柔性箔片氣膜密封實際表面狀態(tài)下的聲發(fā)射信號特征

王學良, 陳金鑫, 陸俊杰, 張 煒, 蔣 敏, 吳雪靜, 吳磊波

(1.浙大寧波理工學院 機電與能源工程學院，浙江 寧波 315100;2.浙大寧波理工學院 寧波市極端密封重點實驗室，浙江 寧波 315100;3.寧波天工機械密封有限公司，浙江 寧波 315191;4.中國礦業(yè)大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116;5.蘭州理工大學 石油化工學院，甘肅 蘭州 730050)

先進密封技術作為燃氣輪機等高端裝備的關鍵基礎技術之一，其滯后發(fā)展嚴重制約了燃氣輪機裝備的發(fā)展[1].其中，柔性箔片氣膜密封結(jié)構作為一種先進的非接觸式柱面氣膜密封結(jié)構，通過界面設計與柔性結(jié)構適配，可以滿足高性能燃氣輪機在極端參數(shù)下的密封需求[2-6].柔性箔片氣膜密封系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子與頂箔兩界面之間形成非接觸的楔形氣膜，產(chǎn)生動壓氣膜密封流阻[7].然而，柔性箔片氣膜密封伴隨啟停瞬態(tài)失穩(wěn)、高速激振以及受熱變形等影響時，轉(zhuǎn)子與懸臂頂箔界面會發(fā)生碰撞，導致密封界面表面狀態(tài)磨損，形成表面微紋，而密封界面狀態(tài)嚴重影響轉(zhuǎn)子密封系統(tǒng)可靠性[8].因此，評估柔性箔片氣膜密封等柱面密封結(jié)構的表面狀態(tài)對高端旋轉(zhuǎn)機械的智能化發(fā)展具有重要意義[9].

針對氣膜密封技術的表面狀態(tài)研究，Williams等[10]上世紀90年代在泵制造技術會議中首次提到運用聲發(fā)射(AE)技術對機械密封狀態(tài)進行監(jiān)測，揭開了聲發(fā)射評估監(jiān)測機械密封狀態(tài)的序幕.隨后，Miettine等[11]借用AE系統(tǒng)監(jiān)測端面液膜密封的接觸狀態(tài)，分析研究了不同AE信號特征對應的接觸狀態(tài)，但受限于數(shù)值分析復雜程度，未提出與機械液膜密封相對應的物理特征信息；郝木明等[8]運用AE技術分析研究了接觸式機械密封混合潤滑狀態(tài)摩擦演化規(guī)律，分析獲得了密封端面局部微凸體接觸的信號特征；李曉暉和張菲等[12-15]采用電渦流傳感和聲發(fā)射等技術對端面密封的介質(zhì)膜厚和健康狀態(tài)進行了評估監(jiān)測，其研究表明聲發(fā)射技術不能直接反應膜厚大小，但可以識別膜厚的薄厚度；而李克斯等[12,16-17]為實現(xiàn)膜厚特征識別，采用了支持向量機和離散型隱馬爾科夫模型提取了反應表面狀態(tài)的信號特征信息，實現(xiàn)了機械密封不完備先驗知識下表面磨損狀態(tài)的評估；同時，為識別密封轉(zhuǎn)子軌跡，陳金林等[18]運用集合經(jīng)驗模態(tài)分解法(EEMD)提取了端面間的摩擦振動信號，通過相空間特征重構，分離提取了端面摩擦振動信號的相軌跡和混沌參數(shù)；葛貞笛等[19]運用AE技術對非接觸式密封端面的不同膜厚下進行了信號識別，判別其不同接觸狀態(tài)下的信號特征.

