摘 要 采用聲發(fā)射（AE）監(jiān)測技術(shù)，監(jiān)測密封界面不同摩擦狀態(tài)和不同故障AE信號，利用時頻分析方法提取信號時頻特征，進而探尋密封AE信號特征與端面接觸摩擦狀態(tài)的映射關(guān)系。研究結(jié)果表明：密封端面摩擦下激發(fā)的AE信號頻率為270 kHz±40 kHz范圍內(nèi)的高頻帶;干摩擦模式下的均方根值隨轉(zhuǎn)速增加而呈現(xiàn)持續(xù)攀升狀態(tài);彈簧失效模式下的RMS、脈沖因子和裕度因子在1 000 r/min之后與健康密封相比差異較大，遠(yuǎn)高于健康密封。

關(guān)鍵詞 聲發(fā)射 旋轉(zhuǎn)動密封 故障診斷 狀態(tài)監(jiān)測

中圖分類號 TH136" "文獻標(biāo)志碼 A" "文章編號 0254?6094（2025）02?0229?11

機械大數(shù)據(jù)已經(jīng)成為揭示機械故障演化過程及本質(zhì)的重要資源，數(shù)據(jù)量的規(guī)模、解釋運用的能力也將成為當(dāng)代機械故障診斷最為重要的部分。旋轉(zhuǎn)動密封作為防止介質(zhì)泄漏和外界雜質(zhì)流入的重要零部件，通過傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對其實施實時數(shù)字化監(jiān)測、建立監(jiān)測數(shù)據(jù)分析處理模型、感知異常情況并采取預(yù)知性主動維護策略，能夠最大程度地減少能源損耗和資源浪費，從而提高機械設(shè)備的運行效率和壽命。

聲發(fā)射檢測方法已被證明在檢測旋轉(zhuǎn)機械的早期故障方面具有卓越的潛力[1～4]。聲發(fā)射（Acoustic Emission，AE）技術(shù)對潤滑系統(tǒng)摩擦狀態(tài)的依賴性，為軸承[5，6]、風(fēng)力渦輪機[7，8]及齒輪箱[9，10]等摩擦系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測提供了強大的支持。根據(jù)旋轉(zhuǎn)動密封的工作條件，3種主要機制可能有助于配合面表面滑動接觸中AE的產(chǎn)生，即潤滑層剪切引起的粘性摩擦[11～13]，由于表面粗糙體和流體流動之間的相互作用而引起的粗糙體變形（由于表面粗糙體的動態(tài)彎曲和恢復(fù)，導(dǎo)致流體動力潤滑狀態(tài)下表面粗糙體產(chǎn)生振動行為的發(fā)展）[11]和直接粗糙體接觸[11，13～15]。

除了了解旋轉(zhuǎn)動密封中摩擦學(xué)AE的來源機制外，分析AE信號的時頻域信息對于檢測機械密封運行狀態(tài)同樣具有重要意義。在AE信號統(tǒng)計特征中，均方根（Root Mean Square，RMS）值（作為AE活動的指標(biāo)）與滑動接觸中AE源機制的多重相互作用之間存在很強的關(guān)聯(lián)[15～19]。這種相關(guān)性在文獻[14]中得到了理論證明。FAN Y E試圖將峰度與旋轉(zhuǎn)動密封接觸的嚴(yán)重程度聯(lián)系起來，但并未成功[20]。MIETTINEN J和SIEKKINEN V研究了15 kW離心泵上旋轉(zhuǎn)動密封在不同工況下滑動接觸行為的AE響應(yīng)，但這項研究僅限于簡單的時域分析[21]。頻域分析通?？梢员葧r域特征更好地指示機械故障[7]，但由于AE事件的性質(zhì)、衰減、色散、多次反射及AE信號在傳播過程中的非線性特性等造成的其他限制，AE頻域分析比時域分析更易受到噪聲的影響。HASE A等的研究表明，可以根據(jù)AE頻譜的特征（例如頻率峰值和頻帶）識別不同磨損機制（即粘著磨損和磨料磨損）[22]。WANG Q和CHU F[23]在文獻[24]的基礎(chǔ)上，使用包絡(luò)AE波形的頻譜對350 MW蒸汽輪機的密封摩擦情況進行分析，據(jù)報道，由于受到?jīng)_擊、結(jié)構(gòu)特性、油膜和噪聲的影響，傳統(tǒng)的頻域技術(shù)無法輔助識別摩擦源。聯(lián)合時頻分析方法（如短時傅里葉變換[25]、Wigner?Ville分布[26]、小波分析）則解除了上述時域分析和頻域分析方法在處理機械設(shè)備實際工作中所響應(yīng)的非平穩(wěn)信號時，無法提供頻率特性和時間頻率成分信息的限制。TOWSYFYAN H等使用短時傅里葉變換對采集到的接觸式旋轉(zhuǎn)動密封AE信號進行分析，找到了可以呈現(xiàn)機械密封摩擦學(xué)行為的頻率范圍，但并未對故障信號進行時頻分析，探查故障信號頻率特性[27]。

