沟槽型表面织构分布形式对机械密封特性的影响

魏伟（安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山243032）

沟槽型表面织构分布形式对机械密封特性的影响

魏伟
（安徽工业大学机械工程学院，安徽马鞍山243032）

建立沟槽型表面织构端面气体密封理论模型，利用有限差分法求解流体动压润滑方程获得无量纲压力分布，并考察不同分布形式沟槽宽度和深度对气膜开启力、摩擦扭矩和刚度等密封特性的影响。结果表明：随着槽宽或槽深的增大，气膜开启力和刚度呈先增大后减小趋势，而摩擦扭矩则保持减小趋势；沟槽沿半径方向分布时具有最佳的综合性能。

动压润滑；沟槽型织构；有限差分法；密封特性

机械设备的摩擦磨损和润滑问题是影响生产损耗和生产效率的重要因素，表面织构技术在降低摩擦磨损［1-3］、改善润滑［4-6］等方面的优异表现使之逐渐进入摩擦学研究者的视野。沟槽型表面织构因其加工便利、价格低廉，成为最具应用潜力的表面织构形式。

国内外学者对沟槽型表面织构展开广泛研究。Blatter等［7］利用销盘摩擦试验机分别对加工不同宽度和深度的微沟槽圆盘进行试验，得出微沟槽能有效延长摩擦副滑动寿命并减小摩擦，并将其归功于微沟槽的储油功能。Costa等［8］研究流体润滑条件下平行沟槽和“V”型槽对润滑油膜厚度的影响，发现“V”型槽在提高油膜厚度方面优于平行沟槽。袁思欢［9］采用光刻及微细电解加工技术在铸铁材料表面加工微小沟槽阵列，并使用往复式摩擦磨损试验机研究其减摩性能。符永宏等［10］采用半导体泵浦YAG固体激光器及单脉冲同点间隔多次激光微加工工艺在缸套内加工交叉网纹槽，结果表明网纹沟槽微结构能有效减少机油消耗和改善密封性能。马晨波等［11］建立截面为圆弧面的沟槽织构模型，对流体润滑条件下织构表面的流体动力学进行了研究。

已有文献在沟槽表面织构对摩擦学性能的影响方面进行了一定的探索，但主要是对摩擦润滑性能的验证，在考察沟槽表面织构分布形式对摩擦润滑特性的影响方面相对较少。为此，笔者通过利用有限差分法［12］求解流体动压润滑方程获得量纲为一的压力分布，并考察沟槽分布类型、深度及宽度对密封端面气膜开启力、摩擦扭矩、刚度等密封参数的影响，以进一步完善沟槽织构端面机械密封的理论研究。

1　理论模型

图1　几何模型Fig.1 Geometric model

图1所示，机械端面气体密封由2个不接触的相对旋转的圆环和密封气体组成，其中静环表面分布有直线型沟槽，环内、外径分别为ri和ro，密封间隙为h0，槽深度为hp，动环转速为ω。相对于动环转动速度方向，将直线沟槽分为4种类型（图1）：类型一沿速度方向偏转；类型二不偏转；类型三沿速度方向反向偏转；类型四相邻两槽相互偏转。

假设密封端面间隙中气膜为等温流动条件下的可压缩理想气体，压力沿膜厚方向保持不变，密封端面无量纲Reynolds方程的极坐标形式［13］如下

式中：R，θ分别为极坐标下径向和周向的量纲为一的变量；H为量纲为一的气膜厚度；p为量纲为一的气膜压力；μ为动力黏度；Λ=6μω/（pa，为气膜压缩系数；pa为环境压力。由于沟槽织构的周期性分布，本文选择局部区域进行计算，计算域中心角为γ，其边界条件为

气膜厚度h

据此计算气膜开启力F、刚度T和摩擦扭矩K等密封特性参数。具体计算表达式为

其中：f为密封环表面的摩擦力；F′为气膜厚度发生微小变化h0-h′0后的气膜开启力。

2　计算结果与分析

密封端面参数：密封环外径 ro=20 mm，密封环内径 ri=15 mm，密封间隙h0=0.005 mm，动环转速ω=5 000 r/min，沟 槽 宽 度r=0.05～0.15 mm，沟 槽 深 度hp=0.001～0.008 mm，密 封 气 体 黏 度μ=2.857 5×10-5Pa·s。本文利用Matlab对计算域进行建模，设定理论模型的边界条件，采用有限差分法对模型进行网格划分并利用超松弛迭代法计算量纲为一的压力分布以及平均压力。

2.1量纲为一的压力分布

图2为不同类型直线沟槽端面量纲为一的压力分布。从图2可知：对于类型一沟槽，槽两端压力分布均匀；对于类型二沟槽，压力在槽外端明显偏大；对于类型三沟槽，槽内侧出现较大的分布压力；对于类型四沟槽，两槽相邻位置出现一槽压力明显高于另一槽的情况，且量纲为一的压力p较高者相对位置方为流体运动方向。