上述主要針對端面氣膜密封結(jié)構接觸狀態(tài)以及軌跡特征信息開展研究，忽略了不同表面狀態(tài)主要的頻率信號特征，而不同表面狀態(tài)決定了密封運行時的穩(wěn)定狀態(tài)和可靠程度，因此，本文中從試驗角度展開，針對柔性箔片氣膜等柱面密封結(jié)構開展研究，分析不同表面狀態(tài)下密封結(jié)構的AE特征信號變化，亟待獲取不同表面狀態(tài)信號的中心頻率分布，為實現(xiàn)高端旋轉(zhuǎn)機械的故障診斷建立基礎.

1 柔性箔片氣膜密封

1.1 柔性箔片氣膜密封三維模型

柔性箔片氣膜密封是基于指壓式箔片徑向密封結(jié)構與動壓氣浮軸承衍變而來，密封結(jié)構如圖1所示.

Fig.1 Schematic diagram of compliant foil gas seal圖1 柔性箔柱面氣膜密封示意圖

柔性箔片氣膜密封主要由軸套、懸臂頂箔和波箔三部分柱面結(jié)構組成：軸套的作用主要是減少工作轉(zhuǎn)子的摩擦磨損，可以通過微觀織構和表面刻槽增加柔性氣膜力；懸臂頂箔通過波箔變形上下浮動，從而與轉(zhuǎn)子形成動壓密封氣膜；波箔則通過彈性變形，減緩隨機振動和熱變形引起的進動和章動位移，進而降低軸套表面與懸臂頂箔之間的摩擦.

1.2 柔性箔氣膜工作原理

與端面氣膜密封結(jié)構不同，柔性箔片氣膜密封通過徑向柔性元件的變化與偏心庫葉特流形成氣膜阻塞流降低軸向泄漏，從而實現(xiàn)軸向密封，其形成的壓力分布如圖2所示，柔性氣膜與轉(zhuǎn)子形成阻塞的主要原理是楔形效應和窄槽動壓理論.

Fig.2 The pressure distribution of compliant foil gas seal圖2 柔性箔片氣膜密封壓力分布

觀察圖2可知，柔性箔片氣膜密封等柱面結(jié)構在其循環(huán)工作周期內(nèi)，任意位置的氣膜厚度介于最薄氣膜和最厚氣膜之間，這是由偏心結(jié)構存在導致的.其中，氣膜厚度的數(shù)學形式可表示為

式中，h為氣膜膜厚(mm)；C為平均氣膜間隙(mm)；e為偏心距(mm)；α為波箔結(jié)構系統(tǒng)常數(shù)；P為工作壓力(Pa)；P0為出口壓力(Pa)；φ 為轉(zhuǎn)子上任意一點與x1軸的夾角(° )；θ為轉(zhuǎn)子坐標與x軸的夾角(° ).圖2所示的SP為聲發(fā)射彈性波源位置.

2 雙通道聲發(fā)射試驗裝置

本文中采用了雙通道聲發(fā)射布局，由柔性箔氣膜等柱面結(jié)構的偏心結(jié)構決定，且雙通道聲發(fā)射布局有利于提高采集信號特征的可靠性.

2.1 聲發(fā)射工作原理

AE工作原理是基于密封界面內(nèi)應力發(fā)生變化時，導致密封界面變形，從而釋放彈性應變波，經(jīng)AE傳感器采集解調(diào)后生成時頻信號圖[10].而高性能旋轉(zhuǎn)機械運動中零部件發(fā)生表面彈性波都在AE源的涵蓋范圍之內(nèi)，因此，可通過濾波分析生成對應的AE特征信號，聲發(fā)射工作原理如圖3所示.

Fig.3 The operational principles of acoustic emission detection圖3 聲發(fā)射工作原理

本文中使用AE系統(tǒng)監(jiān)測氣膜密封信號特征的原理流程如下：1)采集不同密封狀態(tài)發(fā)生變化時信號源，其發(fā)射的彈性波最終傳播到達密封腔的表面，AE傳感將密封材料的機械振動轉(zhuǎn)換為電信號；2)分析AE源的性質(zhì)，確定AE發(fā)生的時間或載荷，對AE信號特征進行再放大、處理和記錄處理；3)分析處理AE源的信號特征，過濾提取不同表面狀態(tài)相對應的AE信號特征頻譜.

