馬彬鈃，顏培，余建杭，焦黎，仇天陽，王西彬，張寶榮，趙志勇

（1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037000）

密封結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代工業(yè)重要組成部分之一，其可靠、高效的密封性對機(jī)械產(chǎn)品整體服役性能具有重要意義。隨著社會不斷發(fā)展，密封技術(shù)在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，工作在特殊環(huán)境下的部件對密封性能要求愈加嚴(yán)苛，其密封性能與產(chǎn)品整機(jī)性能直接相關(guān)。如在航空航天、國防軍工、石油化工等領(lǐng)域，核心零部件不但涉及到高壓、高溫、強(qiáng)輻射、強(qiáng)腐蝕等一系列復(fù)雜環(huán)境，同時對密封性能又有著極高的要求[1-2]。因此，采用更加可靠的密封技術(shù)，實現(xiàn)更加有效的密封效果，是現(xiàn)代工業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)保障。

為滿足未來戰(zhàn)爭對坦克裝甲車輛高機(jī)動性和快速部署的需求，提高推進(jìn)系統(tǒng)的功率密度具有極為重要的意義。高功率密度（HPD）柴油機(jī)以其出色的輕量化、高利用率、高轉(zhuǎn)速輸出等優(yōu)異性能，代表著未來裝甲車輛推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展方向，而高壓共軌噴油系統(tǒng)是實現(xiàn)高功率密度的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。美國陸軍坦克機(jī)動車輛局的試驗研究表明，通過將噴射壓力提高到200 MPa，可將功率密度提高26%[4]。而噴油壓力的提升對關(guān)鍵部件的密封性能及可靠性也提出了更高的要求，實際使用過程中，若發(fā)生油泵漏油的現(xiàn)象，會對柴油機(jī)工作的安全性產(chǎn)生巨大影響。因此，增強(qiáng)泵體密封裝置的密封性能及其可靠性，是HPD 柴油機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)保障。

表面織構(gòu)作為一種新技術(shù)，近些年來發(fā)展迅速，在刀具、齒輪、軸承、計算機(jī)硬盤、內(nèi)燃機(jī)活塞與氣缸套系統(tǒng)等產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛[5]。I. ETSION 等[6-7]建立了具有規(guī)則表面結(jié)構(gòu)的非接觸式機(jī)械密封半球形孔隙結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并對其密封性能進(jìn)行了預(yù)測。結(jié)果表明，由于在孔中和孔周圍部分密封面區(qū)域發(fā)生了空化現(xiàn)象，因此可以提高流體動力誘導(dǎo)的承載能力；通過適當(dāng)選擇孔徑和孔徑比，可以獲得較高的間隙和較小的摩擦扭矩；最佳孔徑取決于黏度、密封壓力和孔徑比。表面織構(gòu)應(yīng)用于金屬切削刀具表面，可以起到減小磨損面面積、儲存潤滑劑、降低切削力和切削溫度等效果。宋文龍等[8]提出了微池自潤滑刀具的概念，在刀具的刀-屑、刀-工接觸部位設(shè)計、加工一定形狀和尺寸的微孔，并在其中填充固體潤滑劑，在切削過程中，微孔中的固體潤滑劑受熱膨脹以及切屑的摩擦擠壓作用，在刀具表面拖覆形成固體潤滑膜，使摩擦發(fā)生在潤滑膜內(nèi)部，產(chǎn)生“微池潤滑”效應(yīng)，從而實現(xiàn)刀具的自潤滑。張赟等[9]在鋼制導(dǎo)軌副上制備了4 種不同的微織構(gòu)，并通過仿真軟件，分析微織構(gòu)對導(dǎo)軌副接觸面接觸應(yīng)力的影響。研究表明，所有的微織構(gòu)都可以改善導(dǎo)軌副接觸面的接觸應(yīng)力，在穩(wěn)定磨損階段，所有的微織構(gòu)都有一定的減摩能力，此外，不同的微織構(gòu)具有不同的存儲和供應(yīng)潤滑油、產(chǎn)生額外流體動壓效應(yīng)和改善接觸面接觸應(yīng)力的能力。

