劉朝豐 賈 謙 鄭鈺波 董心怡 王建磊

(1.陜西空天動(dòng)力研究院有限公司 陜西西安 710003；2.西安交通大學(xué)城市學(xué)院機(jī)械工程系 陜西西安 710018；3.西安交通大學(xué)城市學(xué)院機(jī)械系統(tǒng)控制與機(jī)器人應(yīng)用研究所 陜西西安 710018；4.西安理工大學(xué)機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院 陜西西安 710048)

接觸式機(jī)械密封是一種較為常用的密封形式，在很多流體機(jī)械中有著較為廣泛的應(yīng)用，最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定[1]。接觸式機(jī)械密封在運(yùn)行過(guò)程中靜環(huán)和動(dòng)環(huán)由于密封介質(zhì)的動(dòng)壓效應(yīng)會(huì)形成一層幾微米至幾十微米厚度的潤(rùn)滑膜，這層潤(rùn)滑膜可以有效降低或避免靜環(huán)和動(dòng)環(huán)的振動(dòng)和磨損現(xiàn)象[2]。潤(rùn)滑膜是否完整可以影響到設(shè)備的壽命，一般來(lái)說(shuō)潤(rùn)滑膜最直觀的評(píng)價(jià)指標(biāo)就是潤(rùn)滑膜厚度[3]。潤(rùn)滑膜厚度對(duì)機(jī)械密封潤(rùn)滑性能和動(dòng)力學(xué)性能都有比較直接的影響，因此將潤(rùn)滑膜厚度與變形、溫升等指標(biāo)一起作為機(jī)械密封的基本檢測(cè)和評(píng)價(jià)指標(biāo)[4]。機(jī)械密封潤(rùn)滑膜厚度的檢測(cè)方法有很多，常用的有渦流法、接觸電阻法和超聲法等，其中的超聲法是近些年發(fā)展而來(lái)的新技術(shù)[5]。由于超聲波獨(dú)特的特性，采用超聲波作為測(cè)量手段在很多領(lǐng)域都有所應(yīng)用。王林等人[6]將水浸超聲設(shè)備與掃描電鏡配合檢測(cè)了雙層熱障涂層熱震過(guò)程中內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)演變。楊靜等人[7]利用超聲檢測(cè)了大容積無(wú)縫氣瓶瓶口部位可能產(chǎn)生的裂紋。韓曉芹等[8]提出了一種基于超聲測(cè)量的表面粗糙度測(cè)量方法，利用了超聲波測(cè)量無(wú)損耗的特性。黃新平等[9]利用超聲波的振動(dòng)特性改變了聚丙烯復(fù)合材料成形過(guò)程中碳纖維的取向和填充流動(dòng)性。王建磊等[10]針對(duì)機(jī)械密封潤(rùn)滑膜分布檢測(cè)問(wèn)題,利用超聲原理建立了機(jī)械密封潤(rùn)滑膜分布的多點(diǎn)測(cè)量模型。葛貞笛等[11]利用粒子濾波技術(shù)對(duì)聲發(fā)射信號(hào)進(jìn)行處理,實(shí)現(xiàn)了密封端面潤(rùn)滑膜厚度(范圍10～23 μm)的測(cè)量。

采用超聲原理進(jìn)行微小間隙的檢測(cè)方法在被使用于機(jī)械密封之前，已經(jīng)在很多領(lǐng)域都取得了一定的成功應(yīng)用。DWYER-JOYCE[12]根據(jù)中間介質(zhì)層剛度與超聲波反射系數(shù)的關(guān)系，引入了潤(rùn)滑膜厚度的超聲波剛度模型，將中間流體層厚度的超聲波測(cè)量范圍擴(kuò)展到10 μm以下量級(jí)。于劍鋒等[13]采用超聲測(cè)量技術(shù)對(duì)軸承的潤(rùn)滑狀態(tài)進(jìn)行了檢測(cè)，采用針對(duì)不同材料的剛度模型實(shí)現(xiàn)了不同尺度下的潤(rùn)滑膜厚度的檢測(cè)。耿濤等人[14]在具有薄襯層形式的滑動(dòng)軸承上實(shí)現(xiàn)了利用多次反射回波相互疊加的潤(rùn)滑膜厚度精確檢測(cè)。趙偉[15]在軸承試驗(yàn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了潤(rùn)滑膜厚度的超聲多點(diǎn)分布的實(shí)時(shí)檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)由于攪拌產(chǎn)生的氣泡會(huì)對(duì)超聲的測(cè)試精度產(chǎn)生較大影響。目前超聲潤(rùn)滑膜檢測(cè)研究對(duì)象多為幾十微米量級(jí)，針對(duì)機(jī)械密封膜厚的檢測(cè)精度要求更高。特別是針對(duì)氣液兩相潤(rùn)滑下的潤(rùn)滑膜超聲測(cè)試研究在理論及試驗(yàn)上都鮮有研究報(bào)道。

