簡(jiǎn)述了現(xiàn)階段機(jī)械密封端面溫度測(cè)試技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r，探討了常用測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)，采用擬合曲線法建立了一套基于LabVIEW的端面溫度測(cè)試系統(tǒng)。利用該測(cè)試系統(tǒng)在機(jī)械密封性能試驗(yàn)機(jī)上完成了一對(duì)機(jī)械密封環(huán)摩擦端面的溫度測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該測(cè)試系統(tǒng)具有較高的可靠性。

　　引言

　　作為旋轉(zhuǎn)設(shè)備中不可缺少的密封裝置，機(jī)械密封因其工作可靠、泄漏量小等特點(diǎn)，在泵、壓縮機(jī)、攪拌器和離心機(jī)等工藝設(shè)備上得到了廣泛應(yīng)用。機(jī)械密封正常工作時(shí)，密封環(huán)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的摩擦熱以及密封附件產(chǎn)生的攪拌熱，會(huì)導(dǎo)致密封端面的溫度升高，從而可能產(chǎn)生如液膜汽化、端面龜裂等諸多問(wèn)題。為保證機(jī)械密封長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)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。因此，研究機(jī)械密封端面溫度的測(cè)試方法、建立完善的測(cè)試系統(tǒng)具有重要意義。

1、機(jī)械密封摩擦端面溫度測(cè)試技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

　　近年來(lái)，機(jī)械密封摩擦端面溫度特性研究已取得了較大進(jìn)展。目前，按接觸與否，可將端面溫度測(cè)試技術(shù)分為接觸式和非接觸式兩大類。

　　接觸式測(cè)量主要是熱電偶法及熱電阻法。熱電偶法是將熱電偶埋于靜環(huán)內(nèi)，測(cè)量端貼合于靠近摩擦端面一側(cè)，且測(cè)量端離摩擦端面越近，測(cè)量越準(zhǔn)確。熱電偶法的顯著特點(diǎn)是測(cè)試精度高，相對(duì)穩(wěn)定性好，能準(zhǔn)確反映端面溫度的變化情況，是目前機(jī)械密封端面溫度測(cè)量中采用最多的方法。其缺點(diǎn)是響應(yīng)速度相對(duì)較慢(相比于熱電阻)，反映絕對(duì)溫度也不夠準(zhǔn)確。熱電阻法是使用熱電阻溫度傳感器進(jìn)行摩擦端面溫度測(cè)試的方法，原理與熱電偶法相同。熱電阻傳感器測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快，因而在測(cè)量端面溫度時(shí)能直觀地反映密封面的摩擦發(fā)熱情況。它的缺點(diǎn)是線性差、老化快、體積大、對(duì)環(huán)境溫度敏感性大。并且該方法用于測(cè)量流體潤(rùn)滑狀態(tài)下的機(jī)械密封端面溫度時(shí)，效果較好，在混合摩擦狀態(tài)下，測(cè)試數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差。受開(kāi)孔深度限制，兩種方法均無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得摩擦端面的溫度。

　　非接觸測(cè)量主要有紅外測(cè)溫法和聲波測(cè)溫法。紅外測(cè)溫法是利用紅外光譜測(cè)量密封端面溫度的一種方法。該方法能在不干擾被測(cè)溫場(chǎng)的情況下實(shí)現(xiàn)端面溫度的連續(xù)、實(shí)時(shí)測(cè)量。紅外測(cè)溫法能較方便地測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的表面溫度，可解決高速旋轉(zhuǎn)部件表面測(cè)溫的難題。然而，因受表面發(fā)射率、周圍環(huán)境等許多因素的影響，其測(cè)溫精度通常低于熱電偶的測(cè)溫精度。此外，紅外熱像儀價(jià)格昂貴，難以推廣使用。聲波檢測(cè)法基本原理是采集密封端面摩擦所產(chǎn)生的聲波，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)處理，以獲得密封面接觸情況的信息。聲波具有諸如非侵入性和更快響應(yīng)時(shí)間的優(yōu)勢(shì)，過(guò)去的幾十年里，在熱電偶等常規(guī)手段無(wú)法滿足要求的環(huán)境中，聲波測(cè)溫法逐漸演變?yōu)橐环N新的溫度測(cè)量技術(shù)，是今后機(jī)械密封端面溫度研究很有意義的一個(gè)方向。如何區(qū)分聲波信息來(lái)源是今后聲波測(cè)溫法研究的一個(gè)重要任務(wù)。