大量研究結(jié)果表明，表面織構(gòu)應(yīng)用于具有相對運動的非接觸式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)件表面，能夠有效提高其動壓承載能力，增強(qiáng)密封性能。而表面織構(gòu)在靜態(tài)密封方面的應(yīng)用研究尚缺乏，其作用機(jī)理與密封效應(yīng)亟待研究。本文以柴油機(jī)高壓供油泵靜密封區(qū)為研究對象，借助有限元仿真，研究密封接觸區(qū)表面結(jié)構(gòu)增強(qiáng)密封性能的機(jī)理，分析在特定環(huán)境下提升密封性能的微結(jié)構(gòu)最優(yōu)尺寸、形狀及分布，形成靜密封表面織構(gòu)的設(shè)計思路。本研究對密封微結(jié)構(gòu)在類似結(jié)構(gòu)與工況下的推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 密封面微織構(gòu)增強(qiáng)密封機(jī)理

1.1 基于逾滲理論的靜密封原理

逾滲理論主要處理無序系統(tǒng)中由于相互連接程度的變化所引起的效應(yīng)。在逾滲理論中，逾滲閾值Pc是一個重要參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)的成分或某種意義上的密度變化達(dá)到逾滲閾值時，在逾滲閾值處，系統(tǒng)的一些物理性質(zhì)會發(fā)生劇烈的變化，即在逾滲閾值處，系統(tǒng)一些物理現(xiàn)象的連續(xù)性會消失或出現(xiàn)。而在靜密封問題中，密封件表面往往凹凸不平，密封的效果是通過外界施加的夾緊力，使密封件表面微凸體發(fā)生彈性或者塑性變形，填充密封面之間的凹凸不平，減少接觸空隙，進(jìn)而阻止介質(zhì)流出而達(dá)到的。由逾滲理論可知，當(dāng)密封面之間的孔隙率P小于逾滲閾值Pc時，密封介質(zhì)不會貫穿密封界面的兩側(cè)，此時密封效果良好；當(dāng)孔隙率P等于逾滲閾值Pc時，此時密封界面完全逾滲，出現(xiàn)大的孔隙群，發(fā)生少量的介質(zhì)泄漏；當(dāng)孔隙率P大于逾滲閾值Pc時，逾滲概率急劇增加，密封界面發(fā)生大量泄漏[10-11]。

依據(jù)接觸力學(xué)理論，在壓力作用下，粗糙表面的實際接觸面積小于名義接觸面積，并且實際接觸面積隨接觸壓力的增大而增大。用實際接觸面積與名義接觸面積的比值α來表示接觸的緊密程度，則α=1?P，且當(dāng)α接近一定閾值時，界面的密封性能迅速提高，并且在達(dá)到閾值之后，滲漏通道存在的概率Pf迅速降低至接近零，此時的密封界面具有很好的密封性能[12]，其變化過程如圖1 所示。該逾滲閾值與密封界面主要影響尺度所形成系統(tǒng)尺寸和逾滲網(wǎng)格連通數(shù)密切相關(guān)，但不同連通數(shù)的滲透模型具有類似的演變規(guī)律。在工程應(yīng)用中，四連通網(wǎng)格較為普遍。本文選擇具有代表性的四連通單層網(wǎng)格，并將密封界面簡化為系統(tǒng)尺寸無限大，此時Pc≈0.59，實際接觸面積與名義接觸面積的比值將收斂于0.41[13]。故在一定工況下，當(dāng)名義接觸面積一定時，密封界面之間的實際接觸面積決定密封性能，同時接觸面積的分布對密封性能也有著重要作用，即實際接觸面積越大且越集中，密封效果越顯著。

圖1 泄漏通道存在的概率與接觸概率關(guān)系曲線Fig.1 Schematic diagram of the relationship between the probability of leakage channels and the probability of contact

1.2 粗糙表面接觸狀態(tài)

