王建磊 王曉虎 張 琛 賈 謙 陳潤霖 劉 凱

1.西安理工大學機械與精密儀器工程學院，西安，710048 2.西安交通大學現(xiàn)代設(shè)計及轉(zhuǎn)子軸承系統(tǒng)教育部重點試驗室，西安，710049

0 引言

機械密封在火箭發(fā)動機、航空發(fā)動機及汽輪發(fā)電機組等很多重要設(shè)備中都得到了廣泛應用[1]。密封技術(shù)已經(jīng)成為影響整個設(shè)備運行壽命、安全性和工作效率的核心技術(shù)[2-3]。液體火箭發(fā)動機高速渦輪泵的機械密封在工作中采用低黏度的介質(zhì)潤滑，對承載能力要求較高[4-5]。采用先進的密封技術(shù)可以大大提高機械設(shè)備的工作效率和使用安全性[6-7]。

對機械密封來說，實驗是一項很重要的工作，為準確描述密封端面的三維形貌及泄漏通道，張浩等[8]基于斷層掃描技術(shù)進行了機械密封端面形貌的三維重建。潤滑膜厚度是一個備受關(guān)注的檢測指標，也是測量難度較大的一項指標。機械密封潤滑膜厚度檢測方法主要有電阻法、電容法和電渦流法。電阻法和電容法直接檢測承載機械時，密封面檢測會影響實際工作。電渦流法受到很多限制：工作對象必須是光滑金屬面，動環(huán)有較好導磁性，周圍磁場需要屏蔽。近年來，有學者嘗試使用聲發(fā)射技術(shù)進行密封潤滑膜厚度的檢測，葛貞笛等[9]利用粒子濾波技術(shù)對聲發(fā)射信號進行處理，實現(xiàn)了密封端面潤滑膜厚度(范圍10～23 μm)的測量。但是，采用聲發(fā)射法檢測時，檢測信號易受環(huán)境干擾，難以分離背景噪聲，且數(shù)據(jù)后處理復雜。

采用超聲原理的檢測技術(shù)在機械、地質(zhì)、醫(yī)療等領(lǐng)域內(nèi)逐漸獲得了廣泛應用。在探傷檢測方面，郭怡等[10]研究了超聲波與金屬材料中材料裂紋的相互作用以及超聲波的畸變效應，實現(xiàn)了對金屬材料微納米級裂紋的檢測。申巍等[11]用不同頻率的超聲信號檢測了材料內(nèi)部氣隙缺陷的空間位置。在機械加工方面，劉金光等[12]用超聲對鋁合金進行切削，與普通切削對比，超聲切削力小、切削穩(wěn)定、加工工件表面質(zhì)量好。在材料成形方面，姜開宇等[13]利用超聲的振動特性改變了聚丙烯復合材料成形過程中碳纖維的取向和充填流動性。

本文針對現(xiàn)有檢測技術(shù)在機械密封潤滑膜檢測中適應力能差的問題，采用超聲測試的方法研究潤滑膜的測量原理及測試技術(shù)，為機械密封潤滑膜的檢測實驗及在線監(jiān)測提供一種新的技術(shù)手段。

1 機械密封潤滑膜分布的超聲測量模型

超聲波雖具有較強的穿透性和可聚焦性，但由于模型及測量原理上的制約，其厚度測量的范圍一直停留在毫米量級。超聲-彈簧模型的提出使其厚度測量的范圍延伸到了微米級，為采用超聲進行機械密封潤滑膜的分布檢測提供了可能。

本文研究的機械密封潤滑膜分布檢測技術(shù)，以超聲-彈簧模型為基礎(chǔ)，在單點測量的基礎(chǔ)上擴展，得到潤滑膜多點分布檢測模型，潤滑膜多點分布檢測步驟如圖1所示。

圖1 潤滑膜分布測量步驟Fig.1 Measurement process of lubricant film distribution

1.1 潤滑膜單點厚度的測量模型

利用超聲進行潤滑膜厚度檢測的方法有超聲-傳遞時間法、超聲-共振法、超聲-彈簧模型法[14]。本文采用的超聲-彈簧模型法也叫剛度法，其原理是：在檢測兩固體之間的潤滑膜時，采用一系列并聯(lián)的彈簧來代替兩固體間的潤滑膜，超聲波垂直入射到固體A與潤滑膜形成的界面時，由于固體A與潤滑膜的特性聲阻抗不同，會有一部分聲波反射回固體A中，形成反射回波1，而另一部分聲波透射到潤滑膜中。透射到潤滑膜中的超聲波碰到潤滑膜與固體B形成的界面時，一部分聲波反射回來形成反射回波2，另一部分超聲波繼續(xù)透射到固體B。由于固體B無限延伸，所以透射波不會再發(fā)生反射現(xiàn)象。圖2為超聲-彈簧模型原理示意圖。

