苏ICP备112451047180号-6
摘要
机械密封由于泄漏量小、不需要日常维护，已成为旋转机械中最受欢迎的密封系统之一。一般情况下，机械面密封应该在流体膜尽可能薄的情况下工作，以减少泄漏，限制摩擦和磨损。
基于有限元建模和分析方法的计算机软件系统的最新进展有助于了解机械面密封的工作条件。本文根据近年来的文献，对机械密封的摩擦学性能和状态监测进行了综述。它涵盖了机械密封的摩擦、磨损和热特性，以及计算方法和其他技术的应用，以便更好地理解密封表面的摩擦学行为和状态监测。
介绍
机械密封是泄漏控制装置，可用于旋转设备，如泵，船舶和潜艇的螺旋桨轴，压缩机，调节器，汽车和涡轮喷气发动机以及航空航天工业中的液体推进剂火箭发动机，以防止或减少到最低可接受的水平组件之间的泄漏的气体或液体的表面。
机械密封还可以防止灰尘通过这些表面进入。密封是在两个非常光滑、非常扁平的环面之间制造的，一个环与轴相连并与轴一起旋转，另一个环与壳体相连并保持静止。传统机械密封元件示意图如图1所示。由于技术要求的不断提高，机械密封在各种工况下得到了广泛的应用。端面密封必须在较高的压力和速度下工作，因此机械密封的失效可能是由多种因素造成的。典型的密封失效情况如图2所示。虽然密封件的生产成本较低，但是这些部件的任何失效都会对液压系统造成严重的破坏，往往会导致大量的流体泄漏到环境中。为此，对机械密封的摩擦学行为、有限元分析和状态监测进行了综述。虽然密封件的生产成本较低，但是这些部件的任何失效都会对液压系统造成严重的破坏，往往会导致大量的流体泄漏到环境中。为此，对机械密封的摩擦学行为、有限元分析和状态监测进行了综述。
关键词:机械密封，摩擦学行为，状态监测。
图1机械密封的两个主要部分[1]
图2密封件的典型失效条件是[2]
第一部分：密封件的摩擦学性能
如图2所示，机械密封失效的最重要原因与接触区域的摩擦学有关。因此，必须对密封系统的摩擦学行为有可靠的了解，以确保液压元件在所有工作状态下的安全使用。摩擦学被定义为在相对运动中处理部件之间摩擦和磨损的相互作用表面的科学。
为了保持泄漏尽可能低，密封间隙必须非常小。结果，润滑膜非常薄。因此，密封面材料必须能够在高负载和高速度下承受相互摩擦。
机械密封的材料选择在很大程度上取决于工作条件，然而，根据Popa和Onescu[4]的分析，以材料和碳化物为基础的石墨分别是60%和20%。
G.A. Jones[5]对机械密封端面材料在干线接触下的摩擦学行为进行了仔细的研究，结果表明，由于机械密封端面材料与磨损的直接关系，其相互作用表面的(压力x速度)值对于决定机械密封的性能至关重要。
他的结论是，表面材料的性能取决于碳石墨接触膜的发展。Qiu [6]研究了相同材料圆盘上不同金属Ti组分的端面密封材料涂层在干燥工况下的摩擦学性能。他的结论是，涂层在未润滑的情况下磨损快，涂层的磨损模式被认为是粘结磨损和磨料磨损的结合。他还开发了一个有限元模型来评估密封原型的传热特性。从以上讨论可以得出结论，为了控制摩擦和磨损，密封面可以润滑。如果润滑剂不能分离表面，表面之间的接触就会在粗糙程度上发生。然而，过厚的流体膜不利于泄漏，因为这与膜厚的立方体成正比[7]。在图3中，摩擦系数被示意性地绘制为润滑参数（润滑参数在文献中以许多方式定义）的函数，从而得到广义Stribeck曲线。图3也显示了分离。在该图中，可以区分三种润滑状态，即流体动力润滑（HL）、混合润滑（ML）和边界润滑（BL）。不同的润滑方式如图4所示。
图3广义Stribeck曲线图片[8] 图4润滑方式[8]对于机械面密封，最优的工作区域是流体动力润滑向混合润滑过渡的区域，位置如图3所示。在该区域，由于分离很小，摩擦系数低，磨损率低，泄漏量小。位置，表面密封也可以运作，也将显示低摩擦系数和几乎没有任何磨损，因为表面是完全分离的流体膜。然而，如图所示，位置伴随较大的分离，因此泄漏较大。在H. Lubbinge[8]的工作中，建立了一个等温模型，该模型预测了机械面密封的摩擦行为作为运行条件的函数。为了验证理论模型，他设计并建造了一个试验台。采用研磨和磨削技术，使密封件产生不同的波纹幅值和造模角度，如图5和图6所示。
图5在面部密封上重叠的波纹[8] 图6锥面密封[8]
根据H. Lubbinge的工作，得到锥进和流体压力的Stribeck曲线与计算出的Stribeck曲线分别如图7 (a)和(b)所示。
（a）用压印的曲线 （b）具有流体压力的曲线
图7测量stribeck曲线与计算的stribeck曲线（虚线和点划线）作为速度的函数
第二部分：有限元法(FEN)分析
