CN105115453A - 基于数字b超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量方法，由超声探头、数字B超采集卡、接口卡和计算机组成测量系统；利用设置在密封腔内的超声探头对配合的动环和静环进行线性扫查并通过测量系统处理获取包括基准面、结合面、测量面的B超三线黑白位图；将机械密封运转过程中不同时段提取的B超三线黑白位图与运转前提取的B超三线黑白位图进行像素点个数比对，根据结合面、测量面丢失的像素点个数与像素点间距的乘积获取不同时段的被测试机械密封静环及机械密封端面总的磨损量。此方法适用于转动摩擦副、特别是机械密封端面间磨损量的测量，具有高精度、非接触、操作简单且实时性强的优点。

Description

基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量装置及方法

技术领域

本发明属于摩擦学测试技术领域，特别涉及一种采用B超成像技术进行机械密封端面间磨损量实时、精确的在线测量装置及方法。适用于利用机械密封实现转轴密封的装置、机械密封性能试验装置和摩擦磨损试验机。

背景技术

机械密封又称为端面密封，被广泛应用于石化、航空、核电等领域的旋转机械中。机械密封的密封效果和寿命依赖于动、静环摩擦副的工作状态，具体体现在泄漏率和磨损量上。对于机械密封而言，泄漏率和磨损是一对矛盾。由机械密封的工作原理可知，要降低密封端面间的泄漏率，需要增大其端面比压，而增大端面比压又会促进动环和静环的磨损。磨损的出现，不仅减薄了动环和静环的厚度，使得密封所需的端面比压降低，增加产生泄漏的危险；同时，磨损产生的摩擦热还会导致动、静环材料硬度降低，耐磨性变差，加速动环和静环的磨损。因此，人们特别关注机械密封出厂测试中磨损量的测量，以及为适应新工况进行产品开发时新材料配对测试中磨损量的测量。

GB/T14211-2010规定机械密封产品型式试验可将密封环试验前后厚度差或者重量差作为磨损量，磨损速度不大于0.02mm/100h。密封环磨损厚度是在密封装置停止运转的条件下，从装置上取下密封环采用千分尺测量或者采用天平称重再除以材料密度获得的。由于规定的测试时间短，产生的磨损量较小，若采用千分尺测量，往往因为千分尺与密封端面的夹持角度、夹持力不同而引起较大的误差；若采用称重法测量，又会因为软质材料的孔隙吸入试验介质，难以获得准确的重量差(对于油一类的试验介质，直接采用烘箱干燥，软质材料试件的孔隙中总有试验介质残留)而无法求得准确的磨损厚度。

公知技术资料显示，陈匡民等通过在轴端安装高精度的位移传感器，在线测量了电偶腐蚀条件下机械密封的磨损量，但由于轴承间隙的影响，使得这一方法并未获得令人满意的测量结果(陈匡民,黄敏,董宗玉.机械密封电偶腐蚀影响磨损速率规律的研究[J].流体工程,1988(12):1-5.)。李石红、Philip等在不影响密封性能的前提下事先刻划少量的5-10μm浅痕于软质密封环端面上，试验后利用泰勒仪测量划痕残留深度，通过与试验前划痕深度的对比求得密封环的磨损量(李石红.潜水电泵的可靠性分析与测试系统的研究[D].浙江：浙江大学,2005；PhilipJ.Guichelaar,MollyW.Williams,ChadW.OmoandDeborahWilde.Experimentalverificationofthermoelasticmechanicalsealfacedeflectionbylocalwearmeasurements[J].LubricationEngineering,2000(7):26-31)；还有不少研究者利用高精度天平称量试验前后密封环的重量来表征其磨损量(如刘士国,孙见君,涂桥安等.不同材料配对机械密封的端面摩擦特性试验研究[J].润滑与密封,2010,35(12):91-94；王飞,刘一波,陈广志.煤油泵用铜基轴尾密封材料及其摩擦学性能研究[J].粉末冶金技术,2013,31(6):433-438.)。但这2种方法都存在需要停机才能测量的缺陷，无法获取在线、实时的磨损量，效率较低。郝点、顾永泉采用测试磨损电阻阻值的方法，即将两个同样规格的丝栅铂式电阻片放置在静环端面开设的圆孔中，其中一个电阻片与静环一起参与磨损，另一个作为补偿使用，通过电阻片发生磨损后引起的阻值变化来实现密封装置连续工作时磨损量的动态测量(郝点,顾永泉.机械密封磨损测试与磨损系数研究[J].流体工程,1991(6):8-13.)，但这种方法需要在静环端面上开孔安装丝栅铂式电阻，比较繁琐，且丝栅铂式电阻裸露于静环端面还导致其磨损并不等同于原有动环和静环之间的磨损，可靠性差。