2.2 試驗方案設計

本文中設計了雙通道聲發(fā)射試驗方案，保證不同表面狀態(tài)下聲發(fā)射信號特征頻率的可靠性.

(1)無塵密閉空間擦拭軸套表面，軸套材質(zhì)為無壓燒結(jié)SiC，其彈性模量為400 GPa，泊松比為0.14，密度為3.1×103kg/m3，材料導熱系數(shù)為71 W/(m?K).運用Zego表面形貌輪廓儀標定不同軸套的表面形貌紋理結(jié)構的變化，通過高斯擬合形成不同表面粗糙度下的形貌特征及紋理結(jié)構，如圖4所示.本文中通過測得密封軸套外徑特征參數(shù)，控制調(diào)整靜環(huán)內(nèi)徑，以獲得不同表面狀態(tài)下相等的密封厚度；

Fig.4 The surface topography with different roughness圖4 軸套的表面粗糙度紋理圖

(2)設計氣膜密封準穩(wěn)態(tài)試驗.準穩(wěn)態(tài)試驗分為兩部分：1)靜態(tài)試驗，為了驗證安裝精度以及確定軸心位置，當偏心率或者徑向跳動偏離預定位置后，需重新調(diào)整軸套位置，通過控制測試壓力、轉(zhuǎn)速以及進出口流量，觀察其他因素對氣膜密封的影響；2)設計密封空轉(zhuǎn)試驗，過濾密封試驗臺其他干擾信號，實現(xiàn)動態(tài)試驗條件的唯一性以及排他性；

(3)設計動態(tài)試驗.設定進口壓力為300 kPa，進行啟停循環(huán)周期試驗，用AE傳感器采集不同狀態(tài)下的AE信號.然后降低進口壓力至100~200 kPa，按上述步驟依次進行啟停循環(huán)周期試驗，采集不同工況下的信號.

(4)分析處理AE采集信號頻率，實現(xiàn)AE信號特征的表征轉(zhuǎn)化，使其與相應的工況條件、氣膜膜厚以及表面狀態(tài)特征相對應.本文中試驗采用的雙通道聲發(fā)射氣膜密封監(jiān)測系統(tǒng)如圖5所示.試驗臺的動力通過8.5 kW變頻電機提供，氣膜密封試驗臺運行時的參數(shù)變化列于表1中.AE狀態(tài)監(jiān)測的優(yōu)勢還在于材料變形恢復后，再次被加載期間，在應力值達到上次加載最大應力之前不產(chǎn)生AE信號，這種不可逆現(xiàn)象為“Kaiser效應”，意味著對密封氣膜而言，聲發(fā)射接受的變形信號是單位氣膜力變化造成的SiC材料變形，同時，也表明氣膜厚度導致氣膜力變化時，柔性箔片等柱面密封結(jié)構的AE信號特征可能呈現(xiàn)多極化.圖4中，Ra(表面粗糙度)為0.2、0.4、0.8和1.6 μm為Zego表面形貌儀測得的表面粗糙度，樣品分別簡寫為Ra0.2、Ra0.4、Ra0.8和Ra1.6.

表1 氣膜密封-轉(zhuǎn)子高速試驗臺運行參數(shù)Table 1 Operation parameters of high speed gas sealrotor test rig

Fig.5 The system of acoustic emission detection in gas seal test rig圖5 高超氣膜密封試驗臺的AE監(jiān)測系統(tǒng)

3 結(jié)果討論及分析

本文中將分析密封結(jié)構不同表面狀態(tài)運行時與AE信號特征的對應關系，驗證AE信號特征在柔性箔片氣膜密封等柱面密封結(jié)構的普適性.AE信號分析的技術難點在于氣膜密封試驗中對不同噪聲信號的區(qū)分和解析，對本文中試驗而言，干擾最大的噪聲來源于軸承，但試驗臺軸承距離雙通道聲發(fā)射氣膜密封的位置較遠，通過對文獻[8]分析，聲發(fā)射在氣體等密封介質(zhì)的衰減與其頻率和氣膜膜厚有關，且一般軸承信號特征頻率大約為20 kHz左右.因而，本文中通過帶通濾波，將低頻和高頻噪聲過濾，獲取不同表面狀態(tài)下的AE信號波形流圖和特征頻率.

