魏 偉，時禮平,1c，俞鳳橋，王 濤，章亦聰

（1.安徽工業(yè)大學a.機械工程學院，b.特殊服役環(huán)境的智能裝備制造國際科技合作基地，c.特種重載機器人安徽省重點實驗室，安徽馬鞍山243032；2.浙江眾泰汽車制造有限公司杭州分公司，浙江杭州310018）

伴隨著科技的迅速發(fā)展與特種加工技術的進步，人類利用物理、化學等方法在不同的材料表面設計、制備具有一定形狀、參數(shù)及排布形式的微/納結(jié)構(gòu)，將其應用于機械端面密封領域能夠有效改善密封界面的摩擦學性能[1-3]。其主要依據(jù)流體動壓效應機制，在相對運動的兩密封端面間形成一層微米尺度的流體膜促使兩端面分離，進而實現(xiàn)兩密封配副的非接觸[4-6]。目前國內(nèi)外關于機械密封端面表面織構(gòu)的研究主要包括溝槽和微孔兩種典型的織構(gòu)類型[7-10]。對于溝槽織構(gòu)的研究，以螺旋槽居多，如孟祥鎧等[11]基于液膜空化效應，采用有限單元法對螺旋槽端面三自由度微擾下的液膜剛度和阻尼系數(shù)進行了數(shù)值分析；鄧成香等[12]以螺旋槽干氣密封為研究對象，利用數(shù)值模擬的方法考察網(wǎng)格層數(shù)對端面開啟力和氣體質(zhì)量泄漏率相對變化率的影響；丁雪興[13]考慮流-固耦合條件下螺旋槽干氣密封的氣膜流場環(huán)境，著重考察高壓、高速狀態(tài)下螺旋槽干氣密封浮環(huán)的變形和流場特性。對于微孔型織構(gòu)，其形狀是影響機械密封性能的重要因素。于海武等[14]利用光刻-電解的加工方法在發(fā)動機缸套表面制備出橢圓、正方形、圓形3種微孔織構(gòu)，并考察其織構(gòu)面積率和微孔深度對摩擦學性能的影響；許璐等[15]在考察了凸包形、凹痕形及凹孔型等不同織構(gòu)形狀對表面摩擦學特性影響的基礎上，進一步揭示了表面織構(gòu)能夠促使表面有效減摩的機理。

近年來已有學者開展復合表面織構(gòu)化的摩擦學性能研究，但大多基于不同微孔之間[16]或不同溝槽之間的復合，對于槽、孔這兩種不同織構(gòu)類型之間的復合相對缺乏。王曉雷等[17-18]利用激光刻蝕技術在SiC表面加工不同尺度的復合微孔，結(jié)果表明，跨尺度復合微孔表面具有更好的動壓潤滑效果，且在相同的織構(gòu)參數(shù)及運行參數(shù)下，該表面的極限載荷可提高近40%；Shi等[19]研究了兩種微孔型和溝槽型機械干氣密封，并對承載力、氣膜剛度和泄漏率等密封性能參數(shù)進行了對比分析。借鑒以往研究成果，文中提出一種新的復合表面織構(gòu)類型，并將密封性能較好的橢圓微孔織構(gòu)和具有較大動壓效應的螺旋槽織構(gòu)進行復合，利用數(shù)值模擬的方法考察不同參數(shù)條件下3種織構(gòu)化端面的機械密封性能參數(shù)間的差異，研究結(jié)果可為機械密封端面表面織構(gòu)創(chuàng)新設計提供新的思路。

1 復合槽孔織構(gòu)密封端面流體模型

1.1 幾何模型

機械端面密封主要由兩平行的密封動環(huán)和靜環(huán)(動環(huán)材料為SiC，靜環(huán)材料為碳石墨)及潤滑介質(zhì)構(gòu)成。利用Solidworks軟件建立復合槽孔織構(gòu)密封端面流體模型，如圖1。rin和rout分別為密封端面內(nèi)徑和外徑。