密封環(huán)處于泵蓋和泵體之間，其中泵蓋與密封環(huán)的接觸平面為平整平面，而泵體上設(shè)置有一定大小的圓形凹槽，密封環(huán)放置其中，如圖2 所示。密封環(huán)零件如圖3 所示。泵蓋和泵體的材料為42CrMo，接觸端面表面粗糙度Ra為0.3 μm；密封環(huán)的材料為45 鋼，上下端面表面粗糙度Ra為0.5 μm[14-15]。泵蓋與泵體之間假定由6 個螺栓擰緊施加預(yù)緊力，擰緊力矩為20 N·m。高壓共軌系統(tǒng)油泵油壓可達(dá)到100～200 MPa，在此假定為180 MPa[16-17]。45 鋼[18]和42CrMo[19]的J-C本構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

圖2 密封表面密封環(huán)安裝位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the installation position of the seal ring on the sealing surface

圖3 密封環(huán)零件示意圖Fig.3 Schematic diagram of seal ring parts

表1 45 鋼和42CrMo 的J-C 本構(gòu)參數(shù)Tab.1 J-C constitutive parameters of 45# steel and 42CrMo

當(dāng)密封接觸面之間發(fā)生擠壓時，由于粗糙度的存在，部分區(qū)域會先接觸[20]。研究表明，兩各向同性粗糙表面間的接觸可以等效為一個粗糙表面與一個剛性光滑平面的接觸[21]。本文使用ABAQUS 軟件對粗糙表面的接觸狀態(tài)進(jìn)行仿真，將42CrMo 接觸面等效為一剛性光滑平面。對粗糙表面形貌建模存在多種途徑[22]，本文采用二維數(shù)字濾波方法生成高斯隨機(jī)表面[23-25]，如圖4 所示。基于該模擬表面，利用APDL命令流生成三維粗糙平面[26]，與剛性表面建立接觸的幾何模型，進(jìn)行有限元分析，模型如圖5 所示。

圖4 高斯隨機(jī)表面Fig.4 Gaussian random surface

圖5 粗糙表面接觸有限元模型Fig.5 Rough surface contact finite element model

設(shè)置剛性平面為主面，粗糙接觸面為從面，接觸類型為面面接觸。剛性平面只存在z向的平移自由度，并施加下壓的位移載荷，約束粗糙面幾何模型下表面的所有自由度。將粗糙面模型分為上下兩部分，含粗糙表面的上部分采用網(wǎng)格密度為0.2 的C3D10 四面體網(wǎng)格，保證適應(yīng)性和計算精度，下部分則采用網(wǎng)格密度為0.5 的C3D8R 六面體網(wǎng)格，以減少計算時間。最終得到尺寸50 μm×50 μm 的名義接觸面積下的接觸壓強(qiáng)和實際接觸面積與名義接觸面積比值α的變化關(guān)系曲線，如圖6 所示。由圖可知，當(dāng)接觸區(qū)域壓強(qiáng)大于790 MPa 時，接觸面積比大于0.41，即可認(rèn)為密封效果良好。

圖6 粗糙接觸實際接觸面積比與載荷的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship profile between actual contact area ratio of rough contact and load

2 基于逾滲理論的微織構(gòu)設(shè)計

2.1 預(yù)仿真及結(jié)果

在靜密封中采用微織構(gòu)設(shè)計，由于織構(gòu)的邊緣效應(yīng)，會產(chǎn)生多個接觸壓力峰值，從而形成“多級密封”，提升了密封的可靠性[27]。微織構(gòu)只會影響織構(gòu)處的接觸狀態(tài)，不影響其他區(qū)域的密封性。本文中微織構(gòu)的擇優(yōu)準(zhǔn)則如下：在微織構(gòu)處的接觸面積不減少的前提下，保證接觸區(qū)域的接觸壓強(qiáng)均能滿足密封要求；同時在滿足密封環(huán)強(qiáng)度的前提下，使微織構(gòu)兩端處的接觸壓強(qiáng)峰值更大[28]。采用這樣的設(shè)計準(zhǔn)則，盡可能提升微織構(gòu)局部區(qū)域的密封性能，進(jìn)而提升密封環(huán)整體的密封性能。