　　目前研究表明，機(jī)械密封摩擦端面溫度的測(cè)量有如下幾個(gè)難點(diǎn)：一是動(dòng)靜環(huán)之間的間隙非常微小，不足以插入溫度傳感器；二是端面摩擦溫度的保持時(shí)間短，無(wú)法通過(guò)移開(kāi)其中一個(gè)端面進(jìn)行溫度的測(cè)量；三是通過(guò)在靜環(huán)的后端鉆開(kāi)盲孔測(cè)量溫度的方法對(duì)加工的要求高；四是現(xiàn)有非接觸測(cè)量方法難以推廣應(yīng)用。因此，仍需研究者對(duì)機(jī)械密封端面溫度的測(cè)試技術(shù)做進(jìn)一步研究。

2、摩擦端面溫度的曲線擬合法研究

　　針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械密封摩擦端面溫度測(cè)試方法的不足，本文采用擬合曲線法建立了一套基于LabVIEW的端面溫度測(cè)試系統(tǒng)。

　　2.1、摩擦端面溫度測(cè)試模型

　　本文研究的機(jī)械密封摩擦端面模型如圖1所示。該模型主要由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)、彈性元件、動(dòng)環(huán)座、軸套、熱電偶傳感器組成。

圖1 摩擦端面結(jié)構(gòu)

　　2.2、測(cè)控系統(tǒng)原理與硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的主要功能是將4處不同深度所采集到的溫度數(shù)據(jù)，擬合成溫度T 與距離端面深度h 的曲線T=f(h)，求取h=0處的溫度即為端面溫度。測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路為：根據(jù)系統(tǒng)對(duì)溫度測(cè)量的需要選配傳感器，調(diào)理傳感器檢測(cè)到的信號(hào)并送入數(shù)據(jù)采集卡，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后形成數(shù)字信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，然后利用LabVIEW軟件分析處理獲得的數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

　　為滿足狹小空間測(cè)量需要，選擇圖靈公司生產(chǎn)的TT-K-30熱電偶線作為溫度測(cè)量傳感器，其參數(shù)如表1所示。

表1 TT-K-30 熱電偶線參數(shù)

　　傳感器的安裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。在靜環(huán)密封面背面同一直徑上周向均布加工4個(gè)ϕ1 的軸向盲孔，盲孔的深度h1、h2、h3、h4，分別取2、4、6、8mm。安裝前首先將熱電偶導(dǎo)線測(cè)量端進(jìn)行焊接，采用絕緣膠將測(cè)量端埋入盲孔中，信號(hào)直接由熱電偶導(dǎo)線輸出。傳感器連接實(shí)物圖如圖4所示。

圖3 靜環(huán)測(cè)量結(jié)構(gòu)　圖4 傳感器接線實(shí)物圖

　　數(shù)據(jù)采集卡是連接物理世界與數(shù)字世界的橋梁，傳感器傳出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)采集卡的A/D轉(zhuǎn)換就可以變成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)采用NI公司生產(chǎn)的C系數(shù)據(jù)采集卡USB-9211。USB-9211是一款基于USB串行總線的高速采集卡，它有單端8路(或差分4 路)、24 位分辨率的A/D 通道，采樣頻率為12S/s。

　　該采集卡是一款LabVIEW平臺(tái)支持的數(shù)據(jù)采集卡，因而直接使用LabVIEW 自帶的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行編程工作。此外，為了避免接地回路以及環(huán)境的干擾，本系統(tǒng)選擇差分測(cè)量系統(tǒng)。

　　2.3、測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　測(cè)試系統(tǒng)的軟件主要是為了實(shí)現(xiàn)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)時(shí)顯示，結(jié)果存儲(chǔ)，以及生成報(bào)告等。

