機械密封摩擦端面溫度測試方法研究

　　簡(jiǎn)述了現階段機械密封端面溫度測試技術(shù)的發(fā)展狀況，探討了常用測試方法的優(yōu)缺點(diǎn)，采用擬合曲線(xiàn)法建立了一套基于LabVIEW的端面溫度測試系統。利用該測試系統在機械密封性能試驗機上完成了一對機械密封環(huán)摩擦端面的溫度測試，實(shí)驗結果表明該測試系統具有較高的可靠性。

　　引言

　　作為旋轉設備中不可缺少的密封裝置，機械密封因其工作可靠、泄漏量小等特點(diǎn)，在泵、壓縮機、攪拌器和離心機等工藝設備上得到了廣泛應用。機械密封正常工作時(shí)，密封環(huán)相對轉動(dòng)產(chǎn)生的摩擦熱以及密封附件產(chǎn)生的攪拌熱，會(huì )導致密封端面的溫度升高，從而可能產(chǎn)生如液膜汽化、端面龜裂等諸多問(wèn)題。為保證機械密封長(cháng)期穩定可靠運行，必須掌握密封端面的溫度及其分布，從而采取有效的控制措施。因此，研究機械密封端面溫度的測試方法、建立完善的測試系統具有重要意義。

1、機械密封摩擦端面溫度測試技術(shù)發(fā)展現狀

　　近年來(lái)，機械密封摩擦端面溫度特性研究已取得了較大進(jìn)展。目前，按接觸與否，可將端面溫度測試技術(shù)分為接觸式和非接觸式兩大類(lèi)。

　　接觸式測量主要是熱電偶法及熱電阻法。熱電偶法是將熱電偶埋于靜環(huán)內，測量端貼合于靠近摩擦端面一側，且測量端離摩擦端面越近，測量越準確。熱電偶法的顯著(zhù)特點(diǎn)是測試精度高，相對穩定性好，能準確反映端面溫度的變化情況，是目前機械密封端面溫度測量中采用最多的方法。其缺點(diǎn)是響應速度相對較慢(相比于熱電阻)，反映絕對溫度也不夠準確。熱電阻法是使用熱電阻溫度傳感器進(jìn)行摩擦端面溫度測試的方法，原理與熱電偶法相同。熱電阻傳感器測量精度高、響應速度快，因而在測量端面溫度時(shí)能直觀(guān)地反映密封面的摩擦發(fā)熱情況。它的缺點(diǎn)是線(xiàn)性差、老化快、體積大、對環(huán)境溫度敏感性大。并且該方法用于測量流體潤滑狀態(tài)下的機械密封端面溫度時(shí)，效果較好，在混合摩擦狀態(tài)下，測試數據穩定性較差。受開(kāi)孔深度限制，兩種方法均無(wú)法準確測得摩擦端面的溫度。

　　非接觸測量主要有紅外測溫法和聲波測溫法。紅外測溫法是利用紅外光譜測量密封端面溫度的一種方法。該方法能在不干擾被測溫場(chǎng)的情況下實(shí)現端面溫度的連續、實(shí)時(shí)測量。紅外測溫法能較方便地測量運動(dòng)物體的表面溫度，可解決高速旋轉部件表面測溫的難題。然而，因受表面發(fā)射率、周?chē)�環(huán)境等許多因素的影響，其測溫精度通常低于熱電偶的測溫精度。此外，紅外熱像儀價(jià)格昂貴，難以推廣使用。聲波檢測法基本原理是采集密封端面摩擦所產(chǎn)生的聲波，并對其進(jìn)行相應處理，以獲得密封面接觸情況的信息。聲波具有諸如非侵入性和更快響應時(shí)間的優(yōu)勢，過(guò)去的幾十年里，在熱電偶等常規手段無(wú)法滿(mǎn)足要求的環(huán)境中，聲波測溫法逐漸演變?yōu)橐环N新的溫度測量技術(shù)，是今后機械密封端面溫度研究很有意義的一個(gè)方向。如何區分聲波信息來(lái)源是今后聲波測溫法研究的一個(gè)重要任務(wù)。

　　目前研究表明，機械密封摩擦端面溫度的測量有如下幾個(gè)難點(diǎn)：一是動(dòng)靜環(huán)之間的間隙非常微小，不足以插入溫度傳感器；二是端面摩擦溫度的保持時(shí)間短，無(wú)法通過(guò)移開(kāi)其中一個(gè)端面進(jìn)行溫度的測量；三是通過(guò)在靜環(huán)的后端鉆開(kāi)盲孔測量溫度的方法對加工的要求高；四是現有非接觸測量方法難以推廣應用。因此，仍需研究者對機械密封端面溫度的測試技術(shù)做進(jìn)一步研究。

2、摩擦端面溫度的曲線(xiàn)擬合法研究

　　針對傳統機械密封摩擦端面溫度測試方法的不足，本文采用擬合曲線(xiàn)法建立了一套基于LabVIEW的端面溫度測試系統。

　　2.1、摩擦端面溫度測試模型

　　本文研究的機械密封摩擦端面模型如圖1所示。該模型主要由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、彈性元件、動(dòng)環(huán)座、軸套、熱電偶傳感器組成。

圖1 摩擦端面結構

　　2.2、測控系統原理與硬件設計

　　系統的主要功能是將4處不同深度所采集到的溫度數據，擬合成溫度T 與距離端面深度h 的曲線(xiàn)T=f(h)，求取h=0處的溫度即為端面溫度。測控系統設計思路為：根據系統對溫度測量的需要選配傳感器，調理傳感器檢測到的信號并送入數據采集卡，經(jīng)A/D轉換后形成數字信號送入計算機，然后利用LabVIEW軟件分析處理獲得的數據信息。系統總體結構圖如圖2所示。