多年来，机械密封性能的预测一直是一个巨大的挑战。可以说，机械密封是最不可预测的机械部件之一。基于有限元的计算机软件有助于了解机械面密封性能。John Crane EMA机械密封设计分析工具的发展历史可以追溯到1968年[9]。到目前为止，Minet[10]等人发表了一项关于混合润滑状态下机械密封工作的数值确定性研究。他们研究了工作条件对不同表面摩擦和表面距离的影响。其工作的几何构型和测量的Stribeck曲线分别如图8和图9所示。
图8型号说明[10]
（a）对于不同的锥角
（b）对于不同的平衡比值 （c）对于不同的面部材料
图9摩擦和平均表面距离与占空比参数的关系
从图9 (a)可以看出，coining angle的影响并不是一个总的趋势。这可以用圆锥角产生的附加hydrostatic载荷来解释，这种附加hydrostatic载荷在载荷参数较低的情况下可以显著降低摩擦。在较高的速度下，粗糙引起的流体动力压力和流体静力效应之间的相互作用导致更复杂的行为，这在H.Lubbinge的工作中没有考虑[8]。该研究的结果简要说明于表1中。
Sticlaru[11]给出了不同温度和流体压力的有限元分析。他定义了两个密封件之间的摩擦相互作用，然后用不同的摩擦系数值模拟了接触区的润滑状态。他的网格结构如图10所示。
图10网格、约束和外部负载
静密封与旋转密封接触间隙的仿真结果如图11和图12所示。可以看出，所有间隙接触值均为负值，说明存在渗透，但结果值非常小。在较高温度下，最大穿透发生在接触面内侧，在较低温度下，最大穿透出现在接触面外侧，在干燥状态下，穿透增加，在接触面[11]处产生磨损。
（a）摩擦系数f=0.7 （b）摩擦系数f=0.2图11 间隙t=125℃[11]
（a）摩擦系数f=0.7 （b）摩擦系数f=0.2
图11 间隙t=-25℃[11]
第三部分：密封面状态监测
如图2所示，对于大多数机械密封故障，前兆是旋转环和固定环之间的润滑膜破裂。利用声发射（AE）技术监测机械密封状态已经做了若干尝试。该技术基于观察接触凸起相对滑动运动而产生声发射信号。感兴趣的读者可以参考Fan等人的工作，以回顾使用AE技术对机械密封进行状态监测的情况[12]。由于声学方法在工业环境中由于外部噪声而不是最优的，这种技术在控制实验室试验和有限的现场试验中取得了不同程度的成功。为此，风机设计并搭建了一个采用工业产品的试验台，能够模拟不同工况下机械密封的实际运行情况。根据文献，该技术的主要问题是难以将密封产生的声发射与其他来源的排放物和背景噪声(如电动机)区分开来。风机采用先进的信号处理方法，降低了背景噪声的影响。他报告说，使用先进的信号处理方法，如时频分析，背景噪声从来没有被观测到作为一个问题。声发射均方根值与风扇实现的滑动速度之间的关系，以及静态实验和运行实验在时频域中的声发射信号对比，分别如图13和图14所示。
图13AE RMS值与滑动速度[13] 图14声发射信号分析[13]
由于有线传感器难以在机械密封面存在的小空间中使用，因此尝试开发用于密封面温度监测的无线传感器。Lokesh [1]介绍了第一台用于机械面密封状态监测的射频温度传感器。传感器包括一个谐振电感 - 电容电路，它电感耦合到一个单独的线圈，如图13所示。 谐振电路安装在机械密封的固定面上。由传感器电容值的减小引起的温度上升被感测为共振频率增加。采用安捷伦先进设计系统ADS)对电路进行仿真，如图15所示。从图16可以看出，低温下模拟谐振频率与实测谐振频率有较好的一致性。
图15简化截面图[1] 图16谐振频率与温度的关系[1]
结论
本文对机械密封的摩擦学性能和状态监测进行了综述。根据本研究可以得出:
1.用于端面密封的材料必须具有热机械、物理、化学等性能，以满足苛刻的工作条件。基于材料的石墨广泛应用于密封材料中。从这一组中，最常用的是石墨与锑结合。除了材料的选择外，其摩擦学性能也是机械密封工程中最重要的部分。
2.结果表明，在提供冷却剂的情况下，需要考虑密封磨损的影响，但在干燥工况下，需要考虑密封磨损的影响。
3.据了解，表面粗糙度导致产生能够在占空比参数阈值之后完全分离表面的流体动力载荷。这相当于从混合润滑状态向流体动力润滑状态（最佳点）的转变。
4.工作温度对接触面、渗透和摩擦应力有较大影响。所有这些方面都会在功能上产生问题，为了解释液体的泄漏，必须知道这些问题。
5.工作条件对机械密封润滑的影响是众所周知的，有必要为发展声发射技术和信号处理策略以及计算流体动力学(CFD)分析铺平道路，以研究机械密封的摩擦学行为，这在以前的工作中还没有报道。
参考文献
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[13] Fan, Y, ”The Condition Monitoring of Mechanical Seals Using Acoustic Emissions”, A thesis submitted to the University of Manches