首先對密封環(huán)的初始接觸狀態(tài)進(jìn)行分析，確定微織構(gòu)的設(shè)計位置。因為接觸狀態(tài)關(guān)于密封環(huán)軸線中心對稱，故可將模型簡化為1/4 模型，以減少網(wǎng)格數(shù)量，如圖7 所示。經(jīng)預(yù)計算可知，在預(yù)緊力的作用下，泵蓋與泵體會緊密接觸，且由于泵體與泵蓋的剛度大于密封環(huán)的剛度，泵體與泵蓋發(fā)生很小的彈性形變。設(shè)置泵體和泵蓋的接觸面為主面、密封環(huán)的上下面為從面，接觸類型為面面接觸。泵蓋只存在z向的平移自由度，并在泵蓋上表面施加向下0.3 mm 的位移載荷，約束泵體下表面的所有自由度，且約束1/4 密封環(huán)兩截面的周向自由度，保證簡化的合理性。密封環(huán)采用C3D10 四面體網(wǎng)格，整體網(wǎng)格密度為0.2，在密封環(huán)與微織構(gòu)相接觸的上表面使用梯度密度布置網(wǎng)格，中間區(qū)域密度為0.002，兩端密度為0.2。對泵蓋進(jìn)行區(qū)域劃分，將微織構(gòu)區(qū)域設(shè)置為沿徑向密度為0.01、周向密度為0.1 的C3D10 四面體網(wǎng)格，其他區(qū)域采用密度為0.5 的C3D8R 六面體網(wǎng)格。泵體則采用密度為0.5 的C3D8R 六面體網(wǎng)格。采用該網(wǎng)格劃分方式細(xì)化了局部關(guān)鍵接觸區(qū)域網(wǎng)格，以保證計算精度，同時粗化其他區(qū)域的網(wǎng)格密度，提升計算效率。

圖7 密封環(huán)狀態(tài)分析有限元模型Fig.7 Finite element model for state analysis of the seal ring

圖8 所示為密封環(huán)軸向應(yīng)力云圖?？芍芊猸h(huán)下端面兩側(cè)受壓應(yīng)力最大，而上端面的壓應(yīng)力沿中心位置對稱分布。在泵蓋泵體擠壓作用下，密封環(huán)會發(fā)生形變，從而在兩側(cè)產(chǎn)生一定值的拉應(yīng)力，但相對于壓應(yīng)力而言，其值較小，可忽略其影響。金屬壓縮強(qiáng)度極限約為拉伸強(qiáng)度極限的3～4 倍，故取1500 MPa 作為參考值。圖9 為無微織構(gòu)時，密封環(huán)上下端面沿由外向內(nèi)的路徑的接觸壓強(qiáng)變化曲線。提取有限元仿真結(jié)果可知：上端面變形后，總接觸長度約為3.734 mm，接觸壓強(qiáng)隨著路徑先增大，后逐漸降低，峰值約為1100 MPa；下端面變形后，總接觸長度約為2.421 mm，接觸壓強(qiáng)總體在一定范圍內(nèi)變化，較穩(wěn)定，最大值約為1400 MPa，且接觸壓強(qiáng)變化趨勢與軸向應(yīng)力分布趨勢相對應(yīng)。因而在密封環(huán)實際受力作用下，下端面的接觸壓強(qiáng)大于上端面接觸壓強(qiáng)，接觸狀態(tài)較為穩(wěn)定，所以上端面較下端面易發(fā)生泄漏，且42CrMo 較45 鋼硬度大，故應(yīng)將微織構(gòu)設(shè)計于與密封環(huán)上端面接觸的泵蓋上。上端面接觸壓強(qiáng)分布近似關(guān)于中心位置對稱，故微結(jié)構(gòu)設(shè)計位置也應(yīng)關(guān)于中心位置對稱。

圖8 密封環(huán)軸向應(yīng)力云圖Fig.8 Axial stress cloud diagram of seal ring

圖9 密封環(huán)上下端面接觸壓強(qiáng)變化曲線Fig.9 Change profile of contact pressure of upper and lower faces of seal ring: a) along the upper surface; b) along the lower surface

由預(yù)仿真確定，當(dāng)微織構(gòu)寬度為200 μm、深度為30 μm 時，具備一定增強(qiáng)密封性能的效果，故后文采用多因素逐項試驗法對微織構(gòu)形狀、深度、寬度、數(shù)量以及分布進(jìn)行優(yōu)選。