基于上述研究基礎(chǔ)，筆者搭建旋轉(zhuǎn)動密封試驗臺與信號監(jiān)測系統(tǒng)，采用高頻寬域與強靈敏的聲發(fā)射儀器，監(jiān)測健康密封（在正常運行條件下，保持穩(wěn)定、可靠且無泄漏的密封裝置）與故障密封AE信號，并從AE信號時頻域、統(tǒng)計特征的角度對密封干摩擦故障模式和彈簧失效故障模式建立了數(shù)字響應(yīng)通道，分析并提取信號時頻特征，進而探尋密封AE信號特征與端面接觸和不同故障模式下摩擦狀態(tài)的傳遞規(guī)律和反饋機制。

1 試驗裝置和測量方法

1.1 旋轉(zhuǎn)動密封原理

文中的測試對象為非接觸式旋轉(zhuǎn)動密封，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。非接觸式旋轉(zhuǎn)動密封是由一對異種材質(zhì)構(gòu)成的密封摩擦副，形成阻漏通道，并在摩擦副表面開設(shè)流體動壓微納槽型，促使低壓氣體在摩擦副界面升壓流動形成全膜潤滑，阻止高壓介質(zhì)對動力裝置造成污染和破壞。

1.2 試驗系統(tǒng)及測試方案

旋轉(zhuǎn)動密封狀態(tài)監(jiān)測試驗系統(tǒng)主要由傳動系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、密封系統(tǒng)和測試系統(tǒng)組成，主要元器件及其性能參數(shù)見表1。

圖2展示了試驗臺的示意圖以及狀態(tài)監(jiān)測流程。采用雙通道AE傳感器呈90°對稱放置于密封腔體外殼上，以獲得信號最佳采集效果。此外，AE信號分析裝置已與AE傳感器同步，以便更準(zhǔn)確地研究密封件的摩擦學(xué)行為。圖3展示了本試驗所用的健康和故障密封環(huán)實物圖。

本研究的試驗工作在0.1 MPa密封壓力下進行，記錄了健康運行、模擬干摩擦運行和彈簧失效故障數(shù)據(jù)。動環(huán)試驗材料為SiC，靜環(huán)試驗材料為石墨。對于每種不同工況，在50 r/min±5 r/min～2 000 r/min±5 r/min轉(zhuǎn)速下進行，步長為200 r/min，以生成旋轉(zhuǎn)動密封的不同摩擦學(xué)狀態(tài)。每個轉(zhuǎn)速下采集600個信號樣本。

1.3 數(shù)據(jù)處理模型

筆者選用具有多尺度分析、高時間分辨率、強適應(yīng)性、頻率高局部化的連續(xù)小波變換時頻分析技術(shù)處理密封AE信號。

設(shè)函數(shù)f（t）和小波函數(shù)ψ（a，t）具有傅里葉變換，則f（t）關(guān)于ψ（a，t）的連續(xù)小波變換定義為[28]：

通過對試驗信號的先驗分析，選擇在一定頻率范圍內(nèi)可以良好均衡低頻和高頻信息的bump小波作為基函數(shù)，同時，bump小波具有較高的稀疏性，方便后續(xù)信號的處理和分析。bump小波基函數(shù)ψ（ω）的表達式如下：

式中 γ——頻域變量;

γ——中心頻率;

Δγ——與小波寬度相關(guān)的參數(shù)，控制小波的頻域支撐。

對密封AE狀態(tài)信號進行時頻統(tǒng)計特征分析，可以提供更全面而準(zhǔn)確的狀態(tài)信息，有助于更好地優(yōu)化運行狀態(tài)和故障特征的監(jiān)測。筆者使用RMS、脈沖因子（Pulse Factor，PF）、裕度因子（Margin Factor，MF）和能量（Energy，EN）4個特征指標(biāo)對密封AE信號進行分析。為了維持?jǐn)?shù)據(jù)平衡、削減個別異常值的影響，對600個數(shù)據(jù)段的統(tǒng)計特征值進行均值計算處理。