本文作者為提高火箭發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械密封潤(rùn)滑膜厚度的檢測(cè)精度，針對(duì)氣液兩相工況進(jìn)行了相關(guān)的研究。

1 接觸式機(jī)械密封潤(rùn)滑膜的超聲檢測(cè)模型

接觸式機(jī)械密封的典型結(jié)構(gòu)包括3部分，分別是靜環(huán)、動(dòng)環(huán)和波紋管，如圖1所示。文中研究的機(jī)械密封用在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪泵中，密封的介質(zhì)為液氫、液氧等，其動(dòng)環(huán)的材料為高強(qiáng)度不銹鋼，靜環(huán)的主要材料為浸漬石墨。從圖1中可以看出，在機(jī)械密封工作時(shí)，動(dòng)環(huán)和靜環(huán)之間因?yàn)閯?dòng)壓效應(yīng)存在一層厚度在微米級(jí)別的潤(rùn)滑膜，潤(rùn)滑介質(zhì)一般就是被密封的介質(zhì)。根據(jù)機(jī)械密封潤(rùn)滑膜的特點(diǎn)，采用超聲彈簧模型法進(jìn)行其厚度的檢測(cè)是可行的。采用超聲彈簧模型可以檢測(cè)的潤(rùn)滑膜厚度一般是0～50 μm，因此文中采用該方法進(jìn)行潤(rùn)滑膜厚的檢測(cè)最為合適。

該方法也叫剛度模型法，其原理可以描述為當(dāng)機(jī)械密封等摩擦副表面的潤(rùn)滑膜厚度h遠(yuǎn)小于超聲的波長(zhǎng)λ時(shí)，超聲波在機(jī)械密封靜環(huán)和動(dòng)環(huán)2個(gè)固體分界面的反射信號(hào)重疊，可用忽略質(zhì)量的輕質(zhì)并聯(lián)彈簧替代靜環(huán)和動(dòng)環(huán)之間的潤(rùn)滑膜，如圖2所示。

對(duì)于文中研究的機(jī)械密封，超聲波在固體和潤(rùn)滑膜界面上的反射系數(shù)R可以利用式(1)進(jìn)行定義[12]。在式(1)中f為超聲波的發(fā)射頻率，MHz；K為潤(rùn)滑膜的剛度系數(shù)；Z和Z′為兩固體層的聲阻抗，g/(cm2·s)。

(1)

式(1)中的R可以通過(guò)式(2)直接計(jì)算獲得[13]。式(2)中A為超聲波在潤(rùn)滑膜與固體界面上反射信號(hào)的頻域幅值；Ac為超聲波在參考界面上反射信號(hào)的頻域幅值；Rc為超聲波在參考界面上的反射系數(shù)。

R=ARc/Ac

(2)

根據(jù)超聲波在潤(rùn)滑膜與固體交界面處的時(shí)域反射信號(hào)，經(jīng)快速傅里葉變換可獲得超聲波在該界面上的頻域幅值A(chǔ)。同理，根據(jù)超聲波在潤(rùn)滑膜與參考交界面處的時(shí)域反射信號(hào)，經(jīng)快速傅里葉變換可獲得Ac。式(3)為潤(rùn)滑膜厚度的表達(dá)式，在式(3)中h為潤(rùn)滑膜厚度，μm；ρ是潤(rùn)滑膜的密度，g/cm3；c為超聲在潤(rùn)滑膜中傳播的速度，m/s；Z和Z′為超聲在穿越金屬和潤(rùn)滑膜時(shí)的聲阻抗。

(3)

從式(3)中可以看出，潤(rùn)滑膜厚度值的測(cè)試精度主要由ρ、c、f、R、Z和Z′決定，其中的ρ和c的精度主要和潤(rùn)滑膜物性相關(guān)，f和R的精度主要和超聲儀器硬件性能相關(guān)。Z和Z′主要和被測(cè)材料的物性相關(guān)。對(duì)于文中的測(cè)量對(duì)象機(jī)械密封來(lái)說(shuō)，其潤(rùn)滑膜為液氮、液氧或液氫等無(wú)機(jī)物，在機(jī)械密封運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生兩相流，所以要想提高機(jī)械密封潤(rùn)滑膜的測(cè)量精度，密封介質(zhì)的兩相問(wèn)題是必須考慮的。

