畢浩程, 郝木明*, 任寶杰, 孫鑫暉, 李勇凡, 李天照, 劉馥瑜, 厲曉英

(1.中國石油大學(xué)(華東) 新能源學(xué)院, 山東 青島 266580;2.東營海森密封技術(shù)有限公司, 山東 東營 257067)

接觸式機械密封因其泄漏量小、結(jié)構(gòu)簡單以及成本較低而廣泛應(yīng)用于航空、船舶和化工等行業(yè)，但其因結(jié)構(gòu)問題，接觸式機械密封的磨損情況相較于非接觸式機械密封更為嚴(yán)重，因此對接觸式機械密封摩擦機理研究是十分必要的[1-5].機械密封運行過程中可能經(jīng)歷不同的摩擦狀態(tài)，即干摩擦、邊界潤滑、混合潤滑和流體潤滑狀態(tài)[6-7].流體潤滑狀態(tài)下流體膜厚度較大，摩擦副的2個表面完全被流體膜分開；邊界潤滑狀態(tài)是指摩擦副接觸程度已接近于干摩擦，摩擦系數(shù)主要由微凸體接觸性能主導(dǎo)，此時兩表面之間的流體膜非常??；而混合潤滑則介于兩者之間，流體潤滑與微凸體接觸均發(fā)揮明顯作用，并隨參數(shù)的變化各自在特定工況下起到主導(dǎo)作用[8-9].

接觸式機械密封端面間存在一些由微凸體支撐而形成的空隙，該空隙被流體填滿而形成不連續(xù)的流體膜，使得密封在運行過程中處于混合潤滑狀態(tài)[10-12].國內(nèi)外學(xué)者針對粗糙界面的潤滑狀態(tài)進行了大量研究，Patir等[13]將剪切流量因子與壓力流量因子應(yīng)用于經(jīng)典雷諾方程，提出了平均流量模型；Zhu等[14-15]提出將不同形式的雷諾方程進行統(tǒng)一化處理用于求解不同類型的潤滑問題；溫詩鑄等[16]提出混合潤滑特性具有時變性，且其膜厚較小，通常伴隨表面磨損；張闊等[17]建立了能反映混合潤滑過程的數(shù)學(xué)模型，并與試驗相結(jié)合，研究材料的混合潤滑與材料表面形貌及力學(xué)性能的關(guān)系；Bajwa等[18]評估了單層和多層涂層結(jié)構(gòu)在流體動壓、混合和邊界潤滑下的摩擦性能和磨損性能；Pei等[19]將阿倫尼烏斯方程與混合彈流潤滑模型相結(jié)合提出了1種新的磨損預(yù)測方法，對混合潤滑狀態(tài)下的點接觸磨損過程進行了預(yù)測；Gu等[20]對比研究了不同潤滑狀態(tài)下織構(gòu)化的效果；蘭國生等[21]提出了混合潤滑粗糙表面法向接觸剛度模型，為結(jié)合面的剛度預(yù)測和機械設(shè)備的性能優(yōu)化以及結(jié)構(gòu)改進提供良好的依據(jù).以上對混合潤滑理論的研究大都基于雷諾方程，通過不同的修正系數(shù)來適應(yīng)不同的工況，但目前的研究多著眼于軸承領(lǐng)域，在機械密封領(lǐng)域還有很大的應(yīng)用空間.

