司佳鑫，楊小成，翁澤文，丁雪興

（1.蘭州理工大學(xué)，蘭州 730050；2.中國(guó)航發(fā)湖南動(dòng)力機(jī)械研究所，湖南株洲 412002）

0 引言

干氣密封作為一種非接觸軸密封，具有泄漏量小、功耗低、高可靠及長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于泵和渦輪機(jī)械等大型旋轉(zhuǎn)化工設(shè)備［1］。然而，干氣密封在啟停階段，由于轉(zhuǎn)速較低，氣膜剛度不足，動(dòng)靜環(huán)未充分脫開，導(dǎo)致密封端面摩擦與振動(dòng)現(xiàn)象頻繁發(fā)生［2］；同時(shí)也極易導(dǎo)致摩擦副摩擦磨損，甚至?xí)?dǎo)致密封裝置直接失效。由此可見，干氣密封端面的摩擦性能是影響其壽命及可靠性的關(guān)鍵要素，如何準(zhǔn)確獲取摩擦副的磨損狀態(tài)及優(yōu)化工況條件下干氣密封摩擦副的摩擦性能，是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)。

干氣密封動(dòng)靜環(huán)間的氣膜結(jié)構(gòu)尺寸屬于微尺度［3］，致使無法準(zhǔn)確獲得干氣密封運(yùn)行過程中摩擦副間的摩擦磨損狀態(tài)信息，阻礙了干氣密封信息技術(shù)與診斷領(lǐng)域的發(fā)展。摩擦振動(dòng)是機(jī)械設(shè)備摩擦磨損過程中產(chǎn)生的現(xiàn)象，蘊(yùn)涵著反映摩擦學(xué)系統(tǒng)特征和摩擦磨損狀態(tài)的許多信息，與摩擦力矩、摩擦系數(shù)、磨損量、磨損顆粒及摩擦副的磨損表面形貌等相比，摩擦振動(dòng)信號(hào)可在機(jī)械設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)在線采集［4］。陳光雄等［5］通過研究指出摩擦振動(dòng)是非平穩(wěn)非線性的。周仲榮等［6-7］指出摩擦副之間的振動(dòng)為高頻微幅振動(dòng)。摩擦振動(dòng)信號(hào)能夠反映摩擦副的磨損狀態(tài)，但是含有噪聲的摩擦振動(dòng)信號(hào)不能真實(shí)反映摩擦副的磨合磨損狀態(tài)［8］。所以在眾多噪聲中對(duì)摩擦振動(dòng)信號(hào)的剝離與特征提取成為摩擦振動(dòng)研究最關(guān)鍵的一步。Newland從小波的頻域方面提出了諧波小波［9-10］。丁康等［11］提出并分析了平穩(wěn)和非平穩(wěn)振動(dòng)信號(hào)的若干處理方法。張宇航［12］應(yīng)用諧波小波包方法實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障信號(hào)提取。朱洪俊［13］提出非平穩(wěn)信號(hào)瞬時(shí)特征提取的諧波小波方法。李國(guó)賓等［14-15］在銷盤的摩擦振動(dòng)研究中，發(fā)現(xiàn)摩擦振動(dòng)信號(hào)與摩擦系數(shù)的變化規(guī)律一致。

本文采用高精度加速度傳感器及高速采集卡與LabVIEW信號(hào)系統(tǒng)組成振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，對(duì)干氣密封碰磨過程中的摩擦振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)取?；贛ATLAB諧波小波包變換原理對(duì)振動(dòng)加速度信號(hào)進(jìn)行剝離，提取動(dòng)靜環(huán)摩擦振動(dòng)信號(hào)，分析不同螺旋槽對(duì)界面的摩擦力和振動(dòng)加速度的信號(hào)變化規(guī)律，揭示螺旋槽對(duì)基于類金剛石薄膜界面摩擦學(xué)行為的作用機(jī)制，研究成果為干氣密封環(huán)端面的摩擦學(xué)研究和螺旋槽的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 諧波小波包的方法

英國(guó)Newland提出的諧波小波具有嚴(yán)格緊支撐的盒形譜和相位定位特性，不存在頻域相位移動(dòng)，相鄰頻帶間無頻譜泄漏，時(shí)頻定位精度高［16］，頻域表達(dá)式為：

式中，n=2j+1，m=2j，j∈ Z+。從式（1）可看出，諧波小波在頻域中，只有在相對(duì)應(yīng)的頻帶內(nèi)具有其恒定的幅值，而在頻帶外全為零，這說明諧波小波包具有良好的帶通濾波功能。對(duì)式（1）進(jìn)行傅里葉變換得到諧波小波時(shí)域表達(dá)式：