密封端面流體模型具周期對稱性，為節(jié)省時間和提高效率，將復合槽孔織構(gòu)密封單面流體模型沿周向均勻分成N個單元體，取其中一個單元體流體模型作為研究對象。復合槽孔織構(gòu)流體模型單元體如圖2。復合槽孔織構(gòu)化端面的機械密封性能參數(shù)主要為承載力F，泄漏量Q和膜剛度K。文中針對復合槽孔織構(gòu)化機械端面密封性能，與單一螺旋槽表面織構(gòu)化端面、單一橢圓微孔織構(gòu)化端面進行對比，考察織構(gòu)深度hp、密封間隙h0、織構(gòu)面積率Sp、動環(huán)旋轉(zhuǎn)速度n、及壓力比pi/po對3種織構(gòu)化端面機械密封性能的影響。3種織構(gòu)化密封端面示意圖如圖3。

圖1 復合槽孔織構(gòu)密封端面流體模型Fig.1 Fluid model of textured seal face with compound grooves and dimples

圖2 復合槽孔織構(gòu)流體模型單元體Fig.2 Fluid model element of texture with compound grooves and dimples

圖3 3種織構(gòu)化密封端面示意圖Fig.3 Schematic diagram of three textured seal end face

利用Gambit 軟件對復合槽孔織構(gòu)單元體流體模型進行網(wǎng)格劃分，由于周向尺寸與軸向尺寸相差巨大，劃分網(wǎng)格時將模型沿軸向放大1 000 倍，如圖4。

圖4 表面織構(gòu)網(wǎng)格劃分Fig.4 Mesh generation of surface texture

1.2 數(shù)值模擬

假定織構(gòu)化密封端面流體的計算模型在理想的條件下滿足：密封端面流體介質(zhì)連續(xù)；流體介質(zhì)的溫度處處相等；壁面為無滑移邊界條件；流體對壁面的變形忽略不計，直角坐標系下流體的連續(xù)性方程為

式中：x,y,z分別為空間直角坐標系下的3個方向；ρ為流體密度；u,v,w為任意體積單元的3個分量方向；t為任意時刻。

流體的局部膜厚方程為：

式中：h0為密封間隙；hp為織構(gòu)深度；A1,A2分別表示無織構(gòu)區(qū)域和有織構(gòu)區(qū)域。

通過求解方程(1)，(2)可得織構(gòu)化密封端面的流體壓力分布。在計算區(qū)域邊界處給出環(huán)境壓力，滿足強制性邊界條件：

式中：pi，po分別為織構(gòu)化密封端面的入口壓力和出口壓力；r為流體質(zhì)點到密封端面中心的局部半徑。周期性邊界條件滿足：

式中：N為周期數(shù)，即織構(gòu)化端面流體模型單元體的個數(shù)；θ1，θ2分別為一個流體模型單元體沿圓周方向的起止角度。密封端面徑向非開口區(qū)域計算承載力F和泄漏量Q，滿足：式中：dA為密封端面單元體微元面積；μ為流體在常溫下的運動黏度；θ為一個流體模型單元體沿周向的圓周角度。

2 計算結(jié)果與分析

2.1 密封端面壓力分布

通過Fluent軟件對3種織構(gòu)化密封端面流體進行仿真模擬，研究單一螺旋槽織構(gòu)，單一橢圓微孔織構(gòu)及復合槽孔織構(gòu)化密封界面內(nèi)流體的壓力分布。密封環(huán)的內(nèi)、外徑rin=15 mm，rout=20 mm，設置密封端面進口壓力pi=0.1～1.0 MPa，出口壓力po=0.1 MPa，密封介質(zhì)為水、密度ρ=998.2 kg/m3,動力黏度η=1.003×10-3kg/(m·s)，溫度為25 ℃。圖5為單一螺旋槽織構(gòu)、單一橢圓微孔織構(gòu)和復合槽孔織構(gòu)流體模型的一個單元體上的流體壓力分布。由圖5可知：流體沿著速度方向進入槽孔處，由于槽孔壁面的阻擋流體壓力增大，一部分液體回流導致發(fā)散區(qū)產(chǎn)生負壓，槽孔壁面的收斂區(qū)形成正壓；單一橢圓織構(gòu)化密封界面的流體動壓遠遠小于單一橢圓微孔織構(gòu)和復合槽孔織構(gòu)化界面的流體壓力。