3.1 不同表面狀態(tài)下的AE信號特征

為了減小軸承等信號頻率的干擾，本文中將選用100~400 kHz帶通濾波器處理AE系統(tǒng)采集到的原始波形圖和原始頻譜，得到過濾后的波形流圖和頻譜圖.文獻[20]中提到機械密封的AE特征頻譜位于270±35 kHz之間，表明本文中試驗測得的AE頻譜可靠性較高.圖6所示為不同表面狀態(tài)下的AE信號波形圖和過濾后的AE特征頻譜圖.

Fig.6 AE signal characteristics with different roughness圖6 不同表面狀態(tài)下的AE信號特征

觀察圖6可知，表面狀態(tài)良好時，其呈現(xiàn)的原始波形圖的波形周期性較明顯，隨著表面狀態(tài)的進一步粗化，波形圖呈現(xiàn)啞鈴式分布，即兩側(cè)的波形幅度較高，中間的波形幅度較低.由圖6可知，當表面粗糙度為0.2 μm時，AE信號過濾后的頻譜圖AE特征呈現(xiàn)的主要中心頻率帶約為125、240和375 kHz，波形流的幅值在-0.03~0.03 V波動，幅度峰值對應的中心頻率約為240 kHz；觀察圖6(b)可知，當表面粗糙度為0.4 μm時，AE信號過濾后的頻譜圖呈現(xiàn)的主要中心頻率帶約為125、200和275 kHz，波形流的幅值在-0.03~0.03 V波動，幅度峰值對應的中心頻率值約為275 kHz；當表面粗糙度為0.8 μm時，AE信號過濾后的頻譜圖呈現(xiàn)的主要中心頻率帶約為125、240和275 kHz，過濾后的波形流幅值在-0.02~0.02 V之間，幅度峰值對應的中心頻率約為240 kHz；當表面粗糙度為1.6 μm時，AE信號過濾后的頻譜圖呈現(xiàn)的主要中心頻率帶約為125、190、240和275 kHz，過濾后的波形流幅值在-0.02 V~0.02 V之間，幅度峰值對應的中心頻率帶約為125 kHz.

對比圖6中各表面狀態(tài)下的中心頻率可知，柔性箔片氣膜密封等類柱面氣膜密封結(jié)構至少存在2種清晰邊界的中心特征頻率.分析原因如下：由圖2可知，受氣膜偏心結(jié)構的影響，在雙通道聲發(fā)射采集位置會存在2類較為明顯的氣膜膜厚的結(jié)構跨度，即最小膜厚和最大膜厚，加之轉(zhuǎn)速以及聲發(fā)射的采集頻率，因而，該類氣膜密封結(jié)構至少存在2種AE信號特征頻率，其他AE特征中心頻率的存在與過渡膜厚或者表面狀態(tài)相關，不同表面粗糙度的AE特征中心頻率分布列于表2.綜上可知：表面粗糙度在0.8~1.6 μm變化時，AE信號特征較前三者的中心頻率更為復雜，且各中心頻率之間的辨識度較低，一方面說明表面粗糙度越大，軸套表面不規(guī)則度較高，表面微變形極易發(fā)生；另外，對比過濾后的波形幅值，表面粗糙度為0.2~0.4 μm時的幅值略高于0.8~1.6 μm時的，說明表面粗糙度為0.2~0.4 μm時材料釋放的能量較大，因而表面微變形較大，與文獻[21]中數(shù)值計算的氣膜剛度趨勢相符，即單位氣膜膜厚變化時，表面狀態(tài)較好的軸套表面受力變形相對較大，因而，AE信號波形流圖的幅值較大.