式（1）中二進(jìn)諧波小波的定義，以二進(jìn)方式劃分其頻帶。為了彌補(bǔ)二進(jìn)諧波小波包方面分析頻帶的選取不靈活的不足，Newland實(shí)現(xiàn)了分析頻帶的選取更加靈活，從而促進(jìn)了廣義諧波小波的推廣。重新定義n，m的取值：n，m∈R+且m＜n，則式（1）（2）即分別為廣義諧波小波包頻、時(shí)域的表達(dá)式。將平移 l/（m-n），其中l(wèi)∈Z，則式（2）變?yōu)椋?/p>

式（3）即為帶寬為 2π（n-m）在 l/（m-n）處的廣義諧波小波的一般表達(dá)式。由此可證明：在不同頻帶相互沒有交疊的情況下，所對(duì)應(yīng)的小波相互正交；然而在相同頻帶內(nèi)，l為非零整數(shù)（步數(shù)不為零）時(shí)，所對(duì)應(yīng)的小波也相互正交。以諧波小波函數(shù)作為 L2（R）一組正交基，對(duì)信號(hào)f（t）進(jìn)行諧波小波的分解，既可將整個(gè)頻段信號(hào)無交疊無遺漏地分解到相互獨(dú)立頻帶，又準(zhǔn)確地顯示任何微弱的細(xì)節(jié)信號(hào)，從而有利于對(duì)微弱信號(hào)的特征的提取。

對(duì)于連續(xù)信號(hào)S（t）的廣義諧波小波包變換為：

相應(yīng)的離散傅里葉變換為：

式中 S（K）——s（r）的傅里葉變換；

小波包的思想是對(duì)低頻、高頻部分的信號(hào)進(jìn)行無限細(xì)分，實(shí)現(xiàn)在整個(gè)頻帶中對(duì)信號(hào)有用頻率成分的提?。?6］。圖1為諧波小波包的變換的頻帶分解分布圖，由圖可觀察到隨著分解層j的增大，諧波小波包實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)信號(hào)頻帶的無限細(xì)分。

圖1 諧波小波包分解分布

2 摩擦振動(dòng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)試件材料

本試驗(yàn)采用的試驗(yàn)件為化工設(shè)備中常見的干氣密封試件，其動(dòng)環(huán)材料均為碳化硅，靜環(huán)材料采用鍍DLC薄膜的碳化硅光面環(huán)。試件結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2（a）示出上試件即動(dòng)環(huán)，螺旋槽環(huán)的螺旋角為 18°，刻槽深度為 10 μm；圖 2（b）示出下試件即靜環(huán)，在光面環(huán)采用磁控濺射法進(jìn)行DLC鍍膜，鍍膜厚度為3 μm。

圖2 試驗(yàn)件

2.2 摩擦試驗(yàn)機(jī)及測(cè)試系統(tǒng)

本試驗(yàn)是在MMW-1型微機(jī)立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行。在轉(zhuǎn)速為0～1 000 r/min、試驗(yàn)力為0～1 000 N范圍內(nèi)進(jìn)行摩擦振動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)取的試驗(yàn)參數(shù)分別為摩擦扭矩、摩擦力、摩擦系數(shù)、振動(dòng)加速度。

試驗(yàn)中采用YSV2303S型加速度傳感器（X方向?yàn)槟Σ撩嫠椒较颍琘方向?yàn)槟Σ撩娲怪狈较颍?、MPS-140401-M采集卡，其中采集卡有4個(gè)同步信號(hào)采集通道，具有高采樣率、低噪聲、同步性高和連續(xù)不間斷等優(yōu)點(diǎn)。采集卡采樣頻率為64 K，與支持Win10系統(tǒng)的軟件編程組成了摩擦振動(dòng)信號(hào)測(cè)試系統(tǒng)。

2.3 試驗(yàn)工況參數(shù)

試驗(yàn)在干摩擦條件下進(jìn)行，根據(jù)前期的試驗(yàn)研究結(jié)果，干氣密封在啟動(dòng)時(shí)端面間的比壓一般為 0.20～0.45 MPa，開啟線速度為 0.6～1.8 m/s，因此根據(jù)實(shí)際條件及密封環(huán)的大小選取4個(gè)轉(zhuǎn)速與4個(gè)試驗(yàn)載荷進(jìn)行正交試驗(yàn)。試驗(yàn)工況參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)工況參數(shù)