圖5 3種織構(gòu)化端面的流體壓力分布Fig.5 Fluid pressure distribution of three textured surface

2.2 織構(gòu)深度對密封性能的影響

在織構(gòu)面積率Sp=19.8%、密封間隙h0=2 μm、壓力比pi/po=2 動環(huán)旋轉(zhuǎn)速度n=8 000 r/min 條件下，密封性能參數(shù)隨織構(gòu)深度的變化曲線如圖6。由圖6可知：伴隨織構(gòu)深度的增大，承載力、泄漏量和膜剛度均呈先增大后減小的變化規(guī)律，當織構(gòu)深度為4 μm時，承載力達到最大值，承載力由大到小分別為單一螺旋槽織構(gòu)化端面、復合槽孔織構(gòu)化端面和單一橢圓微孔織構(gòu)化端面；當織構(gòu)深度小于3 μm時，單一螺旋槽織構(gòu)的泄漏量最大，當織構(gòu)深度大于3 μm時，復合槽孔織構(gòu)的泄漏量最大，單一橢圓微孔織構(gòu)的泄漏量始終最??；當織構(gòu)深度為3.8 μm時，3種織構(gòu)化端面的膜剛度均達到最大值，膜剛度由大到小分別為單一螺旋槽織構(gòu)化端面、復合槽孔織構(gòu)化端面和單一橢圓微孔織構(gòu)化端面；在其他條件相同的情況下，單一螺旋槽織構(gòu)化端面具有最大的承載力和膜剛度，這是由于流體進入螺旋槽織構(gòu)時楔形效應更加明顯，能夠產(chǎn)生較大的流體動壓。

2.3 密封間隙對密封性能的影響

在織構(gòu)面積率Sp=19.8%、織構(gòu)深度hp=2 μm、壓力比pi/po=2、動環(huán)旋轉(zhuǎn)速度n=8 000 r/min的條件下，密封性能參數(shù)隨密封間隙的變化曲線如圖7。由圖7(a)，7(c)可知，隨著密封間隙的增大，復合槽孔織構(gòu)化端面和單一螺旋槽織構(gòu)化端面的承載力和膜剛度均呈先急劇減小后緩慢減小的變化規(guī)律，而單一螺旋槽織構(gòu)化端面的承載力和膜剛度都較小。由圖7(b)可知，3 種織構(gòu)化端面的泄漏量隨著密封間隙的增大均逐漸增大，泄漏量由大到小分別為單一螺旋槽織構(gòu)化端面、復合槽孔織構(gòu)化端面和單一橢圓微孔織構(gòu)化端面。通過比較3種織構(gòu)化端面的密封性能參數(shù)可知：在同一密封間隙下，單一螺旋槽織構(gòu)化端面具有最大的承載力和膜剛度，同時泄漏量也最大；單一橢圓微孔織構(gòu)化端面的承載力、泄漏量和膜剛度均最小。

圖6 密封性能參數(shù)隨織構(gòu)深度的變化曲線Fig.6 Variation curves of sealing performance parameters with texture depth

圖7 密封性能參數(shù)隨密封間隙的變化曲線Fig.7 Variation curves of sealing performance parameters with seal clearance

2.4 織構(gòu)面積率對密封性能的影響

圖8為在密封間隙h0=2 μm、織構(gòu)深度hp=2 μm、壓力比pi/po=2、動環(huán)旋轉(zhuǎn)速度n=8 000 r/min的條件下，密封性能參數(shù)隨織構(gòu)面積率的變化曲線。由圖8可知：隨著面積率的增大，單一螺旋槽織構(gòu)化端面和單一橢圓微孔織構(gòu)化端面的承載力、泄漏量及膜剛度均呈先增大后減小的變化規(guī)律，且當面積率為19.8%時，單一螺旋槽織構(gòu)化端面和單一橢圓微孔端面的承載力、泄漏量及膜剛度均達到最大值；隨著面積率逐漸增大時，復合槽孔織構(gòu)化端面的承載力、泄漏量及膜剛度均逐漸增大；對于3種織構(gòu)化端面而言，在同一織構(gòu)面積率下單一橢圓微孔織構(gòu)化端面的承載力、泄漏量及膜剛度均最小，當面積率小于19%時，復合槽孔織構(gòu)化端面的泄漏量小于單一螺旋槽織構(gòu)化端面。