2 密封端面摩擦信號分析

2.1 密封端面接觸摩擦信號頻率識別

無密封測試是指將動環(huán)和靜環(huán)從密封組件上移除，使密封組件進行無密封空轉(zhuǎn)。從圖4a可以看到，無密封測試中轉(zhuǎn)速在1 000～2 000 r/min時的AE能量頻率主要集中在0～35 kHz（點A）和100～150 kHz（點B），且其頻率振幅具有良好的追隨性，而800 r/min以下的頻率振幅幾乎不可見。繪制50～800 r/min的時頻圖，如圖4b所示，可以觀察到A、B頻帶的存在，但是頻帶振幅量級較小，且A頻帶振幅更為微弱。A、B兩個頻帶與背景噪聲源（如電機振動和軸承的元件接觸）有關(guān)，因此，其不能作為有效AE信息。

在偽靜止測試中，手動轉(zhuǎn)動無壓測試設(shè)備的驅(qū)動軸，以產(chǎn)生密封端面間的緩慢接觸滑動。然而，觀察圖5發(fā)現(xiàn)，圖4中的頻帶B依然存在，但頻帶A被掩沒，且頻帶A的振幅與無密封基本一致，而頻帶B的振幅卻比無密封高出近百倍，如圖5中頻帶A的放大圖所示。由此推斷出，頻帶A的AE源是距離傳感器較遠(yuǎn)的試驗臺零部件，頻帶B的AE源則是距離傳感器較近的零部件。另外，圖5中除頻帶A、B外，還出現(xiàn)了270 kHz±40 kHz范圍內(nèi)的高頻帶（頻帶C）。運用Zego表面形貌輪廓儀標(biāo)定密封摩擦副磨損前后的表面形貌紋理結(jié)構(gòu)的變化，通過高斯擬合形成不同表面粗糙度下的形貌特征和紋理結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)，密封摩擦副在未產(chǎn)生磨損時，表面粗糙度僅為0.025 19 μm，其表面較為光滑，如圖6a所示。當(dāng)驅(qū)動軸被手動轉(zhuǎn)動，使摩擦副端面間發(fā)生長時間接觸摩擦后，端面出現(xiàn)圓周狀的犁痕，并且其表面粗糙度高達1.353 7 μm，如圖6b所示。由此可推斷出，密封對偶面間發(fā)生摩擦行為，粗糙峰發(fā)生形變，進而造成的端面能場變化是頻帶C的AE源。

2.2 健康密封摩擦信號響應(yīng)趨勢

為了研究旋轉(zhuǎn)動密封摩擦接觸AE響應(yīng)趨勢，在0.1 MPa進氣壓力時采集多個穩(wěn)態(tài)速度下的健康密封AE信號。在測試過程中，負(fù)載保持恒定，速度逐級增加，使用這種方法，可以定量分析不同轉(zhuǎn)速下的AE接觸響應(yīng)趨勢。如圖7a所示，A、B、C3個頻帶在50～800 r/min時清晰可見，振幅隨轉(zhuǎn)速的升高而降低，表明直接碰磨是軸低轉(zhuǎn)速下的主要AE源。1 000～2 000 r/min下，頻帶A、B整體趨勢和振幅與無密封時幾乎一致，隨轉(zhuǎn)速的升高而升高，頻帶C振幅則較為微弱，如圖7b所示。這時，試驗臺的背景噪聲則成為了軸高轉(zhuǎn)速下的主要AE源。這進一步驗證了2.1節(jié)中的結(jié)論，說明了頻帶A、B代表噪聲頻率。雖然頻帶A、B所代表的噪聲源頻率振幅也具有追隨性，但研究由摩擦學(xué)行為產(chǎn)生的AE信號更具有價值。因此，設(shè)計了一個帶通濾波器用于AE原始數(shù)據(jù)（圖7c、d），并將該濾波器應(yīng)用于文中的時頻分析。

根據(jù)旋轉(zhuǎn)動密封的工作原理，造成上述情況的主因是電機從50 r/min逐級提高到2 000 r/min的過程中，密封從端面閉合逐步成為具有穩(wěn)定氣膜的非接觸式密封，經(jīng)歷了邊界潤滑、混合潤滑和流體動力潤滑，具體取決于著名的斯特里貝克曲線所表征的操作條件，如圖8所示。