表2 氣膜密封不同表面狀態(tài)對應的AE信號特征Table 2 The AE signal characteristics with different surface roughness

3.2 不同壓差下的AE信號特征

為了排除不同壓差對不同表面狀態(tài)AE信號特征頻率干擾，并獲取不同壓差下對應的特征頻率，本小節(jié)在上節(jié)3.1基礎上，測得了不同壓差表面狀態(tài)頻率特征變化.圖7所示為不同壓差下表面粗糙度為0.2 μm時的AE信號特征圖.分析圖7發(fā)現(xiàn)，表面粗糙度為0.2 μm，壓差為100 kPa時，AE信號特征頻譜圖呈現(xiàn)的主要中心頻率帶約為125、240和375 kHz.

Fig.7 AE signal characteristics under the variation of differential pressure (Ra 0.2)圖7 不同壓差下的AE信號特征(Ra 0.2)

當工況壓差為200 kPa時，頻譜圖呈現(xiàn)的主要中心頻率帶約為125、240、275和375 kHz，其中275 kHz的頻率波動區(qū)域基本與240 kHz重疊，波形流的幅值范圍基本仍在-0.03~0.03 V之間，幅度峰值對應的中心特征頻率約為240 kHz，表明不同壓差對該表面狀態(tài)下的AE信號特征幾乎不產(chǎn)生影響，但其過濾后的波形圖以及呈現(xiàn)的信號特征有所不同，排除其他因素的干擾，對應的主要頻段基本一致.對比6和圖7可知，過濾后的波形圖上幅度波動隨著壓差的增加而增加，說明隨著壓差增大，變形逐漸加大，單位膜厚的氣膜力增大，但幾乎未改變該狀態(tài)下的AE信號特征頻率，而相較于轉(zhuǎn)速，壓差是影響柔性箔氣膜密封等柱面氣膜密封性能的主導因素，其在100~300 kPa變化時，未改變密封AE信號的中心頻率，因而，表面粗糙度為0.2 μm時，AE信號特征中心頻率約為125、240和375 kHz.

當表面粗糙度為0.4 μm時，壓差在100~200 kPa變化時，AE信號特征頻譜圖呈現(xiàn)的中心頻率帶基本不變，仍為125、200和275 kHz，如圖8所示.同時，觀察圖8可知，波形流在100~200 kPa變化時，其幅值范圍-0.02~0.02 V，但波動幅度明顯增加.

Fig.8 AE signal characteristics under the variation of differential pressure (Ra 0.4)圖8 不同壓差下的AE信號特征(Ra 0.4)

當表面粗糙度為0.8 μm時，壓差在100~200 kPa變化時，AE信號特征頻譜圖呈現(xiàn)的頻率帶基本不變，中心頻率帶約為125、240和275 kHz，如圖9所示.同時，波形流呈現(xiàn)了增加的態(tài)勢，在壓差為100~200 kPa時，原始波形圖的幅值波動范圍呈現(xiàn)出中間低兩端高的啞鈴態(tài)勢.

Fig.9 AE signal characteristics under the variation of differential pressure (Ra 0.8)圖9 不同壓差下的AE信號特征(Ra 0.8)

