機械密封界面摩擦聲發射信號的特征提取與分析

摘要： 機械密封非正常接觸狀況下的高頻摩擦信號識別與診斷研究較為匱乏，因此采用高頻寬域與強靈敏的聲發射技術，搭建密封監測試驗臺，采集機械密封啟停、無壓、低壓、高壓、低速、高速等運行狀況下的聲發射信號。使用時域、頻域和時頻域分析方法處理試驗數據，進行測試，并建立基于AE信號均方根（RMS）值變化判定機械密封界面摩擦狀態的方法，揭示了機械密封從接觸式到非接觸式過程中的端面摩擦信號與運行狀態的對應關系，進一步探明了密封運行過程中，從端面接觸摩擦的邊界潤滑（BL）與混合潤滑（ML），逐漸轉變為非接觸下流體動力潤滑（HL）狀態的滑動接觸信號演變規律，獲取了密封界面摩擦時的AE信號頻率帶范圍（240～320 kHz），并通過對AE信號進行時頻分析，發現了連續小波變換（CWT）能有效表征機械密封不同工況下的AE信號時頻特征信息。本文研究結果為機械密封狀態監測和故障診斷的研究提供了理論基礎和數據支撐。

關鍵詞： 機械密封； 聲發射； 摩擦； 狀態識別

中圖分類號： TH136； O422""" 文獻標志碼： A""" 文章編號： 1004-4523（2025）02-0411-09

DOI：10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2025.02.020

收稿日期： 2023-04-03； 修訂日期： 2023-07-19

基金項目："浙江省自然科學基金資助項目（LY22E050010）；寧波市自然科學基金-青年博士創新研究項目（2022J152）；國家自然科學基金資助項目（51905480）；“科技創新2025”重大專項（2022Z007，2022Z054）；固體潤滑國家重點實驗室基金項目（LSL-1912）

Feature extraction and analysis of friction acoustic emission signal at mechanical seal interface

LU Junjie1， LIU Zhu1，2， DING Junhua2， GAO De1， DING Xuexing2

（1.Ningbo Key Laboratory of Advanced Seal， NingboTech University， Ningbo 315100， China； 2.School of Petrochemical Technology， Lanzhou University of Technology， Lanzhou 730050， China）

Abstract： Research on the identification and diagnosis of high-frequency friction signals under abnormal contact conditions of mechanical seals is limited. Therefore， a seal monitoring test-bed is established using high-frequency， wide-range， and highly sensitive acoustic emission （AE） technology. Acoustic emission signals are collected under various operating conditions of the mechanical seal， including start-stop， no pressure， low pressure， high pressure， low speed， and high speed. Then the collected data are processed and analyzed using time-domain， frequency-domain and time-frequency-domain analysis methods. A method for determining the interface friction state of the mechanical seal， based on the root mean square （RMS） change of the AE signal， is established. This method reveals the corresponding relationship between the end-face friction signal and the running state of the mechanical seal， from contact to non-contact， and further proves the seal operation process. The research identifies the evolution of the friction signal during the transition from boundary lubrication （BL） and mixed lubrication （ML） in end-face contact friction to sliding contact signals under non-contact hydrodynamic lubrication （HL）. The frequency band of the AE signal during seal interface friction is found to be between 240 kHz and 320 kHz. Through time-frequency analysis of the AE signal， it is shown that continuous wavelet transform （CWT） effectively represents the time-frequency characteristics of the AE signal under different working conditions of the mechanical seal. The research results of this paper provide a theoretical foundation and data support for research on mechanical seal condition monitoring and fault diagnosis.

Keywords： mechanical seal；acoustic emission；friction；status identification

機械密封經常會面臨故障診斷困難、壽命難以預測、突發性失效和安全裕量過大等問題［1］。為了避免上述問題，已有大量基于振動分析［2?3］、渦流［4］和超聲波檢測［5］等技術的研究應用于機械密封運行狀態監測和故障診斷。然而，振動分析受軸速度的影響、測試電渦流信號需破壞密封結構、超聲波檢測成本過高等原因阻礙了流體動密封診斷測試技術的發展，更為嚴峻的是，流體動密封沒有可用于故障診斷研究的標準數據庫，尚不能正確地判斷機封故障。因此，探究新的機械密封運行狀態監測技術，獲得大量高品質的密封運行狀態數據，探明密封故障特征值，對于機械密封大數據監測和智能運維十分重要。

