干气密封滑动摩擦界面摩擦振动理论分析及实验测试.pdf

第 50 卷第 4 期化工机械化工机械DOI:10.20031/ki.0254鄄6094.202304006干气密封滑动摩擦界面摩擦振动理论分析及实验测试孙宝财张正棠渊甘肃省特种设备检验检测研究院冤摘要为揭示干气密封端面间摩擦振动规律袁 通过对密封端面在干摩擦状态下的微观形貌与受力进行分析袁 基于分形理论构建了包含分形参数的密封端面法向位移激励以及干气密封在干摩擦状态下的两自由度摩擦振动系统模型遥 为验证模型的合理性和正确性袁搭建了干气密封摩擦振动实验测试平台遥对不同工况下的理论与实验结果进行对比分析袁结果表明院当载荷一定时袁理论模型计算振幅与实验测试振幅均随着转速的增大而增大曰当转速一定时袁理论模型计算振幅与实验测试振幅均随着载荷的增大而增大曰在相同工况下袁理论模型计算振幅与实验测试振幅接近袁且理论值普遍大于实验值遥关键词干气密封摩擦振动理论分析分形理论谐波小波包变换中图分类号TH113.1曰TH117.1文献标识码A文章编号0254鄄6094渊2023冤04鄄0473鄄09基金项目院甘肃省市场监督管理局科技计划项目渊SSCJG鄄TS鄄202101冤遥作者简介院孙宝财渊1981-冤袁高级工程师袁从事压力管道尧压力容器检验检测及流体动密封研究工作遥通讯作者院张正棠渊1989-冤袁工程师袁从事压力管道尧压力容器检验检测及流体动密封研究工作袁遥引用本文院孙宝财袁张正棠.干气密封滑动摩擦界面摩擦振动理论分析及实验测试咱J暂.化工机械袁2023袁50渊4冤院473-481.符号说明Aa要要要名义接触面积袁mm2曰CN要要要法向接触阻尼袁N 窑 s/m曰CT要要要切向接触阻尼袁N 窑 s/m曰D要要要分形维数曰E1尧E2要要要两种材料的弹性模量袁Pa曰E要要要当量弹性模量袁Pa曰f要要要摩擦因数曰G要要要特征尺度袁m曰G1尧G2要要要两种材料的剪切模量袁Pa曰G要要要当量剪切模量袁Pa曰KN要要要单微凸体法向接触刚度袁N/m曰KT要要要单微凸体切向接触刚度袁N/m曰lb要要要基底长度袁m曰P要要要单微凸体上法向载荷袁Pa曰Qx要要要单微凸体上切向力袁Pa曰V要要要动环滑动速度袁m/s曰琢要要要螺旋槽根径曰滋c袁t要要要切向与法向阻尼比曰滋k袁t要要要切向与法向刚度比曰淄1尧淄2要要要两种材料的泊松比遥干气密封是动设备中应用广泛的非接触式密封遥 在密封系统稳定运行时袁干气密封会在动环与静环之间产生一个具有一定刚度和一定厚度的气膜咱1袁2暂以达到预定的密封效果遥但是在实际运行中袁特别是在干气密封系统的启动和停止期间袁 动环和静环端面间不可避免地会发生接触袁这主要是受加工制造水平达不到精度要求尧装配过程存在误差及工况等因素的影响咱3暂遥 这种接触摩擦会使动环和静环端面间产生失效袁严重影响干气密封系统的使用寿命袁甚至可直接导致干气密封系统失效袁从而造成极大的危害咱4袁5暂遥目前袁研究学者们均是在干摩擦状态下对机械摩擦副的粘滑和纯滑动引起的振动问题进行探讨咱6耀12暂袁由起初的单自由度系统逐渐发展研究到两自由度系统咱13耀17暂袁所涉及的摩擦模型也逐步从静态摩擦模型向动态摩擦模型过渡咱18耀22暂遥 在试验测试方面袁丁雪兴等通过对螺旋槽干气密封环进行摩擦性能试验袁分析了不同工况下的密封环磨 损 量 与 摩 擦 系 数 之 间 的 变 化 规 律咱23袁24暂遥473化工机械2023 年化工机械HUANG W F在干气密封的启动和停止期间袁采用声发射技术进行试验测试袁但未见有关干气密封摩擦界面摩擦振动试验测试方面的报道咱25袁26暂遥笔者在干摩擦状态下分析干气密封系统动环与静环端面间的受力情况袁通过分形理论相关知识考察微观形貌与接触特性对系统的影响袁从而建立两自由度摩擦振动系统模型袁并搭建相应的实验平台来测试模拟摩擦振动信号袁将所得结果与理论计算值进行对比袁为进一步研究干气密封接触摩擦奠定理论基础遥1理论模型的构建1.1摩擦振动系统物理模型干气密封系统中摩擦副是在动环与静环没有润滑状态下相互接触摩擦形成的袁动环端面在法向载荷P的作用下沿着静环端面滑动遥 