图2　密封端面量纲为一的压力分布Fig.2 Dimensionless pressure distribution of seal face

2.2槽深对端面密封特性的影响

图3为槽宽0.1 mm时槽深hp对端面气膜开启力F、摩擦扭矩T和刚度K等密封特性参数的影响。从图3可以看出：对于任意一种分布形式，深度对F，T和K的影响均很大，均存在相同最优值使F和K最大，其中气膜开启力F最优深度为0.004 mm；不同沟槽分布类型的T值均随着深度的增大而减小，其中类型二摩擦扭矩始终最小，类型一和类型三扭矩差距不明显；气膜刚度K最优深度为0.003 mm且当深度大于0.003 mm时刚度随着深度的增大迅速减小；类型二的F和K值明显高于类型四，类型一和类型三最低且两者几乎相同。

图3　槽深对密封参数的影响Fig.3 Influence of groove depth on the seal parameters

2.3槽宽对端面密封特性的影响

为避免产生较大摩擦扭矩且具有相对较强的开启力和刚度，考察槽深0.004 mm时槽宽（r）对端面气膜开启力、摩擦扭矩和刚度等密封特性参数的影响，结果如图4。

从图4可知：无论沟槽织构的分布形式如何变化，F，T和K均受槽宽的影响，且同一参数所受影响的趋势基本相同；在本文计算参数条件下，随着槽宽的增大气膜开启力和刚度先增大后减小，而气膜摩擦扭矩与宽度值成反比关系；类型二开启力和刚度明显高于其他类型，类型一和类型三最低且趋势基本相同，但类型二摩擦扭矩最低，类型四最高，类型一和类型三的摩擦扭矩相同。

2.4沟槽分布类型密封特性最优值比较

根据上文槽宽和槽深两方面对密封特性影响的分析，提取不同类型端面密封特性参数近似最优值，槽宽值即为最优密封特性参数对应值。表1为4种沟槽分布类型的密封特性参数最优值。从表1可知，类型二具有最强的气膜开启力和刚度且摩擦扭矩最小。直线槽均沿半径方向分布是最常见的沟槽分布形式，且加工成本较低，因此综合考虑类型二作为沟槽表面织构的最佳形式，设计使用时优先考虑。

图4　槽宽对密封参数的影响Fig.4 Influence of groove width on the seal parameters

3　结　论

建立沟槽型表面织构端面机械密封理论模型并利用有限差分法求解流体动压润滑方程，对密封端面压力分布进行数值模拟，考察不同分布形式沟槽槽宽和槽深对机械密封端面密封特性的影响，得出以下结论：

表1　密封特性参数最优值Tab.1 Optimal parameters of seal face

1）开启力F和气膜刚度K均随凹槽深度的增大呈先增大后减小趋势且最优值不受沟槽分布类型影响，摩擦扭矩T随深度增大而减小；

2）开启力F和气膜刚度K均随凹槽宽度的增大先增大后减小，摩擦扭矩T与宽度成反比关系；

3）综合考虑各密封特性参数，设计时推荐选择类型二凹槽织构类型，即直线槽沿动环半径方向分布。

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［8］COSTA H，HUTCHINGS I.Hydrodynamic lubrication of textured steel surfaces under reciprocating sliding conditions［J］. Tribology International，2007，40:1227-1238.

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［10］符永宏，陈志焕，陶根宁.发动机气缸表面规则微观形貌的激光加工研究［J］.应用激光，2006，26（4）:233-236.

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［13］于海武.基于流体动压润滑效应的表面织构优化设计［D］.南京：南京航空航天大学，2011:49-56.

责任编辑：何莉

Effect of Distribution Pattern of Groove-textured Surface on Mechanical Seal Properties

WEI Wei
（School of Mechanical Engineering，Anhui University of Technology，Ma'anshan 243032，China）

A theoretical model of groove-textured gas face seal was established，the finite difference method was employedtosolvethehydrodynamiclubricationequationandobtainedthedimensionlesspressuredistributionofthe face seal.The effects of groove width and depth on the open force，friction torque and stiffness for different groove patterns were investigated.The results show that the open force and the stiffness for different groove patterns first increased，and then decreased with the increase of groove width and depth，while the friction torque keeps a downward trend.Grooves distributed along the radial direction can obtain the optimum comprehensive properties.

hydrodynamic lubrication；groove texture；finite difference method；seal properties

TH117.2

A

10.3969/j.issn.1671-7872.2016.01.012

1671-7872（2016）-01-0054-04

2015-08-31

安徽高校自然科学研究项目（KJ2016A093；KJ2016A813）；安徽工业大学青年基金项目（QZ201323）

魏伟（1980-），男，安徽巢湖人，讲师，主要研究方向为先进制造技术、微观摩擦学。