聲發射（acoustic emission，AE）技術作為一種無損檢測技術，已被證明對渦輪機［6］、軸承［7?8］和機械密封［9?10］等旋轉機械的摩擦學行為非常敏感。HUANG等［11?12］和FAN等［13］利用聲發射技術對啟停階段的密封界面接觸狀態進行了大量研究，其研究成果表明AE技術具有檢測機械密封早期故障的優勢；李曉輝等［14?15］利用聲發射技術測量機械密封的端面膜厚，研究聲發射能量在密封啟動過程中的變化規律，證明了聲發射技術能有效實現機械密封界面狀態的無損檢測。上述研究都充分證明了AE技術能有效識別端面接觸狀態，但并未報告該技術在機械密封中識別密封界面潤滑狀態的應用，特別是對密封實際運行時的不同運行工況下（低壓、高壓、啟停、低速、高速等）密封端面所處的不同潤滑狀態進行具體和全面的研究。此外，之前的研究對機械密封的聲發射狀態監測提供的信息相對較少，也沒有針對特定情況實施全面的故障檢測，對于機械密封全域運行狀態AE信號監測的研究尚處于空白，機械密封狀態監測和數字化運維缺乏密封運行狀態數據的支撐。另一方面，AE技術在檢測刀具磨損、管道壁厚以及管道泄漏等方面具有一定的應用場景，但是在機械密封、干氣密封等流體動密封領域還未實現工程化應用，主要的痛點在于動密封在工作過程中屬于接觸與非接觸的快速轉變，但是由于設備的外在因素和結構等多方面的干擾，密封的動靜環會產生碰摩，從而形成高頻的摩擦信號。目前對于高頻摩擦信號辨識方面的研究較少。

基于上述研究基礎，本文搭建密封臺架與測試系統，采用高頻寬域與強靈敏的聲發射儀器，監測機械密封啟停、無壓、低壓、高壓、低速、高速等不同運行狀態下的聲發射信號，并對機械密封聲發射信號進行時域、頻域、時頻域全方位分析，提取AE特征，探明密封不同故障模式下的特征信號，并提出將均方根（RMS）值作為密封界面接觸狀態的評價指標，從而診斷機械密封運行狀態。

1 機械密封系統和測量原理

1.1 密封試驗系統

試驗系統主要由三部分組成，分別是傳動系統、供氣系統、密封系統。傳動系統：本次試驗采用大功率電機作為直接驅動電源，電機功率為11 kW，最高轉速為3000 r/min；供氣系統：由過濾器、壓力表、流量計、減壓閥等組成，氣路壓力最高可達8 MPa，氣路為多接口集成，可供密封試驗臺進行密封氣供給和收集；密封系統：采用雙端面機械密封，如圖1所示，密封試件靜環（靜止環）和密封壓蓋（法蘭盤）固定在密封腔的外殼上，帶動環（旋轉環）安裝在主軸上，補償力由彈簧提供。

1.2 聲發射測試原理

1.2.1 聲發射測試系統

本次試驗采用的機械密封聲發射信號監測系統如圖1所示。為提高測試精度，本次試驗采用高精度全信息網絡聲發射儀（采集器），型號為PXDAQ24260B，采樣頻率為2.5 MHz，頻率帶寬為13～1035 kHz。

1.2.2 聲發射測試原理與布置方式

密封界面的摩擦特性是影響非接觸式密封可靠性、使用壽命和密封性能的關鍵參數［16］。非接觸式機械密封在啟動過程和低速（0～100 r/min）運轉過程中，由于動壓效應不足，氣膜還未形成，彈簧補償力與高壓氣體背壓會讓密封動靜環端面完全接觸產生干摩擦。隨著轉速逐漸增大，動壓效應增強，但氣膜尚不穩定，動靜環會由完全接觸轉變為局部接觸狀態。直至轉速增加至一定值，氣膜厚度產生極高的氣膜剛度，此時，氣膜和彈簧補償力達到平衡，密封穩定運行，動靜環端面完全脫開。

如圖2所示，根據斯特里貝克曲線，旋轉環和固定環之間的摩擦狀態可根據運行參數和健康狀況分為邊界潤滑（BL）、混合潤滑（ML）和流體動力潤滑（HL）。機械密封的最佳操作區域在從ML到HL狀態的過渡點附近，此時密封界面摩擦和泄漏最?。?7?18］。在機械密封運轉過程中，BL狀態是機械密封最不理想的狀態，因為它會產生過度磨損、干摩擦導致密封動靜環端面損壞，從而大幅縮短密封壽命［19］。尤其在密封低速、低壓狀態下，密封流體膜剛度不足，擺動、碰摩等狀態將會頻發。

