看不見的洩漏原因：如何透過 3D 感測技術測量軸上的螺旋紋

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軸表面上的螺旋紋是徑向軸密封系統洩漏的常見原因，但肉眼幾乎無法察覺。斯圖加特 TGU 密封技術公司的 Surface/Lead Inspector 使用 heliInspect H8，在數分鐘內根據結構並依照 FVA 指南 975 I 進行測量。

數分鐘內測量螺旋紋：配備 heliInspect H8 的 Surface/Lead Inspector

徑向軸密封環是許多技術系統中不起眼的組件，但其故障代價高昂：漏油、投訴、停機。其中一個最常見的原因並非密封環本身，而是在其運轉的軸表面，即所謂的密封對偶面。軸研磨時形成的細微、定向結構在運作時會像輸送螺紋一樣，將流體泵送通過密封唇。密封技術將這種現象稱為螺旋紋。

斯圖加特 TGU 密封技術公司是密封技術的專家，源自斯圖加特大學機械元件研究所 (IMA) 的研究活動。他們現在開發了一種名為 Surface/Lead Inspector 的測量系統，可以定量、符合規範且最重要的是快速地檢測螺旋紋。其核心是我們的 3D 感測器 heliInspect H8。在這篇文章中，我們將展示什麼是螺旋紋、如何測量它，以及為什麼快速的 3D 表面形貌測量會帶來不同。

什麼是螺旋紋，為何如此棘手？

螺旋紋是指密封對偶面具有輸送作用的表面結構，在動態運作時會使密封間隙中的流體沿軸向轉向。關鍵在於方向：如果研磨痕跡或其他結構偏離軸的圓周方向，則根據方向會產生右旋或左旋螺旋紋。

輸送方向取決於軸的旋轉方向和螺旋紋方向。如果結構向外輸送，則會發生洩漏。如果結構向內輸送，則密封接觸會乾燥，導致潤滑不足、摩擦增加以及密封環和軸的熱損傷。這兩種情況都會導致密封系統故障，而且肉眼都無法察覺。螺旋紋只能透過測量技術可靠地評估。

圖 1：根據螺旋紋方向和旋轉方向，軸會將流體向外輸送（洩漏）或遠離密封接觸（潤滑不足）。

《FVA 指南 975 I》：螺旋紋的共同語言

FVA 指南 975 I「表面/螺旋紋 – 軸密封」規範了螺旋紋的測量和評估方式。它由斯圖加特大學機械元件研究所 (IMA) 密封技術研究部門開發和撰寫。它總結了技術和研究的最新進展，確立了統一的術語，並描述了從圖紙規範到測量再到測量報告的完整工作流程。因此，它是軸螺旋紋一致品質保證和密封對偶面系統性損壞分析的可靠基礎。

該指南有兩種方法：

線測試是歷史悠久、主要為定性的快速測試。將一條加重線纏繞在軸上，以顯示現有的輸送效果並估計理論螺旋紋角度。但無法區分單個螺旋紋類別。
基於結構的螺旋紋分析從光學採集的 3D 表面形貌數據中定量評估微觀和 宏觀螺旋紋。單個研磨痕跡和結構被分割並測量其角度、深度和體積。結果是可重複的特性參數，例如螺旋紋角度、螺旋紋深度和理論輸送橫截面。同時，根據 DIN EN ISO 25178 額外表徵可見表面的粗糙度。

第二種方法需要一個前提：一個能夠足夠快地提供微米級解析度 3D 表面形貌的感測器，以便在合理的時間內採集整個軸。

《Surface/Lead Inspector》：數分鐘內完成指南中的所有方法

《Surface/Lead Inspector》在此發揮作用。軸被安裝在設備中，並在感測器下方進行非接觸式掃描。感測器採用 heliInspect H8，這是一種白光干涉儀，每次採集都能提供完整的微米級解析度 3D 表面形貌。

該系統涵蓋了《FVA 指南 975 I》中的所有方法。由於 heliInspect H8 以平面方式一次性採集高度資訊，因此該設備可以在整個軸周圍以密集測量網格沿軸向和圓周方向移動，而不是逐個輪廓掃描。對於製造而言，這意味著：螺旋紋測量不再僅限於實驗室中的抽樣檢查，而是可以在品質保證中接近節拍時間進行。

圖 2：heliInspect H8 在每個網格位置採集對偶面的完整 3D 表面形貌。

該設備可容納直徑達 200 毫米、長度達 380 毫米、重量達 20 公斤的軸，並且尺寸為 600 × 700 × 900 毫米，重量為 70 公斤，足夠緊湊，可在生產現場附近使用。易於操作的測量軟體引導完成測量並生成包含螺旋紋特性參數和表面 3D 視覺化的測量報告。

不只螺旋紋：從同一測量中獲取粗糙度

由於感測器提供完整的 3D 表面形貌，因此無需重新夾持即可進行進一步評估。《Surface/Lead Inspector》根據 ISO 4287 確定 2D 粗糙度特性值，如 Ra、Rz 和 Rmax，以及根據 DIN EN ISO 25178 確定 3D 特性值。運行過的軸的磨損也可以量化：密封環運行軌跡的深度和寬度直接從表面形貌中確定，這是損壞分析的重要工具。

結論：感測技術使指南具有實用性

《FVA 指南 975 I》描述了如何完整且可重複地評估螺旋紋。《Surface/Lead Inspector》表明，這種要求可以透過快速的 3D 感測器在工業實踐中實現：所有螺旋紋類別、指南中的所有方法，從數小時縮短到數分鐘。對我們來說，該設備是一個很好的例子，說明如何從使用 heliInspect H8 進行的快速表面形貌測量發展成一個完整的測試系統。