機械密封端面接觸狀態(tài)的聲發(fā)射監測方法
針對機械密封運行過(guò)程中反映密封端面接觸狀態(tài)的工作參數( 端面開(kāi)啟時(shí)間、膜厚等) 測量困難的問(wèn)題，提出基于聲發(fā)射信號的機械密封端面接觸狀態(tài)監測方法。根據密封端面產(chǎn)生的聲發(fā)射信號具有時(shí)變非線(xiàn)性且突發(fā)性強的特點(diǎn)，采用經(jīng)驗模態(tài)分解( EMD) 法對原始信號進(jìn)行分離提取。EMD 法能夠將信號分解為不同時(shí)間尺度和不同頻帶的一系列固有模態(tài)函數，然后根據能量分布特征對偽分量進(jìn)行剔除，得到“近源”聲發(fā)射信號，抽取其信號特征運用Laplace小波相關(guān)系數法實(shí)現對密封端面接觸狀態(tài)的準確識別。通過(guò)機械密封測試試驗證明，聲發(fā)射監測技術(shù)能準確地識別機械密封裝置動(dòng)靜環(huán)之間的接觸狀態(tài)和摩擦形式，能夠在工業(yè)現場(chǎng)推廣使用。
作為旋轉機械設備中不可缺少的裝置，機械密封因其工作泄漏量小、可靠性好、使用壽命較長(cháng)、功率消耗少等一系列優(yōu)點(diǎn)，在壓縮機、泵、反應釜、離心機、攪拌器、轉盤(pán)塔和過(guò)濾機等機械工藝設備上得到了廣泛的應用。據統計，國外95% 左右的旋轉機械設備都采用了機械密封。機械密封的工作狀態(tài)直接影響整個(gè)系統的性能和生產(chǎn)安全，所以對其進(jìn)行狀態(tài)監測就顯得尤為重要和迫切。然而機械密封運行過(guò)程中反映密封端面接觸狀態(tài)的工作參數，如端面開(kāi)啟時(shí)間、膜厚等的測量十分困難。
機械密封裝置在運行過(guò)程中會(huì )產(chǎn)生許多能夠反映密封裝置運行狀態(tài)的有效信息，比如振動(dòng)、溫度、壓力和聲波等，但這些信號用來(lái)表征機械密封運行過(guò)程中端面摩擦狀態(tài)和液膜厚度作用不大。然而機械密封裝置在運行過(guò)程中所產(chǎn)生的聲發(fā)射( Acoustic Emission，AE) 信號蘊含了豐富的工況信息。聲發(fā)射信號幅值大小與動(dòng)靜環(huán)所處的狀態(tài)關(guān)系很大，這主要是因為聲發(fā)射信號幅值與動(dòng)靜環(huán)摩擦時(shí)釋放的能量直接相關(guān)。而動(dòng)靜環(huán)在發(fā)生摩擦前機械系統的不平衡、不對中或其他狀態(tài)信息不會(huì )在聲發(fā)射信號中反映出來(lái)，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為可利用聲發(fā)射技術(shù)對機械密封運行過(guò)程中動(dòng)靜環(huán)的摩擦狀態(tài)進(jìn)行監測，對故障進(jìn)行診斷。
當機械密封裝置運轉時(shí)，動(dòng)靜環(huán)之間摩擦會(huì )產(chǎn)生能量信息，而聲發(fā)射技術(shù)能準確反應密封端面摩擦所產(chǎn)生的能量信息，通過(guò)對該聲發(fā)射信號的分析和識別便可以實(shí)現對機械密封端面接觸情況以及整個(gè)密封裝置工作狀態(tài)的監測。