2.2 微織構(gòu)形狀

對具有同樣深度和寬度，但不同截面形狀的微織構(gòu)進(jìn)行仿真。微織構(gòu)的寬度設(shè)置為200 μm，深度為30 μm，截面形狀分別設(shè)計為三角形、圓弧和梯形。圖10 為不同截面形狀密封環(huán)軸向應(yīng)力云圖，其上端面沿路徑的接觸壓強(qiáng)變化曲線及局部視圖如圖11 所示。

圖10 不同截面形狀微織構(gòu)軸向應(yīng)力云圖Fig.10 Axial stress cloud diagram of micro-textures with different cross-sectional shapes: a) triangle; b) trapezoid; c) arc

圖11 不同形狀微織構(gòu)接觸壓強(qiáng)變化曲線Fig.11 Change profile of contact pressure for micro-textures with different shapes: a) contact pressure profile of micro-textures with different shapes along the path of the upper surface; b) the local enlarged profile of the contact pressure of micro-textures with different shapes

由圖可知，無論何種形狀的微結(jié)構(gòu)，都不影響其他無微結(jié)構(gòu)區(qū)域的接觸狀態(tài)，密封環(huán)上端面微織構(gòu)兩端的軸向應(yīng)力顯著增加。由于微織構(gòu)的邊緣效應(yīng)，接觸壓強(qiáng)在微織構(gòu)處會呈現(xiàn)出“鐘形”的分布趨勢，單個微織構(gòu)會形成2 個峰值的接觸壓強(qiáng)分布趨勢。接觸壓強(qiáng)峰值大小比較為：三角形<圓弧<梯形。而接觸壓強(qiáng)的大小是衡量密封性能的主要指標(biāo)，該值越大，則密封性能越優(yōu)且更加可靠。在處于兩個峰值之間的區(qū)域，三角形和梯形截面形狀的微織構(gòu)接觸壓強(qiáng)變化波動較大，且局部區(qū)域密封環(huán)的變形不能與泵蓋上的微織構(gòu)完全耦合，即存在接觸壓強(qiáng)為0 的現(xiàn)象，而圓弧狀截面的微織構(gòu)在該區(qū)域變化幅度小且較為穩(wěn)定，接觸壓強(qiáng)均≥790 MPa，滿足密封要求。梯形截面的微織構(gòu)引起的軸向應(yīng)力遠(yuǎn)大于1500 MPa，或造成密封環(huán)材料的局部失效。綜上所述，在滿足密封環(huán)材料不失效的前提下，圓弧形微織構(gòu)在不減少有效密封長度的同時，會產(chǎn)生多個接觸壓強(qiáng)峰值，從而形成“多級密封”，并顯著提升局部區(qū)域的密封性能及可靠性。故微織構(gòu)截面形狀選擇圓弧形最優(yōu)。

2.3 微織構(gòu)深度

對相同形狀和寬度、不同深度的微織構(gòu)進(jìn)行仿真，并對其深度進(jìn)行優(yōu)化。選擇微織構(gòu)的寬度為200 μm，截面形狀為圓弧，深度分別為15、20、25、30、35、40 μm，對應(yīng)密封環(huán)軸向應(yīng)力云圖如圖12 所示，上端面沿路徑的接觸壓強(qiáng)變化曲線及局部視圖如圖13 所示。

圖12 不同深度微織構(gòu)密封環(huán)軸向應(yīng)力云圖Fig.12 Axial stress cloud diagram of micro-textured seal rings with different depths

圖13 不同深度微織構(gòu)接觸壓強(qiáng)變化曲線Fig.13 Change profile of contact pressure for micro-textures with different depths: a) contact pressure profile of microtextures with different depths along the path of the upper surface; b) the local enlarged profile of the contact pressure of micro-textures with different depths