圖8 密封性能參數(shù)隨織構(gòu)面積率的變化曲線Fig.8 Variation curves of sealing performance parameters with texture area ratio

2.5 旋轉(zhuǎn)速度對密封性能的影響

在織構(gòu)面積率Sp=19.8%、密封間隙h0=2 μm、織構(gòu)深度hp=2 μm、壓力比pi/po=2 的條件下，密封性能參數(shù)隨密封間隙的變化曲線如圖9。由圖9可知：隨著密封動環(huán)轉(zhuǎn)速的提高，3種織構(gòu)化密封端面的承載力、泄漏量及膜剛度均線性增大，且在相同動環(huán)旋轉(zhuǎn)速度下，3種織構(gòu)化端面的承載力、泄漏量及膜剛度由大到小依次為單一螺旋槽織構(gòu)化端面、復合槽孔織構(gòu)化端面、單一橢圓微孔織構(gòu)化端面；單一橢圓微孔織構(gòu)化端面的承載力、泄漏量及膜剛度均最小，且隨著動環(huán)旋轉(zhuǎn)速度的增大，其變化率也最??；單一螺旋槽織構(gòu)化端面的承載力、泄漏量及膜剛度均最大，且隨著動環(huán)旋轉(zhuǎn)速度的增大，其變化率也最大。

2.6 壓力比對密封性能的影響

在織構(gòu)面積率Sp=19.8%、密封間隙h0=2 μm、織構(gòu)深度hp=2 μm、動環(huán)旋轉(zhuǎn)速度n=8 000 r/min的條件下，密封性能參數(shù)隨壓力比的變化曲線如圖10。由圖10可知：隨著壓力比的增大，3種織構(gòu)化端面的承載力、泄漏量及膜剛度均呈線性增大的變化規(guī)律，且在同一壓力下，3種織構(gòu)化端面的承載力、泄漏量及膜剛度由大到小依次為單一螺旋槽織構(gòu)化端面、復合槽孔織構(gòu)化端面、單一橢圓微孔織構(gòu)化端面；單一橢圓微孔織構(gòu)化端面的承載力、泄漏量及膜剛度均最?。粏我宦菪劭棙?gòu)化端面的承載力、泄漏量及膜剛度均最大，且隨著壓力比的增大，3種織構(gòu)化端面的承載力、泄漏量及膜剛度的變化率基本相同。

圖9 密封性能參數(shù)隨動環(huán)旋轉(zhuǎn)速度的變化曲線Fig.9 Variation curves of sealing performance parameters with rotating speed of moving ring

圖10 密封性能參數(shù)隨壓力比的變化曲線Fig.10 Variation curves of sealing performance parameters with pressure ratio

3 結(jié) 論

1)在其他條件相同時，單一螺旋槽織構(gòu)化端面的承載力和膜剛度始終最大，單一橢圓微孔織構(gòu)化端面的承載力、泄漏量及膜剛度均最小，說明螺旋槽織構(gòu)端面能顯著提高機械密封端面的承載力和膜剛度，而橢圓微孔織構(gòu)對降低泄漏量有較大的貢獻。

2)在一定的范圍內(nèi)，3種織構(gòu)化端面的承載力、泄漏量及膜剛度隨著織構(gòu)深度的增大均呈先增大后減小的變化規(guī)律，隨著壓力比均呈線性增大的變化規(guī)律。

3)當密封間隙小于2 μm、織構(gòu)深度約為4 μm、織構(gòu)面積率小于19.0%時，復合槽孔織構(gòu)化端面可獲得良好的承載力及膜剛度，同時泄漏量相對較小。