以將聲發(fā)射信號(hào)作為密封運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測(cè)信號(hào)。

6 結(jié)論

以接觸式機(jī)械密封為研究對(duì)象，研究了碳化硅與碳石墨配副材料在水潤滑條件下啟停過程中的摩擦扭矩與聲發(fā)射信號(hào)的變化規(guī)律，得到的主要結(jié)論為：

(1)在密封啟停過程中，啟動(dòng)初期處于干摩擦狀態(tài)，摩擦扭矩首先增大至一峰值，然后由于潤滑介質(zhì)的介入減小至一谷值，此時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌夏Σ翣顟B(tài)，最后逐漸增大至一穩(wěn)定數(shù)值。同時(shí)發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定階段的摩擦扭矩值與轉(zhuǎn)速、壓力均呈正比關(guān)系。

(2)聲發(fā)射信號(hào)變化趨勢(shì)與摩擦扭矩變化趨勢(shì)相同，在7 s左右時(shí)聲發(fā)射RMS值出現(xiàn)峰值，隨后減小至一谷值，最終增大至穩(wěn)定數(shù)值，可以反映出端面從干摩擦至混合摩擦的潤滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變。