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收稿日期：2013年4月27日/接受日期：2013年8月26日/在线发布日期：2013年9月5日
施普林格科学+商业媒体纽约2013
摘要
采用声发射（AE）技术对干气密封端面碰摩进行了研究。设计并安装在密封试验台上的力施加器可以控制定位误差，从而引起密封端面的摩擦冲击。两种类型的AE传感器安装在密封件上的不同位置。对于直接安装在密封环上的PICO声发射传感器，原始声发射信号的均方根（RMS）对密封端面的摩擦冲击敏感。当施加力时，PICO传感器的AE RMS给出明显的周期波形，其周期与初始噪声信号之上的旋转周期一致。随着外加力的增加，波形的大小和形状都发生了变化。对于安装在密封壳体上的R15a AE传感器，在加载过程中同步获得的原始AE信号的RMS没有发现明显的变化。为了消除噪声，尝试了两种信号处理方法。在带通滤波后，R15a传感器的声发射信号的均方根值表明当失准相对较大时的面部碰摩。实验结果表明，掩蔽信号的经验模态分解方法比带通滤波方法更能有效地消除噪声，但计算时间更长结果表明，声发射技术是监测和研究干气密封端面摩擦影响的一种有效手段。
1介绍：
干气密封是一种非接触式机械端面密封，其端面之间有一层完整的气膜在正常工作条件下，气膜足够稳定，可以完全分离密封面[1]。因此，干气密封工作无磨损，使用寿命较长[2]。但是，在某些特殊情况下，密封端面可能会发生接触。 例如，在启动过程中，各密封面处于接触状态，直到转速达到提升速度[3]。即使在全速操作中，由于大的面错位和不稳定的工作条件，仍然可能出现面接触，即面摩擦冲击。密封端面的摩擦冲击会造成端面的过度摩擦、发热和磨损，从而降低密封的使用寿命，甚至导致密封失效。如果操作人员能够有效监测密封端面的摩擦冲击，及时采取措施，可以避免密封进一步损坏或突然失效，从而避免严重事故或经济损失。干气密封端面摩擦影响的监测与研究具有重要的现实意义。
关键词：干气密封 声发射 冲击监测
Miller和Green[4，5]将错位作为非接触式机械端面密封端面碰摩的主要因素之一,并建立了相应的模型来研究非接触式机械端面密封在此条件下的动力学行为。Zou等人[6]和Dayan等人[7]采用涡流接近探头通过测量非接触式机械密封试验台的密封间隙来检测端面接触。在Lee和Green[8]的实验中，通过接近探头的方式获得的信号中，表面摩擦是产生高谐波振荡的来源。其他常用的测量方法，如工程实践中经常使用的流量和压力的方法，几乎不能准确地监测面碰摩。
声发射（AE）技术已经被发现是机器状态监测和材料间摩擦磨损研究的有效工具[9]。AE在接触机械密封的研究中得到了应用。Miettinen等.[10]和Mba等人.[11]使用AE技术使用AE信号的均方根（RMS）监测密封条件。Fan等人对滑动摩擦产生的AEs进行了研究[12]。他们建立了一个基于材料弹性粗糙接触的理论模型。在我们之前的工作]中，采用AE技术研究了非接触干气密封的启动和停止过程[3]。采用AE信号的动态均方根值，采用带通数字滤波器消除噪声。声发射技术已被证明对密封中的端面接触非常敏感，能够有效地反映启动或停止过程的行为 通过对这些过程的信号进行比较，可以发现由面部碰摩产生的信号短得多，强度小得多，容易受到噪声干扰. 因此，可能需要其他测量和信号处理方法。 此外，为了研究干气密封对端面摩擦的影响，还需要一个专门的装置来产生和控制端面摩擦冲击的强度.
本文采用声发射技术研究了双干气密封端面摩擦冲击问题。分析了密封端面摩擦冲击所产生的声发射信号的特征，并应用了一些声发射信号的数据处理方法，下面将对这些方法进行描述和讨论。
2 实验设备
2.1试验台、试验密封和声发射传感器
实验在图1所示的试验台上进行。试验台由一个转速可调到3000 rpm的电动机驱动。一个非接触扭矩和转速传感器，放置在电机和密封室之间，通过采集卡与计算机接口。试验采用了泵的双干气密封。密封腔压力可从0 ~ 0.7 MPa(表压)平稳调节。
图2为声发射传感器测试密封结构及位置示意图。一个PICO AE传感器和一个R15a AE传感[Physical Acoustics Corp (PAC), Princeton Jct,NJ]方法对密封端面之间的接触进行监测。如图所示，PICO传感器体积小(fai5 *4 mm)，直接安装在主环(固定环)上; R15a传感器相对较大，安装在密封壳体上.