对静环端面来说袁 滑动摩擦产生的切向力Qx在整个接触面内平行于x轴袁并与动环端面滑动方向相同遥 两密封端面相对滑动过程中袁 在P与Qx的共同作用下袁在整个接触面内袁一部分微凸体处于塑性接触状态袁 在接触过程中耗散接触力所做的功袁表现为阻尼作用曰另一部分微凸体处于弹性接触状态袁在接触过程中发生弹性变形而存储接触力所做的功袁表现为刚度作用遥 此外袁两密封端面相对滑动过程中袁静环端面微凸体的起伏将会引起动环在法向渊z轴方向冤的振动袁因此需要考虑微观形貌对摩擦振动的影响遥 为了研究方便并简化问题袁笔者做出如下假设院a.将干气密封系统动环与静环端面间摩擦界面的接触简化为滑动理想刚性光滑平面与固定粗糙表面的接触曰b.为表征干气密封系统动环与静环端面间摩擦界面在滑动过程中微凸体起伏引起动环在法向渊z轴方向冤的振动袁假定静环的粗糙表面按分形参数构成余弦规律变化曰c.将摩擦振动分为正交的两个方向袁即垂直于密封端面的法向渊z轴方向冤和平行于密封端面的切向渊x轴方向冤曰d.作为矢量的接触刚度可以分为法向接触刚度和切向接触刚度曰e.作为矢量的接触阻尼可以分为法向接触阻尼和切向接触阻尼曰f.以动环为摩擦振动研究对象遥基于以上假设袁抽象并建立了干气密封系统在干摩擦状态下考虑微观接触特性对宏观系统影响的两自由度摩擦振动系统模型袁如图1所示袁其中Qx=fP遥图1干气密封两自由度摩擦振动系统模型1.2摩擦振动法向位移激励两密封端面在滑动过程中袁静环端面微凸体的起伏会引起动环在法向渊z轴方向冤的振动袁即微凸体起伏引起的法向位移为激励遥 因此袁需要构建密封端面法向位移激励的表达式遥具有分形特征的粗糙表面的轮廓曲线可用W鄄M函数来描述咱27暂袁其数学表达式如下院z渊x冤=L渊GL冤D-1nn=0移cos渊2仔酌nx/L冤酌渊2-D冤n袁1约D约2渊1冤其中袁L为取样长度袁轮廓曲线的空间频率酌n=1.5袁n为空间频率系数袁nmax=int咱lg渊L/Ls冤/lg 酌暂袁Ls为截止长度袁通常近似为材料的原子间距离遥由W鄄M函数可知袁粗糙性包含0臆n臆nmax空间范围内的余弦波遥 同时袁式渊1冤连续但不可导袁因此袁为简化微凸体起伏引起的法向位移以及考虑到数学上的连续性袁在此将本由多种频率成分构成的粗糙表面简化为只考虑一种频率成分的余弦波袁并取nb=nmax2遥变形前单个微凸体可以定义为咱28暂院h渊x冤=GD-1lb2-Dcos渊仔lbx冤袁-lb2xlb2渊2冤微凸体起伏引起的法向位移激励可定义为z渊x冤渊后续文中出现的z渊x冤均表示法向方向的激励冤院z渊x冤=Zgcos 赘t袁t逸0渊3冤Zg=GD-1lb2-Dmax474第 50 卷第 4 期化工机械化工机械材料碳化硅石墨密度/kg 窑 dm-33.172.0耀2.5导热系数W 窑 m-1窑 益-112.00.8热膨胀系数益-14.5伊10-64.0伊10-6弹性模量/GPa45020耀40抗压强度/MPa1 034500硬度渊HRA冤14020赘=仔Vlb1.3摩擦振动系统数学模型基于干气密封系统动环与静环端面间振动系统物理模型与法向位移激励袁在没有任何润滑介质的条件下袁建立两自由度摩擦振动系统数学模型袁该模型充分考虑了微观形貌与接触特性对系统的影响遥 对于图1所示的系统袁其动力学方程为院MX咬+CX窑+KX=F渊4冤其中袁M=m00m蓸蔀袁m为尺度系数曰C=CT00CN蓸蔀袁K=KT00KN蓸蔀袁X=xz蓸 蔀袁F=Qx00Fgcos渊赘t+琢冤蓸蔀袁Fg=ZgK2N+渊CN赘冤2 姨袁琢=arctan渊CN赘/KN冤遥为便于分析袁将式渊4冤转换为无量纲形式院X咬+2孜N滋c袁tX窑+滋k袁tX=fxZ咬+2孜NZ窑+Z=fgcos渊赘0子+琢冤扇墒设设设设缮设设设设渊5冤其中袁孜N=CN2mKN 姨袁滋c袁t=CTCN袁滋k袁t=KTKN袁fx=QxP袁fg=FgP袁赘0=赘棕N袁棕N=KNm 姨袁子=棕Nt袁Y/X=xKNP袁Z=zKNP遥动力学方程渊5冤包含接触阻尼尧接触刚度和激励袁更接近实际情况遥 