由圖10可知，當表面粗糙度為1.6 μm，壓差為100~200 kPa時，AE頻譜圖主要中心頻帶更為復雜多樣，但是幅度峰值對應的中心頻率約為125 kHz，而且仍保持清晰的邊界頻帶，其他頻率帶仍約在250 kHz范圍波動.綜上可知，各表面狀態(tài)下對應的AE特征頻率列于表3中.對于表面粗糙度為0.2 μm時，最高幅度對應的頻率為240 kHz，而當表面粗糙度為0.4 μm時，最高幅度對應的中心頻率帶在200~275 kHz之間變化，但觀察圖7、圖8和圖9的頻譜圖可知，表面粗糙度為0.2 μm時，中心頻率約為375 kHz附近的頻帶更集中；表面粗糙度為0.4 μm時，中心頻率約為275 kHz附近的頻帶更集中.進一步分析可知，隨著表面粗糙度增加，中心頻率基本呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，這是密封氣膜與表面粗糙度之間的交互作用影響導致，即隨著表面粗糙度的增加，氣流不均勻渦動性增強，導致局部氣膜力隨膜厚的變化不均，因而頻帶變化更復雜多樣，但整體氣膜剛度變小，以致軸套變形隨之釋放的能量較少，因此，粗糙度越大，中心頻率即呈現(xiàn)逐漸降低的態(tài)勢.

表3 氣膜密封不同壓差下對應的AE信號特征Table 3 The AE signal characteristics of different surface roughness

Fig.10 AE signal characteristics under the variation of differential pressure (Ra 1.6)圖10 不同壓差變化下的AE信號特征(Ra 1.6)

3.3 不同轉(zhuǎn)速下的AE信號特征

本文將進行轉(zhuǎn)速試驗，排除不同轉(zhuǎn)速下對不同狀態(tài)AE信號特征頻率的干擾，因此，本文試驗方案中設計了壓差為300 kPa，表面狀態(tài)為Ra0.2時，不同轉(zhuǎn)速下的AE信號波形圖和頻譜圖，如圖11所示.

Fig.11 AE signal characteristics with different speed of Ra 0.2圖11 Ra 0.2的樣品在不同轉(zhuǎn)速下的AE信號特征

觀察分析圖11可知，隨著轉(zhuǎn)速的增加，表面粗糙度為 0.2 μm時，AE信號特征頻譜圖呈現(xiàn)的主要中心頻率信號基本一致，基本驗證了中心頻率特征與表面狀態(tài)的唯一相關性；另外，轉(zhuǎn)速在6 000~15 000 r/min變化時，過濾波形流圖的波動幅值呈現(xiàn)了先上升后下降的趨勢，波動幅值從0.02 V先上升至0.04 V，隨后下降為0.03 V，原因在于升速過程中，氣膜密封處于新平衡狀態(tài)，受彈性件、氣膜力和摩擦系統(tǒng)之間平衡的疊加影響，波動幅值相對較高，而隨著轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，轉(zhuǎn)速為9 000 r/min左右時，存在臨界轉(zhuǎn)速，比理論計算的臨界轉(zhuǎn)速低，超過臨界轉(zhuǎn)速時，隨著轉(zhuǎn)速增加，氣膜密封-轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動力學特征又逐漸趨于穩(wěn)定.該特征中心頻率變化與文獻[21]中數(shù)值計算的氣膜剛度隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢基本一致，即當轉(zhuǎn)速低于15 000 r/min時，表面粗糙度的氣膜剛度隨著轉(zhuǎn)速的升高幾乎不發(fā)生變化.

同時，文獻[20]中的端面磨損密封環(huán)聲發(fā)射試驗研究表明，轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)變化不會改變表面狀態(tài)的主要頻率特征，驗證了本文中表面粗糙度為0.2 μm時氣膜密封結(jié)構升速試驗的可靠性.

3.4 不同氣膜膜厚下的AE信號特征

由于AE對于材料結(jié)構特征的變化較為敏感，且可以通過外部安裝感應內(nèi)部變化進行無損檢測，因此，本小節(jié)中分析了氣膜膜厚變化時不同表面狀態(tài)下的AE信號特征頻率，如圖12所示.

