一种基于摩擦电效应（Ms-Te）的接触状态自感知智能机械密封装置

《Sensors and Actuators A: Physical》：A contact status self-sensing intelligent mechanical seal based on the triboelectric effect (Ms-Te)

提出基于液-固摩擦电效应（Ms-Te）的自传感机械密封，通过结构设计将密封界面分为挡水区和倾斜区，集成电极实现接触状态实时监测，耦合流体与电场模型验证测量原理，实验证明其静态动态密封性能及摩擦-冲击监测潜力。

　　

黄安琪|贾成|杨泽|权凌云|刘颖

中国北京清华大学机械工程系先进设备摩擦学国家重点实验室

摘要

机械密封件是工业领域中的关键组件。密封界面之间的接触状态显著影响其密封性能。虽然提出了多种集成传感器的技术来监测机械密封件的膜厚，但这些技术目前仅限于实验室阶段的应用。对于机械密封件而言，实现自感知仍然是一个具有挑战性的目标。摩擦电效应是一种有前景的技术，因为密封间隙中的流体运动本质上满足了基于流电流理论的液固摩擦电现象的工作条件。本文提出了一种基于摩擦电效应的自感知智能机械密封件（Ms-Te），用于实时监测接触状态。电极直接集成在密封界面上，将密封介质的流动转换为可测量的摩擦电压。通过功能划分方法设计了一种结构改良的静止环，并通过激光加工和磁控溅射技术制造出来。所制造的Ms-Te具有优异的界面结合强度、良好的导电性、低表面粗糙度以及均匀的倾斜区域。摩擦电压信号与接触状态之间的测量原理通过流体和电场的耦合模型进行解释。为了验证这一测量原理，建立了一个实验装置，并使用涡流传感器作为校准工具，在静态和动态工作条件下对密封和传感性能进行了验证。此外，还展示了其在监测密封件摩擦撞击现象方面的潜在应用。这项工作提供了一种实时测量接触状态的技术，提升了机械密封件的智能化水平。

引言

机械密封件用于压缩机[1]、泵[2]、搅拌器[3]、发动机[4]等设备中旋转轴周围的加压流体密封。非接触式机械密封件的密封间隙内会形成一层稳定的润滑膜。接触状态和膜厚直接关系到密封性能。在不良的接触条件下[5]，密封界面会产生严重的摩擦，从而加速磨损并缩短使用寿命。相反，过厚的膜厚会导致严重的泄漏和流体膜的不稳定性[6]。因此，需要实时监测并控制端表面之间的膜厚，使其保持在适当范围内。

研究人员进行了多种实验室研究来测量接触状态或膜厚，这些研究可以根据传感器集成[7]和自感知[8][9]的概念进行分类，涉及那些能够通过电信号对外部刺激作出响应的结构（无论是否嵌入了传感器）。对于集成传感器的密封件，利用基于不同测量原理的多种传感器和数据采集系统将接触状态转换为电压信号，例如光纤传感器[10]、电容探针[11][12][13]、涡流传感器[14][15][16]、超声波方法[17][18][19]、声发射[20][21][22]以及耦合方法[23][24]。电容或光学探头的稳定性和分辨率受到密封介质、环境温度和压力的显著影响[10][13]。涡流传感器通常固定在静止环上并紧贴轴的端表面，但由于间接测量膜厚，可能会受到热变形[15]、轴振动和角度不对准等因素的影响而产生误差或干扰。超声波技术是一种无损监测方法，但其测量精度会受到密封界面气泡、环境温度波动以及密封材料超声衰减的影响[18][19]。声发射信号由密封环的接触和摩擦产生，容易受到环境噪声的干扰，需要复杂的信号提取和重建过程。因此，由于密封界面的复杂多物理性质、无法直接测量真实膜厚以及安装传感器的表面空间有限，这些技术的实际工程应用受到限制。对于机械密封件而言，实现自感知仍然是一个具有挑战性的目标。同时，通过在橡胶材料中集成导电颗粒，自感知橡胶密封件引起了越来越多的关注，这为机械密封件的应用提供了有益的参考。含有炭黑、碳纤维[25]、石墨烯[26][27]或碳纳米管[28][29]的橡胶复合材料表现出相对电阻与压缩应变、压力和变形之间的高度敏感关系。上述纳米复合材料进一步应用于Ω形管状密封件[25]和O形圈[30]，以监测其在循环压缩载荷条件下的传感性能和稳定性。类似地，将机械密封材料与导电材料结合为开发自感知智能机械密封件提供了实用的解决方案。此外，还需要新的测量原理来揭示测量参数与接触状态之间的关联。液固摩擦电效应是一种有前景的解决方案，显示出监测旋转摩擦对膜厚动态变化的可行性[31]。