发明内容

本发明是为解决现有机械密封端面磨损量因停机测量造成的效率低或在线测量精度低、可靠性差等问题而提出的一种非接触式的基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量方法。

基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量方法，由超声探头10、数字B超采集卡11、接口卡12和计算机13组成测量系统；超声探头10设置于被测试的机械密封静环7和动环5结合面B的径向外侧的密封腔内；标定静环7的磨损补偿段台阶端面为基准面A，动环5的磨损补偿段台阶端面为测量面C；超声探头10发射的超声波对配合的静环7和动环5进行扫查并通过数字B超采集卡11、接口卡12和计算机13完成B超成像，获得包括基准面、结合面和测量面的B超三线黑白位图；将机械密封运转过程中不同时段提取的基准面、结合面和测量面的B超三线黑白位图与运转前提取的基准面、结合面和测量面的B超三线黑白位图进行像素比对，把运转前结合面与基准面之间轴线方向上的像素减去机械密封运转过程中结合面与基准面之间轴线方向上的像素得到结合面丢失像素点个数，把运转前测量面与基准面之间轴线方向上的像素减去机械密封运转过程中测量面与基准面之间轴线方向上的像素得到测量面丢失像素点个数，结合面丢失像素点个数与像素点间距的乘积即为各个时段被测试机械密封静环的磨损量，测量面丢失像素点个数与像素点间距的乘积即为各个时段被测试机械密封端面总的磨损量。

上述基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量方法，超声探头10为多阵元线阵宽频探头，该多阵元线阵宽频探头扫查时采用动态中心聚焦模式进行数字波束合成。

超声探头10是基于晶体压电效应、能够实现超声波发射与接收功能的换能器；所述的多阵元线阵宽频探头是由多个压电晶片组成，能够产生不同频率超声波的探头，每个压电晶片为一个阵元；所述的中心聚焦是指由多阵元线阵宽频探头中的3个或3个以上临近的压电晶片组成的阵列中的阵元依次受激，产生的波束聚焦于这一阵列的中心线上，如图2所示；控制多阵元线阵宽频探头中每一阵列的受激时间规律一致，可实现对被测物体中平行于探头阵元排列方向的焦平面E的聚焦线性扫查，如图3所示；所述的动态聚焦，是指超声信号在发射模式下只对一点进行聚焦，在接收模式下，聚焦分布在波束轴线上多个回波点，甚至波束轴线上的每个回波点，接收聚焦如图4所示；通过动态中心聚焦，可以获得覆盖动环和静环两个磨损补偿段台阶端面、具有一定景深的B超图像。采用宽频探头产生多重频率的回波信号，获取波束扫查深度范围内完整的动环和静环回波信息。

在发射模式下按公式ι_fn＝{F{1-[1+(nd/F)²]^1/2}/V}+t₀控制多阵元线阵的中心对称聚焦延时，其中，ι_fn为各阵元的延迟时间；n为阵元数；d为阵元中心间距；F为聚焦焦距；V为超声波在介质中传播的速度；t₀为中心阵元发射声波的时间。各个阵元依次通过延时激励产生发射波束，实现对配合的静环和动环进行聚焦线性扫查；各阵元通过延时激励接收回波信号，进行前置放大，A/D转换，存入存储器，然后对数据进行延时加权，实现数字波束合成。

