接觸式機械密封啟停過程摩擦特性實驗研究*

郝木明 周 芮 孫彭濤 王銘章 馬 婷 任寶杰

(1.中國石油大學(華東)新能源學院 山東青島 266580；2.西安航天動力研究所 陜西西安 710199；3.中國航空發動機集團航空發動機動力傳輸重點實驗室 遼寧沈陽 110015；4.東營海森密封技術有限責任公司 山東東營 257067)

接觸式機械密封因其高密封效率和低泄漏率的特性，在流體動力密封領域(如泵、壓縮機、渦輪機等)得到了廣泛應用。然而，它也面臨著高摩擦磨損、高溫升、潤滑失效等挑戰，這些因素都可能會影響其性能和可靠性。因此，深入研究接觸式機械密封的摩擦特性，理解其作用機制，對于設計、優化和維護密封設備具有重要意義。

盡管目前對于摩擦磨損的理論研究已經相當豐富，許多學者利用相關有限元軟件進行了針對性的分析和研究[1]，但相關的實驗研究卻相對較少。許多學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]開發了一種石墨磨損實驗臺，通過試驗研究與理論分析結合的方法，分析石墨材料的磨損機制。薛雯[5]對高溫下高強石墨的磨損機制進行了實驗研究，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制，并研究了轉速、載荷、溫度等工況參數對于不同石墨材料磨損特性的影響。這些研究對特定材料的摩擦特性有了深入理解，但對于摩擦狀態本身的關注卻相對較少。

此外，也有許多研究針對穩態工況，研究了其摩擦磨損機制。例如，王曉虎[6]對極端工況的機械密封進行了結構設計、溫度場分析、摩擦學性能實驗等，分析了9Cr18與石墨配對的摩擦學性能與密封性能，發現最佳的磨損性能溫度范圍為150～200 ℃。張琛[7]研究了火箭發動機渦輪泵機械密封的磨損機制，發現導致磨損的主要原因是介質的特性引起了密封環結構疏松和強度降低，進而產生劇烈的磨損。胡松濤等[8-9]將干氣密封作為研究對象，以雙高斯表面分層理論為基礎，研究了干氣密封在啟動過程中的表面磨損情況以及雙高斯參數演化機制，為干氣密封磨損研究提供理論依據。這些研究對穩態工況下的摩擦機制有了深刻認識，但對于啟停階段卻缺少關注，而這同樣對于密封設計、優化和維護至關重要。

目前對于密封摩擦狀態的研究，大多以摩擦扭矩的測試為主。而近年來，聲發射信號作為一種無損監測手段，正在得到廣泛應用[10-14]。雖然密封運轉過程中的摩擦扭矩數據可在一定程度上反映端面的摩擦磨損情況，但其對于摩擦狀態的反映，仍難以達到聲發射信號檢測的準確與高效。

本文作者著眼于啟停狀態，在不同的壓力、轉速工況下對接觸式機械密封進行實驗研究，測試密封的摩擦扭矩數據以及聲發射信號，分析二者的變化規律，并探討其相關性；同時揭示接觸式機械密封啟停過程中摩擦狀態的演變特性。

1 試驗裝置

試驗主要測試參數為運行過程中的摩擦扭矩以及端面摩擦聲發射信號。采用自主研發的試驗系統進行參數的測量與保存，圖1所示為試驗臺實物圖以及聲發射傳感器在測試工裝上的安裝方式，用于摩擦扭矩測試的轉速轉矩儀安裝于電機與軸承箱之間。傳感器安裝在密封靜環座背側，并且與靜環座保持緊密接觸。動靜環端面摩擦產生的聲發射信號經過靜環、靜環座傳遞至聲發射傳感器。

圖1 試驗臺及測試工裝Fig.1 Test rig(a)and test device structure(b)

試驗臺中，變頻電機與變頻器連接實現轉速調節，1 Hz對應30 r/min，頻率上限為200 Hz，轉速上限為6 000 r/min；利用變頻器自帶的“簡易PLC功能”可實現編程設置和自動控制電機的多段速運轉。而聯軸器采用柔性連接，并在外部安裝防護罩，實現電機與密封腔之間的動力傳輸。

摩擦扭矩數值通過轉速轉矩傳感器進行實時采集；聲發射信號通過聲發射傳感器采集，經過前置放大器、采集卡將數據傳輸至計算機，采集功能通過MATLAB編程實現。

2 試驗方法

采用碳化硅-碳石墨配對研究啟停過接觸式機械密封的摩擦狀態。試驗以水作為密封介質，降低端面溫度，以保障聲發射傳感器在適用溫度范圍內工作。

在啟動階段，保持壓力為0.5 MPa，將轉速從0增加至目標轉速(1 000、3 000和5 000 r/min)。記錄3種條件下的聲發射信號及摩擦扭矩，以分析轉速對啟動過程密封性能的影響。