由于PICO声发射传感器的安装位置靠近密封面，因此对橡胶冲击信号非常敏感。主环和外壳之间的接口可以降低轴承的噪音。但是，在安装时，传感器的导线必须从壳体的高压区穿过到低压区，造成密封问题。因此，使用橡胶塞（图2a）为PICO传感器设计了一个穿透组件，经过测试，该组件在保持密封在我们的压力范围内是令人满意的。
R15A传感器安装在低压区。不需要渗透组件，因此易于在实验中应用。然而，与PICO传感器相比，R15a传感器更远离密封面，并且通过主环和外壳之间的接口与目标发射源分离。因此，与PICO传感器相比，R15a传感器接收到的声发射信号更容易受到噪声的影响。
图2声发射传感器的安装方案。传感器的安装位置。b带有声发射传感器的外壳照片
AE传感器的输出由PAC 2/4/6前置放大器放大，PCI 9812数据采集卡采样。其谐振频率为75khz。利用RMS电压对连续声发射信号进行分析。为监测干气密封的面摩冲击，采用以下动态RMS AE信号能量:
（1）其中DT为波形采样时间，V(s)为时变信号电压。AE传感器采样频率为1mhz，波形采样时间DT为1ms。
2.2用于产生面部摩擦的涂抹器
干气密封在使用过程中，会产生各种类型的端面摩擦冲击。在这里，将重点讨论密封端面之间的错位所产生的橡胶冲击。在实际的干气密封中，由于制造公差、装配缺陷、机器劣化等诸多因素的影响，往往存在对中偏差[5]。当对准偏差较大时，可能会发生端面摩擦冲击。在一定的工作条件下，错位越大，冲击面越严重。因此，如果可以调整主环的偏差，密封端面的摩擦冲击是可以控制的。为了控制密封面之间的错位，设计了一种杠杆机构，并将其安装在试验密封上(图3)。通过施加不同的重量，可以改变主环背面的水平力。
3 结果与讨论
本文所述的所有实验都是在干气密封工作平稳的情况下进行的。通过对主环施加不同的力来控制端面的摩擦冲击程度，从而导致密封端面之间的不对准程度。除了这些力外，端面接触还取决于压差和转速。低速时，螺旋槽的水动力作用弱于高速时，更容易发生面碰摩。 因此，AE技术的有效性可以低速估计，因为AE信号强且易于检测。 可以在AE信号非常弱的较高速度下估计灵敏度。 在这项研究中，选择了两种转速设置，600和1200转。 操作压差固定在0.3 MPa。如上所述，PICO传感器和R15a传感器接收到的信号的特征是不同的，因此我们在研究中对这两个传感器的结果进行了比较。
3.1低速运行
实验首先在较低的转速下施加1kg的重量进行。加载过程中，PICO传感器的AE RMS(图4)在施加重量后，信号发生了明显的变化。产生一个尖峰的周期波形，周期为0.1 s，与旋转周期一致。PICO传感器卸载时的声发射均方根值(AE RMS)如图5所示，卸载完成后声发射均方根值恢复到初始水平。加载速度较慢，表现为声发射均方根信号逐渐减小。
图3产生密封端面摩擦冲击的杠杆机构
图4加载过程中AE RMS的变化(PICO, 600 rpm,original)
图5卸载时AE均方根的变化(PICO, 600 rpm,original)
图6加载过程中声发射均方根的变化(R15a, 600 rpm,
original)
与PICO传感器的信号不同，R15a传感器在加载过程中获得的AE RMS(图6)变化不明显。这种差异是这些传感器位置的结果。得到了声发射功率谱，为进一步分析提供了依据。图7给出了在施加权重之前和之后选择的两个点上的PICO传感器的功率谱。通过对两种光谱的比较，可以看出，加权后的声发射功率在160khz左右显著增大。对于R15a传感器的功率谱，如图8所示，在任何特定的频带内都没有明显的增加，原因是R1传感器接收到的目标声发射信号更容易发生噪声干扰。由于重量为1kg，密封面产生的声发射信号可能不足以引起R15a传感器功率谱的明显变化。然而，当施用4公斤重量时，超过100khz的声发射功率(图9)显著增大，尤是在160khz左右的频段。因此，这两个传感器的结果表明，频带140-180千赫可能代表密封端面接触。在我们之前对干气密封[3]启动过程的研究中，对比实验(有无密封运行)证明了带通滤器有效地消除了噪声的影响。本研究采用与R15a传感器相同的测试密封和安装方式。基于上述分析，对R15a传感器的声发射信号也进行了140-180 kHz频段的数字带通滤波。带通滤波后R15传感器1kg重量的结果如图10所示，其中RMS表现出与PICO传感器相似的行为。它的波形周期为0.1 s，负载完全施加后出现尖峰。这表明通过适当的过滤，安装在外壳上的R15a传感器可以在这种情况下有效地响应面部摩擦
图7 装载重量前后声发射功率谱(a)(b)的比较(PICO, 600 rpm, 1 kg weight)
图8装载重量前后声发射功率谱(a)(b)的比较(R15a, 600 rpm, 1 kg weight)
图8装载重量前后声发射功率谱(a)(b)的比较(R15a, 600 rpm, 4 kg