波束聚焦分辨率分析如图5所示。波束有效半径r＝|L-F|(a/2F)，其中，L为超声探头到波束有效半径的距离；F为聚焦焦距；a为超声波探头换能器孔径；O为聚焦点。波束直径也称波束宽度。理论上，当L趋近于焦点O时，波束有效半径r趋近于0；实际超声波波长的有限性，使超声波发生衍射，在焦点O处形成一定直径的焦斑；焦斑不仅在横向具有一定的尺寸，而且在轴向也具有一定的大小，即焦斑实际上是一个管状的结构，长度为L_F＝1.8λ(F/a)²，λ为超声波波长。超声波波束聚焦在焦平面上的焦斑半径越小，即超声波波束宽度越窄，B超成像的横向分辨力越高；当L远离焦点O时，波束有效半径r将变大，若L超出焦斑深度区域时，波束会产生发散，B超成像的横向分辨力将变低。对于一定的超声波探头换能器孔径a，通过调节波束焦距，可以获得所需的横向分辨率。

上述的基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量方法，其测量系统利用数字B超采集卡11实现脉冲的产生、完成发射脉冲的放大、回波信号的接收和放大，回波信号的数字转换与存储；接口卡12用于数字B超采集卡11与计算机13之间的数据传输与通信；计算机13对超声图像进行处理，包括图像的灰度区域匹配、裁剪、阈值分割、滤波、降噪及边缘检测，实现图像的显示，测量数据的输出及存储。

上述的基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量方法，由超声探头的阵元受激发射的超声波扫查机械密封的动环和静环，通过密封腔中介质和机械密封静环、动环磨损补偿段的不同阻抗后产生不同的回波信号，再被超声探头的阵元接收，经过放大补偿、波束合成、信号处理、图像处理，在显示器上显示出与密封腔内部被探测部分相对应的图像；控制多阵元线阵宽频探头的多通道波束延时，并采用中心对称延时聚焦方式实现多路信号的聚焦，对机械密封静环和动环两个磨损补偿段逐线扫查，完成一帧超声图像，最终在显示器上显示一幅完整的包括基准面、结合面和测量面的B超三线黑白位图。

上述的基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量方法，其特征是：以B超三线黑白位图中的基准面上的像素点为特征像素点，按特征像素点灰度图像的灰度值相等原则匹配运转前及运转过程中B超三线黑白位图中的基准面。

如图9所示，机械密封运转前，经超声探头扫查获取的包括基准面A、结合面B及测量面C三线的二维截面灰度图像中以基准面A上的像素点作为特征像素点，将包含特征像素点的灰度邻域H设定为标定区域模板，再以标定区域模板H的宽度作为基准宽度对模板H进行扩展，使扩展后的区域I包含结合面B与测量面C的像素点灰度区域作为标定裁剪区域，标定裁剪区域I包括标定区域模板H。

如图11所示，机械密封运转过程中，经超声探头扫查获取的包括基准面A′、结合面B′及测量面C′三线的二维截面灰度图像中以基准面A′上的像素点作为特征像素点，将包含特征像素点的灰度邻域H1设定为测量区域模板，其灰度分布与机械密封运转前标定区域模板H相同，实现区域匹配，保证匹配区域内各像素点坐标值一一对应，再以测量区域模板H1的宽度作为测量宽度对模板H1进行扩展，使扩展后的区域I1包含结合面B′与测量面C′的像素点灰度区域作为测量裁剪区域，测量裁剪区域I1包括测量区域模板H1。

采用阈值分割对机械密封运转前与运转过程中经匹配处理的灰度图像裁剪区域进行二值化黑白位图处理，通过滤波、去噪的方法能够减少图像在传输、处理、显示等过程中受随机信号的干扰而引入的噪声，获取真实度高的黑白位图，最后经边缘检测算法获取包括基准面、结合面及测量面的高精度三线黑白位图。

上述的基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量方法，其特征是：以机械密封运转前基准面到测量面的实际距离与其间在轴线方向上的像素点个数的比值作为像素点间距。

测量原理：

图1为基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量系统，包括超声探头、数字B超采集卡、接口卡和计算机。被测试的机械密封动环和静环穿套于与主轴配合的轴套上；静环通过静环O形圈与压盖形成密封连接；动环密封端面在其背面的弹性元件的压力推动下与静环密封端面紧贴；动环的内孔与轴套通过动环O形圈形成密封连接。

