机械密封端面接触状态的声发射监测方法

2014-09-07 张尔卿西南交通大学机械工程学院

　　针对机械密封运行过程中反映密封端面接触状态的工作参数( 端面开启时间、膜厚等) 测量困难的问题，提出基于声发射信号的机械密封端面接触状态监测方法。根据密封端面产生的声发射信号具有时变非线性且突发性强的特点，采用经验模态分解( EMD) 法对原始信号进行分离提取。EMD 法能够将信号分解为不同时间尺度和不同频带的一系列固有模态函数，然后根据能量分布特征对伪分量进行剔除，得到“近源”声发射信号，抽取其信号特征运用Laplace小波相关系数法实现对密封端面接触状态的准确识别。通过机械密封测试试验证明，声发射监测技术能准确地识别机械密封装置动静环之间的接触状态和摩擦形式，能够在工业现场推广使用。

　　作为旋转机械设备中不可缺少的装置，机械密封因其工作泄漏量小、可靠性好、使用寿命较长、功率消耗少等一系列优点，在压缩机、泵、反应釜、离心机、搅拌器、转盘塔和过滤机等机械工艺设备上得到了广泛的应用。据统计，国外95% 左右的旋转机械设备都采用了机械密封。机械密封的工作状态直接影响整个系统的性能和生产安全，所以对其进行状态监测就显得尤为重要和迫切。然而机械密封运行过程中反映密封端面接触状态的工作参数，如端面开启时间、膜厚等的测量十分困难。

　　机械密封装置在运行过程中会产生许多能够反映密封装置运行状态的有效信息，比如振动、温度、压力和声波等，但这些信号用来表征机械密封运行过程中端面摩擦状态和液膜厚度作用不大。然而机械密封装置在运行过程中所产生的声发射( Acoustic Emission，AE) 信号蕴含了丰富的工况信息。声发射信号幅值大小与动静环所处的状态关系很大，这主要是因为声发射信号幅值与动静环摩擦时释放的能量直接相关。而动静环在发生摩擦前机械系统的不平衡、不对中或其他状态信息不会在声发射信号中反映出来，因此真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为可利用声发射技术对机械密封运行过程中动静环的摩擦状态进行监测，对故障进行诊断。

　　当机械密封装置运转时，动静环之间摩擦会产生能量信息，而声发射技术能准确反应密封端面摩擦所产生的能量信息，通过对该声发射信号的分析和识别便可以实现对机械密封端面接触情况以及整个密封装置工作状态的监测。

　　声发射技术很早就被用于密封装置工作状态的监测。20 世纪末，日美等先进国家将超声波、声发射传感等技术用于航空航天领域液氧泵及核反应堆冷凝泵，开发出了机械密封装置监控系统。国内也成功地将声发射技术应用于机械密封装置状态监测中。国内石油大学已成功地将自行研制的密封相态监控系统应用于工业机械密封装置安全监测方面。克拉玛依石油公司运用声发射技术对管汇台旋塞阀的密封进行了检测，发现声发射技术能够准确地检测出管线中故障的类型和发生位点。

　　本文作者介绍了机械密封端面摩擦形式及声发射技术在机械密封端面接触状态监测中的应用，并通过实验进行了验证。

1、机械密封声发射监测技术

1.1、机械密封端面摩擦形式及声发射

　　声发射是指材料内部或表面由于变形或者损坏而突然释放应变能产生的瞬态弹性波。有些研究者也将声发射称之为应力波发射( Stress Wave Emission，SWE) 。机械密封中的动、静环是两个核心元件，动、静环端面接触情况对机械密封的正常工作起着决定性的作用。在机械密封实际运行过程中，由于端面力、热变形以及其他干扰因素的影响，都可能使端面接触情况发生变化，引起碰撞。碰撞发生时，碰撞处动静环发生弹性变形而产生应力波发射，即声发射。直接与变形和断裂机制有关的弹性波源，通常称为典型声发射源。流体泄漏、摩擦、撞击、燃烧、磁畴壁运转等与变形和断裂机制无直接关系的另一类声发射源，称为二次声发射源，机械密封端面摩擦所形成的声发射源属于后者。声发射信号具有很大的动力学范围，其位移幅度可以从1 × 10 ^-15 m 到1 × 10 ^-9 m，拥有106 量级的变化范围; 声发射波的频率范围很宽，从次声频、声频直到超声频，包括数Hz 到数MHz; 其被测物体幅度变化从微观位错到大规模宏观断裂。典型的机械密封端面摩擦声发射信号时域波形如图1 所示。

机械密封声发射信号

图1 机械密封声发射信号

　　机械密封要保证低泄漏率甚至要实现零泄漏，那么端面间隙要足够小。受到端面粗糙度、平行度及安装等因素的影响，动静环端面很可能会发生碰撞或摩擦，所以研究端面间的摩擦工况是十分重要的。机械密封正常工作时，由于密封介质、内部结构及工作条件( 转速、压力、温度等) 的不同，根据黏滞力假说，密封端面间可能出现以下4 种摩擦状态:

　　(1) 接触摩擦( 干摩擦) 。在密封端面间出现液膜之前，动静环端面直接接触在一起。当密封装置启动时转速较低、压力较小，端面间液膜尚未形成，因而存在动静环端面间直接接触摩擦的情形，即干摩擦。干摩擦所产生的声发射信号较强，具体表现为幅值大，振荡次数多。