在AE信號特征指標(biāo)中，AE信號的均方根（RMS）值（作為AE活動的指標(biāo)）已被證實與滑動接觸中AE源機制的多重交互作用之間存在著強烈的關(guān)系[15，19]。如圖9所示，健康密封的RMS值隨著密封端面經(jīng)歷邊界潤滑、混合潤滑和流體動力潤滑3個階段，其響應(yīng)趨勢表現(xiàn)為先升高，再下降，最后再緩慢上升。在流體動力潤滑階段的RMS值與無密封接近一致。AE信號的RMS分析與時頻分析結(jié)論相互佐證。健康密封的其余統(tǒng)計指標(biāo)將在3.1節(jié)中與干摩擦狀態(tài)測試一同分析。

上述研究證明了頻率范圍和頻率振幅可以正確地呈現(xiàn)旋轉(zhuǎn)動密封的端面接觸響應(yīng)機制及其摩擦學(xué)行為，因此可以應(yīng)用于精確的密封狀態(tài)監(jiān)測。

3 密封故障模式AE信號分析

3.1 密封干摩擦狀態(tài)

將測得的干摩擦測試原始信號通過連續(xù)小波變換轉(zhuǎn)換為時頻圖發(fā)現(xiàn)，相較于健康密封狀態(tài)下的摩擦AE頻率，其全轉(zhuǎn)速下的幅值保持相對較高的水平，這是由于密封配合面總是處于邊界潤滑階段。其主要AE源是大量的粗糙峰直接接觸導(dǎo)致的粗糙峰形變，但隨轉(zhuǎn)速提高有緩慢下降的趨勢（圖10）。

分析時域和頻域中的典型特征指標(biāo)可以進一步了解密封端面摩擦AE響應(yīng)機制。計算干摩擦測試下采集到的均方根、脈沖因子、裕度因子、能量4個特征指標(biāo)值并分別對其進行均值計算，最后畫出4個特征指標(biāo)隨轉(zhuǎn)速的變化趨勢（圖11）。

干摩擦測試的RMS呈現(xiàn)為先急劇上升，隨后緩慢上升的發(fā)展趨勢（圖11a）。原因在于，密封配合面處于摩擦過程中會引起摩擦表面劃傷和表層材料脫落，產(chǎn)生微小磨粒，同時由于靜環(huán)材料為石墨，軟性材料，磨粒容易壓入摩擦表面，產(chǎn)生壓痕，從表面擠出剝落顆粒，再次形成微小磨粒。當(dāng)密封環(huán)轉(zhuǎn)速較低、運行時間較短時，其摩擦表面產(chǎn)生磨粒及發(fā)生磨粒磨損現(xiàn)象;當(dāng)轉(zhuǎn)速較高，運行時間較長時，摩擦表面產(chǎn)生的磨粒充當(dāng)了潤滑介質(zhì)的角色，起到了一定的潤滑減摩效果。健康密封的RMS值隨著密封端面經(jīng)歷邊界潤滑、混合潤滑和流體動力潤滑3個階段，其響應(yīng)趨勢表現(xiàn)為先升高再下降，最后再緩慢上升。干摩擦的RMS值近百倍于健康密封。這同時也證明了AE信號的RMS值與AE源之間的強烈交互關(guān)系。

從圖11b、c中可以看出，健康密封的脈沖因子、裕度因子的發(fā)展趨勢一致，都是在邊界潤滑階段和混合潤滑階段處于上升趨勢，轉(zhuǎn)入混合潤滑階段時，開始緩慢下降，而進入流體動力潤滑階段之后，再次緩慢上升。原因在于密封端面處于邊界潤滑和混合潤滑階段時，由于動壓效應(yīng)不足產(chǎn)生碰磨現(xiàn)象，進入流體動力潤滑階段后，氣膜完全打開，碰磨現(xiàn)象消失。而干摩擦測試的脈沖因子和裕度因子整體都遠(yuǎn)高于健康密封，在200 r/min以下時，其脈沖因子、裕度因子迅速下降，而后隨轉(zhuǎn)速升高逐步增加，在1 400 r/min時出現(xiàn)下降趨勢。

健康密封的信號能量隨著其密封端面經(jīng)歷邊界潤滑、混合潤滑和流體動力潤滑逐步下降，在流體動力潤滑階段隨轉(zhuǎn)速升高而緩慢增大。干摩擦測試的信號能量趨勢表現(xiàn)為50～1 000 r/min快速上升，1 000～1 600 r/min轉(zhuǎn)為快速下降，1 600 r/min之后再度上升，如圖11d所示。

上述分析結(jié)果表明，當(dāng)密封AE信號可以顯著觀察到270 kHz±40 kHz頻帶且其振幅和AE信號的均方根、脈沖因子、裕度因子、能量遠(yuǎn)高于健康密封時，可判定當(dāng)前密封端面處于干摩擦狀態(tài)。

