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摘要：机言械密封在火箭发动机、航空发动机及汽轮发电机组等很多重要设 备中都得到了广泛应用。密封技术已经成为影响整个设备运行寿命、安全性和工作效率的核心技术。液体火箭发动机高速涡轮泵的机械密封在工作中采用低黏 度的介质润滑，对承载能力要求较高。采用先进的密封技术可以大大提高机械设备的工作效率和使用安全性。本文对现有检测技术在机械密封润滑膜检测的测量原理及测试技术，为机械密封润 滑膜的检测实验及在线监测提供一种新的技术。
关键词：机械密封;润滑膜分布;超声检测
目前国内外80%左右的化工用泵都采用了机械密封，机械密封在一百多年的研究应用中得到了迅猛发展，其密封性能逐渐提升、适应工况越来越广。近年来，有学者尝试使用声发射技术进行密封润滑膜厚度的检测， 利用粒子滤波技术对声发射信号进行处理，实现了密封端面润滑膜厚度，采用声发射法检测时，检测信号易受环境干扰，难以分离背景噪声，且数据后处理复杂。采用超声原理的检测技术在机械、地质、医疗等领域内逐渐获得了广泛应用。
一、机械密封润滑膜分布的检测模型
超声波虽具有较强的穿透性和可聚焦性，但由于模型及测量原理上的制约，其厚度测量的范 围一直停留在毫米量级。超声-弹簧模型的提出使其厚度测量的范围延伸到了微米级，为采用超声进行机械密封润滑膜的分布检测提供了可能。
涡轮泵轴系的结构可以看出，涡轮泵转子由深沟球轴承支撑，机械密封在轴承一侧，涡轮则布置在轴系的另一端。 本文所研究的机械密封为波纹管式机械密封，该机械密封主要由动环组件和静环组件组成。动环组件固定在转子上，材料为9Cr18高强度不锈钢。由镶嵌于静环内的石墨环构成的静环组件安装在涡轮泵端盖上。此类机械密封在工作时主要承受轴向力，其动环与静环之间存在 一 层0-50μm 厚的润滑膜。高压、高转速的运行环境中，机械密封润滑膜极易发生破裂，使得动环与静环发生碰磨，从而导致泄漏。润滑膜的分布对密封性能有较为重要的影响，所以润滑膜的分布特征是对该类机械密封进行性能评价的一项重要指标。
机械密封进行润滑膜分布检测时，润滑膜分布检测时，先将石墨环以其圆心为中心均匀 划分为 n 等分，检测时，在每个等分上均布置一个测点，将测点 C1和石墨环中心的连线定为基准线， 测点 C i 的位置信息可以通过该测点同基准线的夹角获得，角度值组成了一个角度矩阵[θ1θ2…θn ]，在石墨环的不同位置布置传感器，由每个测点测得的膜厚 h 得到了一个膜厚矩阵[h1 h2 … h n ]，从而可得到这 n 个测点膜 厚分布矩阵：
二、机械密封润滑膜分布的检测实验
1、润滑膜分布测量系统的组成。对超声测试系统进行了分模块设计，整个系统由信号发生模块、超声发射-接收模块、数据采集模块及数据存储-显示模块组成，信号发生模块的核心是高频信号发生器，可产生频率为10MHz 的方波信号以激发脉冲发生器产生脉冲信号。超声发射-接 收模块由脉冲发生器及超声传感器等组成，脉冲 发生器以10MHz 的重复频率向超声传感器发射脉冲，使超声传感器振动产生超声波，同时，脉冲发生器可接收超声传感器返回的超声电压脉冲信号，并通过声电转换将信号传递给多通道高速采集仪。 超声传感器为收 发一体式，型号为 PZT5A1，测头直径为0.8mm，厚度为0.5 mm。 数据采集模块的主体为多通道高速采集仪，通道 数为8，采样频率为100kHz。
为了实现实验室的模拟测量，配备了一个可以模拟密封间隙以形成润滑膜分布的测量装置， 该模拟装置由底座、玻璃水槽、固定板及移动装置等部分组成，主要零部件使用精密的五轴数控机床加工。加工后，对零件的表面进行修研和质检，保证与模拟间隙有关表面的粗 糙度 Ra 为0.8μm，平面度为1.6μm。 装配时，采用高精度的测高仪和电感测微仪保证模拟测量装置与模拟间隙相关轴的垂直度和平面的平行度。测试过程中，先将石墨环用 KD-855快干胶水粘接在移动装置的导杆下侧，胶水凝固后，将超声传感器按照标定的角度布置在石墨环宽度中心圆上，并将9Cr18盘固定在有机玻 璃水槽中，通过调节移动装置上侧的螺旋测微仪 （最小刻度为1.0μm），使移动装置上的移动导杆 上下移动。
测试开始时，石墨环与9Cr18盘处于接触状态，测试时将蒸馏水注入有机玻璃水槽，调节螺旋测微仪标定间隙，并用精度为0.1μm 的测高仪进 行微调和校准，使模拟间隙为精确设定值5μm、 10μm、20μm 后进行测试。
