分析了表征機械密封端面摩擦特性的常用性能參數, 介紹了端面摩擦扭矩、端面磨損量、端面溫度、端面流體膜厚及端面流體膜壓的測試技術, 探討了常用測試方法的優缺點及難點。指出了消除測試過程中外部較大的干擾信號是提高測試精度和可靠性的關鍵, 而基于傳感技術的計算機數據采集與處理是機械密封端面摩擦特性參數測試技術的發展趨勢。

　　機械密封端面摩擦特性長久以來都是機械密封研究人員最為關心的問題之一, 因為它是決定機械密封工作壽命和密封性能好壞的關鍵因素。近年來, 機械密封的端面摩擦特性研究雖然已取得了很大的進展, 但由于密封結構和工況千差萬別, 至今尚未形成完整的理論體系, 學術界對密封摩擦機制的分析理解還很不一致。機械密封端面摩擦特性試驗研究無論對密封理論體系的建立, 或是對指導產品的設計、檢驗和使用均十分必要, 而端面摩擦特性參數的測試則是試驗中的關鍵技術。

1、表征機械密封端面摩擦特性的常用性能參數

　　與機械密封端面摩擦特性直接有關的性能參數主要包括端面摩擦扭矩、端面磨損量、端面溫度、端面流體膜厚及膜壓。

1.1、端面摩擦扭矩

　　端面摩擦扭矩是影響機械密封工作性能的重要參數, 決定著機械密封運轉時的摩擦功耗、端面磨損量、摩擦發熱量以及端面溫度等工作參數。隨著機械密封技術的不斷發展, 機械密封的使用量越來越大,提高機械密封的密封性能和工作壽命, 一直是人們密切關注的問題。端面摩擦扭矩反映了機械密封端面狀況, 端面摩擦扭矩大, 磨損相對增大, 工作壽命縮短。端面摩擦扭矩的測試與控制, 對保證機械密封性能和延長使用壽命, 有著十分重要的現實意義。

1.2、端面磨損量

　　磨損量是指機械密封運轉一定時間后, 密封端面在軸向長度上的磨損值。機械密封摩擦副端面的磨損是運轉過程中發生摩擦的必然結果, 也是機械密封的主要失效形式, 因此, 端面磨損是影響機械密封正常工作壽命的重要因素。機械密封的主要發展方向之一就是要在泄漏率允許的范圍內控制磨損, 使潤滑達到最佳狀態。研究機械密封磨損規律, 對于機械密封結構合理設計、工況條件優化, 材料評價選擇以及提高使用性能等都有重要意義。

1.3、端面溫度

　　機械密封在運轉過程中, 會由于端面摩擦和旋轉元件的攪拌產生熱量, 使摩擦副和其它元件的溫度升高, 加之工藝使用條件中溫度有的較高, 這就帶來了許多問題。例如摩擦副端面溫度升高到一定程度, 就會出現密封面間密封介質汽化, 密封環的變形, 熱磨損甚至由于溫度變化引起熱沖擊和熱裂。

　　為保證機械密封長期穩定可靠運行, 必須掌握密封端面的溫度及其分布, 從而采取有效的控制措施。

1.4、端面流體膜厚

　　機械密封端面流體膜厚表征了摩擦副的摩擦狀態, 直接影響著機械密封的端面泄漏率和磨損量, 也是確定端面摩擦生熱的一個重要參數。典型的機械密封的端面液膜厚度在0.3 ～3 μm時, 干氣密封的端面氣膜厚度在3～5μm時, 既能保持良好的密封, 泄漏很少, 又能有較長的工作壽命, 磨損很小。通過測量端面流體膜厚可以驗證理論計算結果,可以確定密封端面摩擦狀態及其與泄漏、磨損之間的關系, 通過膜厚測量還可以實時監控密封的工作情況。