聲發(fā)射技術(shù)很早就被用于密封裝置工作狀態(tài)的監測。20 世紀末，日美等先進(jìn)國家將超聲波、聲發(fā)射傳感等技術(shù)用于航空航天領(lǐng)域液氧泵及核反應堆冷凝泵，開(kāi)發(fā)出了機械密封裝置監控系統。國內也成功地將聲發(fā)射技術(shù)應用于機械密封裝置狀態(tài)監測中。國內石油大學(xué)已成功地將自行研制的密封相態(tài)監控系統應用于工業(yè)機械密封裝置安全監測方面�？死斠朗凸具\用聲發(fā)射技術(shù)對管匯臺旋塞閥的密封進(jìn)行了檢測，發(fā)現聲發(fā)射技術(shù)能夠準確地檢測出管線(xiàn)中故障的類(lèi)型和發(fā)生位點(diǎn)。
本文作者介紹了機械密封端面摩擦形式及聲發(fā)射技術(shù)在機械密封端面接觸狀態(tài)監測中的應用，并通過(guò)實(shí)驗進(jìn)行了驗證。
1、機械密封聲發(fā)射監測技術(shù)
1.1、機械密封端面摩擦形式及聲發(fā)射
聲發(fā)射是指材料內部或表面由于變形或者損壞而突然釋放應變能產(chǎn)生的瞬態(tài)彈性波。有些研究者也將聲發(fā)射稱(chēng)之為應力波發(fā)射( Stress Wave Emission，SWE) 。機械密封中的動(dòng)、靜環(huán)是兩個(gè)核心元件，動(dòng)、靜環(huán)端面接觸情況對機械密封的正常工作起著(zhù)決定性的作用。在機械密封實(shí)際運行過(guò)程中，由于端面力、熱變形以及其他干擾因素的影響，都可能使端面接觸情況發(fā)生變化，引起碰撞。碰撞發(fā)生時(shí)，碰撞處動(dòng)靜環(huán)發(fā)生彈性變形而產(chǎn)生應力波發(fā)射，即聲發(fā)射。直接與變形和斷裂機制有關(guān)的彈性波源，通常稱(chēng)為典型聲發(fā)射源。流體泄漏、摩擦、撞擊、燃燒、磁疇壁運轉等與變形和斷裂機制無(wú)直接關(guān)系的另一類(lèi)聲發(fā)射源，稱(chēng)為二次聲發(fā)射源，機械密封端面摩擦所形成的聲發(fā)射源屬于后者。聲發(fā)射信號具有很大的動(dòng)力學(xué)范圍，其位移幅度可以從1 × 10 -15 m 到1 × 10 -9 m，擁有106 量級的變化范圍; 聲發(fā)射波的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻直到超聲頻，包括數Hz 到數MHz; 其被測物體幅度變化從微觀(guān)位錯到大規模宏觀(guān)斷裂。典型的機械密封端面摩擦聲發(fā)射信號時(shí)域波形如圖1 所示。
圖1 機械密封聲發(fā)射信號
機械密封要保證低泄漏率甚至要實(shí)現零泄漏，那么端面間隙要足夠小。受到端面粗糙度、平行度及安裝等因素的影響，動(dòng)靜環(huán)端面很可能會(huì )發(fā)生碰撞或摩擦，所以研究端面間的摩擦工況是十分重要的。機械密封正常工作時(shí)，由于密封介質(zhì)、內部結構及工作條件( 轉速、壓力、溫度等) 的不同，根據黏滯力假說(shuō)，密封端面間可能出現以下4 種摩擦狀態(tài):
(1) 接觸摩擦( 干摩擦) 。在密封端面間出現液膜之前，動(dòng)靜環(huán)端面直接接觸在一起。當密封裝置啟動(dòng)時(shí)轉速較低、壓力較小，端面間液膜尚未形成，因而存在動(dòng)靜環(huán)端面間直接接觸摩擦的情形，即干摩擦。干摩擦所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號較強，具體表現為幅值大，振蕩次數多。