3 振動(dòng)信號(hào)提取與摩擦性能分析

3.1 摩擦振動(dòng)信號(hào)提取

信號(hào)的采集往往伴隨著一定的隨機(jī)性，本試驗(yàn)為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)有效性，對(duì)每個(gè)工況參數(shù)進(jìn)行3次連續(xù)性試驗(yàn)，最后進(jìn)行對(duì)比分析并均值計(jì)算。在正交試驗(yàn)中選取一組工況（轉(zhuǎn)速300 r/min，載荷為450 N），采集干氣密封啟停階段動(dòng)靜環(huán)間的干摩擦振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行研究。針對(duì)干氣密封啟停階段振動(dòng)信號(hào)的特征，利用諧波小波包變換在MATLAB中進(jìn)行編程。采用64 000 Hz采樣頻率，通過三軸加速度傳感器對(duì)本工況下啟停階段振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采樣。對(duì)采樣信號(hào)進(jìn)行5層32個(gè)頻帶分解（頻帶寬為1 000 Hz），分析每個(gè)頻帶中的振動(dòng)信號(hào)。首先，對(duì)每一段信號(hào)時(shí)域進(jìn)行重構(gòu)并提取，每段重構(gòu)后頻帶時(shí)域信號(hào)進(jìn)行平均值、中值和異常值等統(tǒng)計(jì)參數(shù)值計(jì)算。然后，對(duì)每個(gè)時(shí)域重構(gòu)后的統(tǒng)計(jì)參數(shù)分別與該頻段內(nèi)的頻域信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者的變化趨勢(shì)相似，從而可初步判定干氣密封摩擦副的振動(dòng)信號(hào)主要集中在該頻段。

在轉(zhuǎn)速300 r/min，載荷為450 N工況下，分別對(duì)整個(gè)頻段內(nèi)的摩擦振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析。圖3分別示出X軸振動(dòng)信號(hào)的重構(gòu)時(shí)頻域，從圖可清楚地看出7 000～8 000 Hz段內(nèi)X軸的微弱摩擦振動(dòng)信號(hào)均符合摩擦振動(dòng)高頻率、小幅值的特點(diǎn)。所以主要對(duì)7 000～8 000 Hz頻率段內(nèi)的摩擦振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行研究。

圖3 諧波小波包分解時(shí)頻域

3.2 振動(dòng)信號(hào)的識(shí)別

首先，對(duì)整條信號(hào)每隔24 s進(jìn)行采樣，每段采樣信號(hào)進(jìn)行時(shí)域重構(gòu)并對(duì)重構(gòu)后時(shí)域信號(hào)進(jìn)行平均值、中值和異常值等統(tǒng)計(jì)參數(shù)值計(jì)算。然后，對(duì)每個(gè)時(shí)域重構(gòu)后的統(tǒng)計(jì)參數(shù)分別與該頻段內(nèi)的頻域信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩者均出現(xiàn)相似的變化趨勢(shì)，便可初步判定干氣密封摩擦副的振動(dòng)信號(hào)主要集中在該頻段。

圖4示出X軸時(shí)域重構(gòu)后振動(dòng)信號(hào)的參數(shù)統(tǒng)計(jì)。可以明顯觀察到7 000～8 000 Hz段內(nèi)時(shí)域重構(gòu)后振動(dòng)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)均與該頻段內(nèi)頻域變化趨勢(shì)相似，均呈現(xiàn)出先增大后減小，最后均趨于平緩變化趨勢(shì)。

圖4 諧波小波包重構(gòu)后參數(shù)統(tǒng)計(jì)

李國(guó)賓等［14-15］在銷盤的摩擦振動(dòng)研究中，發(fā)現(xiàn)摩擦振動(dòng)信號(hào)與摩擦系數(shù)有一致的變化規(guī)律。本文以此為依據(jù)，比較經(jīng)過剝離、提取后的摩擦振動(dòng)信號(hào)與同時(shí)在試驗(yàn)機(jī)上采集的動(dòng)靜環(huán)摩擦系數(shù)變化規(guī)律是否一致。從圖5中可看出，摩擦系數(shù) μ在0.027 18～0.072 8之間變化。啟動(dòng)后摩擦系數(shù)在31 s達(dá)到最大值0.072 8；在31～314 s內(nèi) μ從 0.072 8快速下降到 0.031 52；在314 s出現(xiàn)拐點(diǎn)，試件從磨合階段轉(zhuǎn)變?yōu)槠椒€(wěn)磨損階段；在314～600 s時(shí)摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定，維持0.031 96～0.027 18之間。

圖5 摩擦系數(shù)