2 氣液兩相下機(jī)械密封潤(rùn)滑介質(zhì)密度的表征

文中機(jī)械密封潤(rùn)滑膜氣液兩相現(xiàn)象主要對(duì)R產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響公式(3)中獲得的h的大小。機(jī)械密封氣液兩相的比例依據(jù)具體工況不同而不同，可以通過(guò)理論分析或試驗(yàn)獲得。一般來(lái)說(shuō)液氮的密度ρ0與溫度T有關(guān)，與壓力基本無(wú)關(guān)，液氮密度的表達(dá)式如式(4)所示。

ρ0=ρ0(T)= 2.35|T-237|1.2

(4)

而當(dāng)汽化產(chǎn)生之后，此時(shí)氣液混合狀態(tài)下的介質(zhì)密度就需要引用一個(gè)中間量混合因子α。如式(5)所示α定義為氣液兩相中氣體體積V氣與液體體積V液的比值，α的取值在0～1之間，α受工況影響較大，可以在實(shí)際測(cè)量中通過(guò)兩相流測(cè)量裝置來(lái)測(cè)得。

α=V氣/V液

(5)

在液氮汽化過(guò)程中，α與液氮介質(zhì)的密度關(guān)系曲線如圖3所示。因此如果可以測(cè)得某一時(shí)刻的氣液比例就可以獲得該時(shí)刻的介質(zhì)密度，圖3中曲線從形式上來(lái)看為一個(gè)三元的函數(shù)曲線，其數(shù)學(xué)表達(dá)式可以寫成如式(6)所示的形式。

y=b0+b1x1+b2x2+b3x3+u

(6)

式(6)中b0、b1、b2、b3和u均為常數(shù)，其中b1<0、b2>0、b3<0。文中可根據(jù)圖3中所示的測(cè)試數(shù)據(jù)獲得液氮介質(zhì)密度ρ0在不同α下的數(shù)值。

因此，對(duì)于液氮為潤(rùn)滑介質(zhì)的機(jī)械密封，其潤(rùn)滑膜測(cè)試的超聲檢測(cè)方程只需要將式(3)中的ρ用兩相潤(rùn)滑下的ρ0替換即可。

3 氣液兩相對(duì)潤(rùn)滑膜超聲檢測(cè)精度的影響

3.1 機(jī)械密封潤(rùn)滑膜厚度的超聲檢測(cè)系統(tǒng)

機(jī)械密封潤(rùn)滑膜厚度的超聲檢測(cè)系統(tǒng)的組成如圖4所示，超聲測(cè)量?jī)x器主要由結(jié)果顯示模塊、信號(hào)控制模塊、數(shù)據(jù)處理和分析模塊等構(gòu)成，其中信號(hào)控制模塊通過(guò)測(cè)試軟件的特有功能負(fù)責(zé)進(jìn)行波形信號(hào)的采集和記錄。結(jié)果顯示模塊可以顯示采集到的超聲波的發(fā)射/接收信號(hào)的波形以及經(jīng)過(guò)計(jì)算得到的潤(rùn)滑膜厚度值，因此也可以通過(guò)它對(duì)超聲測(cè)試過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)。該超聲測(cè)試系統(tǒng)有著很高的采樣頻率，精度可以達(dá)到微米級(jí)，系統(tǒng)的輸入/輸出部分通過(guò)接口連接傳感器探頭，通過(guò)傳感器進(jìn)行超聲波波形數(shù)據(jù)采集。

圖5所示為機(jī)械密封潤(rùn)滑膜厚度模擬裝置結(jié)構(gòu)示意圖，通過(guò)該裝置可以模擬給定膜厚的測(cè)量環(huán)境，檢驗(yàn)超聲測(cè)量膜厚的精度。兩相流測(cè)量裝置可以得到氣液的比例，據(jù)此獲得此時(shí)刻的混合因子α。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

試驗(yàn)中潤(rùn)滑膜為靜態(tài)測(cè)量，先使得標(biāo)定裝置形成一定的間隙，再將液氮灌入，測(cè)試此時(shí)的潤(rùn)滑膜厚度，同時(shí)實(shí)時(shí)檢測(cè)氣液兩相的比例。圖6所示為兩相流測(cè)試裝置獲得的液氮體積占介質(zhì)總體積的比例k隨時(shí)間變化曲線。因?yàn)閗+α=1，從圖5中可以看出，液態(tài)介質(zhì)在試驗(yàn)過(guò)程中逐漸汽化，混合因子α的值也越變?cè)酱蟆?/p>

