針對機械密封運行過程中反映密封端面接觸狀態的工作參數( 端面開啟時間、膜厚等) 測量困難的問題，提出基于聲發射信號的機械密封端面接觸狀態監測方法。根據密封端面產生的聲發射信號具有時變非線性且突發性強的特點，采用經驗模態分解( EMD) 法對原始信號進行分離提取。EMD 法能夠將信號分解為不同時間尺度和不同頻帶的一系列固有模態函數，然后根據能量分布特征對偽分量進行剔除，得到“近源”聲發射信號，抽取其信號特征運用Laplace小波相關系數法實現對密封端面接觸狀態的準確識別。通過機械密封測試試驗證明，聲發射監測技術能準確地識別機械密封裝置動靜環之間的接觸狀態和摩擦形式，能夠在工業現場推廣使用。

　　作為旋轉機械設備中不可缺少的裝置，機械密封因其工作泄漏量小、可靠性好、使用壽命較長、功率消耗少等一系列優點，在壓縮機、泵、反應釜、離心機、攪拌器、轉盤塔和過濾機等機械工藝設備上得到了廣泛的應用。據統計，國外95% 左右的旋轉機械設備都采用了機械密封。機械密封的工作狀態直接影響整個系統的性能和生產安全，所以對其進行狀態監測就顯得尤為重要和迫切。然而機械密封運行過程中反映密封端面接觸狀態的工作參數，如端面開啟時間、膜厚等的測量十分困難。

　　機械密封裝置在運行過程中會產生許多能夠反映密封裝置運行狀態的有效信息，比如振動、溫度、壓力和聲波等，但這些信號用來表征機械密封運行過程中端面摩擦狀態和液膜厚度作用不大。然而機械密封裝置在運行過程中所產生的聲發射( Acoustic Emission，AE) 信號蘊含了豐富的工況信息。聲發射信號幅值大小與動靜環所處的狀態關系很大，這主要是因為聲發射信號幅值與動靜環摩擦時釋放的能量直接相關。而動靜環在發生摩擦前機械系統的不平衡、不對中或其他狀態信息不會在聲發射信號中反映出來，因此真空技術網(http://203scouts.com/)認為可利用聲發射技術對機械密封運行過程中動靜環的摩擦狀態進行監測，對故障進行診斷。

　　當機械密封裝置運轉時，動靜環之間摩擦會產生能量信息，而聲發射技術能準確反應密封端面摩擦所產生的能量信息，通過對該聲發射信號的分析和識別便可以實現對機械密封端面接觸情況以及整個密封裝置工作狀態的監測。

　　聲發射技術很早就被用于密封裝置工作狀態的監測。20 世紀末，日美等先進國家將超聲波、聲發射傳感等技術用于航空航天領域液氧泵及核反應堆冷凝泵，開發出了機械密封裝置監控系統。國內也成功地將聲發射技術應用于機械密封裝置狀態監測中。國內石油大學已成功地將自行研制的密封相態監控系統應用于工業機械密封裝置安全監測方面。克拉瑪依石油公司運用聲發射技術對管匯臺旋塞閥的密封進行了檢測，發現聲發射技術能夠準確地檢測出管線中故障的類型和發生位點。