圖2 超聲-彈簧模型Fig.2 Ultrasonic -spring model

當潤滑膜厚度h和超聲波的波長λ相比很小時，超聲波在潤滑膜上下界面的反射信號幾乎完全重疊。此時，潤滑膜可當成一個整體作為一個單反射器，超聲波在潤滑膜上的反射信號與超聲波在不同材料界面處的反射信號波形相似。超聲波在潤滑膜與固體形成界面上的反射信號相對于初始入射聲波信號聲壓的比值稱為反射系數(shù)。潤滑膜厚度很小時，超聲波在潤滑膜上的反射系數(shù)與潤滑膜的剛度關(guān)系為

(1)

式中，R為入射波在介質(zhì)層的反射系數(shù)；f為超聲波頻率，MHz；K為介質(zhì)層的剛度系數(shù)；Z1、Z2分別為固體A和固體B材料的聲阻抗，g/(cm2·s)。

通常，反射系數(shù)通過超聲波在潤滑介質(zhì)界面上的反射信號頻域幅值與超聲波在參考界面上的反射信號的頻域幅值的比值獲得：

R=A1R′/A2

(2)

式中，A1為超聲波在潤滑膜界面上反射信號的頻域幅值；A2為超聲波在在參考界面上反射信號的頻域幅值；R′為超聲波在參考界面上的反射系數(shù)。

超聲波在潤滑膜與固體B形成界面上的時域反射信號經(jīng)快速傅里葉變換(FFT)可獲得超聲波在該界面上的頻域幅值，參考界面的頻域幅值由類似方式獲得[15]。通過式(2)可測出超聲波在潤滑膜上的反射系數(shù)R，將其代入下式求得潤滑膜厚度：

(3)

式中，h為潤滑膜厚度，μm；ρ為潤滑介質(zhì)密度， g/cm3；c為超聲波在潤滑膜中的聲速，m/s。

1.2 機械密封潤滑膜分布的檢測模型

本文研究的對象是發(fā)動機渦輪泵的機械密封，圖3是渦輪泵軸系的結(jié)構(gòu)簡圖，可以看出，渦輪泵轉(zhuǎn)子由2對深溝球軸承支撐，機械密封在軸承一側(cè)，渦輪則布置在軸系的另一端。

圖3 發(fā)動機渦輪泵軸系結(jié)構(gòu)簡圖Fig.3 Schematic diagram of turbopump shaft system for engine

本文所研究的機械密封為波紋管式機械密封，圖4為其結(jié)構(gòu)簡圖，可以看出，該機械密封主要由動環(huán)組件和靜環(huán)組件組成。動環(huán)組件固定在轉(zhuǎn)子上，材料為9Cr18高強度不銹鋼。由鑲嵌于靜環(huán)內(nèi)的石墨環(huán)構(gòu)成的靜環(huán)組件安裝在渦輪泵端蓋上。石墨環(huán)由具有較好耐磨性和自潤滑性的酚醛樹脂浸漬石墨制成。表1是該機械密封的主要性能及結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖4 波紋管式機械密封結(jié)構(gòu)簡圖Fig.4 Structure diagram of bellows type mechanical seal

表1 機械密封的主要參數(shù)

此類機械密封在工作時主要承受軸向力，其動環(huán)與靜環(huán)之間存在一層0～50 μm厚的潤滑膜。高壓、高轉(zhuǎn)速的運行環(huán)境中，機械密封潤滑膜極易發(fā)生破裂，使得動環(huán)與靜環(huán)發(fā)生碰磨，從而導致泄漏。潤滑膜的分布對密封性能有較為重要的影響，所以潤滑膜的分布特征是對該類機械密封進行性能評價的一項重要指標。

由1.1節(jié)中關(guān)于潤滑膜單點厚度測量模型的描述可知，在對圖4所示的機械密封進行潤滑膜分布檢測時，機械密封的動環(huán)相當于圖2中的固體A，石墨環(huán)相當于固體B，動環(huán)和靜環(huán)之間的潤滑膜用一系列的彈簧來代替，如圖5a所示。潤滑膜分布檢測時，先將石墨環(huán)以其圓心為中心均勻劃分為n等分，檢測時，在每個等分上均布置一個測點，如圖5b所示。

圖5 機械密封潤滑膜分布的超聲檢測模型Fig.5 Ultrasonic testing model for distribution of lubrication film in mechanical seal