　　本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要是基于LabVIEW2009軟件的虛擬儀器設(shè)計(jì)。對(duì)該測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括前面板和控制面板設(shè)計(jì)。前面板設(shè)計(jì)主要是針對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象的用戶界面。控制面板程序分為多個(gè)模塊，主要包括調(diào)用DLL文件驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)采集卡模塊、溫度數(shù)據(jù)采集和實(shí)時(shí)圖形顯示模塊等。溫度采集前面板如圖5所示。

　　本系統(tǒng)中端面溫度的曲線擬合采用LabVIEW 函數(shù)庫(kù)中的“無(wú)約束指數(shù)擬合”和“廣義多項(xiàng)式擬合”。在無(wú)約束指數(shù)擬合和廣義多項(xiàng)式擬合中，Y 為靜環(huán)后不同深度的溫度值，X 為深度值，結(jié)合廖和濱等人對(duì)機(jī)械密封環(huán)端面溫度場(chǎng)的測(cè)試研究數(shù)據(jù)及本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)觀測(cè)推知其軸向溫度曲線的形狀為拋物線型，所以兩種方式都采用最小二乘法來(lái)擬合端面溫度，而后選取均方差小的作為擬合函數(shù)，最后通過(guò)X 取零得到摩擦面溫度值。曲線擬合模塊的前面板如圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果表明：在摩擦面溫度顯著上升時(shí)得到的擬合曲線是可信的。

圖5 溫度采集前面板　圖6 曲線擬合模塊前面板

　　2.4、實(shí)驗(yàn)分析

　　為考察本文所開(kāi)發(fā)的機(jī)械密封端面溫度測(cè)試系統(tǒng)的可靠性，在機(jī)械性能試驗(yàn)機(jī)上使用該測(cè)試系統(tǒng)完成了一對(duì)機(jī)械密封環(huán)的端面溫度測(cè)試試驗(yàn)。由于端面摩擦溫度與摩擦扭矩間存在直接關(guān)系[19]，故本文在測(cè)量端面溫度的同時(shí)，對(duì)端面摩擦扭矩也進(jìn)行了測(cè)量，以對(duì)比說(shuō)明溫度測(cè)試系統(tǒng)的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同轉(zhuǎn)速下端面溫度及扭矩實(shí)驗(yàn)值

　　由圖7可知，轉(zhuǎn)速在到達(dá)3000r/min之前，端面扭矩不斷增大，表明摩擦端面間的摩擦力不斷增大，產(chǎn)生的摩擦熱也隨之增多，從而導(dǎo)致端面溫度的持續(xù)升高，這是密封副未達(dá)到開(kāi)啟轉(zhuǎn)速前的變化特征。扭矩在轉(zhuǎn)速超過(guò)3000r/min后下降明顯，這表明此刻轉(zhuǎn)速為目前工況下的開(kāi)啟轉(zhuǎn)速；而端面溫度在此時(shí)變化緩慢，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后也呈下降趨勢(shì)，這是由于碳環(huán)的溫度下降需要一定的時(shí)間，即使達(dá)到了開(kāi)啟轉(zhuǎn)速后，端面溫度的下降也非常緩慢。此后隨著轉(zhuǎn)速的增加，扭矩減小，表明摩擦端面間的摩擦力減小，產(chǎn)生的摩擦熱也相應(yīng)減少，端面溫度呈下降趨勢(shì)，即可說(shuō)明密封動(dòng)靜環(huán)在此后的運(yùn)行過(guò)程中已非接觸，才使得溫度慢慢下降。由此可知本測(cè)試系統(tǒng)得到的靜環(huán)端面溫度是可靠的。

3、結(jié)語(yǔ)

　　(1)本系統(tǒng)開(kāi)設(shè)孔是盲孔，保證了密封端面的完整性；

　　(2)盲孔開(kāi)孔深度未加特別限制，克服了加工無(wú)限貼近摩擦端面盲孔的困難以及熱阻對(duì)測(cè)量的影響，因此測(cè)量精度高、穩(wěn)定性好；

　　(3)本系統(tǒng)以LabVIEW軟件為測(cè)試平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分析處理、實(shí)時(shí)顯示、結(jié)果存儲(chǔ)、生成報(bào)告等功能，系統(tǒng)具有很大的靈活性。