隨著機械密封的發(fā)展，對其運行狀態(tài)進行監(jiān)測變得尤為重要，常用的監(jiān)測方法有電容法和電渦流法等，而這些方法都需要對設(shè)備進行停機拆裝，產(chǎn)生大量經(jīng)濟損失.聲發(fā)射監(jiān)測作為1種無損檢測方法，無需拆裝且安裝方便，近些年來被廣泛應(yīng)用于工業(yè)機械狀態(tài)監(jiān)測領(lǐng)域，有許多國內(nèi)外學(xué)者嘗試將聲發(fā)射系統(tǒng)應(yīng)用于機械密封的研究：Towsyfyan等[22]建立了基于均方根值的機械密封不同摩擦狀態(tài)下AE (聲發(fā)射)信號能量的數(shù)學(xué)模型，該模型可以預(yù)測機械密封的摩擦學(xué)行為，更好地實現(xiàn)機械密封的狀態(tài)檢測；Yin等[23]通過觀察不同操作參數(shù)下的RMS (均方根)值的波動來研究干氣密封的動態(tài)摩擦過程.但機械密封AE信號中的噪聲信號使得有用信息的提取十分困難，因此對 AE信號的降噪研究也一直在開展，Huang等[24-25]同時應(yīng)用緊貼在靜環(huán)上的PICO內(nèi)置傳感器和放置在密封殼體上的R15外置傳感器進行干氣密封端面碰摩試驗，發(fā)現(xiàn)內(nèi)置傳感器采集的AE信號中幾乎沒有噪聲信號而外置傳感器采集的AE信號經(jīng)過經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解之后可以有效地消除噪聲；Sun等[26]提出1種基于奇異值分解和自適應(yīng)變分模態(tài)分解(SVD-AVMD)的信號處理方法，該方法對各模態(tài)分量中心頻率的捕捉能力以及對各模態(tài)分量的恢復(fù)效果均明顯優(yōu)于單純的變分模態(tài)分解，實現(xiàn)了對液膜密封端面狀態(tài)的識別；陸俊杰等[27]提出了信號局部特征尺度分解與小波閾值協(xié)同降噪方法，有效提高了機械密封微弱磨損信號的信噪比.以上研究大都是基于密封聲發(fā)射信號時域特征的研究，缺少對密封特征頻率及其隨著密封摩擦狀態(tài)變化的研究.而密封特征頻率動態(tài)變化過程對于密封摩擦機理的研究具有重要意義.

本文中針對接觸式機械密封，結(jié)合粗糙面彈塑性模型，求解考慮密封端面粗糙度效應(yīng)的雷諾方程，研究工況參數(shù)對密封混合潤滑狀態(tài)密封磨擦參數(shù)的影響，并基于1.5維譜理論對密封聲發(fā)射信號進行特征頻率提取，探究混合潤滑摩擦演化規(guī)律，對接觸式機械密封摩擦狀態(tài)監(jiān)測具有重要意義.

1 機械密封混合潤滑摩擦特性研究

1.1 微凸體接觸力學(xué)模型

根據(jù)經(jīng)典 G-W (Greewood-Williamson)模型[28]的假設(shè)，在密封副粗糙表面接觸問題的研究中，通常將兩個相互擠壓的粗糙表面接觸系統(tǒng)等效為1個光滑剛性平面和1個可變性的粗糙表面的接觸系統(tǒng).等效后的2個表面接觸系統(tǒng)如圖1所示.

Fig.1 Equivalent fractal rough surface in contact with rigid plane圖1 等效分形粗糙表面與剛性平面接觸

假設(shè)接觸面積上有N個微凸體，則接觸導(dǎo)致微凸體變形的數(shù)量為

式中， η為微凸體粗糙峰密度， φ(δ) 為微凸體變形的概率密度函數(shù)，Aa為微凸體的真實接觸面積， δ為微凸體的變形量.

由Hertz接觸理論[29]，在接觸壓力作用下，粗糙表面上的微凸體存在 3 種可能的變形狀態(tài)，即彈性變形、彈塑性變形和完全塑性變形狀態(tài)，3種變形狀態(tài)所對應(yīng)的臨界變形量分別為

當(dāng) δ <δe時，只發(fā)生彈性變形, 此時彈性接觸力為

當(dāng) δe<δ<δp時，只發(fā)生彈性和彈塑性變形, 此時彈塑性接觸力為

當(dāng) δp<δ時，發(fā)生彈性、彈塑性以及塑性變形, 此時接觸力為

式中， δe為彈性變形臨界變形量， δp為完全塑性變形臨界變形量，k為平均接觸壓力系數(shù),H為軟材料的硬度，E為彈性模量,ae為彈性變形最大接觸面積，ap為塑性變形最小接觸面積，pe為彈性變形產(chǎn)生的接觸載荷，pep為彈塑性變形產(chǎn)生的接觸載荷，pp為塑性變形產(chǎn)生的接觸載荷，r為微凸體半徑， δ為微凸體實際變形量，f(δ) 為樣板函數(shù)，W為接觸力.