超声探头设置于被测试的机械密封静环和动环结合面的径向外侧的密封腔内。

在机械密封运转前，如图2所示的多阵元线阵宽频超声探头从静环的磨损补偿段台阶端面的基准面A到动环的磨损补偿段台阶端面的测量面B进行逐线扫查(如图6)，并通过数字B超采集卡、接口卡和计算机完成B超成像，获得包括基准面、结合面和测量面的B超三线黑白位图；如图10所示，基准面A到结合面B的实际长度为x0μm，统计基准面A到结合面B在轴线方向的像素点个数为n0；基准面A到测量面C的实际长度为y0μm，统计基准面A到测量面C在轴线方向的像素点个数为m0，则像素点间距为δ＝y0/m0＝x0/n0μm/像素点。

机械密封运转过程中，动环的密封端面和静环的密封端面发生相对运动而产生摩擦磨损，动环密封端面和静环密封端面因此减薄，弹性元件推动动环追随静环，即弹性元件将释放其压力推动动环向静环方向移动，如图8所示虚线部分。由于弹性元件压力的释放，受压的静环O形圈回弹，推动静环向动环方向移动，继续维持静环与动环端面的贴紧状态。多阵元线阵宽频超声探头从静环的磨损补偿段台阶端面的基准面A到动环的磨损补偿段台阶端面的测量面B进行逐线扫查，如图7所示，通过数字B超采集卡、接口卡和计算机完成B超成像，获得磨损后基准面、结合面和测量面的B超三线黑白位图；将机械密封运转过程中不同时段提取的基准面、结合面和测量面的B超三线黑白位图与运转前提取的基准面、结合面和测量面的B超三线黑白位图进行像素比对，如图12所示，统计基准面A′到结合面B′像素点数为n1，计算结合面B′像素点损失个数为(n0-n1)，则静环磨损量值Δj＝δ(n0-n1)μm；统计基准面A′到测量面C′像素点数为m1，则测量面C′像素点损失个数为(m0-m1)，则机械密封端面的总磨损量值Δ＝δ(m0-m1)μm；动环磨损量值Δd＝δ[(m0-m1)-(n0-n1)]μm。

本发明同时提供了一种能够对机械密封端面磨损量实现在线实时测量、且精度高、可靠性好、非接触式的基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量装置。

本发明所述的基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量装置，包括设置于被测试的机械密封静环7和动环5结合面B的径向外侧的密封腔内的超声探头10，超声探头10、数字B超采集卡11、接口卡12、计算机13依次电连接组成测量系统。

上述的基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量装置，超声探头10为多阵元线阵宽频探头。

本发明的有益效果：

(1)使用本基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量装置实现了机械密封端面磨损量的在线测量，解决了停机测量效率低，人为因素导致误差大等问题。

(2)避免了可见光成像时易被密封介质遮挡无法获得磨损前后密封端面位置变化图像的状况。

(3)通过不同时间对机械密封动环和静环密封端面磨损量的测量，可以揭示其磨损规律。

附图说明

图1基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量装置示意图，

图2多阵元宽频线阵超声探头发射中心聚焦示意图，

图3多阵元宽频线阵超声探头焦平面聚焦示意图，

图4多阵元宽频线阵超声探头接收聚焦示意图，

图5波束聚焦分辨率分析示意图，

图6机械密封运转前超声探头线性扫查情况示意图，

图7机械密封运转过程中超声探头线性扫查情况示意图，

图8机械密封(软质环作静环)端面磨损前后基准面、结合面和测量面位置变化图，

图9机械密封运转前(软质环作静环)B超扫查形成的二维截面灰度图像及区域匹配图，

图10机械密封运转前(软质环作静环)B超扫查获取的B超三线黑白位图，

图11机械密封运转过程中(软质环作静环)B超扫查形成的二维截面灰度图像及区域匹配图，

图12机械密封运转过程中(软质环作静环)B超扫查获取的B超三线黑白位图，

图13机械密封(硬质环作静环)端面磨损前后基准面、结合面和测量面位置变化图，

图14机械密封运转前(硬质环作静环)B超扫查形成的二维截面灰度图像及区域匹配图，

图15机械密封运转前(硬质环作静环)B超扫查获取的B超三线黑白位图，

图16机械密封运转过程中(硬质环作静环)B超扫查形成的二维截面灰度图像及区域匹配图，

图17机械密封运转过程中(硬质环作静环)B超扫查获取的B超三线黑白位图。

图中，1主轴；2轴套；3弹性元件；4动环O形圈；5动环；6密封腔体；7静环；8静环O形圈；9压盖；10超声探头；11数字B超采集卡；12接口卡；13计算机；A基准面；B结合面；C测量面；A′磨损后的基准面；B′磨损后的结合面；C′磨损后的测量面。