接著，保持相同的目標轉速(5 000 r/min)，將壓力設置為0.3、0.5和0.7 MPa，并測量對應工況下的聲發射信號及摩擦扭矩，以分析壓力對啟動過程密封性能的影響。

對于停機階段，采取類似方案，測量和分析轉速與壓力對停機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))，故不同目標轉速下，加速時間不同。

3 聲發射信號處理

采用AE144SA40-BNC型富士聲發射傳感器測量聲發射信號，同時采用通用的NI數據采集卡搭建數據采集系統，只需要配備聲發射傳感器、通用型的前置放大器就可以組裝成數據采集系統。但該系統只能采集聲發射波形數據，不能實時計算聲發射特征參數，需編寫數據采集和分析程序。

對于連續型聲發射信號，常用均方根來對其進行分析。聲發射信號的能量變化率可以用均方根隨時間的變化來表示，即動態均方根[15]。文中以均方根值來表示端面間摩擦產生的聲發射信號。即

①組織施工人員開展相關技術培訓，使其應用于水箱涵施工技術的能力提升，從而能夠對施工中各種可能出現的問題及時應對[4]；②對施工人員的職業道德素質進行提升，使其在施工期間能夠將施工技術的操作規范嚴格貫徹落實，不以敷衍心態工作和偷工減料，以高度的工作責任心認真履行自身職責[5]；③嚴謹選用相關專業技術人才，施工技術人員的能力和水平需達到一定標準，堅持要求施工技術人員持證上崗從而將整體的施工團隊素質提升。

(1)

4 密封性能演化機制分析

4.1 轉速對于啟停過程密封性能的影響

4.1.1 聲發射信號演化規律

圖2所示為0.5 MPa壓力下不同轉速工況的啟動過程中聲發射信號均方根值變化曲線。由于升速過程中加速度恒定，所以不同轉速下加速時間不同。首先分析同一轉速下升速過程的聲發射信號變化規律。由圖2可以看出，隨著轉速不斷提升，1 000與5 000 r/min轉速下在開機7 s左右出現明顯的凸峰。產生上述現象的原因為，剛開機時端面之間不存在潤滑介質，處于干摩擦狀態；隨著轉速的升高端面間微凸體相互剪切擠壓，產生很高的聲發射信號值，在7 s左右時，潤滑介質進入端面間，處于混合潤滑狀態。潤滑介質的存在減弱了微凸體的剪切擠壓效應，導致聲發射信號減弱。隨著轉速的繼續升高，由于端面間液膜黏度的原因，端面微凸體與介質之間以及介質內部的剪切振動導致信號出現大幅增強，轉速穩定后進入穩定階段。其次對比分析不同轉速下的聲發射信號，可以發現轉速越高，穩定時期聲發射信號值呈指數增長趨勢，說明轉速對于微凸體剪切與振動影響十分顯著。升速至3 000 r/min的工況下，聲發射信號未出現明顯的凸峰，可能因為在靜壓條件下端面間已浸入較多介質(可歸因于盤車操作、環端面平面度等因素)，導致其以較為良好的潤滑狀態啟動，因而未出現表征傾向于干摩擦狀態的聲發射信號凸峰特征。

圖2 不同轉速工況的啟動過程聲發射信號Fig.2 AE signal during start-up under different speed conditions

圖3所示為經過24 h運轉之后停機過程的聲發射信號均方根值的變化趨勢。可以發現，低轉速工況停機過程中聲發射信號出現小幅度的增強，而高轉速工況停機過程中聲發射信號連續降低。產生該現象的原因為低轉速工況在停機時轉速逐漸降低，微凸體之間的微流體動壓效應減弱，在閉合力作用下會發生更多的微凸體接觸，因此會出現聲發射信號小幅度的上升。但是上升幅度小于啟動階段的值，原因為經過長時間的磨損，端面間微凸體變得相對光滑，因此由于微凸體剪切振動產生的聲發射信號也相對較弱。在5 000 r/min轉速工況并未出現聲發射信號升高的趨勢，原因為該工況轉速相對較高，密封端面原本因機械加工而產生的微凸體與加工痕跡，經過長時間的磨損后，大部分較高的微凸體已被磨平，微凸體已經不會產生劇烈的碰撞，因此在停機過程中潤滑劑失去潤滑效果后，聲發射信號未產生如開機階段出現的局部凸峰。

圖3 不同轉速工況的停機過程聲發射信號Fig.3 AE signal during shut down under different speed conditions

4.1.2 摩擦扭矩演化規律

圖4所示為啟動階段摩擦扭矩的變化曲線。可以發現，在啟動階段摩擦扭矩首先升高至一峰值，然后減小至一谷值，最后緩慢增加至穩定值，且最終的穩定值與轉速呈線性關系。分析其原因為啟動階段初始狀態端面間不存在潤滑介質，摩擦扭矩主要為微凸體接觸摩擦力；隨著轉速升高，而加速時間約為7 s時，端面間進入潤滑介質，由干摩擦轉變為混合摩擦狀態，導致端面間摩擦扭矩減小；但是隨著轉速的繼續增加，端面間潤滑介質的黏性剪切扭矩增加，同時微凸體之間相互碰撞產生的接觸摩擦扭矩也變大，最終轉速穩定后摩擦扭矩也保持穩定。