1.2 混合潤滑理論模型

當(dāng)端面處在混合潤滑狀態(tài)，端面接觸為微凸體粗糙峰接觸，密封間隙依然有較大空間可供潤滑流體的流動，此時端面總承載力則由液體壓力和接觸壓力共同承擔(dān).考慮實際的密封端面表面粗糙度的影響.因此建立考慮密封端面粗糙度效應(yīng)的雷諾方程，其柱坐標(biāo)表達(dá)式如下：

式中，ra為計算半徑， ?θ和 ?r分別為周向與徑向壓力流量因子， ?c為接觸因子， ?s為剪切流量因子；為各點潤滑膜的平均膜厚，p為密封端面間潤滑流體壓力；μ為流體黏度， ω為旋轉(zhuǎn)角速度， σ為粗糙面的均方根值， θ為周向角度.

其中：

式中， erf為誤差函數(shù).

為簡化計算，將公式進行無量綱處理，同時利用中值差分法對無量綱化處理后的雷諾方程進行離散得：

式中，i和j表示中值差分法的節(jié)點，

1.3 邊界條件及摩擦參數(shù)

為求解上述機械密封微凸體接觸力方程和混合潤滑的平均雷諾方程，給定邊界條件為

強制性邊界條件：

密封環(huán)壓力出口處：p=po，ra=ro；密封環(huán)壓力進口處：p=pi，ra=ri.其中，ro為外徑，ri為內(nèi)徑.

沿圓周方向周期性邊界條件：

為進一步研究密封性能參數(shù)，可對求解得到的應(yīng)力場和接觸力場進一步求解以下密封摩擦參數(shù)：

磨損率：

式中， ?為混合潤滑狀態(tài)下單位時間的磨損量，K為磨損系數(shù)，La為微凸體接觸占比，F(xiàn)為接觸載荷，V為滑動速度， Ψ為油膜虧量系數(shù).

其中：

式中，ax、t0和Ea為潤滑劑特性參數(shù)，Rg為氣體常數(shù)，Ts為界面閃溫.

式中，T0為初始溫度； ?T為溫升；l為沿滑動方向接觸距離的一半；q為熱流密度；K1和K2為材質(zhì)熱導(dǎo)率；Pe1和Pe2為佩克萊數(shù).

摩擦扭矩：

式中，Mc為微凸體接觸摩擦扭矩，Mf為流體剪切摩擦扭矩.

1.4 混合潤滑磨損特性分析

對于接觸式機械密封，操作參數(shù)對密封端面摩擦學(xué)特性具有重要影響，本文中討論不同操作參數(shù)對于密封性能的影響.

1.4.1 轉(zhuǎn)速對于密封摩擦參數(shù)的影響

在保證密封內(nèi)介質(zhì)壓力(pm)為0.4 MPa、彈簧力(Fs)為200 N不變的條件下，密封摩擦參數(shù)隨著n(轉(zhuǎn)速)的變化趨勢如圖2所示.

Fig.2 Influence curve of speed on seal friction parameters圖2 轉(zhuǎn)速對密封摩擦參數(shù)的影響曲線

在圖2(a)中，隨著轉(zhuǎn)速的變化，密封端面間的接觸特性并沒有發(fā)生變化，密封端面間的閉合力由微凸體接觸力與液膜承載力平衡.出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是對于接觸式機械密封，端面間的流體膜只存在靜壓效應(yīng)，轉(zhuǎn)速不會影響端面間的靜壓效應(yīng)，因此液膜力與端面間隙始終保持不變，微凸體接觸力也不變.在圖2(b)中，隨著轉(zhuǎn)速的增大，微凸體接觸摩擦扭矩保持不變，這與微凸體接觸特性沒有變化一致.而液膜黏性剪切摩擦扭矩隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，這是由于轉(zhuǎn)速的增大導(dǎo)致端面間的液體黏性剪切摩擦力變大進而使得膜黏性剪切摩擦扭矩增大.在圖2(c)中，隨著轉(zhuǎn)速的增大，端面磨損率呈二次增大，這是因為圖2(d)中轉(zhuǎn)速增大導(dǎo)致端面摩擦熱增大，而端面磨損率受滑動接觸線速度和界面閃溫的影響.