　　本文作者介紹了機械密封端面摩擦形式及聲發射技術在機械密封端面接觸狀態監測中的應用，并通過實驗進行了驗證。

1、機械密封聲發射監測技術

1.1、機械密封端面摩擦形式及聲發射

　　聲發射是指材料內部或表面由于變形或者損壞而突然釋放應變能產生的瞬態彈性波。有些研究者也將聲發射稱之為應力波發射( Stress Wave Emission，SWE) 。機械密封中的動、靜環是兩個核心元件，動、靜環端面接觸情況對機械密封的正常工作起著決定性的作用。在機械密封實際運行過程中，由于端面力、熱變形以及其他干擾因素的影響，都可能使端面接觸情況發生變化，引起碰撞。碰撞發生時，碰撞處動靜環發生彈性變形而產生應力波發射，即聲發射。直接與變形和斷裂機制有關的彈性波源，通常稱為典型聲發射源。流體泄漏、摩擦、撞擊、燃燒、磁疇壁運轉等與變形和斷裂機制無直接關系的另一類聲發射源，稱為二次聲發射源，機械密封端面摩擦所形成的聲發射源屬于后者。聲發射信號具有很大的動力學范圍，其位移幅度可以從1 × 10 ^-15 m 到1 × 10 ^-9 m，擁有106 量級的變化范圍; 聲發射波的頻率范圍很寬，從次聲頻、聲頻直到超聲頻，包括數Hz 到數MHz; 其被測物體幅度變化從微觀位錯到大規模宏觀斷裂。典型的機械密封端面摩擦聲發射信號時域波形如圖1 所示。

圖1 機械密封聲發射信號

　　機械密封要保證低泄漏率甚至要實現零泄漏，那么端面間隙要足夠小。受到端面粗糙度、平行度及安裝等因素的影響，動靜環端面很可能會發生碰撞或摩擦，所以研究端面間的摩擦工況是十分重要的。機械密封正常工作時，由于密封介質、內部結構及工作條件( 轉速、壓力、溫度等) 的不同，根據黏滯力假說，密封端面間可能出現以下4 種摩擦狀態:

　　(1) 接觸摩擦( 干摩擦) 。在密封端面間出現液膜之前，動靜環端面直接接觸在一起。當密封裝置啟動時轉速較低、壓力較小，端面間液膜尚未形成，因而存在動靜環端面間直接接觸摩擦的情形，即干摩擦。干摩擦所產生的聲發射信號較強，具體表現為幅值大，振蕩次數多。

　　(2) 流體摩擦。機械密封裝置運行過程中，隨著主軸轉速的上升，在機械密封端面摩擦副內( 即動靜環之間) ，會慢慢形成一層與滑動軸承一樣的穩定潤滑膜，這種極薄的潤滑膜厚度遠大于密封端面粗糙度，可將兩個端面完全分隔開。此時端面間基本沒有直接接觸，摩擦僅由黏性流體的剪切產生，因而端面間的摩擦及磨損都大為下降，功耗和發熱量也都相應地減小。這種工況下的端面摩擦稱為流體摩擦，所產生的聲發射信號相對較弱，幅值小、頻率低。

　　(3) 邊界摩擦。密封端面摩擦時，當端面壓力增大時，端面流體將被擠出。而此時密封端面仍吸附著一層流體分子的邊界膜，這層流體膜雖然非常薄，但同樣可以使兩端面處于被極薄的分子膜所隔開的狀態，這種狀態下的摩擦稱為邊界摩擦。邊界摩擦狀態下對端面起潤滑作用的是邊界膜，然而這種狀態下卻測不出任何液體壓力來。研究表明，邊界膜的分子層有3 ～ 4 層，其厚度為20 nm 左右，并且在整個端面上部分是不連續的，局部地方還存在固體接觸摩擦。這種端面接觸狀態存在磨損，但磨損量很小，泄漏量也很小，是機械密封中一種相對比較理想的摩擦工況，這與目前討論的端面織構理論提法一致。此時聲發射信號特征介于接觸摩擦和流體摩擦之間。

　　(4) 混合摩擦。隨著端面波度的減小，動靜環端面間隙變小，此時既沒有干摩擦時的局部凸起支撐，又缺少邊界摩擦時納米級均勻的表面紋理，而是在接觸表面間出現了同時存在以上幾種摩擦狀態的混合摩擦情形。在工業現場實際運轉中，普通機械密封絕大多數是在混合摩擦工況下工作的，只有在輕載、高速或高黏度工況下的機密封才會處于全膜流體潤滑摩擦。

　　機械密封在一次完整的啟停過程中，動靜環之間的摩擦形式隨著轉速的改變而改變。當端面之間的接觸形式不一樣其摩擦程度也不一樣，由摩擦產生的聲發射信號所攜帶的能量也大不相同。在一次完整啟停過程中，隨著轉速的升降機械密封端面聲發射信號時域波形表現出如圖2 所示“啞鈴狀”譜圖。