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

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

4.2 壓力對于啟停過程密封性能的影響

4.2.1 聲發射信號演化規律

圖6所示為5 000 r/min轉速、不同壓力下在啟動階段聲發射信號的變化曲線。可以發現，聲發射信號隨壓力的增加而變大，原因為壓力越高，微凸體接觸承載力越大，且潤滑膜之間因剪切而產生的振動越明顯，因此聲發射值隨壓力的增加而變大。同時可以發現，在不同壓力下啟動階段聲發射信號都出現一個小幅峰值，數值大小基本相同，產生該現象的原因與之前轉速影響實驗的原因相同，在此不做贅述。聲發射信號最終都進入穩定階段，且壓力越低進入穩定階段所需時間越短，產生該現象的原因為高壓力下端面間閉合力大，參與承載的微凸體數量較多、變形較大，需要更多的時間進入穩定階段。

圖6 不同壓力工況下啟動過程聲發射信號Fig.6 AE signal during start up under different pressure conditions

圖7所示為不同壓力工況下經過24 h運轉后，在停機階段聲發射信號的變化曲線。可以發現，在停機過程中整體信號值呈線性減小趨勢，與停機轉速成正比，并未出現低轉速條件下的小幅度上升現象。原因為此時轉速相對較高，密封端面原本因機械加工而產生的微凸體與加工痕跡經過長時間的磨損后，表面已磨合，大部分較高的微凸體經過磨損后已不會產生劇烈的碰撞，因此在停機過程中聲發射信號未產生開機階段出現的局部凸峰。

圖7 不同壓力工況下停機聲發射信號Fig.7 AE signal during shut down under different pressure conditions

4.2.2 摩擦扭矩演化規律

圖8所示為轉速5 000 r/min、不同介質壓力下啟動過程的摩擦扭矩變化情況。可以發現，在啟動過程中，不同壓力下都會首先出現一個峰值，然后減小至一谷值，最后逐漸增大直至穩定，且壓力越大扭矩峰值與穩定扭矩值越大。主要原因為初始啟動過程中端面處于干摩擦狀態，因此會出現扭矩峰值；經過7 s左右的時間后，端面間進入潤滑介質，使得摩擦扭矩急劇減小；然后隨著轉速的繼續升高端面間微凸體相互碰撞以及潤滑介質黏性剪切產生的摩擦扭矩不斷變大，因此會不斷上升。介質壓力越高端面間閉合力越大，導致扭矩峰值與穩定值都隨著壓力的增加而變大。

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

圖9所示為不同介質壓力下經過24 h運轉后停機過程摩擦扭矩變化曲線。可以發現，停機過程摩擦扭矩變化趨勢與啟動過程具有高度相似性，停機初期端面間存在潤滑介質，隨著轉速的降低，微凸體相互碰撞以及潤滑介質黏性剪切產生的扭矩不斷減小，端面間微凸體微動壓效應也隨之減小，微凸體劇烈摩擦會產生小幅度的凸峰，但是凸峰的峰值遠小于啟動階段，原因為經過長時間的磨合，表面微凸體粗糙度相對減小，因此產生的摩擦扭矩也較小。

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

5 摩擦扭矩與聲發射信號相關性分析

分別對比圖2—9中相同條件下，啟停過程的聲發射信號與摩擦扭矩數值之間的關系，可以發現，聲發射信號與摩擦扭矩信號具有一定的相關性[16]，兩者在啟動過程中都是先增加后減小最終穩定，且時間是相互對應的。初始時刻密封處于干摩擦狀態，摩擦扭矩很高，同時對應聲發射信號出現峰值；隨著轉速提高，潤滑介質的介入，摩擦扭矩與聲發射信號均出現小幅度下降；隨著轉速的繼續升高端面間摩擦扭矩與聲發射信號同時逐漸增加直至穩定。綜上，摩擦扭矩與聲發射信號具有很高的相關性，可以將聲發射信號作為密封運行狀態的監測信號。

6 結論

以接觸式機械密封為研究對象，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射信號的變化規律，得到的主要結論為：

(1)在密封啟停過程中，啟動初期處于干摩擦狀態，摩擦扭矩首先增大至一峰值，然后由于潤滑介質的介入減小至一谷值，此時轉變為混合摩擦狀態，最后逐漸增大至一穩定數值。同時發現穩定階段的摩擦扭矩值與轉速、壓力均呈正比關系。

(2)聲發射信號變化趨勢與摩擦扭矩變化趨勢相同，在7 s左右時聲發射RMS值出現峰值，隨后減小至一谷值，最終增大至穩定數值，可以反映出端面從干摩擦至混合摩擦的潤滑狀態轉變。