端面倾斜对粗糙表面机械密封性能的影响分析

文建平

（湖南财经工业职业技术学院，湖南 衡阳 421000）

端面倾斜对粗糙表面机械密封性能的影响分析

文建平

（湖南财经工业职业技术学院，湖南 衡阳 421000）

机械密封主要是由动环、静环与流体膜组成，流体膜的膜厚、端面摩擦力、端面密封压力、动环动环转速、微凸体接触力等都会对机械密封性能产生不同程度的影响，而端面倾斜角度则会在这些因素的综合作用下，对机械密封性能产生相应的影响，倾斜角度值的选择直接影响到粗糙表面机械密封性能，当流体中心膜厚为0.5μm时，倾斜角度位于0～0.35之间，粗糙表面获得的综合机械密封性能就会显著高于光滑表面。

端面倾斜；粗糙表面；机械密封；密封性能

现代工业是以各类机械设备作为基础，而在各种机械设备中，密封性能是机械性能的重要部分，机械密封是密封领域中一个独特而优良的技术，在流体机械设备中有广泛的应用。机械密封是避免液体泄漏的一个关键零部件，对粗糙表面的倾斜角度、流体膜厚等进行综合分析，能够显著提升机械密封性能。

1 机械密封的理论模型

1.1 几何模型

机械密封模型主要组成部分是具有浮动性的沿径向方向呈收敛性端面的一个静环、可以固定安装的一个动环以及流体膜组成，动、静环通常呈平行状态，在机械密封的制造及安装过程中，可能会出现一定的误差，动、静环之间的密封端面可能会出现一定的倾斜，使密封端面之间的流体膜厚度在沿径向方向上出现不一致的分布。结合经典润滑理论，在粗糙表面的膜厚比低于3时，机械密封端面能够实现混合润滑；在端面的倾斜角度逐渐由0向1增加时，最小名义膜厚度则会由密封端面中心的流体膜厚度逐渐减少到0；在最小名义膜厚度不高于综合粗糙高度标准偏差的3倍时，粗糙表面就会相互接触，这时，就需要分析并计算微凸体接触力大小，进而构建一个数学模型。

1.2 数学模型

（1）液体的润滑性能。。将密封流体设定为牛顿流体，能够保持固定的黏度，具有不可压缩性，流体保持层流动状态，并忽略掉惯性效应影响。根据平均流量模型，将压力流量因子、剪切流量因子引入方程中，从而修正Reynolds方程。在数学模型的构建中，还要考虑端面空化现象的影响、质量守恒规律，因此需要根据JFO的空化边界条件，将一个函数与变量引入其中，对方程进行全面修正，得出以下计算公式：

其中，Fφ=p，1+（1-F）φ=θ=ρ/ρ1

式中，p表示流体膜压力，θ=ρ/ρ1为流体密度比，ρ1则液态液态介质密度，φx、φy表示压力流量因子，φs则表示剪切流量因子。

（2）微凸体接触力。混合润滑的情况下，密封端面之间部分微凸体发生接触后，产生弹塑性变形，并产生一种接触力。根据弹塑性接触模型对微凸体接触力进行计算即可。

（3）密封性能的相关参数。密封性能的关键参数是端面摩擦力，包括了流体膜摩擦力与微凸体接触力。摩擦力又包括了流体黏性剪切摩擦力及微凸体接触摩擦力。机械密封的泄漏率则可由计算公式获得：

式中，Ω表示密封端面的计算域，l表示密封端面的内圆周线，nx、ny倾斜端面外法线向量方向的余弦值。

2 密封性能计算和讨论

（1）端面的流体膜压力分布情况。不同的倾斜角度，粗糙端面的机械密封流体膜压力分布情况也会有所不同，倾斜角度为0，即端面动静两环呈平行状态时，端面流体膜的压力会沿着圆周方向做均匀分布状态，当倾斜端面流体膜压力沿着圆周方向产生变化时，就会出现高压区与低压区的明显差别；倾斜角度增加，则高压区流体膜压力就会增加，倾斜角度为0.2时，流体膜压力会达到最高值即13.9MPa。端面倾斜时，密封端面流体膜厚度会沿着圆周方向生成发散区与收敛区两个不同的区域，动环转动就会引发流体的动压效应。收敛区流体膜会生成一个高压区，而发散区流体膜则会生成一个低压区甚至是空化区。随着倾斜角度的增加，高压区域会不断集中，从而面积不断减小，并且不断增加压力峰值；低压区域的面积则不断增加，并且会使最低压力不断减少，进而在极端情况下产生空化压力。