摩擦电效应是一种常见的现象，在自感知设备中受到了广泛关注。其测量原理是通过将各种物理输入转换为摩擦电压输出来描述的。王等人[32]提出了一种用于监测船舶姿态信息的稳健倾斜角传感器。刘等人[33]开发了一种基于铁磁流体的触觉传感器，其测量分辨率为1.25 Pa，测量范围为390 kPa。张等人[34]设计了一种液体传感器，能够根据不同液体的导电性和润湿性进行有效识别。张等人[35]开发了一种超紧凑型摩擦电往复密封系统，实现了对运行速度和磨损状态的实时检测。对于机械密封件，其主要组成部分包括静止环、旋转环以及密封间隙中的流动流体，这些条件本质上满足了液固界面处相对流体速度的工作要求，从而满足了摩擦电现象的要求。基于流电流理论，观察到在固定液固接触面积下连续旋转摩擦对的摩擦电行为[31]。通过脉冲信号从电压曲线中检测到膜厚的变化，这表明摩擦电理论可以作为机械密封件中膜厚自感知的潜在解决方案。然而，考虑到密封界面处的混合压力驱动径向速度和旋转驱动周向速度，不同接触状态下的摩擦电压性能仍不明确。此外，摩擦电功能层与密封基底的 structural design 和附着策略还需要进一步研究，以了解机械密封件的工作条件和空间限制。

在本研究中，建立了一种基于摩擦电效应（Ms-Te）的静水非接触式机械密封件，以实现实时自感知接触状态，同时保持基本的密封功能。根据功能划分方法设计了一种结构改良的静止环。静止环的密封表面被划分为坝区和倾斜区。在倾斜区内的人工凹槽中沉积了对电极，以收集信号并防止不良磨损。Ms-Te通过激光加工、磁控溅射和导线连接技术制造而成。进行了多种形式的表征测试，以全面评估其传感和密封性能。摩擦电压信号与接触状态之间的测量原理通过流体和电场的耦合模型进行解释。为了验证这一测量原理，建立了一个实验装置来收集摩擦电压。使用涡流传感器作为校准信号测量膜厚。在静态和动态条件下，都确认了Ms-Te的密封和传感性能。通过摩擦电压曲线展示了其在监测密封件摩擦撞击现象方面的潜在应用。这项工作为接触状态的自感知提供了一种可行的解决方案，并提升了机械密封件的智能化水平。

基于功能划分方法的Ms-Te结构设计

图1a展示了水润滑静水机械密封件的实验系统结构，包括旋转环、静止环、密封腔、旋转轴等。密封件外半径处的压力高于内半径处。静止环的密封界面被划分为坝区和倾斜区，如图1b所示。R_b是坝区和倾斜区之间的边界，倾斜角为β

流体和电场的耦合模型

为了建立摩擦电压与接触状态之间的关系，基于机械密封件的润滑理论和固体-液体界面等效电路模型的流电流，提出了流体和电场的耦合模型。该组合模型的计算流程图如图6a所示。电双层（EDL）剪切平面上的流体速度分布起到了连接作用。

关于润滑理论...

实验装置

如图11a所示，建立了一个实验装置，用于评估不同工作条件下Ms-Te的传感和密封性能，该装置包括伺服电机、密封腔（如图1a所示）、Ms-Te、各种传感器和数据采集系统。密封腔内的加压水由流体循环系统维持，压力范围为0.7 MPa。

如图11b所示，各种传感器连接到数据采集系统，具体信息列在表中

结论

本研究开发了一种基于摩擦电效应（Ms-Te）的水润滑静水智能机械密封件，具有实时监测接触状态的自感知能力。密封界面中密封介质的运动为基于流电流理论的液固摩擦电效应提供了工作条件。主要结论如下：

• 1)
  Ms-Te由旋转环（GH4165）和结构改良的静止环（Si₃N₄

资助

本工作得到了国家自然科学基金（52475201）和中国国家重点科技项目的支持。

CRediT作者贡献声明

刘颖：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目实施、资金获取、概念构思。 权凌云：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、数据分析。 杨泽：撰写 – 审稿与编辑、实验研究、数据分析。 贾成：撰写 – 审稿与编辑、监督、项目实施、概念构思。 黄安琪：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、结果验证、软件开发、方法论设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

黄安琪于2020年获得清华大学机械工程学士学位，2025年获得机械工程博士学位。目前，她在北京航天系统工程研究所担任工程师。她的研究兴趣包括机械密封件中的膜厚监测和液固摩擦电行为。