注：橫坐標公式中n表示粗糙表面峰點數；v表示相對滑動速度；W表示總載荷量。

當密封界面發生接觸時，此時滑動表面的粗糙接觸產生高頻摩擦應力波信號，其為聲發射信號的主要來源；當在流體動力潤滑狀態下，AE信號主要由密封界面處的潤滑劑層剪切引起的黏性摩擦［20］產生。聲發射信號的均方根（RMS）值作為反映聲發射能量強弱的指標，與滑動接觸中聲發射源機制的多重作用存在強烈的關系［21?22］。

本次試驗采用雙通道監測系統，如圖1所示，兩支聲發射傳感器，軸向前后、徑向90°夾角布置，采用機械壓縮與磁性固定器來保證聲發射傳感器的穩定性，在接觸界填充超聲耦合劑以保證良好的信號傳輸。這樣的布置方式提高了測試精度，減小了信號衰減，同時也不用改變密封結構，是一種無損檢測方式。

2 試驗方案

如表1所示，機械密封聲發射測量試驗在7個不同的壓力下進行，對于每個壓力，記錄在12種不同轉速下的數據，以產生機械密封的不同摩擦學狀態。首先進行正常密封運轉試驗，密封動環槽型選擇經典螺旋槽。為了消除其他因素的干擾，還進行了無密封空轉和手動轉動對比試驗，無密封試驗是指將密封組件的動環和靜環拆下，其余部分安裝到密封外腔內運轉，此時聲發射監測到的信號主要來源于軸承。本次使用的聲發射傳感器溫度范圍為-25 ℃至+120 ℃，這是由于溫度低于-25 ℃或高于+120 ℃后，將會影響壓電效應。聲發射在高溫下的軸向熱膨脹系數為+2 ppm/℃，低溫下的軸向熱膨脹系數為-5 ppm/℃。AE信號能量主要是以彈性波形式釋放出應變能，密封端面接觸產生的溫度變化對AE信號的影響極?。涣硪环矫妫瑢⒙暟l射放置在了密封腔體外，隨后通過外夾具進行了吸附，整體運行過程中聲發射探頭一直保持在一個正常的溫度。

3 AE信號檢測試驗結果分析

3.1 AE信號波形和頻譜分析

圖3為機械密封在0.1 MPa恒定壓力下，分別在50、100、200、600、1000和1800 r/min轉速下運行時的AE信號原始波形圖和頻譜圖。從圖3（a）、（b）和（c）中可以看到，密封轉速在50、100和200 r/min時原始波形的最高幅值在2 V左右，頻譜圖中，最高頻率在300 kHz左右。當轉速處于600 r/min時，如圖3（d）所示，原始信號波形幅值小于1 V，頻譜圖中最高頻率帶位于250～300 kHz。而在密封轉速超過1000 r/min時，可以看到圖3（e）和（f）中，波形幅值明顯下降，低于0.1 V，信號頻率帶左移，低于200 kHz的范圍。但圖3（f）中AE信號波形略高于圖3（e），這是由于當機械密封轉速達到一定值，端面脫開時，AE波形幅值和頻率會受到轉速影響，轉速越高，聲發射能量越高，波形幅值就會越大。

密封在低速下AE信號幅值較大的原因與干氣密封運行機理有關，干氣密封在低轉速下，密封端面動壓效應不足，氣膜剛度不夠，導致密封動靜環端面會相互接觸碰摩，此時監測到的AE信號能量較高，波形幅值比較大。然而隨著轉速增大，干氣密封轉速達到一定值，氣膜穩定，密封端面完全脫開，此時干氣密封運行狀態穩定，沒有摩擦，因此AE信號能量較低。

3.2 密封界面摩擦AE信號的鑒定

從原始波形和頻譜中初步確定了密封接觸狀態下的聲發射波形能量范圍和頻率帶，為了進一步驗證機械密封摩擦時的頻率帶，還進行了空轉試驗以及對比驗證。機械密封在空轉過程中，AE信號將會采集轉子、軸承、密封與其余背景噪聲的混合體。