（2）端面倾斜角度对于机械密封性能的影响。在密封压力、中心流体膜厚度、动环转速不同的条件下，倾斜角度会对机械密封端面的摩擦力产生不同的影响。在倾斜角度增加的条件下，端面摩擦力会加速增长，这种情况是由于端面倾斜时，会产生一种流体动压效应，有效提升了流体膜的摩擦力，倾斜角度增加，流体动压效应也就会增强，流体膜的摩擦力也就会增大。倾斜角度的增加，会使最小流体膜厚呈现减小的趋势，当最小膜厚达到综合粗糙高度标准偏差的3倍时，粗糙端面就会相互接触，进而产生微凸体接触力，在倾斜角度固定时，通过密封压力与动环转速的增加、中心膜厚的减小，都能够增强流体动压效应，从而提高液体膜摩擦力，密封压力的增加，也能够提高流体的静压效应，并提高端面的摩擦力。

工况相同的条件下，粗糙表面机械密封端面摩擦力始终要比光滑表面高，倾斜角度的增加，会使粗糙表面机械密封和光滑表面机械密封压力差值增加，倾斜角度相同时，密封压力与动环转速的增加或者中心膜厚度的减小，会使粗糙表面和光滑表面的密封压力差值不断增加，因此，表面粗糙度会产生流体动压效应，进而增加端面摩擦力，而且倾斜角度、密封压力、动环转速的增加或者中心膜厚的减少，会使粗糙表面端面动压效应增强，并且增加端面摩擦力。

倾斜角度增加，端面摩擦力会出现先减少之后增大的趋势，当摩擦力达到最小值时，其倾斜角度对应一个极值点，当倾斜角度在这一极值的范围内时，由于端面倾斜的空化现象，空化区面积会因倾斜角度的增加而增大，而其流体密度比则会相应减少，进而降低了空化区液体黏性剪切应力，使其低于液体膜完整区域的流体黏性剪切应力，并降低了端面之间的流体黏性剪切摩擦力。在倾斜角度大于这一极值点的范围内时，空化区域面积与流体密度比会稳定在一个值内，而最小膜厚则会因倾斜角度的增大而减小，进而增加了最小膜厚附近区域的液体黏性剪切应力与端面之间的流体黏性剪切摩擦力。中心膜厚减小，极值点也会减小，密封压力、动环转速的增加，则基本不会影响极值点的大小。倾斜角度相同时，中心膜厚的减小与密封压力、动环转速的增加，会增加密封端面的摩擦力；增加密封压力，则会增加开启力与泄漏率，同时增加了端面摩擦力，并增加了密封端面之间的流体静压效应。工况相同的条件下，粗糙表面机械密封的端面摩擦力高于光滑表面，在倾斜角度大于极值点范围时，粗糙表面端面摩擦力的增加速度远高于光滑表面摩擦力增加速度。

从数学模型可以看出，倾斜角度与泄漏率之间有直接的关系，倾斜角度的增加，会使泄漏率出现加速增长趋势，而泄漏率与膜厚的立方呈正比，因此膜厚增加，泄漏率也会增加，从而提高了总泄漏率。倾斜角度相同时，密封压力与中心膜厚的增加，会提高泄漏率；动环转速的增加，则会因倾斜角度的范围值不同而呈不同的变化趋势，在倾斜角度值低于0.6时，泄漏率基本保持不变，当倾斜角度高于0.6时，泄漏率则会有一定的增加。在中心膜厚极小的情况下，倾斜角度就会出现一个临界点，当倾斜角度位于0到这一临界点的范围内时，粗糙表面机械密封端面泄漏率就会明显低于光滑表面泄漏率；如果倾斜角度在这一临界点到1的范围内时，粗糙表面机械密封端面泄漏率就会显著高于光滑表面泄漏率。这一临界点会因中心膜厚的增加而降低。

3 结语

工况相同的条件下，倾斜角度的增加，会使端面摩擦力与泄漏率增加，而摩擦力则会在减小之后又加速增加。倾斜角度相同时，密封压力、动环转速的增加或者中心膜厚的减少，能够有效增加密封端面摩擦力与泄漏率。粗糙表面会产生一定的流体动压效应，从而有效提升端面摩擦力。倾斜角度的增加，会使动压效应增强，从而增加了摩擦力。当中心膜厚为0.5μm时，倾斜角度位于0到0.35之间，粗糙表面获得的综合机械密封性能就会显著高于光滑表面。

[1]王松竹.浅析端面摩擦状态对机械密封性能的影响[J].科技信息，2013，（3）：300.

[2]王财生，周琼，李正美，等.机械密封端面倾斜对润滑性能的影响[J].华东理工大学学报（自然科学版），2013，39（6）：756-760.

[3]杨笑，彭旭东，孟祥铠，等.端面倾斜对粗糙表面机械密封性能的影响[J].上海交通大学学报，2017，51（6）：748-755.

[4]魏孔瑜，张维燕，吕雯静.泵用机械密封初始倾斜对性能的影响分析[J].甘肃科技，2012，28（4）：41-42.

[5]楼建铭，孟祥铠，李纪云，等.波度端面机械密封热流体动力润滑性能分析[J].润滑与密封，2016，（2）：47-52.

文建平（1962-），湖南衡阳人，大学本科，高级实验师，主要研究方向：模具设计及教学。