(2) 流體摩擦。機械密封裝置運行過(guò)程中，隨著(zhù)主軸轉速的上升，在機械密封端面摩擦副內( 即動(dòng)靜環(huán)之間) ，會(huì )慢慢形成一層與滑動(dòng)軸承一樣的穩定潤滑膜，這種極薄的潤滑膜厚度遠大于密封端面粗糙度，可將兩個(gè)端面完全分隔開(kāi)。此時(shí)端面間基本沒(méi)有直接接觸，摩擦僅由黏性流體的剪切產(chǎn)生，因而端面間的摩擦及磨損都大為下降，功耗和發(fā)熱量也都相應地減小。這種工況下的端面摩擦稱(chēng)為流體摩擦，所產(chǎn)生的聲發(fā)射信號相對較弱，幅值小、頻率低。
(3) 邊界摩擦。密封端面摩擦時(shí)，當端面壓力增大時(shí)，端面流體將被擠出。而此時(shí)密封端面仍吸附著(zhù)一層流體分子的邊界膜，這層流體膜雖然非常薄，但同樣可以使兩端面處于被極薄的分子膜所隔開(kāi)的狀態(tài)，這種狀態(tài)下的摩擦稱(chēng)為邊界摩擦。邊界摩擦狀態(tài)下對端面起潤滑作用的是邊界膜，然而這種狀態(tài)下卻測不出任何液體壓力來(lái)。研究表明，邊界膜的分子層有3 ～ 4 層，其厚度為20 nm 左右，并且在整個(gè)端面上部分是不連續的，局部地方還存在固體接觸摩擦。這種端面接觸狀態(tài)存在磨損，但磨損量很小，泄漏量也很小，是機械密封中一種相對比較理想的摩擦工況，這與目前討論的端面織構理論提法一致。此時(shí)聲發(fā)射信號特征介于接觸摩擦和流體摩擦之間。
(4) 混合摩擦。隨著(zhù)端面波度的減小，動(dòng)靜環(huán)端面間隙變小，此時(shí)既沒(méi)有干摩擦時(shí)的局部凸起支撐，又缺少邊界摩擦時(shí)納米級均勻的表面紋理，而是在接觸表面間出現了同時(shí)存在以上幾種摩擦狀態(tài)的混合摩擦情形。在工業(yè)現場(chǎng)實(shí)際運轉中，普通機械密封絕大多數是在混合摩擦工況下工作的，只有在輕載、高速或高黏度工況下的機密封才會(huì )處于全膜流體潤滑摩擦。
機械密封在一次完整的啟停過(guò)程中，動(dòng)靜環(huán)之間的摩擦形式隨著(zhù)轉速的改變而改變。當端面之間的接觸形式不一樣其摩擦程度也不一樣，由摩擦產(chǎn)生的聲發(fā)射信號所攜帶的能量也大不相同。在一次完整啟停過(guò)程中，隨著(zhù)轉速的升降機械密封端面聲發(fā)射信號時(shí)域波形表現出如圖2 所示“啞鈴狀”譜圖。
圖2 聲發(fā)射信號“啞鈴狀”譜圖
在輕載、高黏度、高速或端面開(kāi)槽的工況下流體摩擦才有可能完整出現，在低速重載接觸式的液體端面密封中才有可能出現邊界摩，而對于絕大多數普通機械密封，在裝置剛啟動(dòng)時(shí)，動(dòng)靜環(huán)端面貼合在一起，處于干摩擦狀態(tài)。隨著(zhù)轉速的增加和輔助流體壓力的增大，當開(kāi)啟力大于閉合力時(shí)輔助流體會(huì )瞬間溢過(guò)端面，形成流體摩擦，這種摩擦狀態(tài)一般不會(huì )持續很久，在后續實(shí)際運轉過(guò)程中動(dòng)靜環(huán)端面基本上都處在混合摩擦工況下工作。
聲發(fā)射技術(shù)能準確反應密封端面摩擦所產(chǎn)生的能量信息，因此應用于密封裝置的監測具有獨特的優(yōu)勢。圖3 所示為機械密封端面油膜形成前后聲發(fā)射信號功率譜對比圖�？梢钥闯�，端面開(kāi)啟前后動(dòng)靜環(huán)摩擦產(chǎn)生聲發(fā)射信號功率譜完全不同，這說(shuō)明端面開(kāi)啟前后動(dòng)靜環(huán)之間的接觸情況有很大區別，端面頂開(kāi)前動(dòng)靜環(huán)之間呈直接接觸摩擦，由接觸摩擦產(chǎn)生的應力波沖擊強，因而聲發(fā)射信號功率譜幅值較大。端面開(kāi)啟后，端面間逐漸形成流體膜，動(dòng)靜環(huán)之間由接觸摩擦逐漸過(guò)渡到流體摩擦或邊界摩擦，動(dòng)靜環(huán)端面之間的摩擦作用減弱，聲發(fā)射信號功率譜幅值自然較小。