如圖4（a）所示，在無密封運行時，AE能量主要集中在10～50 kHz（點A）和120～170 kHz（點B）；機械密封正常運轉試驗如圖4（b）所示，通過頻譜分析發現，除了無密封試驗中的兩個頻率范圍（點A和點B）的AE信號，還出現了一個高頻信號帶240～320 kHz（點C）。因此可以推斷出，該頻率范圍是由機械密封運行時產生的，說明機械密封運行過程會產生高頻信號且范圍是240～320 kHz。

正確地表征機械密封運行狀態特征信息是機械密封狀態監測和故障診斷研究的關鍵性問題，信號的時域和頻域特征可通過波形和頻率體現，為了更加精確地提取特征信息，利用MATLAB軟件設計了帶通濾波器，通過濾波形式將無關信息剔除，把能呈現密封摩擦學行為的波形和頻率保留下來。通過對比試驗確定了240～320 kHz頻帶范圍是由于機械密封運行過程中的端面接觸產生的摩擦學AE信號，因此選擇保留該部分的信息。

與密封摩擦學行為相關的頻率在240～320 kHz的頻帶范圍，圖5展示了濾波后頻率位于240～320 kHz的AE信號波形和頻譜分析，在圖5（a）、（b）和（c）中濾波后得到的頻率主要集中在270～320 kHz，波形最高幅值大于0.5 V；圖5（d）中濾波后的AE波形較小，在0.1 V左右；圖5（e）和（f）中濾波后得到的波形和頻率幅值極其微小，因此，可以認為該狀態下沒有位于240～320 kHz頻率范圍的有效AE信號。這是因為密封在低速狀態下，端面尚未完全打開，密封界面摩擦學行為會產生高頻（240～320 kHz）AE信號。而在轉速大于1000 r/min的中高速運轉狀態下，密封界面處于流體動力潤滑狀態，機械密封穩定運行，端面完全打開，因此信號幅值小，且無高頻部分的AE信號。

3.3 機械密封運行狀態識別

聲發射的能量可以用計數率和均方根（RMS）值等表示。研究表明，在聲發射信號參數中，聲發射信號的均方根值與滑動接觸中聲發射源機制的多重相互作用之間存在很強的關系［11，18］。因此本文選用均方根值來對機械密封聲發射信號進行分析，其表達式為：

（1）

式中，為時間常數；為信號的電壓。

為了研究聲發射能量與機械密封界面接觸狀態的關系，利用信號RMS值來代替聲發射能量。圖6為機械密封正常運轉和空轉狀態下聲發射能量與轉速的對應關系。從圖6中可以看出，機械密封在0.1 MPa壓力下正常運轉時，信號RMS值隨著轉速的變化趨勢分為三個階段，當轉速低于100 r/min時，聲發射信號RMS值隨著轉速的增大而增大；而在100～1000 r/min時，信號RMS值則隨著轉速的增大而減小；在1000 r/min以后，RMS值開始隨著轉速的增大而增大，并且變化趨勢與空轉狀態下一致。在無密封空轉時，AE信號RMS值隨著轉速的增大一直增大。

造成上述結果的原因是聲發射AE源機制。顯然，AE信號的RMS值在最低速度下明顯增加，這是因為低速下機械密封界面螺旋槽提供的動壓不足，由于彈簧補償力的作用，使得密封界面存在粗糙表面高頻接觸，此時，邊界潤滑（BL）占主導地位，AE能量受滑動速度的影響更為顯著，聲發射信號RMS值隨滑動速度線性增加［23］。通過將速度增加到曲線最高點，由于潤滑條件的改善，RMS值開始隨著轉速的升高而下降。當速度逐漸增加時，發生從混合潤滑（ML）到流體動力潤滑（HL）狀態的轉變，即轉速達到1000 r/min以后，密封界面完全脫開，此時機械密封RMS值和空轉時的值相近，變化趨勢一致，RMS值隨著速度的增加再次增加。

根據圖5的信號規律和圖6的聲發射能量趨勢，密封不同狀態下對應的AE信號特征如表2所示。

圖7給出了機械密封不同壓力下聲發射能量隨轉速的變化情況，當密封壓力恒定且速度逐漸增加時，在健康基線和部分干運轉測試之間對AE均方根值進行了比較。從圖中可以看到，機械密封分別在0.2、0.4、0.6、0.8和1.0 MPa恒定壓力下運轉時，當轉速低于200 r/min，轉速增大，RMS值減小，這是由于機械密封轉速增大，密封界面螺旋槽動壓效應更加顯著，使得機械密封界面逐漸脫開，由混合潤滑狀態轉變為流體動力潤滑狀態，AE信號能量減小。而在轉速大于200 r/min時，轉速繼續增大，密封界面完全脫開，在流體動力潤滑狀態下，AE信號能量隨著轉速的升高逐漸增大。