2、实验结果及讨论。在室温下（20±1）℃进行的静态测量， 润滑介质为蒸馏水。超声波在蒸馏水中的声速 c 由蒸馏水的体积模量 B 和密度ρ决定：
机械密封材料的声学参数对测量结果的精确 度有直接的关系，材料成分及成形过程对其影响 密切，因此石墨环和9Cr18盘材料的声阻抗需要 实测得到。
在模拟测量装置上分别进行间隙为5μm、10μm、20μm 的润滑膜分布检测，各测点重复测量3次，取平均值作为该点处的膜厚。实验设置 的测点数为8，通过对各测点反射系数的测量来间接测量润滑膜的分布。本文选用石墨环与空气 接触表面作为参考界面，该参考界面的反射系数 约为0.96。涡轮泵机械密封端面摩擦副的实际粗糙度 Ra 约为 0.1-0.4μm，平面 度 约 为0.3-1.6μm。在实际运转情况下，动静环磨损会造成摩擦副粗糙度变大，为了更好地验证超声测量方法的可行性，选用的石墨环表面粗糙度，各测点的反射系数由超声波在蒸馏水 与不锈钢盘界面反射信号的频域幅值与超声波在 参考界面反射信号的频域幅值的比值，和超声波 在参考界面反射系数的乘积求得。在模拟测量装置上了进行润滑膜分布的 静态模拟测量。动环运转情况下，测量时的润滑 介质从静态变为流体状态，超声波的声速和频率 将会受到影响，此时，聲速会变大，频率会变小，动 态测量值会比实际值大。这种影响和润滑介质的 黏度大小成正比，由于水的黏度非常低，所以动态 与静态时的测量结果相差不大。
结论
（1）本文针对机械密封润滑膜分布的检测问 题，引入了超声测量技术，利用超声-弹簧模型建 立了机械密封润滑膜分布的超声检测模型。
（2）在模拟测试装置上进行了润滑膜分布的检测实验，设定的密封间隙分别为5μm、10μm 和 20μm，实验结果表明，润滑膜单点测量相对误 差为0.2-1.1μm，采用超声原理可对机械密封润 滑膜分布进行较为精确的测量。
参考文献
[1] 朱禹川， 万占鸿， 王浩. 润滑油中固体颗粒对锥形静压滑动轴承油膜承载能力的影响[J]. 轴承，2018， 05： 29-33.
[2] 刘 乾， 朱禹川， 万占鸿. 润滑油中固体颗粒对液体静压滑动轴承油膜承载能力的影响[J]. 润滑与密封， 2019， 41（11）：83-88.
[3] 高 岩. 固体颗粒物对液体静压滑动轴承油膜特性影响的仿真研究[D]. 鞍山： 辽宁科技大学， 2018.
关键词：机械密封;润滑膜分布;超声检测
目前国内外80%左右的化工用泵都采用了机械密封，机械密封在一百多年的研究应用中得到了迅猛发展，其密封性能逐渐提升、适应工况越来越广。近年来，有学者尝试使用声发射技术进行密封润滑膜厚度的检测， 利用粒子滤波技术对声发射信号进行处理，实现了密封端面润滑膜厚度，采用声发射法检测时，检测信号易受环境干扰，难以分离背景噪声，且数据后处理复杂。采用超声原理的检测技术在机械、地质、医疗等领域内逐渐获得了广泛应用。
一、机械密封润滑膜分布的检测模型
超声波虽具有较强的穿透性和可聚焦性，但由于模型及测量原理上的制约，其厚度测量的范 围一直停留在毫米量级。超声-弹簧模型的提出使其厚度测量的范围延伸到了微米级，为采用超声进行机械密封润滑膜的分布检测提供了可能。
涡轮泵轴系的结构可以看出，涡轮泵转子由深沟球轴承支撑，机械密封在轴承一侧，涡轮则布置在轴系的另一端。 本文所研究的机械密封为波纹管式机械密封，该机械密封主要由动环组件和静环组件组成。动环组件固定在转子上，材料为9Cr18高强度不锈钢。由镶嵌于静环内的石墨环构成的静环组件安装在涡轮泵端盖上。此类机械密封在工作时主要承受轴向力，其动环与静环之间存在 一 层0-50μm 厚的润滑膜。高压、高转速的运行环境中，机械密封润滑膜极易发生破裂，使得动环与静环发生碰磨，从而导致泄漏。润滑膜的分布对密封性能有较为重要的影响，所以润滑膜的分布特征是对该类机械密封进行性能评价的一项重要指标。
机械密封进行润滑膜分布检测时，润滑膜分布检测时，先将石墨环以其圆心为中心均匀 划分为 n 等分，检测时，在每个等分上均布置一个测点，将测点 C1和石墨环中心的连线定为基准线， 测点 C i 的位置信息可以通过该测点同基准线的夹角获得，角度值组成了一个角度矩阵[θ1θ2…θn ]，在石墨环的不同位置布置传感器，由每个测点测得的膜厚 h 得到了一个膜厚矩阵[h1 h2 … h n ]，从而可得到这 n 个测点膜 厚分布矩阵：
