机械密封端面摩擦特性参数及其测试技术

　　分析了表征机械密封端面摩擦特性的常用性能参数, 介绍了端面摩擦扭矩、端面磨损量、端面温度、端面流体膜厚及端面流体膜压的测试技术, 探讨了常用测试方法的优缺点及难点。指出了消除测试过程中外部较大的干扰信号是提高测试精度和可靠性的关键, 而基于传感技术的计算机数据采集与处理是机械密封端面摩擦特性参数测试技术的发展趋势。

　　机械密封端面摩擦特性长久以来都是机械密封研究人员最为关心的问题之一, 因为它是决定机械密封工作寿命和密封性能好坏的关键因素。近年来, 机械密封的端面摩擦特性研究虽然已取得了很大的进展, 但由于密封结构和工况千差万别, 至今尚未形成完整的理论体系, 学术界对密封摩擦机制的分析理解还很不一致。机械密封端面摩擦特性试验研究无论对密封理论体系的建立, 或是对指导产品的设计、检验和使用均十分必要, 而端面摩擦特性参数的测试则是试验中的关键技术。

1、表征机械密封端面摩擦特性的常用性能参数

　　与机械密封端面摩擦特性直接有关的性能参数主要包括端面摩擦扭矩、端面磨损量、端面温度、端面流体膜厚及膜压。

1.1、端面摩擦扭矩

　　端面摩擦扭矩是影响机械密封工作性能的重要参数, 决定着机械密封运转时的摩擦功耗、端面磨损量、摩擦发热量以及端面温度等工作参数。随着机械密封技术的不断发展, 机械密封的使用量越来越大,提高机械密封的密封性能和工作寿命, 一直是人们密切关注的问题。端面摩擦扭矩反映了机械密封端面状况, 端面摩擦扭矩大, 磨损相对增大, 工作寿命缩短。端面摩擦扭矩的测试与控制, 对保证机械密封性能和延长使用寿命, 有着十分重要的现实意义。

1.2、端面磨损量

　　磨损量是指机械密封运转一定时间后, 密封端面在轴向长度上的磨损值。机械密封摩擦副端面的磨损是运转过程中发生摩擦的必然结果, 也是机械密封的主要失效形式, 因此, 端面磨损是影响机械密封正常工作寿命的重要因素。机械密封的主要发展方向之一就是要在泄漏率允许的范围内控制磨损, 使润滑达到最佳状态。研究机械密封磨损规律, 对于机械密封结构合理设计、工况条件优化, 材料评价选择以及提高使用性能等都有重要意义。

1.3、端面温度

　　机械密封在运转过程中, 会由于端面摩擦和旋转元件的搅拌产生热量, 使摩擦副和其它元件的温度升高, 加之工艺使用条件中温度有的较高, 这就带来了许多问题。例如摩擦副端面温度升高到一定程度, 就会出现密封面间密封介质汽化, 密封环的变形, 热磨损甚至由于温度变化引起热冲击和热裂。

　　为保证机械密封长期稳定可靠运行, 必须掌握密封端面的温度及其分布, 从而采取有效的控制措施。

1.4、端面流体膜厚

　　机械密封端面流体膜厚表征了摩擦副的摩擦状态, 直接影响着机械密封的端面泄漏率和磨损量, 也是确定端面摩擦生热的一个重要参数。典型的机械密封的端面液膜厚度在0.3 ～3 μm时, 干气密封的端面气膜厚度在3～5μm时, 既能保持良好的密封, 泄漏很少, 又能有较长的工作寿命, 磨损很小。通过测量端面流体膜厚可以验证理论计算结果,可以确定密封端面摩擦状态及其与泄漏、磨损之间的关系, 通过膜厚测量还可以实时监控密封的工作情况。

1.5、端面流体膜压

　　对接触式机械密封而言, 端面膜压不仅表征液膜承载能力的大小, 而且决定了密封端面摩擦状态与密封性能。对端面膜压的研究, 可进一步认识机械密封的端面摩擦特性。

2、机械密封端面摩擦特性参数的测试技术

2.1、端面摩擦扭矩的测试技术

　　机械密封端面摩擦扭矩的测试技术目前主要有支反力法和传递法。

　　支反力法是根据动力机械在扭矩作用下所产生的支座反力的变化来测量摩擦扭矩的。其优点是不存旋转件到静止件的信号传输问题, 而且确定支座反作用力的方法简便、容易实施。E Mayer、李鲲等采用支反力法对机械密封端面摩擦扭矩进行了测量。在可转动密封腔上设置测力杆, 并使之作用于力传感器上, 由此测得扭矩。但是, 密封腔旋转支承的摩擦会影响测试精度, 所以对旋转支承要求极高, 李鲲采用了气体静压轴承。

　　传递法是根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化来测量扭矩的。采用传递法测量扭矩的仪器小巧轻便, 扭矩传感器可以直接串接到传动系统中, 而无须改变机械系统结构。J A Silvaggo、宋鹏云、赵增顺等在电动机与密封主轴之间安装扭矩传感器, 测量转轴扭矩, 将所测得的扭矩减去空载运行时主轴承的摩擦扭矩和旋转件在介质中的搅拌扭矩, 便可求得机械密封端面摩擦扭矩。但该方法不够直接, 而且由于正常运行时与空载运行时的工况并不相同, 致使结果可能出现较大的偏差, 准确性较难保证。

　　精确测量在役机械密封端面摩擦扭矩, 有利于机械密封工作寿命的提高和泄漏率的控制。然而正常工作时, 机械密封端面摩擦扭矩较小, 传感器输出量较小, 特别是高参数(高转速、高压力、高温) 下,机械密封端面摩擦扭矩信号往往被测量过程中其它信号甚至是干扰所淹没。因而实际工况下, 难以通过转动密封腔或在电动机与密封主轴之间安装扭矩传感器来测试机械密封端面摩擦扭矩。为避开主要耗功设备及轴承摩擦扭矩对机械密封端面摩擦扭矩测量的影响, 孙见君等在静环之后设置了扭矩传感器, 提高了测量精度。

2.2、端面磨损量的测试技术

　　机械密封产品型式试验中通常采用密封环试验前后的长度之差来测量端面磨损量, 也可采用密封环试验前后的重量之差换算出磨损量。长度测量仪一般选用千分尺, 也可采用光学测长仪。如果磨损量很小, 可以用表面轮廓仪(泰勒仪) 来测摩擦副宽环端面的磨损量。对于窄环端面, 由于磨损后原来的基准已不复存在, 但可以用“比较法”来测量(用光学测长仪对块规与窄环试验前后的高度进行比较) ,或者用“划痕法”来测量, 即在不影响性能的前提下, 在窄环端面上沿周向刻上2～4条很浅的划痕,一般为5～10μm, 用泰勒仪测量试验前后的划痕深度, 便可测量出微量磨损。

　　由于采用拆卸密封摩擦副测量累计磨损量的方法, 会破坏摩擦副的摩擦和配合状态, 使变工况磨损量的测试产生较大的误差。因此, 不拆卸摩擦副甚至于连续动态测试磨损量将是研究机械密封磨损过程的理想方法。郝点等在机械密封端面磨损试验中采用了电阻磨损测试法, 在不拆卸摩擦副的情况下测试了不同工况下碳石墨环的磨损变化量。其测试原理是在密封环摩擦端面下嵌入电阻率一定的条形薄电阻片并加以绝缘, 摩擦副工作时, 电阻片与摩擦端面一起磨损, 电阻片截面积受磨损而减小, 引起电阻值增加。测出电阻变化值便可推算出密封端面的磨损量。