從圖7中可以看出，當密封壓力處于2.0 MPa時，聲發射能量在低速下依然是隨著轉速線性增加的，聲發射能量此時受到轉速的影響更為顯著，說明此時密封界面之間沒有接觸，處于流體動力潤滑狀態。

3.4 AE信號時頻分析

小波變換是一種應用效果較為卓越的時頻分析方法，通常包括連續小波變換（continuous wavelet transform，CWT）、離散小波變換和小波包變換［24?25］。小波變換的基本原理如下，母小波可表示為［26?27］：

（2）

式中，表示小波基函數；a表示尺度因子且agt;0，用于控制小波函數的縮放比例；b表示平移因子且b∈R；t表示時間。

對于任意信號函數，為平方可積函數，其相應的CWT變換可以表示為［26］：

（3）

式中，表示小波變換系數；“*”表示共軛。

采用CWT進行信號分析時，基函數的選擇需要綜合考慮對稱性、正則性和相似性等多方面的因素。其中，ComplexMorlet小波是Morlet小波的復數形式，與普通小波相比，其在時頻域均具有良好的分辨率，且擁有更好的自適應性能［28］。

ComplexMorlet小波表達式為：

（4）

式中，表示小波寬度；表示小波中心頻率；i為虛數單位。

時頻分析的優勢主要為：時頻分析方法可以將原始一維時域信號變換為二維時頻域特征圖像；能夠同時保留傳感器信號的時域特征信息和頻域特征信息。連續小波變換時頻分析方法克服了傅里葉變換存在的分辨率不能隨時間與頻率的變化而改變的不足，在分析非線性平穩信號方面展現出了獨特的優勢。

圖8顯示了機械密封在恒定壓力0.1 MPa時，不同運轉速度下的時頻分析圖。在之前的分析中，已經確定機械密封在0.1 MPa，50 r/min工況下運轉時，機械密封界面處于干摩擦狀態，即邊界潤滑狀態，如圖8（a）和（b）所示，此時AE信號含有高頻部分（250～270 kHz），且信號能量較高。圖8（c）和（d）分別為機械密封在200和600 r/min時的AE信號時頻分析，從圖中可以看到，此時AE信號仍然存在高頻部分，但能量較小，這是因為此時機械密封界面處于混合潤滑狀態，隨著轉速增大，機械密封界面逐漸脫開，端面接觸力越來越小。當轉速增加至1000 r/min時，端面完全脫開，處于流體動力潤滑狀態，如圖8（e）和（f）所示，此時AE 信號能量極低，且只有相對低頻的信號，所有信號頻率小于150 kHz。通過信號時頻分析，可以同時分析信號時域特征和頻域特征，多方位表征機械密封AE信號的特征信息。

4 結 論

本文通過機械密封AE信號檢測試驗，以及對試驗數據的處理，證明了聲發射測量在監測機械密封界面接觸狀態方面的有效性。密封環摩擦狀態下信號的變化規律，對應了不同摩擦狀態下的特征信號，捕捉到了有效信號，并用RMS值指標揭示了密封摩擦副在滑動接觸過程中，聲發射能量與轉速、壓力的關系，闡明了密封運行狀態，同時得到以下結論：

（1）試驗數據分析結果顯示，機械密封運行過程中，AE信號能夠快速響應密封端面接觸所產生的摩擦學行為，摩擦AE信號頻率在試驗材料動環為SiC以及靜環為石墨時展現出240～320 kHz的高頻帶。

（2）AE信號統計參數中，RMS值與密封作業時所產生的端面滑動接觸AE源機制的多重交互作用之間存在著強烈的對應關系。

（3）通過連續小波變換，分析機械密封不同轉速下AE信號的時域特征和頻域特征，能夠識別其不同潤滑狀態，并且與RMS值分析結果相吻合。同時，相對于時域和頻域分析，時頻分析能夠更為明顯地找到密封端面摩擦AE信號特征。

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第一作者： 陸俊杰（1990―），男，博士，副教授。E-mail：loveljj4566@163.com

通信作者： 劉" 柱（1995―），男，碩士生。

E-mail：1759851195@qq.com