机械密封端面摩擦特性参数及其测试技术(2)

2.3、端面温度的测试技术

　　机械密封端面温度的测量方法主要有热电阻法、热电偶法和非接触红外测量法等。热电阻温度传感器测量精度高、响应速度快, 因而在测量端面温度时能直观地反映密封面的摩擦发热情况。它的缺点是测量精度相对较低、线性差、老化快、对环境温度敏感性大, 且体积较大, 难以多点测量。用于测量流体润滑状态下的机械密封端面温度时, 效果较好, 在混合摩擦状态下, 测试数据稳定性较差。热电偶温度传感器可以做得很小, 因而可方便地埋设于密封环内, 且便于多点测量。该类传感器的最显著特点是测试精度高、相对稳定性好, 其缺点是响应速度不如热电阻温度传感器。红外测温法是利用红外光谱进行测温的一种方法, 能实现端面温度的连续、实时测试,但是, 因受表面发射率、周围环境等许多因素的影响, 其测温精度通常低于热电偶的测温精度, 特别是红外热像仪价格昂贵, 因而难以推广使用。

　　T PWill利用在密封环内埋设热电偶的方法, 对密封端面沿径向和轴向的温度梯度, 以及靠近密封端面的液体温度进行了测量 ; J C Doane在密封环内埋设许多热电偶也测量了密封端面的温度及其梯度; R LPhillip s等在一个实质为泵装置的密封中埋设热电偶, 对密封端面温度进行了测量, 并用接近测量结果的数值方法估算了努赛尔数。B Tournerie利用红外照相机对机械密封端面温度场进行了测量。

　　在国内, 王玉明通过在距离静环端面1mm左右处埋设热敏电阻对螺旋槽流体动压非接触式机械密封的端面温度进行了测量。宋鹏云、朱孝平等利用在静环内埋设热电偶对机械密封端面温度进行了测定。白英铎采用HUGHES27300型热像仪对气膜密封端面温度进行了测量。

2.4、端面流体膜厚的测试技术

　　流体膜厚测量实质上是位移和振幅测量, 但由于流体膜极薄, 测量难度较大, 一般位移传感器难以对如此小的位移变化做出精确响应, 国内外的密封工作者多年来对此做了大量的尝试和研究。目前常用的测量方法有电容法和电涡流法。

　　B A Batch应用电容法进行膜厚测量, 在静环端面相距90°安装了3个圆柱形探头, 探头埋在静环中粘牢后, 静环端面与探头一起研磨平齐, 每个探头作为平板电容器的一个极, 动环接地形成电容器的另一个极, 工作时两极间由液膜隔开, 通过电子线路将电容量的变化转变为电压的变化, 即可测出膜厚;J Carl在密封环端面上安装了5个探头, 其中3个测量环向间隙, 另2个测量径向间隙, 从而可同时测出平均膜厚和膜厚的波动 ; J Digard在其试验装置中也采用了电容法测量端面流体膜厚。

　　电容法具有简单易行、灵敏度高、输出线性和热稳定好的特点, 但是寄生电容以及介质介电常数的变化对测量结果将产生不可忽略的影响。特别是常用动环接地的引线方式受试验装置中轴承流体膜的影响,轴承流体膜厚度的变化有可能将密封端面流体膜厚的测量结果完全掩盖。李宝彦等采用电容法测量膜厚,动环引线采用了集流环方式, 以消除轴承中流体膜变化带来的影响, 同时测量了动态下寄生电容和介质的介电常数, 并对测量结果进行了修正, 从而提高了精确度和可信度。

　　电涡流法采用的是一种电感传感器———电涡流传感器。电涡流传感器是一种能将机械位移、振幅等参量转换成电信号输出的非电量电测装置。它由探头、变换器、连接电缆及被测导体组成, 既可用于静态测量也可用于动态测量, 是一种能实现非接触测量的有效工具。电涡流法具有线性范围大、灵敏度高、动态响应好、结构简单、尺寸小、可实现非接触测量等优点, 特别是传感器不受其前流体的影响, 比较适合机械密封端面流体膜厚的测量。但电涡流传感器使用时会受很多因素限制, 如电涡流传感器的工作对象必须是金属导体, 且表面应光滑; 被测金属表面的面积应大于电涡流传感器直径的1183倍; 电涡流传感器的感应磁场很弱, 因此周围存在的杂散磁场对其灵敏度会产生很大的影响, 同时也会在信号中夹杂干扰磁场的成份, 所以需要屏蔽措施; 另外, 动环的材料必须有较好的导磁性(可采用硬质合金碳化钨) 。目前,国内外采用电涡流法测量机械密封端面膜厚试验装置较多。顾永泉、胡丹梅、陈铭和Min Zou等均采用电涡流法对机械密封端面流体膜厚进行了测量, 并取得了较好的效果。

　　W B Anderson于2001 年将超声波检测技术用于机械密封端面接触状态研究中, 在多种工况下, 对超声波的变化进行了分组实验, 并取得了满意的实验结果。王和顺等对声波检测法测试机械密封端面接触状态进行了探讨。目前, 利用声波技术对机械密封端面接触情况进行检测尚处于起步阶段, 实用型检测还需大量的实验研究。

　　除上述的膜厚测试方法外, 还有电阻法、电压降或电荷电压法、光干涉法和激光法等。

2.5、端面流体膜压的测试技术

　　EMayer较早对机械密封端面间的流体膜压进行了测量尝试, 他通过在静环上开相隔90°的3个直径为2 mm的通孔将流体引至压力传感器, 对端面膜压进行了测量。宋鹏云、G F Bremner、V A Zikeev、张继革等也采用开测压孔的方法, 对端面膜压进行了测量。用开测压孔的方法测量膜压时, 由于测压孔的存在会使开孔部位的液膜流场发生改变, 从而测量结果中引入了误差。I J Billington用不同直径测压孔进行比较, 得到的结论是: 对于层流流动, 开孔尺寸的影响可以忽略; 而对于紊流流动, 影响则相当显著。

　　张家犀等将3个微型压阻式传感器沿静环周向均布安装于3处不同的径向位置, 对端面膜压进行了测试。J Digard在静环上设置一直径为1.6mm的微型传感器, 以测试端面膜压, 静环及其支承可相对于动环作径向移动, 以便测试沿径向宽度的膜压分布。用于机械密封端面流体膜压的测试, 还有压电式传感器、电容式传感器及电容式压力传感器。总之, 上述各种膜压的测试方法都取得了一定结果, 但还存在不少问题, 研究工作还有待于进一步深入。

3、结束语

　　随着机械密封技术的日益发展, 对试验装置和检测手段的要求也越来越高, 特别是端面摩擦特性参数的测试精度, 可靠性要求更加严格。为提高试验效率, 减轻试验人员负担, 利用计算机进行数据采集与处理已成为一种趋势。与密封端面摩擦有关的特性参数的测试难度较大, 测试精度和可靠性还有待于进一步提高, 而消除测试过程中外部较大的干扰信号则是关键技术。