但鉴于有阻尼系统在稳态情况下袁由于阻尼的存在袁系统总响应中自由振动分量很快被衰减殆尽袁因此袁文中暂时只考虑无阻尼下系统的稳态解遥 则式渊5冤在不考虑阻尼的情况下为院X咬+滋k袁tX=fxZ咬+Z=fgcos 赘0子嗓渊6冤其中袁滋k袁t=KTKN袁fx=QxP=f袁fg=ZgKNP遥对于式渊6冤中滋k袁t所涉及的切向接触刚度与法向接触刚度袁分别根据文献咱29袁30暂中的公式进行计算遥 通过分析可以发现袁切向接触刚度与法向接触刚度的比值为定值袁 且与材料本身有关袁即院滋k袁t=4GE渊7冤E軍=渊1-淄21E1+1-淄22E2冤G軍=渊2-淄1G1+2-淄2G2冤其中袁G1=E12渊1+淄1冤袁G2=E22渊1+淄2冤遥2理论计算与实验测试2.1实验试件根据被密封介质特性渊如材料硬度尧强度尧导热性尧耐腐蚀性尧耐高温性尧化学稳定性及润滑性等冤尧操作工况等实际情况袁选择端面螺旋槽干气密封系统作为实验测试对象袁选择碳化硅作为动环材料尧石墨作为静环材料袁两者的物理特性见表1遥表1碳化硅和石墨的物理特性实验试件需要根据优化的实验方案及要达到的实验目的袁并结合试验机的实际情况和启动阶段的工况参数综合设计尧加工而成袁据此设计的实验试件实物如图2所示遥2.2实验测试工况由于实际运行过程中的摩擦难以捕捉袁故本次实验测试是基于短暂的启动阶段进行的袁即对干气密封系统刚开始运行袁端面间尚未形成稳定的刚性气膜前渊闭合压力大于密封气体动压力冤图2实验试件实物图端面间处于接触状态时产生的摩擦振动信号进-1-1475化工机械2023 年化工机械行实验测试遥 根据本课题组前期实验测试的经验和干气密封制造企业的工程实践积累袁结合本次实验测试的具体情况袁确定实验测试的开启比压为0.10耀0.55MPa袁开启线速度为0.55耀1.75m/s遥 本次实验测试设定为5组载荷尧3组转速交叉进行袁以其中1种载荷和1种转速的组合工况为1组实验参数渊共计15组冤进行摩擦振动实验测试袁名义接触面积为1 634 mm2袁 每组工况测试时间10 min袁具体参数见表2遥表2实验测试工况参数端面比压pgMPa0.090.420.180.280.36转速nr 窑 min-1200400600平均线速度vm 窑 s-10.551.091.63端面载荷FN1503004506007002.3理论计算根据建立的干气密封两自由度摩擦振动系统模型尧实验试件和工况参数袁经过计算尧谐波小波包变换后可以得到载荷为450 N尧 转速为200尧400尧600 r/min时的摩擦振动信号时频域图遥不同工况下袁理论模型计算频率在6 000耀6 800 Hz范围内变化袁 其只与摩擦副 渊动环与静环冤的材质有关而与载荷尧转速等实验条件无关遥理论模型计算振幅在切向以10-8m量级变化袁在法向以10-6m量级变化遥 这是因为法向接触刚度大于切向接触刚度袁 且z方向计算振幅由法向载荷P决定而x方向计算振幅由切向力Qx决定遥 由此可见袁理论模型计算体现了干气密封摩擦振动高频率尧低幅值的特征遥 将载荷固定袁理论模型中计算振幅在x尧z两个方向上均随转速的增大而增大遥这是因为转速的大小可以表征单位时间内一个粗糙表面上的某个特定微凸体相对于另外一个粗糙表面上可能与它相互碰磨的其他微凸体所发生接触次数的多少袁这也从另外一个层面反映出摩擦振动振幅将随着转速而改变遥2.4实验测试2.4.1实验测试系统本次实验测试的主要参数有载荷尧转速和摩擦振动信号遥 其中袁摩擦振动信号是通过安装在静环上的高精度加速度传感器尧 高速采集卡和LABVIEW信号采集系统测得袁如图3所示遥图3摩擦振动信号采集系统由于本次实验测试的摩擦振动属于高频微幅振动袁其特点是振动加速度大尧位移小袁因此采用电压灵敏度高尧频率范围大的YSV2303S型加速度传感器拾取振动信号遥 USB46161CP型采集卡采样频率为1 Hz袁采集卡与编程软件渊支持Win10系统冤组成摩擦振动信号测试系统袁如图4所示遥476第 50 卷第 4 