將測點C1和石墨環(huán)中心的連線定為基準線，測點Ci的位置信息可以通過該測點同基準線的夾角獲得，如圖5c所示。這些角度值組成了一個角度矩陣[θ1θ2…θn]，在石墨環(huán)的不同位置布置傳感器，由每個測點測得的膜厚h得到了一個膜厚矩陣[h1h2…h(huán)n]，從而可得到這n個測點膜厚分布矩陣：

利用繪圖軟件將各測點數(shù)據(jù)繪制成相應的二維圖形，通過對圖形的分析可以得到潤滑膜各點的分布情況。

2 機械密封潤滑膜分布的檢測實驗

2.1 潤滑膜分布測量系統(tǒng)的組成

本文對超聲測試系統(tǒng)進行了分模塊設(shè)計，整個系統(tǒng)由信號發(fā)生模塊、超聲發(fā)射-接收模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及數(shù)據(jù)存儲-顯示模塊組成，圖6a為系統(tǒng)的組成原理圖。信號發(fā)生模塊的核心是高頻信號發(fā)生器，可產(chǎn)生頻率為10 MHz的方波信號以激發(fā)脈沖發(fā)生器產(chǎn)生脈沖信號。超聲發(fā)射-接收模塊由脈沖發(fā)生器及超聲傳感器等組成，脈沖發(fā)生器以10 MHz的重復頻率向超聲傳感器發(fā)射脈沖，使超聲傳感器振動產(chǎn)生超聲波，同時，脈沖發(fā)生器可接收超聲傳感器返回的超聲電壓脈沖信號，并通過聲電轉(zhuǎn)換將信號傳遞給多通道高速采集儀。超聲傳感器為收發(fā)一體式，型號為PZT5A1，測頭直徑為0.8 mm，厚度為0.5 mm。數(shù)據(jù)采集模塊的主體為多通道高速采集儀，通道數(shù)為8，采樣頻率為100 kHz，采樣位數(shù)為12。數(shù)據(jù)存儲-顯示模塊為觸摸式工控機，型號為LS530，主板型號為YH1037，圖6b為測試系統(tǒng)實物。

圖6 潤滑膜超聲測試系統(tǒng)組成Fig.6 The Lubricating film ultrasonic test system

為了實現(xiàn)實驗室的模擬測量，配備了一個可以模擬密封間隙以形成潤滑膜分布的測量裝置，如圖7所示。該模擬裝置由底座、玻璃水槽、固定板及移動裝置等幾部分組成，主要零部件使用精密的五軸數(shù)控機床加工。加工后，對零件的表面進行修研和質(zhì)檢，保證與模擬間隙有關(guān)表面的粗糙度Ra為0.8 μm，平面度為1.6 μm。

圖7 潤滑膜分布模擬裝置簡圖Fig.7 The lubrication film distribution simulation device

裝配時，采用高精度的測高儀和電感測微儀保證模擬測量裝置與模擬間隙相關(guān)軸的垂直度和平面的平行度。測試過程中，先將石墨環(huán)用KD-855快干膠水粘接在移動裝置的導桿下側(cè)，膠水凝固后，將超聲傳感器按照標定的角度布置在石墨環(huán)寬度中心圓上，并將9Cr18盤固定在有機玻璃水槽中，通過調(diào)節(jié)移動裝置上側(cè)的螺旋測微儀(最小刻度為1.0 μm)，使移動裝置上的移動導桿上下移動。

測試開始時，石墨環(huán)與9Cr18盤處于接觸狀態(tài)，測試時將蒸餾水注入有機玻璃水槽，調(diào)節(jié)螺旋測微儀標定間隙，并用精度為0.1 μm的測高儀進行微調(diào)和校準，使模擬間隙為精確設(shè)定值5 μm、10 μm、20 μm后進行測試。

2.2 實驗結(jié)果及討論

本文是在室溫下(20±1)℃進行的靜態(tài)測量，潤滑介質(zhì)為蒸餾水。超聲波在蒸餾水中的聲速c由蒸餾水的體積模量B和密度ρ決定：

(4)

蒸餾水在20 ℃時，B=2.18 GPa，ρ=1 g/cm3，從而可得c=1476.5 m/s。

機械密封材料的聲學參數(shù)對測量結(jié)果的精確度有直接的關(guān)系，材料成分及成形過程對其影響密切，因此石墨環(huán)和9Cr18盤材料的聲阻抗需要實測得到。本文預先測得20 ℃時石墨環(huán)的聲阻抗Z1=5 685 g/(cm2·s)、9Cr18盤的聲阻抗Z1=5 686 g/(cm2·s)，超聲波入射頻率f=3.76 MHz，代入式(3)可得