經(jīng)過重構(gòu)X軸7 000～8 000 Hz時(shí)域后信號(hào)的進(jìn)行參數(shù)統(tǒng)計(jì)，其統(tǒng)計(jì)參數(shù)變化趨勢(shì)均及該頻段頻域變化與摩擦系數(shù)的變化相一致均呈現(xiàn)出先增大后減小最后趨于平緩，進(jìn)一步證明干氣密封動(dòng)靜環(huán)間振動(dòng)信號(hào)主要集中在7 000～8 000 Hz頻段內(nèi)。

3.3 不同工況參數(shù)下的摩擦振動(dòng)

干氣密封利用動(dòng)環(huán)螺旋槽高速旋轉(zhuǎn)形成動(dòng)壓效應(yīng)，在摩擦副之間形成一層很薄的氣膜從而減少端面的摩擦，但在干氣密封啟停階段會(huì)導(dǎo)致摩擦副端面接觸，而螺旋槽的存在加劇了端面的磨損。如何從改變螺旋槽的設(shè)計(jì)角度而減少摩擦副端面的磨損，延長(zhǎng)干氣密封裝置的服役壽命成為當(dāng)今的研究熱點(diǎn)。工程上常用螺旋槽的角度為16°和18°，故本文對(duì)干氣密封2種典型螺旋槽16°環(huán)與18°環(huán)在摩擦平穩(wěn)階段7 000～8 000 Hz頻段內(nèi)摩擦振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行研究。為了更加清楚地說明摩擦力對(duì)摩擦振動(dòng)的影響，本文對(duì)7 000～8 000 Hz頻段內(nèi)X，Y軸的摩擦振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行矢量和計(jì)算，得到矢量和G（矢量和G的方向與摩擦力的方向一致），擬合摩擦振動(dòng)信號(hào)的矢量和G。

圖 6（a）（b）分別示出 16°/18°環(huán)摩擦振動(dòng)工況參數(shù)。從圖6中可看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，4種載荷下摩擦振動(dòng)加速度矢量和的幅值的變化趨勢(shì)均呈拋物線。當(dāng)壓力一定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的升高，摩擦振動(dòng)加速度幅值均隨之增加，說明摩擦振動(dòng)與轉(zhuǎn)速成正相關(guān)性；當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，摩擦振動(dòng)信號(hào)均隨著增加壓力的升高而增加，說明摩擦振動(dòng)與壓力成正相關(guān)性。從圖6（a）中可看出：經(jīng)諧波小波包變換提取的16°環(huán)與光面環(huán)的摩擦振動(dòng)信號(hào)在300～400 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦振動(dòng)的影響較?。划?dāng)轉(zhuǎn)速超過400 r/min時(shí)，摩擦振動(dòng)影響急劇上升。這是因?yàn)楸驹囼?yàn)不同于設(shè)備上的干氣密封裝置在密閉的環(huán)境，屬于開放的摩擦磨損試驗(yàn)環(huán)境導(dǎo)致螺旋槽氣體動(dòng)壓效果的減磨作用大大降低。當(dāng)轉(zhuǎn)速超過400 r/min時(shí)，螺旋槽對(duì)靜環(huán)的摩擦切削次數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的升高而加快，導(dǎo)致摩擦副之間的摩擦振動(dòng)更加的劇烈；當(dāng)摩擦副在高轉(zhuǎn)速下，螺旋槽對(duì)靜環(huán)的摩擦力也隨著載荷的增加而升高，加劇了摩擦副之間的摩擦振動(dòng)。圖6（b）中18°環(huán)摩擦振動(dòng)工況參數(shù)圖也出現(xiàn)了與16°環(huán)相同的變化規(guī)律，從而驗(yàn)證了上述的分析。

圖6 16°/18°環(huán)摩擦振動(dòng)工況參數(shù)

3.4 同一轉(zhuǎn)速下不同螺旋角的摩擦振動(dòng)對(duì)比

對(duì)提取的7 000～8 000 Hz頻段內(nèi)摩擦振動(dòng)加速度幅值進(jìn)行研究，對(duì)比分析16°與18°螺旋槽環(huán)在干摩擦的情況下的服役性能。對(duì)X，Y軸進(jìn)行矢量計(jì)算，得到矢量和G，擬合摩擦振動(dòng)信號(hào)的矢量和G，研究同一轉(zhuǎn)速下不同螺旋角的摩擦振動(dòng)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 各轉(zhuǎn)速下16°/18°環(huán)振動(dòng)數(shù)據(jù)