1.4.2 介質(zhì)壓力對于密封摩擦參數(shù)的影響

在保證轉(zhuǎn)速為4 000 r/min、彈簧力為200 N不變的條件下，密封摩擦參數(shù)隨著介質(zhì)壓力的變化趨勢如圖3所示.

在圖3(a)中，隨著介質(zhì)壓力的增加，微凸體接觸力、液膜承載力和閉合力都呈線性增加.出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是部分介質(zhì)壓力作用在密封環(huán)上使得閉合力增加，同時內(nèi)外徑壓差增大導(dǎo)致液膜流體靜壓效應(yīng)變大，但是液膜承載力增加的幅度不足以平衡密封閉合力，未平衡的閉合力使得密封端面間隙減小使得接觸承載力增加.在圖3(b)中，隨著介質(zhì)壓力的增加，接觸摩擦扭矩明顯增加，而液膜黏性剪切摩擦扭矩增量很小，產(chǎn)生該趨勢的原因是介質(zhì)壓力的增加導(dǎo)致端面間接觸狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變，端面間接觸力與液膜黏性剪切力同時增加，但是接觸力相比于黏性剪切力對摩擦扭矩的影響更顯著.在圖3(c)中，隨著介質(zhì)壓力的增大，端面磨損率呈二次增大，分析其原因是介質(zhì)壓力的增加導(dǎo)致端面間隙減小，端面間微凸體接觸力增加，更多的微凸體發(fā)生接觸，端面間產(chǎn)生更多的接觸摩擦熱，進而導(dǎo)致圖3(d)中端面溫度上升.微凸體接觸力的增加以及溫度的升高同時促進了軟質(zhì)環(huán)磨損率的增加.

1.4.3 彈簧力對于摩擦性能參數(shù)的影響

在保證密封內(nèi)介質(zhì)壓力定為0.4 MPa、轉(zhuǎn)速為4 000 r/min不變的條件下，密封摩擦參數(shù)隨著彈簧力的變化趨勢如圖4所示.

Fig.4 Influence curve of spring force on seal friction parameters圖4 彈簧力對密封摩擦參數(shù)的影響曲線

在圖4(a)中，隨著彈簧力的增加，擠壓密封端面使得閉合力增加，由于端面間流體靜壓效應(yīng)不變，所以增加的閉合力由微凸體接觸承載，導(dǎo)致微凸體接觸力與閉合力同時增加.圖4(b)中，接觸摩擦扭矩與黏性剪切摩擦扭矩都隨著彈簧比壓的增加而呈線性增加，接觸摩擦扭矩的增長幅度明顯大于液膜剪切摩擦扭矩，主要是由于彈簧比壓的增加對于端面間的流體影響較小，僅在端面間隙中體現(xiàn)，但是對于端面微凸體接觸力影響明顯，導(dǎo)致端面接觸摩擦扭矩急劇增加.圖4(c)中，隨著彈簧力的增加，端面間隙逐漸減小，磨損率逐漸增大，分析其原因是端面間閉合力的增加使得端面之間接觸更加緊密，因此端面間隙不斷減小，接觸承載力不斷增大同時產(chǎn)量大量摩擦熱，如圖4(d)所示，從而使得磨損率不斷增高.

2 機械密封聲發(fā)射機制

當(dāng)接觸式機械密封處于混合摩擦狀態(tài)時，聲發(fā)射波的來源有2種：一是移動的微凸體靠近或者離開靜止的微凸體時，會導(dǎo)致微凸體的變形與恢復(fù)，由端面微凸體之間的碰撞產(chǎn)生聲發(fā)射波；二是流體-微凸體黏性摩擦產(chǎn)生的聲發(fā)射波.為更好地研究機械密封混合潤滑狀態(tài)摩擦機理，對 Towsyfyan等[30]推導(dǎo)的機械密封聲發(fā)射能量計算公式進行部分修改.