期化工机械化工机械图4摩擦振动信号测试系统在立式万能摩擦磨损试验机上安装数据采集传感器袁具体位置如图5所示遥图5传感器安装示意图2.4.2原始摩擦振动信号转速400 r/min尧载荷450 N时的原始摩擦振动信号中袁x方向为滑动摩擦界面的径向方向曰y方向为滑动摩擦界面的切向方向曰z方向为垂直于滑动摩擦界面的方向遥 该原始摩擦振动信号中既包含了干气密封系统动环与静环端面间的摩擦振动信号又包含了系统机械振动信号遥原始摩擦振动信号中较高振幅信号的频率主要集中在0耀7 000 Hz尧12 500耀16 800 Hz范围内遥 x尧y尧z方向上整个频带存在明显的倍频现象袁振动基频棕为5 768尧5 985尧5 894 Hz袁3倍频 为18 925尧18 993尧18 957 Hz袁4倍频为23 514尧23 494尧23 496 Hz袁5倍频为29 845尧29 495尧29 668 Hz袁均表现出周期性变化遥 微弱的干气密封高频微幅摩擦振动特征完全淹没在原始摩擦振动信号中袁无法有效识别出干气密封系统动环与静环端面间的摩擦振动信息袁因此袁必须采用可靠的方法渊如谐波小波包变换冤来有效提取动环与静环端面间的摩擦振动信号特征信息遥2.4.3摩擦振动信号提取与识别根据理论计算模型得出不同工况下的计算频率袁相应的对相同工况下的实验测试摩擦振动信号袁 采用谐波小波包变换在MATLAB软件中进行5层32个频带分解渊带宽为1 000 Hz冤袁得到与理论模型计算频率相对应的时频域图袁 如图6耀8所示遥图6转速200 r/min尧载荷450 N时的实验测试时频域图477化工机械2023 年化工机械从图6耀8可以看出袁 利用谐波小波包变换方法可以有效提取出实验测试中微弱的干气密封摩擦振动信号遥相同工况下实验测试频率在6000耀6 800 Hz范围内变化时袁 实验测试振幅和理论模型计算振幅基本一致袁 同时在切向以10-8m量级变化袁在法向以10-6m量级变化袁这也验证了理论模型关于计算振幅的正确性遥 当载荷不变时袁实验测试振幅随着转速的增大而增大袁与理论模型计算振幅的变化趋势相一致遥3对比分析与讨论为了验证笔者所建理论模型的合理与正确袁将上述工况下的理论模型计算结果与实验测试结果进行对比分析袁结果如图9所示遥 可以看出袁转速不变时袁理论模型计算振幅与实验测试振幅在x尧z方向上都随着载荷而变化遥这是因为摩擦界面的摩擦振动实质上是通过动环与静环接触表面上的微凸体之间的相互作用产生的袁当载荷发生变化时袁势必会对动环与静环之间的真实接触面积尧微凸体变形程度等实际接触状态造成改变而最终反映出振幅变化遥 同一工况下袁理论模型计算振幅和实验测试振幅很接近袁且理论模型的计算振幅普遍大于实验测试振幅袁这是因为理论计算模型是在无阻尼下系统具有稳态解的前提下建立的袁 而实际实验测试则包含了阻尼等情况遥 通过对比分析可以得出袁理论模型计算振幅与实验测试振幅虽然存在偏差袁但两者的变化规图7转速400 r/min尧载荷450 N时的实验测试时频域图图8转速600 r/min尧载荷450 N时的实验测试时频域图478第 50 卷第 4 期化工机械化工机械律和趋势基本一致袁 摩擦振动振幅也在同一量级袁这进一步证明了笔者所建模型的合理与正确遥图9不同转速下理论模型计算结果与实验测试结果对比4结论4.1基于分形理论构建了干气密封系统动环与静环端面间在干摩擦状态下考虑微观形貌与接触特性对宏观系统影响的两自由度滑动摩擦界479化工机械2023 年化工机械面摩擦振动系统模型袁并根据描述粗糙表面轮廓曲线的W鄄M函数袁构建了包含分形参数的密封端面法向位移激励遥4.2搭建了干气密封滑动摩擦界面摩擦振动实验测试平台袁 同时选用高精度加速度传感器尧高速采集卡和LABVIEW信号采集系统对动环与静环端面间的摩擦振动信号进行实验测试遥4.3采用谐波小波包变换分析和处理具有微弱特征的摩擦振动信号袁结果表明袁谐波小波包变换方法能够准确提取干气密封系统动环与静环端面间摩擦振动信号的特征信息遥4.4载荷固定不变时袁无论是理论模型得到的计算振幅还是实验测试的振幅都随着转速的增大而增大遥 当转速一定时袁理论模型计算振幅与实验测试振幅均随着载荷的增大而增大遥 相同工况下袁 理论模型计算振幅和实验测试振幅的值接近袁且理论模型的普遍大于实验测试的遥 对比分析得出袁理论模型计算振幅与实验测试振幅虽然存在偏差袁 但两者的变化规律和趋势基本一致袁摩擦振动振幅也在同一量级袁这也进一步证明了笔者所建模型的合理与正确遥参考文献咱1暂俞树荣袁曹兴岩袁丁雪兴袁等.