weights)
图9装载重量前后声发射功率谱(a)(b)的比较(R15a, 600 rpm, 4 kg weights)
图10负载过程中AE RMS的变化
3.2高速运行
随后以1200 rpm的较高转速进行实验。图11和图12显示了两个传感器在加载不同重量时获得的the AE RMS。
从PICO传感器的结果可以看出，对于1kg的重量(图11a)， AE RMS信号在开始施加重量时略有变化，但没有产生明显的周期波形。在这种情况下，被认为没有发生过或非常弱的面碰摩。在权重较大的情况下，每施加一个权重后出现周期0.05 s的周期波形(也与当时的旋转周期一致)。波浪的形状在较轻的重量下有尖峰和宽阔的波谷。随着重量的增加，峰变宽，平均高度增加，槽变窄。由于接触面积的变化引起了波形形状的变化，在一定程度上反映了密封端面的接触情况。
R15a传感器经带通滤波后得到的声发射均方根谱(AE RMS)如图12所示，当重量增加到4kg时才出现周期波形行为。只有当摩擦强度较大时，声发射RMS信号才会出现面摩冲击。即使经过带通滤波，R15a传感器在信号相对微弱的情况下也无法有效检测面部的碰摩。为提高灵敏度，采用Deering等人提出的掩蔽信号修正经验模态分解(MS-EMD)方法。EMD通常用于分解非线性多分量信号。相对于标准EMD, MS-EMD方法可以分离出频率相近的分量[13]。图13为使用MS-EMD对R15a传感器施加2kg的重量后得到的RMS，如图13所示。在施加权重之前的初始阶段，噪声被认为是完全消除的;充分应用后，出现了周期脉冲型波形。因此，即使信号微弱，MS-EMD方法也能有效地消除噪声，用于识别面部的碰摩。4kg和5kg重量采用MS-EMD后，R15a传感器的RMS分别如图14和图15所示。将这些结果与PICO传感器的相应结果进行比较后，前者的波形特征与后者的波形特征明显不同。对于2千克的重量，信号中的一些波包在不同时间丢失。对于5千克的重量，曲线的高度在施加重量后显着变化，但没有表现出明显的周期性行为。
图11不同重量载荷下声发射均方根值的变化 图12不同重量载荷下声发射均方
(PICO, 1,200 rpm, original) 变化(R15a, 1,200 rpm, band-pass filter used)
图13
加载过程中声发射均方根值的变化 (R15a, 1,200 rpm,MS-EMD used)
图14加载过程中声发射均方根值的变化(R15a, 1,200 rpm,
MS-EMD used)
图15加载过程中声发射均方根值的变化(R15a, 1,200 rpm,
MS-EMD used)
这些结果说明了声发射技术在面部碰撞监测中信号处理方法的重要性。尽管MS-EMD方法有一定的应用前景，但其计算复杂度远远大于带通滤波，不适用于在线信号处理和状态监测。因此，为了开发一个可靠的监测系统，需要进行更深入的研究。
4.结论
采用声发射技术对双干气密封端面碰摩问题进行了研究。在密封试验台上设计并安装了力施加器，以引入密封面的受控不对准，从而模拟各种表面摩擦冲击条件。在密封的不同位置上安装了两种类型的声发射传感器，第一环上的PICO传感器和壳体上的R15a传感器。得出的结论如下：
1.对于PICO传感器来说，原始声发射信号的均方根对表面的摩擦冲击非常敏感。在本研究的大多数情况下，施加力后声发射均方根发生了明显的变化，呈现出与旋转周期一致的周期波形。随着力的增大，波形的大小和形状都发生了相应的变化。
2.对于R15a传感器，原始声发射信号的均方根变化不明显。经带通滤波后，当载荷足够大或转速足够低时，RMS表示端面碰摩。然而，当摩擦冲击声发射信号较弱时，带通滤波方法不能有效检测摩擦冲击。虽然MS-EMD方法的计算复杂度要大得多，但是MS-EMD方法在去除噪声方面比带通滤波方法更有效。
3.直接安装在密封环上的声发射传感器对端面摩擦冲击非常敏感，可以忽略轴承噪声的干扰;因此，不需要特殊的处理方法。传感器现场不太适合工程设备，只适合实验研究。相对而言，R15a传感器安装在壳体外的安装位置更便于工程应用。但声发射信号受噪声影响较大，需要具体的信号处理方法。
综上所述，声发射技术为监测和研究干气密封的表面冲击提供了一种有效和潜在的手段。声发射技术的精度和灵敏度很大程度上取决于传感器的安装位置和所使用的信号处理方法。在工程问题中，有许多类型的面碰摩会产生更强的噪声，声发射传感器的安装受到限制。在这方面，需要进行更详细的调查。
致谢：
本课题由国家基础研究计划(批准号:2012CB026003)、国家关键技术研发计划(批准号:2011baf09b05)和国家科技重大专项(批准号:2012CB026003)共同资助。ZX06901)。
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