1對凹凸體之間滑動方向上的切向摩擦力可以描述為

式中， τ為作用于單個凹凸區(qū)域A的剪切應(yīng)力，A用πr2表示.

式中， τa-a為微凸體變形剪切應(yīng)力， τf-a為流體黏性剪切應(yīng)力，f為摩擦系數(shù)，r為微凸體半徑.

則作用于每個等效粗糙度自由端的摩擦力為

式中，F(xiàn)a-a為微凸體-微凸體相互作用變形摩擦力，F(xiàn)f-a為流體-微凸體相互作用黏性剪切摩擦力.

假設(shè)微凸體等效為端部加載懸臂梁，則單個等效微凸體動態(tài)彎曲過程中釋放的彈性應(yīng)變能為

式中， σb為等效凹凸變形中的彎曲應(yīng)力，Va為等效凹凸體積.

式中，y為從彎曲橫截面的任何點到中性表面的距離，I為面積慣性矩，M為彎矩.

設(shè)

則單個微凸體釋放的彈性應(yīng)變能為

式中，UiAE(a-a)為單個微凸體-微凸體相互作用產(chǎn)生的彈性應(yīng)變能，UiAE(f-a)為單個微凸體與流體黏性剪切產(chǎn)生的彈性應(yīng)變能.

由材料力學(xué)知識可知，懸臂梁自由端位移可表示為

式中，La-a為微凸體-微凸體相互作用變形產(chǎn)生的懸臂梁自由端位移，Lf-a單個微凸體與流體黏性剪切產(chǎn)生的懸臂梁自由端位移.

則微凸體釋放應(yīng)變能所需時間：

式中，ta-a為微凸體-微凸體相互作用釋放應(yīng)變能所需時間，tf-a為微凸體與流體黏性剪切釋放應(yīng)變能所需時間.

則單個微凸體應(yīng)變能釋放率為

則總應(yīng)變能釋放率為

在配合面滑動接觸過程中，部分動能轉(zhuǎn)化為聲發(fā)射信號，其余動能最終以熱能的形式散發(fā)到周圍環(huán)境.假設(shè)動能轉(zhuǎn)化為聲發(fā)射信號的系數(shù)為Ke,聲發(fā)射系統(tǒng)信號增益為Kg,則聲發(fā)射信號能量可表示為

式中，UAE(a-a)為微凸體變形產(chǎn)生聲發(fā)射信號能量，UAE(f-a)為流體黏性剪切產(chǎn)生聲發(fā)射信號能量.

3 試驗裝置

為了研究接觸式機械密封混合潤滑狀態(tài)摩擦機理以及工況參數(shù)對接觸式機械密封混合潤滑狀態(tài)聲發(fā)射波的影響，搭建接觸式機械密封試驗臺，如圖5所示,其中圖5(a)為試驗裝置示意圖，圖5(b)為試驗裝置實物圖.該試驗臺由電機、密封主體、儲油罐、AE傳感器、熱電偶傳感器與離心泵等組成，動環(huán)材料為M248，如圖6(a)所示，靜環(huán)材料為9Cr18, 見圖6(b).試驗采用四點測溫法，4個熱電偶傳感器均勻分布在靜環(huán)端面，聲發(fā)射信號采用 Fujicera-AE144SA40 聲發(fā)射傳感器采集,諧振頻率為 144 kHz，聲信號經(jīng) 40 dB 前置放大器和信電分離器傳至聲發(fā)射采集卡.密封啟動時間為3 s,采集時間550 s,采樣頻率為100 000 S/s，試驗工況參數(shù)列于表1中.

