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(guò)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)。

機(jī)械密封端面摩擦特性長(zhǎng)久以來(lái)都是機(jī)械密封研究人員最為關(guān)心的問(wèn)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(lái), 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(wàn)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(wú)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)
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(lái)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(wèn)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(guò)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、端面溫度
機(jī)械密封在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)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(lái)了許多問(wèn)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0.3 ～3 μm時(shí), 干氣密封的端面氣膜厚度在3～5μm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(guò)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(guò)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, 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(lái)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(wèn)題, 而且確定支座反作用力的方法簡(jiǎn)便、容易實(shí)施。E Mayer、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(lái)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(wú)須改變機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。J A Silvaggo、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(guò)程中其它信號(hào)甚至是干擾所淹沒(méi)。因而實(shí)際工況下, 難以通過(guò)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(lái)測(cè)試機(jī)械密封端面摩擦扭矩。為避開(kāi)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(jiàn)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。

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(lái)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(lái)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(lái)的基準(zhǔn)已不復(fù)存在, 但可以用“比較法”來(lái)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(lái)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2～4條很淺的劃痕,一般為5～10μm, 用泰勒儀測(cè)量試驗(yàn)前后的劃痕深度, 便可測(cè)量出微量磨損。

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(guò)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。