由圖可知，不同深度的微結(jié)構(gòu)并不影響其他無微結(jié)構(gòu)區(qū)域的接觸壓強(qiáng)分布，密封環(huán)上端面微織構(gòu)兩端的軸向應(yīng)力顯著增加，不同深度的微織構(gòu)接觸壓強(qiáng)均呈“鐘形”分布，形成“多級密封”。在微織構(gòu)寬度保持不變的前提下，隨著深度的增加，接觸壓強(qiáng)峰值和密封環(huán)軸向應(yīng)力增加，如圖14、圖15 所示。當(dāng)微織構(gòu)深度≥35 μm 時，微織構(gòu)中間區(qū)域會出現(xiàn)接觸壓強(qiáng)為0 的現(xiàn)象，此時密封環(huán)無法與微織構(gòu)完全耦合，同時密封環(huán)的軸向應(yīng)力≥1500 MPa，或造成密封環(huán)材料的局部失效。隨著微織構(gòu)深度的減小，接觸區(qū)的接觸壓強(qiáng)變化幅度減小，且接觸狀態(tài)更加穩(wěn)定，但微織構(gòu)處接觸壓強(qiáng)的峰值有所減小。綜上所述，在滿足密封環(huán)材料不失效的前提下，深度為30 μm 的微織構(gòu)在不減少有效密封長度的同時，會產(chǎn)生多個較大的接觸壓強(qiáng)峰值，顯著提升該區(qū)域的密封性能及可靠性。故微織構(gòu)的深度為30 μm 時最優(yōu)。

圖14 接觸壓強(qiáng)峰值隨微織構(gòu)深度的變化Fig.14 Change profile of peak contact pressure with microtexture depth

圖15 密封環(huán)軸向最大應(yīng)力隨微織構(gòu)深度的變化Fig.15 Change profile of the maximum axial stress of seal ring with micro-texture depth

2.4 微織構(gòu)寬度

對相同形狀和深度、不同寬度的微織構(gòu)進(jìn)行仿真。選擇微織構(gòu)的深度為30 μm，截面形狀為圓弧，寬度分別為120、140、160、180、200、220 μm，對應(yīng)密封環(huán)軸向應(yīng)力云圖如圖16 所示，上端面沿路徑的接觸壓強(qiáng)變化曲線及局部視圖如圖17 所示。

圖16 不同寬度微織構(gòu)密封環(huán)軸向應(yīng)力云圖Fig.16 Axial stress cloud diagram of micro-textured seal rings with different widths

圖17 不同寬度微織構(gòu)接觸壓強(qiáng)變化曲線Fig.17 Change profile of contact pressure for micro-textures with different widths: a) contact pressure profile of micro-textures with different widths along the path of the upper surface; b) the local change profile of contact pressure of micro-textures with different widths

由圖可知，不同寬度的微結(jié)構(gòu)并不影響其他無微結(jié)構(gòu)區(qū)域的接觸壓強(qiáng)分布，密封環(huán)上端面微織構(gòu)兩端的軸向應(yīng)力顯著增加。微織構(gòu)深度保持不變，隨著織構(gòu)寬度的增加，接觸壓強(qiáng)峰值和密封環(huán)軸向應(yīng)力減?。ㄒ妶D18、19），接觸區(qū)的接觸壓強(qiáng)變化幅度也減小，接觸狀態(tài)更加穩(wěn)定。當(dāng)微織構(gòu)寬度≤160 μm，微織構(gòu)中間區(qū)域會出現(xiàn)接觸壓強(qiáng)為0 的現(xiàn)象，此時密封環(huán)無法與微織構(gòu)完全耦合，同時密封環(huán)的軸向應(yīng)力≥1500 MPa，或造成密封環(huán)材料的局部失效。當(dāng)微織構(gòu)寬度為180 μm 時，微織構(gòu)與密封環(huán)接觸左端存在接觸壓強(qiáng)下降明顯的波谷，其值小于790 MPa，影響密封性能。綜上所述，在滿足密封環(huán)材料不失效的前提下，寬度為200 μm 的微織構(gòu)在不減少有效密封長度的同時，產(chǎn)生多個較大的接觸壓強(qiáng)峰值，顯著提升該區(qū)域的密封性能及可靠性。故微織構(gòu)的寬度為200 μm 時最優(yōu)。

圖18 接觸壓強(qiáng)峰值隨微織構(gòu)寬度的變化Fig.18 Change profile of peak contact pressure with microtexture width