Fig.12 AE signal characteristics detection with gas film thickness of 30 μm圖12 氣膜膜厚30 μm下的AE信號特征

分析圖12(a)可知，氣膜膜厚為30 μm時，不同表面狀態(tài)下氣膜密封的信號發(fā)生了變化，結(jié)果如下：表面粗糙度為0.2 μm時，頻譜圖呈現(xiàn)的主要頻率信號特征變?yōu)?25、240和275 kHz，過濾后的波形流的幅值在-00.06~0.06 V波動，幅度峰值對應的中心頻率帶約為125和240 kHz.

由圖12(b)可知，當表面粗糙度為0.4 μm時，頻譜圖呈現(xiàn)的頻率信號特征為125和275 kHz，過濾后波形流的幅值為-0.006~0.006 V，幅度峰值對應中心頻率帶約為125和275 kHz.

觀察圖12(c)可知，當表面粗糙度為0.8 μm時，頻譜圖呈現(xiàn)頻率信號特征為125、240和275 kHz，波形流的幅值在-0.012~0.012 V波動，幅度峰值對應的中心頻率帶約為125和240 kHz.

進一步分析圖12(d)可知，當表面狀態(tài)為1.6 μm時，頻譜圖呈現(xiàn)的頻率信號特征為125、240、250和275 kHz等，波形流的幅值在-0.016~0.016 V波動，幅度峰值對應的中心頻率帶約為125和240 kHz.與氣膜密封為10 μm時的AE信號特征相對比，AE信號特征頻率發(fā)生了變化，主頻特征呈現(xiàn)出雙頻率趨勢，且波形流圖的幅值相對變小，原因在于氣膜間隙變大，密封氣流對表面狀態(tài)的影響變小，因而，AE傳感器采集到關于密封的波形流幅值變小，但是發(fā)現(xiàn)不同表面狀態(tài)下表現(xiàn)出的信號特征不同，說明受氣膜膜厚的影響，氣膜擾動變大，加劇了密封氣膜的不穩(wěn)定性.膜厚約為30 μm時，不同表面狀態(tài)對應的AE信號特征列于表4中.

表4 氣膜膜厚約為30 μm時不同表面狀態(tài)下AE信號特征Table 4 The AE signal characteristics of different surface roughness with 30 μm

4 結(jié)論

映射氣膜密封結(jié)構和表面狀態(tài)變化對應的AE信號特征是表征柔性箔氣膜密封等柱面氣膜密封運行狀態(tài)的關鍵，因此，本文中基于雙通道AE技術，針對柔性箔片氣膜密封等柱面氣膜密封結(jié)構，研究了不同表面狀態(tài)以及壓力、轉(zhuǎn)速和氣膜膜厚變化時的AE信號特征，通過分析濾波后的AE幅頻信息可知：

a.不同表面狀態(tài)呈現(xiàn)的頻率信號特征，尤其是中心頻率特征顯著不一致，說明AE技術可以用來監(jiān)測表面狀態(tài)變化，其基本規(guī)律表現(xiàn)為密封表面粗糙度越大，其對應的AE信號特征中心頻率帶越小，呈現(xiàn)的AE信號頻帶特征愈加混沌；

b.對比不同表面狀態(tài)的AE頻率特征可知，柔性箔片氣膜密封等柱面密封結(jié)構至少存在2種中心頻率分布；在此基礎上，本文中研究發(fā)現(xiàn)，隨著壓力和轉(zhuǎn)速分別在100~300 kPa和6 000~15 000 r/min范圍內(nèi)變化時，AE信號頻率帶發(fā)生一定變化，但是不同表面狀態(tài)下對應的中心頻率特征未發(fā)生顯著變化；

c.當氣膜膜厚為30 μm時，AE頻率特征由多頻中心特征逐漸轉(zhuǎn)向雙頻甚至單頻特征，原因在于隨著密封間隙變大，密封間隙對密封氣膜力影響逐漸超越表面狀態(tài)，成為主導因素，且表面粗糙度較低時，中心頻率帶發(fā)生了明顯偏移，其與膜厚的對應關系有待進一步研究.