(5)

在模擬測量裝置上分別進行間隙為5 μm、10 μm、20 μm的潤滑膜分布檢測，各測點重復測量3次，取平均值作為該點處的膜厚。實驗設(shè)置的測點數(shù)為8，通過對各測點反射系數(shù)的測量來間接測量潤滑膜的分布。本文選用石墨環(huán)與空氣接觸表面作為參考界面，該參考界面的反射系數(shù)約為0.96。渦輪泵機械密封端面摩擦副的實際粗糙度Ra約為0.1～0.4 μm，平面度約為0.3～1.6 μm。在實際運轉(zhuǎn)情況下，動靜環(huán)磨損會造成摩擦副粗糙度變大，為了更好地驗證超聲測量方法的可行性，選用的石墨環(huán)表面粗糙度Ra為1.6 μm，9Cr18盤的表面粗糙度Ra為0.8 μm，石墨環(huán)與9Cr18盤的平面度分別為2.0 μm和1.0 μm。各測點的反射系數(shù)由超聲波在蒸餾水與不銹鋼盤界面反射信號的頻域幅值與超聲波在參考界面反射信號的頻域幅值的比值，和超聲波在參考界面反射系數(shù)的乘積求得。得到測點反射系數(shù)R后，將其代入式(5)可求得測量點i的膜厚hi(i= 1,2,…,8)。

根據(jù)以上方法，本文獲得了設(shè)定間隙為5 μm、10 μm和20 μm下的潤滑膜分布，如圖8所示，由圖8a可以看出，測量結(jié)果與設(shè)定間隙較為接近，最大相對誤差約為0.2 μm；由圖8b、圖8c可以看出，測量結(jié)果與設(shè)定間隙相差也不大，10 μm時的最大相對誤差為0.4 μm， 20 μm時的最大相對誤差為1.1 μm。

圖8 潤滑膜分布模擬檢測結(jié)果Fig.8 The simulation test results of ubricating lfilm distribution

對3種間隙下的測量誤差進行了綜合，見圖9，其中，每測點的誤差為3次重復測量誤差的平均值。3種間隙下的相對誤差值分布在0.2～1.1 μm范圍內(nèi)，最大測點誤差1.1 μm是在間隙20 μm時的測量誤差，該誤差僅占實際膜厚的5.5%，這在封閉環(huán)境內(nèi)潤滑膜厚度的測量上已是十分精確了，可見采用超聲原理可對機械密封潤滑膜分布進行較為精確的測量。此外，3種間隙下的測量結(jié)果在同一測點的3次測量值差別較大，這是由于聲波的傳遞具有波動性，超聲波頻率的改變引起了測量值的增減。

圖9 3種設(shè)定間隙下的測點誤差Fig.9 Measuring point error under 3 setting gaps

筆者在模擬測量裝置上了進行潤滑膜分布的靜態(tài)模擬測量。動環(huán)運轉(zhuǎn)情況下，測量時的潤滑介質(zhì)從靜態(tài)變?yōu)榱黧w狀態(tài)，超聲波的聲速和頻率將會受到影響，此時，聲速會變大，頻率會變小，動態(tài)測量值會比實際值大。這種影響和潤滑介質(zhì)的黏度大小成正比，由于水的黏度非常低，所以動態(tài)與靜態(tài)時的測量結(jié)果相差不大。因此，本文的靜態(tài)測量結(jié)果可很好地作為動態(tài)測量時的參考。

3 結(jié)論

(1)本文針對機械密封潤滑膜分布的檢測問題，引入了超聲測量技術(shù)，利用超聲-彈簧模型建立了機械密封潤滑膜分布的超聲檢測模型。

(2)構(gòu)建了由信號發(fā)生模塊、超聲發(fā)射-接收模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存貯-顯示模塊所組成的超聲潤滑膜分布測量系統(tǒng)，并配備了模擬測試裝置。

(3)在模擬測試裝置上進行了潤滑膜分布的檢測實驗，設(shè)定的密封間隙分別為5 μm、10 μm和20 μm，實驗結(jié)果表明，潤滑膜單點測量相對誤差為0.2～1.1 μm，采用超聲原理可對機械密封潤滑膜分布進行較為精確的測量。

(4)本文的檢測實驗表明，膜厚5 μm時的檢測精度最高，且測量誤差隨膜厚的增加而增大，說明采用超聲-彈簧模型更適宜進行微小膜厚的測量。