圖2 系統總體結構圖

　　為滿(mǎn)足狹小空間測量需要，選擇圖靈公司生產(chǎn)的TT-K-30熱電偶線(xiàn)作為溫度測量傳感器，其參數如表1所示。

表1 TT-K-30 熱電偶線(xiàn)參數

　　傳感器的安裝結構如圖3所示。在靜環(huán)密封面背面同一直徑上周向均布加工4個(gè)ϕ1 的軸向盲孔，盲孔的深度h1、h2、h3、h4，分別取2、4、6、8mm。安裝前首先將熱電偶導線(xiàn)測量端進(jìn)行焊接，采用絕緣膠將測量端埋入盲孔中，信號直接由熱電偶導線(xiàn)輸出。傳感器連接實(shí)物圖如圖4所示。

圖3 靜環(huán)測量結構　圖4 傳感器接線(xiàn)實(shí)物圖

　　數據采集卡是連接物理世界與數字世界的橋梁，傳感器傳出的模擬信號經(jīng)過(guò)采集卡的A/D轉換就可以變成計算機能夠識別的數字信號。本系統采用NI公司生產(chǎn)的C系數據采集卡USB-9211。USB-9211是一款基于USB串行總線(xiàn)的高速采集卡，它有單端8路(或差分4 路)、24 位分辨率的A/D 通道，采樣頻率為12S/s。

　　該采集卡是一款LabVIEW平臺支持的數據采集卡，因而直接使用LabVIEW 自帶的驅動(dòng)進(jìn)行編程工作。此外，為了避免接地回路以及環(huán)境的干擾，本系統選擇差分測量系統。

　　2.3、測試系統軟件設計

　　測試系統的軟件主要是為了實(shí)現對采集的數據進(jìn)行分析處理，實(shí)時(shí)顯示，結果存儲，以及生成報告等。

　　本系統的軟件設計主要是基于LabVIEW2009軟件的虛擬儀器設計。對該測試系統的設計主要包括前面板和控制面板設計。前面板設計主要是針對設計對象的用戶(hù)界面�？刂泼姘宄绦蚍譃槎鄠�(gè)模塊，主要包括調用DLL文件驅動(dòng)數據采集卡模塊、溫度數據采集和實(shí)時(shí)圖形顯示模塊等。溫度采集前面板如圖5所示。

　　本系統中端面溫度的曲線(xiàn)擬合采用LabVIEW 函數庫中的“無(wú)約束指數擬合”和“廣義多項式擬合”。在無(wú)約束指數擬合和廣義多項式擬合中，Y 為靜環(huán)后不同深度的溫度值，X 為深度值，結合廖和濱等人對機械密封環(huán)端面溫度場(chǎng)的測試研究數據及本實(shí)驗的數據觀(guān)測推知其軸向溫度曲線(xiàn)的形狀為拋物線(xiàn)型，所以?xún)煞N方式都采用最小二乘法來(lái)擬合端面溫度，而后選取均方差小的作為擬合函數，最后通過(guò)X 取零得到摩擦面溫度值。曲線(xiàn)擬合模塊的前面板如圖6所示。試驗結果表明：在摩擦面溫度顯著(zhù)上升時(shí)得到的擬合曲線(xiàn)是可信的。

圖5 溫度采集前面板　圖6 曲線(xiàn)擬合模塊前面板

　　2.4、實(shí)驗分析

　　為考察本文所開(kāi)發(fā)的機械密封端面溫度測試系統的可靠性，在機械性能試驗機上使用該測試系統完成了一對機械密封環(huán)的端面溫度測試試驗。由于端面摩擦溫度與摩擦扭矩間存在直接關(guān)系[19]，故本文在測量端面溫度的同時(shí)，對端面摩擦扭矩也進(jìn)行了測量，以對比說(shuō)明溫度測試系統的可靠性。試驗結果如圖7所示。

圖7 不同轉速下端面溫度及扭矩實(shí)驗值

　　由圖7可知，轉速在到達3000r/min之前，端面扭矩不斷增大，表明摩擦端面間的摩擦力不斷增大，產(chǎn)生的摩擦熱也隨之增多，從而導致端面溫度的持續升高，這是密封副未達到開(kāi)啟轉速前的變化特征。扭矩在轉速超過(guò)3000r/min后下降明顯，這表明此刻轉速為目前工況下的開(kāi)啟轉速；而端面溫度在此時(shí)變化緩慢，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后也呈下降趨勢，這是由于碳環(huán)的溫度下降需要一定的時(shí)間，即使達到了開(kāi)啟轉速后，端面溫度的下降也非常緩慢。此后隨著(zhù)轉速的增加，扭矩減小，表明摩擦端面間的摩擦力減小，產(chǎn)生的摩擦熱也相應減少，端面溫度呈下降趨勢，即可說(shuō)明密封動(dòng)靜環(huán)在此后的運行過(guò)程中已非接觸，才使得溫度慢慢下降。由此可知本測試系統得到的靜環(huán)端面溫度是可靠的。

3、結語(yǔ)

　　(1)本系統開(kāi)設孔是盲孔，保證了密封端面的完整性；

　　(2)盲孔開(kāi)孔深度未加特別限制，克服了加工無(wú)限貼近摩擦端面盲孔的困難以及熱阻對測量的影響，因此測量精度高、穩定性好；

　　(3)本系統以L(fǎng)abVIEW軟件為測試平臺，實(shí)現了數據的分析處理、實(shí)時(shí)顯示、結果存儲、生成報告等功能，系統具有很大的靈活性。