基于數(shù)字b超成像技術的機械密封端面磨損量在線測量裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于摩擦學測試技術領域，特別涉及一種采用B超成像技術進行機械密封端面間磨損量實時、精確的在線測量裝置及方法。適用于利用機械密封實現(xiàn)轉軸密封的裝置、機械密封性能試驗裝置和摩擦磨損試驗機。
【背景技術】
[0002]機械密封又稱為端面密封，被廣泛應用于石化、航空、核電等領域的旋轉機械中。機械密封的密封效果和壽命依賴于動、靜環(huán)摩擦副的工作狀態(tài)，具體體現(xiàn)在泄漏率和磨損量上。對于機械密封而言，泄漏率和磨損是一對矛盾。由機械密封的工作原理可知，要降低密封端面間的泄漏率，需要增大其端面比壓，而增大端面比壓又會促進動環(huán)和靜環(huán)的磨損。磨損的出現(xiàn)，不僅減薄了動環(huán)和靜環(huán)的厚度，使得密封所需的端面比壓降低，增加產生泄漏的危險；同時，磨損產生的摩擦熱還會導致動、靜環(huán)材料硬度降低，耐磨性變差，加速動環(huán)和靜環(huán)的磨損。因此，人們特別關注機械密封出廠測試中磨損量的測量，以及為適應新工況進行產品開發(fā)時新材料配對測試中磨損量的測量。
[0003]GB/T14211-2010規(guī)定機械密封產品型式試驗可將密封環(huán)試驗前后厚度差或者重量差作為磨損量，磨損速度不大于0.02mm/100h。密封環(huán)磨損厚度是在密封裝置停止運轉的條件下，從裝置上取下密封環(huán)采用千分尺測量或者采用天平稱重再除以材料密度獲得的。由于規(guī)定的測試時間短，產生的磨損量較小，若采用千分尺測量，往往因為千分尺與密封端面的夾持角度、夾持力不同而引起較大的誤差；若采用稱重法測量，又會因為軟質材料的孔隙吸入試驗介質，難以獲得準確的重量差(對于油一類的試驗介質，直接采用烘箱干燥，軟質材料試件的孔隙中總有試驗介質殘留)而無法求得準確的磨損厚度。
[0004]公知技術資料顯示，陳匡民等通過在軸端安裝高精度的位移傳感器，在線測量了電偶腐蝕條件下機械密封的磨損量，但由于軸承間隙的影響，使得這一方法并未獲得令人滿意的測量結果(陳匡民，黃敏，董宗玉.機械密封電偶腐蝕影響磨損速率規(guī)律的研究[J].流體工程，1988(12):1-5.) ο李石紅、Philip等在不影響密封性能的前提下事先刻劃少量的5-10 μ m淺痕于軟質密封環(huán)端面上，試驗后利用泰勒儀測量劃痕殘留深度，通過與試驗前劃痕深度的對比求得密封環(huán)的磨損量(李石紅.潛水電栗的可靠性分析與測試系統(tǒng)的研究[D].浙江:浙江大學，2005 ;Philip J.Guichelaar, Molly ff.Williams, Chadff.0mo and Deborah Wilde.Experimental verificat1n of thermoelasticmechanical seal face deflect1n by local wear measurements[J].Lubricat1nEngineering, 2000(7):26-31);還有不少研究者利用高精度天平稱量試驗前后密封環(huán)的重量來表征其磨損量(如劉士國，孫見君，涂橋安等.不同材料配對機械密封的端面摩擦特性試驗研究[J].潤滑與密封，2010，35 (12):91-94 ;王飛，劉一波，陳廣志.煤油栗用銅基軸尾密封材料及其摩擦學性能研究[J].粉末冶金技術，2013, 31 (6):433-438.)。但這2種方法都存在需要停機才能測量的缺陷，無法獲取在線、實時的磨損量，效率較低。郝點、顧永泉采用測試磨損電阻阻值的方法，即將兩個同樣規(guī)格的絲柵鉑式電阻片放置在靜環(huán)端面開設的圓孔中，其中一個電阻片與靜環(huán)一起參與磨損，另一個作為補償使用，通過電阻片發(fā)生磨損后引起的阻值變化來實現(xiàn)密封裝置連續(xù)工作時磨損量的動態(tài)測量(郝點，顧永泉.機械密封磨損測試與磨損系數(shù)研究[J].流體工程，1991 (6):8-13.)，但這種方法需要在靜環(huán)端面上開孔安裝絲柵鉑式電阻，比較繁瑣，且絲柵鉑式電阻裸露于靜環(huán)端面還導致其磨損并不等同于原有動環(huán)和靜環(huán)之間的磨損，可靠性差。

【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明是為解決現(xiàn)有機械密封端面磨損量因停機測量造成的效率低或在線測量精度低、可靠性差等問題而提出的一種非接觸式的基于數(shù)字B超成像技術的機械密封端面磨損量在線測量方法。