從圖7各個(gè)轉(zhuǎn)速下的16°與18°環(huán)的摩擦振動(dòng)加速度的矢量和對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在同一轉(zhuǎn)速下，摩擦振動(dòng)均隨著載荷的增加而增大，且18°環(huán)的摩擦振動(dòng)加速度的矢量和均大于16°環(huán)。在400，300 r/min工況下，隨著載荷的增加18°環(huán)與16°環(huán)的摩擦振動(dòng)加速度的矢量和差值越來越大，說明18°環(huán)與16°環(huán)磨損更劇烈，摩擦副間的磨損也逐漸增多；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，在500 r/min、300～450 N時(shí)卻出現(xiàn)了與其他工況參數(shù)下不同的變化，16°環(huán)的摩擦振動(dòng)加速度矢量和反大于18°環(huán)，這是因?yàn)槁菪蹆?nèi)的磨屑聚集到一定的程度下，反而起到一定的自潤(rùn)滑作用導(dǎo)致18°環(huán)的摩擦振動(dòng)的加速度幅值變??；在 500 r/min、600 N 時(shí)，18°環(huán)的摩擦振動(dòng)加速度矢量和大于16°環(huán)，與其他轉(zhuǎn)速下的變換規(guī)律相一致。說明在干摩擦的某種工況下16°環(huán)的服役性并不一定完全優(yōu)于18°環(huán)，但整體服役性能而言，16°環(huán)優(yōu)于18°環(huán)。

3.5 摩擦磨損分析

選取300 r/min，450 N工況參數(shù)，應(yīng)用zygo型形貌儀對(duì)試驗(yàn)結(jié)束后的試件進(jìn)行表面形貌測(cè)試，從圖8可看出，18°環(huán)的磨痕數(shù)量比16°環(huán)多且劃痕明顯，兩螺旋槽端面有明顯的周向劃痕，均為內(nèi)圈的磨痕比外圈的多且明顯，這是因?yàn)槟Σ粮睘橛才鲇步M合的周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，摩擦振動(dòng)會(huì)造成摩擦副界面的周向摩擦劃痕，所以兩螺旋槽端面產(chǎn)生周向劃痕。18°環(huán)的磨損比16°嚴(yán)環(huán)重，這與18°環(huán)的摩擦振動(dòng)大于16°環(huán)的摩擦振動(dòng)劇烈相一致。

圖8 16°與18°環(huán)磨損形貌

3.6 不同螺旋角摩擦機(jī)理分析

在動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，兩端面產(chǎn)生接觸摩擦力，如圖9，螺旋線的存在打斷了端面之間的連續(xù)性接觸，使接觸應(yīng)力發(fā)生了轉(zhuǎn)移，從而導(dǎo)致了接觸力f存在徑向和法向的變化。其中fτ=fcos β，fn=fsin β，其中β為螺旋角。在摩擦磨損過程中，16°環(huán)所受的界面法向力fn小于18°環(huán)，16°環(huán)所受的界面切向力fn大于18°環(huán)。

圖9 螺旋角摩擦機(jī)理分析

通過不同螺旋角的磨損3D形貌圖與摩擦機(jī)理分析，說明在摩擦過程中在同一點(diǎn)上18°環(huán)的摩擦次數(shù)和載荷均大于16°環(huán)，說明了界面法向力對(duì)端面間的摩擦磨損起主要作用。

4 結(jié)論

（1）通過MATLAB諧波小波包變換提取7 000～8 000 Hz頻段內(nèi)的摩擦振動(dòng)信號(hào)，并在該頻段內(nèi)研究2種典型螺旋槽的摩擦振動(dòng)變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明動(dòng)靜環(huán)界面摩擦振動(dòng)信號(hào)X軸與Y軸的矢量和G（矢量和G的方向與摩擦力的方向一致）18°環(huán)大于16°環(huán)。

（2）通過3D形貌圖摩擦磨痕對(duì)比發(fā)現(xiàn)，18°環(huán)的磨痕數(shù)量比16°環(huán)多且劃痕明顯，且端面有明顯的周向劃痕，均為內(nèi)圈的磨痕多于外圈，說明18°環(huán)的磨損比16°環(huán)嚴(yán)重，18°環(huán)的摩擦振動(dòng)大于16°環(huán)，而且兩者結(jié)論相一致。

（3）通過摩擦機(jī)理分析，證明了摩擦過程中螺旋槽環(huán)的主要摩擦磨損方向。綜合以上結(jié)論得出在干氣密封啟停干摩擦階段16°環(huán)比18°環(huán)具有更好的服役性能。