文中采集了試驗(yàn)時(shí)間200 s內(nèi)的α值。根據(jù)研究對(duì)象的特點(diǎn)，選取20～100 s 之間的α值，根據(jù)圖3中所示的α值與介質(zhì)密度ρ關(guān)系曲線獲得密封介質(zhì)在兩相時(shí)的密度值，密度的計(jì)算結(jié)果如表1所示。文中在對(duì)潤(rùn)滑膜厚的分析中未考慮兩相對(duì)超聲波傳播速度c的影響。從表1所示的結(jié)果可以看出，在測(cè)試的初期氣相很少，對(duì)密度沒(méi)有明顯影響。但是在80和100 s時(shí)液氮的密度就降低到了0.23和0.19 g/cm3，這時(shí)必須考慮密度變化對(duì)機(jī)械密封潤(rùn)滑膜厚度檢測(cè)結(jié)果的影響。

表1 不同試驗(yàn)時(shí)刻的氣液混合因子α和介質(zhì)密度ρ

表2給出了在20～100 s之間的5個(gè)時(shí)刻測(cè)得的標(biāo)定值為40 μm的潤(rùn)滑膜厚度h和h′。h為不考慮氣液兩相的膜厚計(jì)算數(shù)據(jù)，不考慮氣液兩相的膜厚數(shù)據(jù)在采用式(3)計(jì)算時(shí)液氮密度取定值0.81 g/cm3；h′為考慮了氣液兩相的膜厚計(jì)算結(jié)果，在式(3)計(jì)算時(shí)選用的是實(shí)測(cè)密度。

表2 不同試驗(yàn)時(shí)刻的潤(rùn)滑膜厚測(cè)量結(jié)果

從表2中可以看出，隨著時(shí)間的變化，膜厚測(cè)試結(jié)果也在變化，這是因?yàn)椴煌瑫r(shí)刻介質(zhì)的氣液比例是不同的。從測(cè)試的數(shù)據(jù)來(lái)看，如果不考慮氣液兩相對(duì)介質(zhì)密度的影響，膜厚測(cè)量值h與設(shè)定值40 μm之間的誤差越來(lái)越大，到100 s時(shí)誤差達(dá)到76.5%。α為0.037時(shí)密度幾乎沒(méi)變化，所以膜厚測(cè)試值h和h′沒(méi)有差別；α為0.045時(shí)ρ為0.79 g/cm3，此時(shí)的h′測(cè)試誤差為6.0%，小于h測(cè)試誤差8.8%。如果計(jì)算時(shí)考慮了兩相導(dǎo)致的密度變化，測(cè)試值h′在試驗(yàn)初期也就是氣液比例不高的時(shí)候，測(cè)試精度高于不考慮兩相的情況，例如文中的試驗(yàn)時(shí)間60 s之前測(cè)試精度高于不考慮兩相的情況。但當(dāng)氣體占比較大時(shí)，會(huì)影響聲速、聲阻抗等參數(shù)，這樣在測(cè)量時(shí)就不能僅考慮兩相對(duì)密度的影響了。

4 結(jié)論

(1)構(gòu)建接觸式機(jī)械密封潤(rùn)滑膜的超聲檢測(cè)模型，潤(rùn)滑膜厚度值的測(cè)試精度主要由ρ、c、f、R、Z與Z′決定，ρ和c與潤(rùn)滑膜物性相關(guān)，f和R與超聲儀器硬件相關(guān)，Z和Z′與被測(cè)材料的物性相關(guān)。

(2)針對(duì)氣液兩相潤(rùn)滑下機(jī)械密封潤(rùn)滑膜厚度的精準(zhǔn)測(cè)量，引入了中間變量混合因子α，通過(guò)試驗(yàn)獲得了α和密封潤(rùn)滑介質(zhì)密度ρ0的變化關(guān)系，進(jìn)行了氣液兩相潤(rùn)滑下的機(jī)械密封潤(rùn)滑介質(zhì)密度ρ0的表征。

(3)分析氣液兩相對(duì)潤(rùn)滑膜超聲檢測(cè)精度的影響，如考慮兩相導(dǎo)致的介質(zhì)密度變化，測(cè)試值h′在氣液比例不高的時(shí)候，例如文中的試驗(yàn)時(shí)間60 s之前測(cè)試精度高于不考慮兩相的情況。但當(dāng)氣體占比較大時(shí)，會(huì)影響聲速、聲阻抗等參數(shù)，在測(cè)量時(shí)不能僅考慮兩相對(duì)密度的影響了。