表1 試驗工況Table 1 Test conditions

Fig.5 Contact mechanical seal test bench圖5 接觸式機械密封試驗臺

Fig.6 Sealing rings圖6 密封環(huán)

4 試驗結(jié)果與分析

4.1 密封環(huán)端面溫度分析

因為滑動接觸主要產(chǎn)生兩部分能量，部分動能產(chǎn)生聲發(fā)射能量波，部分以熱能形式散失，所以密封環(huán)溫度與聲發(fā)射信號有相同的趨勢性.將4個熱電偶傳感器采集到的溫度作均值，4種試驗工況下密封環(huán)端面溫度隨時間變化如圖7所示.以試驗工況2為例，密封啟動后，隨著時間的增加，溫度分為2個階段：第1階段，溫度曲線不斷上升至極大值點，此時密封端面間微凸體直接接觸和流體的黏性剪切產(chǎn)生大量熱量致使密封端面溫度急速上升，定義此階段為混合潤滑磨損期；第2階段，溫度曲線在一定范圍內(nèi)上下浮動，此階段內(nèi)溫度較為穩(wěn)定，端面存在局部的微凸體直接接觸產(chǎn)生熱量，同時密封端面受到潤滑介質(zhì)沖洗導(dǎo)致端面溫度下降，定義此階段為混合潤滑穩(wěn)定期.從圖7中可知，密封運行500 s后端面仍有溫度上升，說明摩擦產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)至熱電偶傳感器有10~15 s的滯后.

Fig.7 Seal ring end face temperature profile圖7 密封環(huán)端面溫度曲線

4.2 三階累計量一維對角切片譜分析

應(yīng)用聲發(fā)射技術(shù)對機械密封進行狀態(tài)監(jiān)測時，往往面臨聲發(fā)射信號易受噪聲影響以及 特征信號難以提取的問題，為解決上述問題，本章節(jié)中對聲發(fā)射信號處理方法進行研究，將三階累積量一維對角切片譜(1.5維譜)應(yīng)用于接觸式機械密封聲發(fā)射信號處理.1.5維譜可以完全抑制高斯噪聲，檢驗和提取信號中非線性信息，保留了信號中的非高斯成分[31].

雙譜又稱三階譜，是最常用的高階譜.對于零均值的平穩(wěn)隨機過程x(t)，其三階累計量為

式中， c um 為累計函數(shù)， τ1和 τ2為時延.

雙譜為三階累積量的二維傅里葉變換：

式中， ω1和 ω2為頻率，j是虛數(shù).

但雙譜不僅需要大量的計算且存在維度上的限制，故對雙譜進行一維對角切片進行進一步分析.

根據(jù)式(40)，當(dāng) τ1=τ2=τ時，三階累積量為

其1.5維譜為

式中，X(ω)為x(t) 的傅里葉變換， ?為卷積運算.

4.2.1 空轉(zhuǎn)試驗

為了保證聲發(fā)射測量在摩擦學(xué)行為診斷中的可靠性，設(shè)置了空轉(zhuǎn)試驗工況5，以排除與密封環(huán)摩擦無關(guān)頻率.對無密封環(huán)試驗數(shù)據(jù)進行1.5維譜分析，如圖8所示，聲發(fā)射能量主要集中在0~1 000 Hz的頻率范圍內(nèi)，這些頻率與試驗臺旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的其他聲源有關(guān)，與密封摩擦聲源無關(guān).

Fig.8 1.5-dimensional spectrum of the idle experiment圖8 空轉(zhuǎn)試驗1.5維譜圖

4.2.2 啟動階段

當(dāng)密封處于啟動階段，端面潤滑不充分，密封處于干摩擦和邊界潤滑狀態(tài).將不同轉(zhuǎn)速、介質(zhì)壓力和預(yù)緊力的啟動階段試驗數(shù)據(jù)進行1.5維譜分析，如圖9所示，頻譜圖中f=3950 Hz及其諧波倍頻占主要成分，聲發(fā)射信號中具有周期性脈沖，將頻率f=3950 Hz及其諧波倍頻看作微凸體接觸產(chǎn)生的特征頻率.而圖9(a)中，除f=3950 Hz及其諧波倍頻外存在其他較低幅值的頻率，這是由于較低的轉(zhuǎn)速產(chǎn)生較小的離心力，潤滑介質(zhì)可以更好地進入密封端面之間從而生成一層流體膜，流體膜的黏性剪切產(chǎn)生了特征頻率,但此時流體膜黏性剪切產(chǎn)生的聲發(fā)射波能量較為微弱.