螺旋槽干气密封性能参数的测试技术及试验研究 咱J暂.机械工程学报袁2012袁48渊19冤院116-121.咱2暂WANG Y M袁YANG H X袁WANG J L.Theoretical anal鄄yses and field applications of gas鄄film lubricated me鄄chanical face seals with herringbone spiral grooves咱J暂.Tribology Transactions袁2009袁52渊6冤院800-806.咱3暂彭旭东袁刘坤袁白少先袁等.典型螺旋槽端面干式气体密封动压开启性能咱J暂.化工学报袁2013袁64渊1冤院328-333.咱4暂丁雪兴袁王文鼎袁金海俊袁等.干气密封摩擦副启停阶段摩擦特性的仿真研究 咱J暂.石油化工高等学校学报袁2017袁30渊2冤院91-96.咱5暂高志袁林尤滨袁黄伟峰袁等.干气密封启动过程中的声发射信号特征 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期化工机械化工机械咱22暂李小彭袁孙德华袁岳冰袁等.质量-弹簧-带摩擦自激振动系统的分岔特性及其控制研究咱J暂.振动与冲击袁2015袁34渊15冤院28-32曰44.咱23暂丁雪兴袁王平西袁张伟政袁等.螺旋槽干气密封环端面摩擦试验及其性能分析咱J暂.化工学报袁2017袁68渊1冤院208-214.咱24暂丁雪兴袁王平西袁魏龙袁等.两种螺旋角干气密封环端面摩擦特性试验研究咱J暂.摩擦学学报袁2017袁37渊3冤院290-296.咱25暂HUANG W F袁 LIN Y B袁GAO Z袁 et al.An acousticemission study on the starting and stopping processesof a dry gas seal for pumps 咱J暂.Tribology Letters袁2013袁49院379-384.咱26暂HUANG W F袁LIN Y B袁LIU Y袁et al.Face rub鄄impactmonitoring of a dry gas seal using acoustic emission咱J暂.Tribology Letters袁2013袁52院253-259.咱27暂KOMVOPOULOS K袁GONG Z Q.Stress analysis of alayered elastic solid in contact with a rough surfaceexhibiting fractal behavior 咱J暂.International Journal ofSolids and Structures袁2007袁44渊7鄄8冤院2109-2129.咱28暂严如奇.基于分形理论的机械密封摩擦界面接触及温升研究咱D暂.兰州院兰州理工大学袁2015.咱29暂孙宝财袁丁雪兴袁陈金林袁等.干气密封滑动摩擦界面切向接触刚度分形模型 咱J暂.摩擦学学报袁2019袁39渊1冤院65-72.咱30暂孙宝财袁丁雪兴袁陈金林袁等.干气密封摩擦界面法向接触刚度分形模型 咱J暂.振动与冲击袁2019袁18渊38冤院248-255.