1.5、端面流體膜壓

　　對接觸式機械密封而言, 端面膜壓不僅表征液膜承載能力的大小, 而且決定了密封端面摩擦狀態與密封性能。對端面膜壓的研究, 可進一步認識機械密封的端面摩擦特性。

2、機械密封端面摩擦特性參數的測試技術

2.1、端面摩擦扭矩的測試技術

　　機械密封端面摩擦扭矩的測試技術目前主要有支反力法和傳遞法。

　　支反力法是根據動力機械在扭矩作用下所產生的支座反力的變化來測量摩擦扭矩的。其優點是不存旋轉件到靜止件的信號傳輸問題, 而且確定支座反作用力的方法簡便、容易實施。E Mayer、李鯤等采用支反力法對機械密封端面摩擦扭矩進行了測量。在可轉動密封腔上設置測力桿, 并使之作用于力傳感器上, 由此測得扭矩。但是, 密封腔旋轉支承的摩擦會影響測試精度, 所以對旋轉支承要求極高, 李鯤采用了氣體靜壓軸承。

　　傳遞法是根據彈性元件在傳遞扭矩時所產生的物理參數的變化來測量扭矩的。采用傳遞法測量扭矩的儀器小巧輕便, 扭矩傳感器可以直接串接到傳動系統中, 而無須改變機械系統結構。J A Silvaggo、宋鵬云、趙增順等在電動機與密封主軸之間安裝扭矩傳感器, 測量轉軸扭矩, 將所測得的扭矩減去空載運行時主軸承的摩擦扭矩和旋轉件在介質中的攪拌扭矩, 便可求得機械密封端面摩擦扭矩。但該方法不夠直接, 而且由于正常運行時與空載運行時的工況并不相同, 致使結果可能出現較大的偏差, 準確性較難保證。

　　精確測量在役機械密封端面摩擦扭矩, 有利于機械密封工作壽命的提高和泄漏率的控制。然而正常工作時, 機械密封端面摩擦扭矩較小, 傳感器輸出量較小, 特別是高參數(高轉速、高壓力、高溫) 下,機械密封端面摩擦扭矩信號往往被測量過程中其它信號甚至是干擾所淹沒。因而實際工況下, 難以通過轉動密封腔或在電動機與密封主軸之間安裝扭矩傳感器來測試機械密封端面摩擦扭矩。為避開主要耗功設備及軸承摩擦扭矩對機械密封端面摩擦扭矩測量的影響, 孫見君等在靜環之后設置了扭矩傳感器, 提高了測量精度。

2.2、端面磨損量的測試技術

　　機械密封產品型式試驗中通常采用密封環試驗前后的長度之差來測量端面磨損量, 也可采用密封環試驗前后的重量之差換算出磨損量。長度測量儀一般選用千分尺, 也可采用光學測長儀。如果磨損量很小, 可以用表面輪廓儀(泰勒儀) 來測摩擦副寬環端面的磨損量。對于窄環端面, 由于磨損后原來的基準已不復存在, 但可以用“比較法”來測量(用光學測長儀對塊規與窄環試驗前后的高度進行比較) ,或者用“劃痕法”來測量, 即在不影響性能的前提下, 在窄環端面上沿周向刻上2～4條很淺的劃痕,一般為5～10μm, 用泰勒儀測量試驗前后的劃痕深度, 便可測量出微量磨損。

　　由于采用拆卸密封摩擦副測量累計磨損量的方法, 會破壞摩擦副的摩擦和配合狀態, 使變工況磨損量的測試產生較大的誤差。因此, 不拆卸摩擦副甚至于連續動態測試磨損量將是研究機械密封磨損過程的理想方法。郝點等在機械密封端面磨損試驗中采用了電阻磨損測試法, 在不拆卸摩擦副的情況下測試了不同工況下碳石墨環的磨損變化量。其測試原理是在密封環摩擦端面下嵌入電阻率一定的條形薄電阻片并加以絕緣, 摩擦副工作時, 電阻片與摩擦端面一起磨損, 電阻片截面積受磨損而減小, 引起電阻值增加。測出電阻變化值便可推算出密封端面的磨損量。