　　(2) 流体摩擦。机械密封装置运行过程中，随着主轴转速的上升，在机械密封端面摩擦副内( 即动静环之间) ，会慢慢形成一层与滑动轴承一样的稳定润滑膜，这种极薄的润滑膜厚度远大于密封端面粗糙度，可将两个端面完全分隔开。此时端面间基本没有直接接触，摩擦仅由黏性流体的剪切产生，因而端面间的摩擦及磨损都大为下降，功耗和发热量也都相应地减小。这种工况下的端面摩擦称为流体摩擦，所产生的声发射信号相对较弱，幅值小、频率低。

　　(3) 边界摩擦。密封端面摩擦时，当端面压力增大时，端面流体将被挤出。而此时密封端面仍吸附着一层流体分子的边界膜，这层流体膜虽然非常薄，但同样可以使两端面处于被极薄的分子膜所隔开的状态，这种状态下的摩擦称为边界摩擦。边界摩擦状态下对端面起润滑作用的是边界膜，然而这种状态下却测不出任何液体压力来。研究表明，边界膜的分子层有3 ～ 4 层，其厚度为20 nm 左右，并且在整个端面上部分是不连续的，局部地方还存在固体接触摩擦。这种端面接触状态存在磨损，但磨损量很小，泄漏量也很小，是机械密封中一种相对比较理想的摩擦工况，这与目前讨论的端面织构理论提法一致。此时声发射信号特征介于接触摩擦和流体摩擦之间。

　　(4) 混合摩擦。随着端面波度的减小，动静环端面间隙变小，此时既没有干摩擦时的局部凸起支撑，又缺少边界摩擦时纳米级均匀的表面纹理，而是在接触表面间出现了同时存在以上几种摩擦状态的混合摩擦情形。在工业现场实际运转中，普通机械密封绝大多数是在混合摩擦工况下工作的，只有在轻载、高速或高黏度工况下的机密封才会处于全膜流体润滑摩擦。

　　机械密封在一次完整的启停过程中，动静环之间的摩擦形式随着转速的改变而改变。当端面之间的接触形式不一样其摩擦程度也不一样，由摩擦产生的声发射信号所携带的能量也大不相同。在一次完整启停过程中，随着转速的升降机械密封端面声发射信号时域波形表现出如图2 所示“哑铃状”谱图。

声发射信号“哑铃状”谱图

图2 声发射信号“哑铃状”谱图

　　在轻载、高黏度、高速或端面开槽的工况下流体摩擦才有可能完整出现，在低速重载接触式的液体端面密封中才有可能出现边界摩，而对于绝大多数普通机械密封，在装置刚启动时，动静环端面贴合在一起，处于干摩擦状态。随着转速的增加和辅助流体压力的增大，当开启力大于闭合力时辅助流体会瞬间溢过端面，形成流体摩擦，这种摩擦状态一般不会持续很久，在后续实际运转过程中动静环端面基本上都处在混合摩擦工况下工作。

　　声发射技术能准确反应密封端面摩擦所产生的能量信息，因此应用于密封装置的监测具有独特的优势。图3 所示为机械密封端面油膜形成前后声发射信号功率谱对比图。可以看出，端面开启前后动静环摩擦产生声发射信号功率谱完全不同，这说明端面开启前后动静环之间的接触情况有很大区别，端面顶开前动静环之间呈直接接触摩擦，由接触摩擦产生的应力波冲击强，因而声发射信号功率谱幅值较大。端面开启后，端面间逐渐形成流体膜，动静环之间由接触摩擦逐渐过渡到流体摩擦或边界摩擦，动静环端面之间的摩擦作用减弱，声发射信号功率谱幅值自然较小。

端面开启前、后声发射信号功率谱图

图3 端面开启前、后声发射信号功率谱图

　　因此，当机械密封装置运转时，动静环之间摩擦产生的能量信息便以声发射形式沿静环座传出，通过对该声发射信号的分析和识别便可以实现对机械密封端面接触情况以及整个密封装置工作状态的监测。因此声发射技术可为机械密封工作状态识别及故障诊断提供一条切实可行的途径和方法。

1.2、声发射信号的提取

　　采用声发射技术监测机械密封的运行状态时，声发射传感器一般安装在与静环直接接触的静环座上。由端面产生的声发射信号经过静环和静环座传到传感器，这一距离少则两三厘米多则十几厘米，尤其是大轴颈机械密封装置，声发射信号在传递过程中还经常会受到其他机械部件所产生的信号的干扰，因此对采集到的声发射信号进行分离提取成为一个必不可少的环节。

　　1998 年美国国家航空航天局华裔科学家Norden E Huang 提出采用经验模态分解( Empirical Mode Decomposition，EMD) 方法进行信号分解。EMD 是一种数据分析方法，尤其针对非线性和时变性的数据其效果尤为显著。传统的时频分析方法的分析原理都是基于傅里叶变换，而经典的傅里叶变换方法自身存在一些难以克服的局限性，不太适用于非线性时变信号分析。EMD 分析方法与基于傅里叶变换的信号处理方法不同，它是直接针对数据的、自适应的和不需要预先确定分解基函数的非平稳信号分析方法。该信号处理方法被认为是近年来对以傅立叶变换为基础的线性和稳态谱分析的一个重大突破。

　　EMD 方法分解结果具有完备性，分解得到的各个固有模态函数( Intrinsic mode function，IMF) 分量在工业现场具有实际的物理意义，运用这一特征在处理如机械密封等旋转机械运行过程中非线性信号时具有明显的优势。