4.2.3 混合潤滑磨損期

考慮到密封環(huán)溫度的滯后性，為保證試驗數(shù)據(jù)的嚴(yán)謹(jǐn)性，取不同轉(zhuǎn)速、介質(zhì)壓力和預(yù)緊力的混合潤滑磨損期中間段數(shù)據(jù)進行1.5維譜分析，如圖10所示，頻譜圖中微凸體接觸特征頻率幅值明顯，流體膜黏性剪切產(chǎn)生的特征頻率幅值較小.這說明在混合摩擦磨損期，密封端面間摩擦多以微凸體接觸摩擦為主，流體黏性剪切摩擦較少，摩擦產(chǎn)生大量熱量使得密封環(huán)端面溫度升高.

Fig.10 1.5-dimensional spectrum of the wear period in hybrid lubrication圖10 混合潤滑狀態(tài)磨損期1.5維譜圖

與圖10(a)相比，圖10(b)中的頻率幅值增大1個量級，這是由于在圖2中雖然隨著轉(zhuǎn)速的增大，密封端面間的接觸特性并沒有發(fā)生變化，但是由式(38)和式(39)可知，微凸體接觸和流體黏性剪切產(chǎn)生的聲發(fā)射波能量與密封端面間的相對滑動速度成正比.

與圖10(b)相比，圖10(c)和圖10(d)中的頻率幅值較高，這是由于在圖3和圖4中隨著介質(zhì)壓力和彈簧力的增加，微凸體接觸力線性增加且端面間隙逐漸變小使得微凸體真實接觸面積增加，由式(38)可知，微凸體直接接觸產(chǎn)生的聲發(fā)射信號能量與微凸體接觸力和微凸體真實接觸面積成正比，同時流體黏性剪切產(chǎn)生的聲發(fā)射信號能量也與微凸體真實接觸面積成正比.

4.2.4 混合潤滑穩(wěn)定期

取不同轉(zhuǎn)速、介質(zhì)壓力和預(yù)緊力的混合潤滑穩(wěn)定期中間段數(shù)據(jù)進行1.5維譜分析，如圖11所示，頻譜圖中流體膜黏性剪切產(chǎn)生的特征頻率幅值較高，微凸體直接接觸特征頻率被流體膜黏性剪切產(chǎn)生的特征頻率淹沒.這說明在混合摩擦穩(wěn)定期，密封端面間充分潤滑，流體黏性剪切效應(yīng)增強，密封端面間只存在局部微凸體接觸.

5 結(jié) 論

a.基于考慮流量因子的平均雷諾方程和彈塑性模型，探究了工況參數(shù)對密封混合潤滑狀態(tài)摩擦參數(shù)的影響：隨著轉(zhuǎn)速的增大，密封端面接觸特性沒有變化，導(dǎo)致密封間隙不變，而流體膜黏性剪切摩擦扭矩和端面磨損率不斷增大；隨著介質(zhì)壓力的增大，密封間隙逐漸減小，微凸體接觸力和液膜承載力呈線性增大，接觸摩擦扭矩、黏性剪切摩擦扭矩和端面磨損率均不斷增大；隨著彈簧力的增大，微凸體接觸力逐漸增大，密封間隙逐漸減小，接觸摩擦扭矩、黏性剪切摩擦扭矩和端面磨損率均不斷增大.

b.將接觸式機械密封混合潤滑狀態(tài)分為磨損期和穩(wěn)定期，將1.5維譜理論應(yīng)用于密封聲發(fā)射信號特征頻率提取，發(fā)現(xiàn)在磨損期，微凸體直接接觸特征頻率幅值明顯，流體膜黏性剪切產(chǎn)生的特征頻率幅值較小，此階段密封端面間摩擦以微凸體接觸為主，端面溫度急速上升；在穩(wěn)定期，微凸體直接接觸特征頻率被流體膜黏性剪切產(chǎn)生的特征頻率淹沒，此階段密封端面間充分潤滑，流體黏性剪切效應(yīng)增強，密封端面間只存在局部微凸體接觸，端面溫度穩(wěn)定在一定范圍內(nèi).