2.5 微織構(gòu)數(shù)量及分布

分別在距離密封環(huán)上端面中心位置0.3、0.7 mm處設(shè)計微織構(gòu)。因為接觸壓強(qiáng)分布沿中心位置近似對稱，故只設(shè)計一邊微織構(gòu)形貌，對稱于另外一側(cè)。采用同樣的設(shè)計準(zhǔn)則對不同位置的微織構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。確定距離密封環(huán)上端面中心位置0.3 mm 處，微結(jié)構(gòu)深度為15 μm，寬度為220 μm；距離密封環(huán)上端面中心位置0.7 mm 處，微結(jié)構(gòu)深度為3 μm，寬度為260 μm。最后將微織構(gòu)同時設(shè)計于同一模型中進(jìn)行仿真，密封環(huán)軸向應(yīng)力云圖如圖20 所示，其上端面沿路徑的接觸壓強(qiáng)變化曲線如圖21 所示。與無微結(jié)構(gòu)相比，設(shè)置5 處微結(jié)構(gòu)，在保證密封環(huán)與微織構(gòu)完全耦合的同時，避免發(fā)生密封環(huán)零件的失效，顯著提升部分區(qū)域的接觸壓強(qiáng)，并提升密封性能和可靠性。對比單個微織構(gòu)接觸壓強(qiáng)變化曲線發(fā)現(xiàn)，多個微織構(gòu)會對單個微織構(gòu)的效果產(chǎn)生一定程度的影響，使得部分區(qū)域的接觸壓強(qiáng)降低，但并沒有出現(xiàn)未接觸的區(qū)域，其在微織構(gòu)兩側(cè)產(chǎn)生的峰值仍高于無微織構(gòu)時的接觸壓強(qiáng)，“多級密封”效應(yīng)依然存在。

圖19 密封環(huán)軸向最大應(yīng)力隨微織構(gòu)寬度的變化Fig.19 Change profile of the maximum axial stress of seal ring with micro-texture width

圖20 5 處微織構(gòu)密封環(huán)軸向應(yīng)力云圖Fig.20 Axial stress cloud diagram of five micro-textured seal ring

圖21 整體微織構(gòu)沿路徑的接觸壓強(qiáng)變化Fig.21 Contact pressure change profile of the overall microtexture along the path

目前，微織構(gòu)的加工方法有機(jī)械加工[29]、激光加工[30,31]、電解加工[32]等?？紤]所設(shè)計的微織構(gòu)形狀與精度要求，后續(xù)將采用微銑削的方式對所設(shè)計的微織構(gòu)進(jìn)行加工。

3 結(jié)論

本文通過有限元仿真，研究了微織構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)對靜密封性能的影響規(guī)律，并基于逾滲理論，設(shè)計了特定工況下的密封環(huán)微織構(gòu)結(jié)構(gòu)及分布，對靜密封微織構(gòu)的設(shè)計提供技術(shù)支撐。主要結(jié)論如下：

1）由于邊緣效應(yīng)，微織構(gòu)兩側(cè)的接觸壓強(qiáng)峰值顯著提升，同時影響中間區(qū)域接觸壓強(qiáng)分布趨勢，并改變密封環(huán)上端面的軸向最大應(yīng)力。

2）圓弧形微織構(gòu)的密封性能更優(yōu)。隨著微織構(gòu)深度的增加或?qū)挾鹊臏p小，微織構(gòu)邊緣接觸壓強(qiáng)峰值增加，但同時密封環(huán)軸向最大應(yīng)力也增加，且微織構(gòu)中間區(qū)域會出現(xiàn)部分區(qū)域無法與密封環(huán)完全耦合的情況；隨著微織構(gòu)深度的減小或?qū)挾鹊脑黾樱⒖棙?gòu)區(qū)域接觸壓強(qiáng)變化幅度減小，接觸狀態(tài)更加穩(wěn)定。

3）多個微織構(gòu)結(jié)構(gòu)的密封環(huán)能在保證密封環(huán)與微織構(gòu)完全耦合的同時，避免密封環(huán)零件失效，顯著提升局部接觸壓強(qiáng)，進(jìn)而提升密封性能。