具体实施方式

为进一步了解本发明的特点及具体实施过程，下面结合附图举例说明。

参见图1，基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量方法，由超声探头10、数字B超采集卡11、接口卡12和计算机13组成测量系统；被测试的机械密封动环5和静环7穿套于与主轴1配合的轴套2上，静环7通过静环O形圈8与压盖9形成密封连接，动环5密封端面在其背面的弹性元件3的压力推动下与静环7密封端面紧贴，动环5的内孔与轴套2通过动环O形圈4形成密封连接；超声探头10采用Mindray公司生产的宽频线阵探头，用于超声波的发射与接收；超声探头10设置于被测试的机械密封静环7和动环5结合面B的径向外侧的密封腔内；数字B超采集卡11用于超声探头激励脉冲的产生、放大，回波信号的接收、放大、数字转换及存储；利用接口卡12实现数字B超采集卡11与计算机13之间的信号转换传输；计算机13对超声图像进行处理，包括图像的灰度区域匹配、裁剪、阈值分割、滤波、降噪及边缘检测，实现图像的显示、测量数据的输出及存储；标定静环7密封端面的磨损补偿段台阶端面为基准面A，静环7与动环5相接触的密封端面为结合面B，动环5密封端面的磨损补偿段台阶端面为测量面C；超声探头10发射的超声波对配合的静环7和动环5进行扫查并通过数字B超采集卡11、接口卡12和计算机13完成B超成像，获得包括基准面、结合面和测量面的B超三线黑白位图；将机械密封运转过程中不同时段提取的基准面A′、结合面B′和测量面C′的B超三线黑白位图与运转前提取的基准面A、结合面B和测量面C的B超三线黑白位图进行像素比对，结合面和测量面各自丢失的像素点个数与像素点间距的乘积即为各个时段的被测试机械密封静环和机械密封端面总的磨损量。

上述基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量方法，超声探头10为多阵元线阵宽频探头，采用动态中心聚焦模式进行数字波束合成。

超声探头10是基于晶体压电效应、能够实现超声波发射与接收功能的换能器；所述的多阵元线阵宽频探头是由多个压电晶片组成，能够产生不同频率超声波的探头，每个压电晶片为一个阵元；所述的中心聚焦是指由多阵元线阵宽频探头中的3个或3个以上临近的压电晶片组成的阵列中的阵元依次受激，产生的波束聚焦于这一阵列的中心线上，如图2所示；控制多阵元线阵宽频探头中每一阵列的受激时间规律一致，可实现对被测物体中平行于探头阵元排列方向的焦平面E的聚焦线性扫查，如图3所示；所述的动态聚焦，是指超声信号在发射模式下只对一点进行聚焦，在接收模式下，聚焦分布在波束轴线上多个回波点，甚至在波束轴线上从(a_n，b_n)到(a₁，b₁)的每个回波点，接收聚焦如图4所示；通过动态中心聚焦，可以获得覆盖动环和静环两个磨损补偿段台阶端面、具有一定景深的B超图像。采用宽频探头产生多重频率的回波信号，获取波束扫查深度范围内完整的动环和静环回波信息。

在发射模式下按公式ι_fn＝{F{1-[1+(nd/F)²]^1/2}/V}+t₀控制多阵元线阵的中心对称聚焦延时，其中，ι_fn为各阵元的延迟时间；n为阵元数；d为阵元中心间距；F为聚焦焦距；V为超声波在介质中传播的速度；t₀为中心阵元发射声波的时间，保证各延时量为一正数。各个阵元依次通过延时激励产生发射波束，实现对配合的静环和动环进行聚焦线性扫查；各阵元通过延时激励接收回波信号，进行前置放大，A/D转换，存入存储器，然后对数据进行延时加权，实现数字波束合成。

波束聚焦分辨率如图5所示，波束有效半径r＝|L-F|(a/2F)，系统的管状结构焦点长度为L_F＝1.8λ(F/a)²。对于一定的超声波探头换能器孔径a，通过调节波束焦距，可以获得所需的横向分辨率。