二、机械密封润滑膜分布的检测实验
1、润滑膜分布测量系统的组成。对超声测试系统进行了分模块设计，整个系统由信号发生模块、超声发射-接收模块、数据采集模块及数据存储-显示模块组成，信号发生模块的核心是高频信号发生器，可产生频率为10MHz 的方波信号以激发脉冲发生器产生脉冲信号。超声发射-接 收模块由脉冲发生器及超声传感器等组成，脉冲 发生器以10MHz 的重复频率向超声传感器发射脉冲，使超声传感器振动产生超声波，同时，脉冲发生器可接收超声传感器返回的超声电压脉冲信号，并通过声电转换将信号传递给多通道高速采集仪。 超声传感器为收 发一体式，型号为 PZT5A1，测头直径为0.8mm，厚度为0.5 mm。 数据采集模块的主体为多通道高速采集仪，通道 数为8，采样频率为100kHz。
为了实现实验室的模拟测量，配备了一个可以模拟密封间隙以形成润滑膜分布的测量装置， 该模拟装置由底座、玻璃水槽、固定板及移动装置等部分组成，主要零部件使用精密的五轴数控机床加工。加工后，对零件的表面进行修研和质检，保证与模拟间隙有关表面的粗 糙度 Ra 为0.8μm，平面度为1.6μm。 装配时，采用高精度的测高仪和电感测微仪保证模拟测量装置与模拟间隙相关轴的垂直度和平面的平行度。测试过程中，先将石墨环用 KD-855快干胶水粘接在移动装置的导杆下侧，胶水凝固后，将超声传感器按照标定的角度布置在石墨环宽度中心圆上，并将9Cr18盘固定在有机玻 璃水槽中，通过调节移动装置上侧的螺旋测微仪 （最小刻度为1.0μm），使移动装置上的移动导杆 上下移动。
测试开始时，石墨环与9Cr18盘处于接触状态，测试时将蒸馏水注入有机玻璃水槽，调节螺旋测微仪标定间隙，并用精度为0.1μm 的测高仪进 行微调和校准，使模拟间隙为精确设定值5μm、 10μm、20μm 后进行测试。
2、实验结果及讨论。在室温下（20±1）℃进行的静态测量， 润滑介质为蒸馏水。超声波在蒸馏水中的声速 c 由蒸馏水的体积模量 B 和密度ρ决定：
机械密封材料的声学参数对测量结果的精确 度有直接的关系，材料成分及成形过程对其影响 密切，因此石墨环和9Cr18盘材料的声阻抗需要 实测得到。
在模拟测量装置上分别进行间隙为5μm、10μm、20μm 的润滑膜分布检测，各测点重复测量3次，取平均值作为该点处的膜厚。实验设置 的测点数为8，通过对各测点反射系数的测量来间接测量润滑膜的分布。本文选用石墨环与空气 接触表面作为参考界面，该参考界面的反射系数 约为0.96。涡轮泵机械密封端面摩擦副的实际粗糙度 Ra 约为 0.1-0.4μm，平面 度 约 为0.3-1.6μm。在实际运转情况下，动静环磨损会造成摩擦副粗糙度变大，为了更好地验证超声测量方法的可行性，选用的石墨环表面粗糙度，各测点的反射系数由超声波在蒸馏水 与不锈钢盘界面反射信号的频域幅值与超声波在 参考界面反射信号的频域幅值的比值，和超声波 在参考界面反射系数的乘积求得。在模拟测量装置上了进行润滑膜分布的 静态模拟测量。动环运转情况下，测量时的润滑 介质从静态变为流体状态，超声波的声速和频率 将会受到影响，此时，聲速会变大，频率会变小，动 态测量值会比实际值大。这种影响和润滑介质的 黏度大小成正比，由于水的黏度非常低，所以动态 与静态时的测量结果相差不大。
结论
（1）本文针对机械密封润滑膜分布的检测问 题，引入了超声测量技术，利用超声-弹簧模型建 立了机械密封润滑膜分布的超声检测模型。
（2）在模拟测试装置上进行了润滑膜分布的检测实验，设定的密封间隙分别为5μm、10μm 和 20μm，实验结果表明，润滑膜单点测量相对误 差为0.2-1.1μm，采用超声原理可对机械密封润 滑膜分布进行较为精确的测量。
参考文献
[1] 朱禹川， 万占鸿， 王浩. 润滑油中固体颗粒对锥形静压滑动轴承油膜承载能力的影响[J]. 轴承，2018， 05： 29-33.
[2] 刘 乾， 朱禹川， 万占鸿. 润滑油中固体颗粒对液体静压滑动轴承油膜承载能力的影响[J]. 润滑与密封， 2019， 41（11）：83-88.
[3] 高 岩. 固体颗粒物对液体静压滑动轴承油膜特性影响的仿真研究[D]. 鞍山： 辽宁科技大学， 2018.