渊收稿日期院2021-11-30袁修回日期院2023-07-17冤Theoretical Analysis and Experimental Study on Friction Vibration ofSliding Friction Interface of Dry Gas SealSUN Bao鄄cai,ZHANG Zheng鄄tang渊Gansu Province Special Equipment Inspection and Testing Institute冤Abstract For purpose of revealing the law of friction vibration between the dry gas seal end faces,having themicroscopic morphology and stress of the seal end faces in the dry friction state analyzed and the fractal theorybased to construct a two鄄degree鄄of鄄freedom friction vibration system model was implemented.In the systemmodel,the normal displacement excitation of the seal end faces with fractal parameters and the dry gas seal inthe dry friction state were contained.Contrastively analyzing theoretical and experimental results show that,asfor the constant load,the amplitude calculated by the theoretical model and measured by the experiment canincrease with the increase of the load;when the rotation speed is fixed,the amplitude calculated by the theoret鄄ical model and the amplitude measured by the experiment both increase with the increase of the load.Underthe same working conditions,the amplitude calculated by the theoretical model is close to the amplitude fromthe experimental test,and the theoretical value is generally larger than the experimental value.Key wordsdry gas seal,frictional vibration,theoretical analysis,fractal theory,harmonic wavelet packettransform叶化工机械曳投稿须知音文稿应简明扼要袁突出重点袁公式尧数据准确遥音投稿邮箱为 渊E鄄mail 唯一收稿方式冤袁一律为 Word 文档渊A4 幅面袁单倍行距袁通栏袁五号字体冤袁不受理复印稿或传真稿遥音每篇文章请附 150耀200 字中尧英文摘要袁4耀6 个中尧英文关键词袁作者所在单位的中尧英文名称遥音若条件允许袁每篇文章请附中图分类号渊分类方法请参考叶中国图书馆分类法曳第四版冤遥音图尧表要有图题尧表题袁图中文字尧符号尧数字尧图注需清楚袁图尧表中标注尽量用中文袁并请使用彩色原图遥音公式另行居中书写袁大/小写尧上/下标标注清楚遥音为使您的稿件能够被及时处理袁投稿时请务必提供每位作者的详细信息袁包括邮编尧联系地址尧工作单位尧电话等遥音来稿收到后即以电子邮件方式给以回复袁并分配稿件登记号袁以便于查询遥音投稿后若有变动渊如撤稿袁作者通讯地址尧联系方式改变等冤袁请务必通知编辑部遥音审稿周期为 20 个工作日遥481