圖2 聲發射信號“啞鈴狀”譜圖

　　在輕載、高黏度、高速或端面開槽的工況下流體摩擦才有可能完整出現，在低速重載接觸式的液體端面密封中才有可能出現邊界摩，而對于絕大多數普通機械密封，在裝置剛啟動時，動靜環端面貼合在一起，處于干摩擦狀態。隨著轉速的增加和輔助流體壓力的增大，當開啟力大于閉合力時輔助流體會瞬間溢過端面，形成流體摩擦，這種摩擦狀態一般不會持續很久，在后續實際運轉過程中動靜環端面基本上都處在混合摩擦工況下工作。

　　聲發射技術能準確反應密封端面摩擦所產生的能量信息，因此應用于密封裝置的監測具有獨特的優勢。圖3 所示為機械密封端面油膜形成前后聲發射信號功率譜對比圖。可以看出，端面開啟前后動靜環摩擦產生聲發射信號功率譜完全不同，這說明端面開啟前后動靜環之間的接觸情況有很大區別，端面頂開前動靜環之間呈直接接觸摩擦，由接觸摩擦產生的應力波沖擊強，因而聲發射信號功率譜幅值較大。端面開啟后，端面間逐漸形成流體膜，動靜環之間由接觸摩擦逐漸過渡到流體摩擦或邊界摩擦，動靜環端面之間的摩擦作用減弱，聲發射信號功率譜幅值自然較小。

圖3 端面開啟前、后聲發射信號功率譜圖

　　因此，當機械密封裝置運轉時，動靜環之間摩擦產生的能量信息便以聲發射形式沿靜環座傳出，通過對該聲發射信號的分析和識別便可以實現對機械密封端面接觸情況以及整個密封裝置工作狀態的監測。因此聲發射技術可為機械密封工作狀態識別及故障診斷提供一條切實可行的途徑和方法。

1.2、聲發射信號的提取

　　采用聲發射技術監測機械密封的運行狀態時，聲發射傳感器一般安裝在與靜環直接接觸的靜環座上。由端面產生的聲發射信號經過靜環和靜環座傳到傳感器，這一距離少則兩三厘米多則十幾厘米，尤其是大軸頸機械密封裝置，聲發射信號在傳遞過程中還經常會受到其他機械部件所產生的信號的干擾，因此對采集到的聲發射信號進行分離提取成為一個必不可少的環節。

　　1998 年美國國家航空航天局華裔科學家Norden E Huang 提出采用經驗模態分解( Empirical Mode Decomposition，EMD) 方法進行信號分解。EMD 是一種數據分析方法，尤其針對非線性和時變性的數據其效果尤為顯著。傳統的時頻分析方法的分析原理都是基于傅里葉變換，而經典的傅里葉變換方法自身存在一些難以克服的局限性，不太適用于非線性時變信號分析。EMD 分析方法與基于傅里葉變換的信號處理方法不同，它是直接針對數據的、自適應的和不需要預先確定分解基函數的非平穩信號分析方法。該信號處理方法被認為是近年來對以傅立葉變換為基礎的線性和穩態譜分析的一個重大突破。

　　EMD 方法分解結果具有完備性，分解得到的各個固有模態函數( Intrinsic mode function，IMF) 分量在工業現場具有實際的物理意義，運用這一特征在處理如機械密封等旋轉機械運行過程中非線性信號時具有明顯的優勢。

2、結論

　　(1) 動靜環摩擦產生的聲發射信號，蘊含著大量的密封端面狀態信息。基于聲發射技術的狀態監測方法能有效檢測機械密封裝置端面的工作狀態，尤其對密封端面所處的摩擦狀態能夠進行有效的識別。

　　(2) 聲發射傳感器靈敏度高，信號成分復雜。EMD 方法能將聲發射信號按照不同頻帶分解成一系列固有模態函數，從而實現抑制噪聲和其他頻帶信號的干擾，將端面摩擦狀態的特征信息突顯出來。

　　(3) 根據密封端面開啟前后聲發射信號頻率特征，可以判斷密封端面開啟轉速及推算出開啟時間，進一步全面掌握機械密封開啟特性。