当波束聚焦焦点O到超声探头距离F＝20×10^-3m时，超声波探头换能器孔径a＝40×10^-3m，R＝|L-20×10^-3|(40×10^-3/2×20×10^-3)＝|L-20×10^-3|m，当L趋近于20×10^-3m时，波束在焦点O处形成一个管状结构的焦斑，焦斑深度L_F为L_F＝1.8λ(20×10^-3/a)²，λ为超声波波长，超声波在水中的波长λ＝2.8×10^-6m时，焦斑深度L_F＝1.8×2.8×10^-6×(20×10^-3/40×10^-3)²＝1.26×10^-6m；超声波波束聚焦在焦点O形成的焦平面上的焦斑半径越小，即超声波波束宽度越窄，B超成像的横向分辨力越高；当L超过20×10^-3m时，波束有效半径r将变大，若L超出焦斑深度1.26×10^-6m区域时，波束会产生发散，B超成像的横向分辨力将变低。

针对工作中水介质中的机械密封端面磨损量的测量，超声波在水中传播的速度V＝1500m/s；超声波探头换能器孔径a＝40×10^-3m；超声波焦距F＝20×10^-3m；超声波频率f＝530MHz；再根据超声波波长计算公式：λ＝V/f，求超声波波长λ＝V/f＝1500/(530×10⁶)＝2.8×10^-6m；由超声波波束宽度计算公式h＝0.71λF/a，求得超声波波束宽度h＝0.71λF/a＝0.71×2.8×10^-6×20×10^-3/40×10^-3＝1μm。这表明测量系统能够区分处于与波束轴垂直的平面上两个回波目标的最小距离为1μm，而GB/T14211-2010规定机械密封产品在100h的磨损量不超过20μm，可见，采用聚焦型数字B超成像技术可满足机械密封端面间磨损量测量的精度要求。

上述的基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量方法，由超声探头的阵元受激发射的超声波扫查机械密封的动环和静环，通过密封腔中介质和机械密封静环、动环磨损补偿段的不同阻抗后产生不同的回波信号，再被超声探头的阵元接收，经过放大补偿、波束合成、信号处理、图像处理，在显示器上显示出与密封腔内部被探测部分相对应的图像；控制多阵元线阵宽频探头的多通道波束延时，并采用中心对称延时聚焦方式实现多路信号的聚焦，对机械密封静环和动环两个磨损补偿段逐线扫查，完成一帧超声图像，最终在显示器上显示一幅完整的包括基准面、结合面和测量面的B超三线黑白位图。

超声探头对机械密封配合的静环和动环扫查的区域至少从静环7的磨损补偿段台阶端面的基准面A到动环5的磨损补偿段台阶端面的测量面B，见图6或图7，经扫查获取包含基准面、结合面、测量面三线的二维截面灰度图像，采用区域匹配和裁剪技术对机械密封运转前与运转过程中三线的二维截面灰度图像进行处理，使匹配区域中含有的基准面作为特征像素点分布灰度图像的灰度值相等，同时获取包括匹配区域及结合面、测量面在内的标定裁剪区域或测量裁剪区域，保证机械密封运转前与运转过程中以基准面作为特征像素分布的像素点匹配对应，通过阈值分割、滤波、去噪、边缘检测技术获取包括基准面、结合面、测量面的B超三线黑白位图。

根据以上图像处理过程及机械密封在不同工况下的不同密封结构形式，以软质环作静环，硬质环作动环配图(图8、图9、图10、图11、图12)及硬质环作静环，软质环作动环配图(图13、图14、图15、图16、图17)两种情况分别说明机械密封端面磨损过程及磨损量的求解情况。

参见图8或图13实线部分，机械密封运转前，为保证机械密封动环与静环具有良好的密封接触，动环5在其背面弹性元件3压力的作用下与静环7保持压紧，此时，静环O形圈8处于压紧状态。

参见图8或图13虚线部分，机械密封运转过程中，动环5的密封端面和静环7的密封端面发生相对运动而产生摩擦磨损，动环5和静环7端面因此减薄，弹性元件3推动动环5追随静环7，即弹性元件3将释放其压力推动动环5向静环7方向移动；由于弹性元件3压力的释放，受压的静环O形圈8回弹，静环O形圈8将推动静环7向动环5方向移动，保证静环7与动环5端面继续保持贴紧状态，实现密封。