3.2 彈簧失效狀態(tài)

圖12展示了彈簧失效狀態(tài)下的AE信號時頻圖。由圖可以看出，在低速（100 r/min以下）摩擦下的AE頻帶270 kHz±40 kHz振幅遠(yuǎn)高于轉(zhuǎn)速100～600 r/min時的振幅，而相較于600 r/min以下的轉(zhuǎn)速，600 r/min以上轉(zhuǎn)速的振幅量級縮小了100倍，但仍高于健康密封近2倍。

彈簧失效狀態(tài)下的摩擦AE振幅發(fā)展趨勢相較于健康密封，邊界潤滑進入混合潤滑的轉(zhuǎn)速提前了100 r/min，混合潤滑進入流體動力潤滑的轉(zhuǎn)速提前了200 r/min，如圖13a所示。上述表明，在彈簧失效時，靜環(huán)組件的補償力變得非常不穩(wěn)定，導(dǎo)致動靜環(huán)的預(yù)施加力不足，動、靜密封環(huán)會提前脫開。因此，與健康密封相比，從邊界潤滑過渡到混合潤滑、再到流體動力潤滑的速度更快。彈簧失效測試中的脈沖因子和能量隨轉(zhuǎn)速變化的整體趨勢與健康密封基本一致，脈沖因子、裕度因子在1 000 r/min之后均遠(yuǎn)高于健康密封，且攀升速度較快，如圖13b～d所示。對比圖7d和圖12b發(fā)現(xiàn)，彈簧失效測試中800～2 000 r/min的摩擦AE頻帶振幅約為健康密封的2倍，圖13a中的彈簧失效測試在1 000 r/min之后的RMS也表現(xiàn)出了更高的水平。由此表明，由于彈簧缺失，密封端面受力失衡，從而導(dǎo)致密封間隙不均勻，而高速使間隙不均勻現(xiàn)象更為明顯，因此有一些表面區(qū)域受到了更高的接觸壓力，密封端面摩擦現(xiàn)象更為嚴(yán)重，檢測到的AE活性更高。

因此，AE統(tǒng)計特征指標(biāo)對密封間隙完整的依賴性證明了所提方法在調(diào)查密封頭組件（如二級密封、彈簧等）故障方面的強大潛力，并且當(dāng)密封環(huán)轉(zhuǎn)速高于1 600 r/min時，RMS值、脈沖因子和裕度因子數(shù)值持續(xù)攀升，而能量卻和健康密封近乎一致時，可認(rèn)為密封頭組件中的彈簧出現(xiàn)了問題。

4 結(jié)論

4.1 試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果顯示，旋轉(zhuǎn)動密封運行過程中，AE信號由密封間隙中的摩擦源機制產(chǎn)生，且能夠快速響應(yīng)密封端面接觸所產(chǎn)生的摩擦學(xué)行為，摩擦AE信號頻率在試驗材料動環(huán)為SiC、靜環(huán)為石墨時展現(xiàn)為270 kHz±40 kHz的高頻帶。

4.2 摩擦AE頻率振幅變化以及均方根值均能清晰識別旋轉(zhuǎn)動密封健康運行下的不同摩擦潤滑狀態(tài)。

4.3 旋轉(zhuǎn)動密封聲發(fā)射信號統(tǒng)計特征指標(biāo)的綜合分析表明，脈沖因子、裕度因子特征指標(biāo)對隨轉(zhuǎn)速增加所引發(fā)的摩擦學(xué)行為變化均表現(xiàn)出高敏感性，RMS和能量表現(xiàn)出了較好的穩(wěn)定性。

4.4 當(dāng)旋轉(zhuǎn)動密封處于干摩擦狀態(tài)時，可被認(rèn)為密封發(fā)生了嚴(yán)重故障（密封端面間氣膜消失，端面發(fā)生直接接觸或碰撞），此時其摩擦AE頻率270 kHz±40 kHz振幅表現(xiàn)為高水平活動;當(dāng)密封組件中彈簧出現(xiàn)故障時，相比于健康密封，其不同潤滑狀態(tài)的臨界速度會提前。

4.5 本研究為利用聲發(fā)射技術(shù)監(jiān)測旋轉(zhuǎn)動密封運行狀態(tài)提供了可行性證明，對后續(xù)旋轉(zhuǎn)動密封向智能化、高可靠、長壽命方向發(fā)展具有重要意義。

參 考 文 獻

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