圖3 端面開(kāi)啟前、后聲發(fā)射信號功率譜圖
因此，當機械密封裝置運轉時(shí)，動(dòng)靜環(huán)之間摩擦產(chǎn)生的能量信息便以聲發(fā)射形式沿靜環(huán)座傳出，通過(guò)對該聲發(fā)射信號的分析和識別便可以實(shí)現對機械密封端面接觸情況以及整個(gè)密封裝置工作狀態(tài)的監測。因此聲發(fā)射技術(shù)可為機械密封工作狀態(tài)識別及故障診斷提供一條切實(shí)可行的途徑和方法。
1.2、聲發(fā)射信號的提取
采用聲發(fā)射技術(shù)監測機械密封的運行狀態(tài)時(shí)，聲發(fā)射傳感器一般安裝在與靜環(huán)直接接觸的靜環(huán)座上。由端面產(chǎn)生的聲發(fā)射信號經(jīng)過(guò)靜環(huán)和靜環(huán)座傳到傳感器，這一距離少則兩三厘米多則十幾厘米，尤其是大軸頸機械密封裝置，聲發(fā)射信號在傳遞過(guò)程中還經(jīng)常會(huì )受到其他機械部件所產(chǎn)生的信號的干擾，因此對采集到的聲發(fā)射信號進(jìn)行分離提取成為一個(gè)必不可少的環(huán)節。
1998 年美國國家航空航天局華裔科學(xué)家Norden E Huang 提出采用經(jīng)驗模態(tài)分解( Empirical Mode Decomposition，EMD) 方法進(jìn)行信號分解。EMD 是一種數據分析方法，尤其針對非線(xiàn)性和時(shí)變性的數據其效果尤為顯著(zhù)。傳統的時(shí)頻分析方法的分析原理都是基于傅里葉變換，而經(jīng)典的傅里葉變換方法自身存在一些難以克服的局限性，不太適用于非線(xiàn)性時(shí)變信號分析。EMD 分析方法與基于傅里葉變換的信號處理方法不同，它是直接針對數據的、自適應的和不需要預先確定分解基函數的非平穩信號分析方法。該信號處理方法被認為是近年來(lái)對以傅立葉變換為基礎的線(xiàn)性和穩態(tài)譜分析的一個(gè)重大突破。
EMD 方法分解結果具有完備性，分解得到的各個(gè)固有模態(tài)函數( Intrinsic mode function，IMF) 分量在工業(yè)現場(chǎng)具有實(shí)際的物理意義，運用這一特征在處理如機械密封等旋轉機械運行過(guò)程中非線(xiàn)性信號時(shí)具有明顯的優(yōu)勢。
2、結論
(1) 動(dòng)靜環(huán)摩擦產(chǎn)生的聲發(fā)射信號，蘊含著(zhù)大量的密封端面狀態(tài)信息�；诼暟l(fā)射技術(shù)的狀態(tài)監測方法能有效檢測機械密封裝置端面的工作狀態(tài)，尤其對密封端面所處的摩擦狀態(tài)能夠進(jìn)行有效的識別。
(2) 聲發(fā)射傳感器靈敏度高，信號成分復雜。EMD 方法能將聲發(fā)射信號按照不同頻帶分解成一系列固有模態(tài)函數，從而實(shí)現抑制噪聲和其他頻帶信號的干擾，將端面摩擦狀態(tài)的特征信息突顯出來(lái)。
(3) 根據密封端面開(kāi)啟前后聲發(fā)射信號頻率特征，可以判斷密封端面開(kāi)啟轉速及推算出開(kāi)啟時(shí)間，進(jìn)一步全面掌握機械密封開(kāi)啟特性。