所述的区域匹配是以图像中某一像素的灰度邻域作为模板，在另一幅图像中搜索具有相同(或相似)灰度值分布的对应点邻域，从而实现两副图的像素点对应匹配。

参见图9，图14，机械密封运转前，经超声探头获得的二维截面灰度图像，以基准面A上的像素点作为特征像素点，将包含特征像素点的灰度邻域H设定为标定区域模板，再以标定区域模板H的宽度作为基准宽度对模板H进行扩展，使扩展后的区域I包含结合面B与测量面C的像素点灰度区域作为标定裁剪区域，标定裁剪区域I包括标定区域模板H。

参见图11，图16，机械密封运转过程中，经超声探头获得的二维截面灰度图像，以基准面A′上的像素点作为特征像素点，将包含特征像素点的灰度邻域H1设定为测量区域模板，其灰度分布与机械密封运转前标定区域模板H相同，实现区域匹配，保证匹配区域内各像素点坐标值一一对应，再以测量区域模板H1的宽度作为测量宽度对模板H1进行扩展，使扩展后的区域I1包含结合面B′与测量面C′的像素点灰度区域作为测量裁剪区域，测量裁剪区域I1包括测量区域模板H1。

机械密封运转前，图9或图14灰度图像的标定裁剪区域I经阈值分割、中值滤波去噪及Canny算子边缘检测算法处理后获取包括基准面A、结合面B、测量面C的B超三线黑白位图，见图10或图15。

机械密封运转过程中，图11或图16灰度图像的测量裁剪区域I1经阈值分割、中值滤波去噪及Canny算子边缘检测算法处理后获取包括基准面A′、结合面B′、测量面C′的B超三线黑白位图，见图12或图17。

①软质环作静环，硬质环作动环，见图8：

机械密封运转前，见图10，静环和动环未磨损时，基准面A与结合面B实际长度x0＝5000μm，统计基准面A与结合面B轴线方向上像素点个数n0＝5000，像素点间距δ＝5000/5000＝1μm/像素点；同样，静环和动环未磨损时，基准面A与测量面C实际长度y0＝10000μm，统计基准面A与测量面C轴线方向上像素点个数m0＝10000，像素点间距δ＝10000/10000＝1μm/像素点；因此，像素点间距δ＝1μm/像素点。

机械密封运转过程中，见图12，静环和动环已磨损时，统计基准面A′与结合面B′轴线方向上像素点个数n1＝4992，因此，机械密封运转前与运转过程中结合面B′像素点损失个数为(n0-n1)＝5000-4992＝8，根据机械密封运转前像素点间距δ＝1μm/像素点，则静环磨损量值Δj＝δ(n0-n1)＝1×(5000-4992)＝8μm；同理，静环和动环已磨损时，统计基准面A′与测量面C′轴线方向上像素点个数m1＝9990，因此，机械密封运转前与运转过程中测量面C′像素点损失个数为(m0-m1)＝10000-9990＝10，根据机械密封运转前像素点间距δ＝1μm/像素点，则机械密封端面的总磨损量值Δ＝δ(m0-m1)＝1×(10000-9990)＝10μm；因此，动环磨损量值Δd＝δ[(m0-m1)-(n0-n1)]＝Δ-Δj＝10-8＝2μm。

②硬质环作静环，软质环作动环，见图13：

机械密封运转前，见图15，静环和动环未磨损时，基准面A与结合面B实际长度x0＝5000μm，统计基准面A与结合面B轴线方向上像素点个数n0＝5000，像素点间距δ＝5000/5000＝1μm/像素点；同样，静环和动环未磨损时，基准面A与测量面C实际长度y0＝10000μm，统计基准面A与测量面C轴线方向上像素点个数m0＝10000，像素点间距δ＝10000/10000＝1μm/像素点；因此，像素点间距δ＝1μm/像素点。