[0006]基于數(shù)字B超成像技術的機械密封端面磨損量在線測量方法，由超聲探頭10、數(shù)字B超采集卡11、接口卡12和計算機13組成測量系統(tǒng)；超聲探頭10設置于被測試的機械密封靜環(huán)7和動環(huán)5結合面B的徑向外側的密封腔內；標定靜環(huán)7的磨損補償段臺階端面為基準面A，動環(huán)5的磨損補償段臺階端面為測量面C ;超聲探頭10發(fā)射的超聲波對配合的靜環(huán)7和動環(huán)5進行掃查并通過數(shù)字B超采集卡11、接口卡12和計算機13完成B超成像，獲得包括基準面、結合面和測量面的B超三線黑白位圖；將機械密封運轉過程中不同時段提取的基準面、結合面和測量面的B超三線黑白位圖與運轉前提取的基準面、結合面和測量面的B超三線黑白位圖進行像素比對，把運轉前結合面與基準面之間軸線方向上的像素減去機械密封運轉過程中結合面與基準面之間軸線方向上的像素得到結合面丟失像素點個數(shù)，把運轉前測量面與基準面之間軸線方向上的像素減去機械密封運轉過程中測量面與基準面之間軸線方向上的像素得到測量面丟失像素點個數(shù)，結合面丟失像素點個數(shù)與像素點間距的乘積即為各個時段被測試機械密封靜環(huán)的磨損量，測量面丟失像素點個數(shù)與像素點間距的乘積即為各個時段被測試機械密封端面總的磨損量。
[0007]上述基于數(shù)字B超成像技術的機械密封端面磨損量在線測量方法，超聲探頭10為多陣元線陣寬頻探頭，該多陣元線陣寬頻探頭掃查時采用動態(tài)中心聚焦模式進行數(shù)字波束合成。
[0008]超聲探頭10是基于晶體壓電效應、能夠實現(xiàn)超聲波發(fā)射與接收功能的換能器；所述的多陣元線陣寬頻探頭是由多個壓電晶片組成，能夠產生不同頻率超聲波的探頭，每個壓電晶片為一個陣元；所述的中心聚焦是指由多陣元線陣寬頻探頭中的3個或3個以上臨近的壓電晶片組成的陣列中的陣元依次受激，產生的波束聚焦于這一陣列的中心線上，如圖2所示；控制多陣元線陣寬頻探頭中每一陣列的受激時間規(guī)律一致，可實現(xiàn)對被測物體中平行于探頭陣元排列方向的焦平面E的聚焦線性掃查，如圖3所示；所述的動態(tài)聚焦，是指超聲信號在發(fā)射模式下只對一點進行聚焦，在接收模式下，聚焦分布在波束軸線上多個回波點，甚至波束軸線上的每個回波點，接收聚焦如圖4所示；通過動態(tài)中心聚焦，可以獲得覆蓋動環(huán)和靜環(huán)兩個磨損補償段臺階端面、具有一定景深的B超圖像。采用寬頻探頭產生多重頻率的回波信號，獲取波束掃查深度范圍內完整的動環(huán)和靜環(huán)回波信息。
[0009]在發(fā)射模式下按公式Ifn= {F{l_[l+(nd/F) 2]1/2}/V}+t?？刂贫嚓囋€陣的中心對稱聚焦延時，其中，I fn為各陣元的延遲時間；11為陣元數(shù)；(1為陣元中心間距;F為聚焦焦距一為超聲波在介質中傳播的速度；t。為中心陣元發(fā)射聲波的時間。各個陣元依次通過延時激勵產生發(fā)射波束，實現(xiàn)對配合的靜環(huán)和動環(huán)進行聚焦線性掃查；各陣元通過延時激勵接收回波信號，進行前置放大，A/D轉換，存入存儲器，然后對數(shù)據(jù)進行延時加權，實現(xiàn)數(shù)字波束合成。
[0010]波束聚焦分辨率分析如圖5所示。波束有效半徑r = I L-F | (a/2F)，其中，L為超聲探頭到波束有效半徑的距離；F為聚焦焦距；a為超聲波探頭換能器孔徑；0為聚焦點。波束直徑也稱波束寬度。理論上，當L趨近于焦點O時，波束有效半徑r趨近于O ;實際超聲波波長的有限性，使超聲波發(fā)生衍射，在焦點O處形成一定直徑的焦斑；焦斑不僅在橫向具有一定的尺寸，而且在軸向也具有一定的大小，即焦斑實際上是一個管狀的結構，長度為Lf=1.8λ (F/a)2，λ為超聲波波長。超聲波波束聚焦在焦平面上的焦斑半徑越小，即超聲波波束寬度越窄，B超成像的橫向分辨力越高；當L遠離焦點O時，波束有效半徑r將變大，若L超出焦斑深度區(qū)域時，波束會產生發(fā)散，B超成像的橫向分辨力將變低。對于一定的超聲波探頭換能器孔徑a，通過調節(jié)波束焦距，可以獲得所需的橫向分辨率。
[0011]上述的基于數(shù)字B超成像技術的機械密封端面磨損量在線測量方法，其測量系統(tǒng)利用數(shù)字B超采集卡11實現(xiàn)脈沖的產生、完成發(fā)射脈沖的放大、回波信號的接收和放大，回波信號的數(shù)字轉換與存儲；接口卡12用于數(shù)字B超采集卡11與計算機13之間的數(shù)據(jù)傳輸與通信；計算機13對超聲圖像進行處理，包括圖像的灰度區(qū)域匹配、裁剪、閾值分割、濾波、降噪及邊緣檢測，實現(xiàn)圖像的顯示，測量數(shù)據(jù)的輸出及存儲。
[0012]上述的基于數(shù)字B超成像技術的機械密封端面磨損量在線測量方法，由超聲探頭的