机械密封运转过程中，见图17，静环和动环已磨损时，统计基准面A′与结合面B′轴线方向上像素点个数n1＝4998，因此，机械密封运转前与运转过程中结合面B′像素点损失个数为(n0-n1)＝5000-4998＝2，根据机械密封运转前像素点间距δ＝1μm/像素点，则静环磨损量值Δj＝δ(n0-n1)＝1×(5000-4998)＝2μm；同理，静环和动环已磨损时，统计基准面A′与测量面C′轴线方向上像素点个数m1＝9990，因此，机械密封运转前与运转过程中测量面C′像素点损失个数为(m0-m1)＝10000-9990＝10，根据机械密封运转前像素点间距δ＝1μm/像素点，则机械密封端面的总磨损量值Δ＝δ(m0-m1)＝1×(10000-9990)＝10μm；因此，动环磨损量值Δd＝δ[(m0-m1)-(n0-n1)]＝Δ-Δj＝10-2＝8μm。

综上所述，采用B超成像技术及像素点作为基本单位的标定方法，通过高频发射超声聚焦技术能够满足微米级的机械密封端面磨损量的精度要求，并实现机械密封端面磨损量包括静环磨损量及动环磨损量的精确测量，具有操作简单、非接触及在线，无损测量的优点。

Claims (7)

1.基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量方法，由超声探头(10)、数字B超采集卡(11)、接口卡(12)和计算机(13)组成测量系统；其特征是：超声探头(10)设置于被测试的机械密封静环(7)和动环(5)结合面(B)的径向外侧的密封腔内；标定静环(7)的磨损补偿段台阶端面为基准面(A)，动环(5)的磨损补偿段台阶端面为测量面(C)；超声探头(10)发射的超声波对配合的静环(7)和动环(5)进行扫查并通过数字B超采集卡(11)、接口卡(12)和计算机(13)完成B超成像，获得包括基准面、结合面和测量面的B超三线黑白位图；将机械密封运转过程中不同时段提取的基准面、结合面和测量面的B超三线黑白位图与运转前提取的基准面、结合面和测量面的B超三线黑白位图进行像素比对，把运转前结合面与基准面之间轴线方向上的像素减去机械密封运转过程中结合面与基准面之间轴线方向上的像素得到结合面丢失像素点个数，把运转前测量面与基准面之间轴线方向上的像素减去机械密封运转过程中测量面与基准面之间轴线方向上的像素得到测量面丢失像素点个数，结合面丢失像素点个数与像素点间距的乘积即为各个时段被测试机械密封静环的磨损量，测量面丢失像素点个数与像素点间距的乘积即为各个时段被测试机械密封端面总的磨损量。

2.如权利要求1所述的基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量方法，其特征是：超声探头(10)为多阵元线阵宽频探头，该多阵元线阵宽频探头扫查时采用动态中心聚焦模式进行数字波束合成。

3.如权利要求2所述的基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量方法，其特征是：由超声探头的阵元受激发射的超声波扫查机械密封的动环和静环，通过密封腔中介质和机械密封静环、动环磨损补偿段的不同阻抗后产生不同的回波信号，再被超声探头的阵元接收，经过放大补偿、波束合成、信号处理、图像处理，在显示器上显示出与密封腔内部被探测部分相对应的图像；控制多阵元线阵宽频探头的多通道波束延时，并采用中心对称延时聚焦方式实现多路信号的聚焦，对机械密封静环和动环两个磨损补偿段逐线扫查，完成一帧超声图像，最终在显示器上显示一幅完整的包括基准面、结合面和测量面的B超三线黑白位图。

4.如权利要求1、2或3所述的基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量方法，其特征是：以B超三线黑白位图中的基准面上的像素点为特征像素点，按特征像素点灰度图像的灰度值相等原则匹配机械密封运转前及运转过程中B超三线黑白位图中的基准面。

5.如权利要求1、2或3所述的基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量方法，其特征是：以机械密封运转前基准面到测量面的实际距离与其间在轴线方向上的像素点个数的比值作为像素点间距。

6.基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量装置，其特征是：它包括设置于被测试的机械密封静环(7)和动环(5)结合面(B)的径向外侧的密封腔内的超声探头(10)，超声探头(10)、数字B超采集卡(11)、接口卡(12)、计算机(13)依次电连接组成测量系统。

7.如权利要求6所述的基于数字B超成像技术的机械密封端面磨损量在线测量装置，其特征是：超声探头(10)为多阵元线阵宽频探头。