表面织构底部构形对液体润滑机械密封性能的影响_史俊.pdf

文章编号：1671-7872(2023)02-0144-07表面织构底部构形对液体润滑机械密封性能的影响史俊1a,1b,2，陈小亚1a,1b,2，李蒙1a,1b，王涛1a,1b，时礼平1a,1b,2(1.安徽工业大学 a.机械工程学院，b.先进金属材料绿色制备与表面技术教育部重点实验室，安徽 马鞍山243032；2.安徽工业大学 芜湖技术创新研究院,安徽 芜湖 241002)摘要：表面织构负压区“空化”行为严重影响织构化密封端面整体密封性能。采用激光加工技术在碳化硅密封环端面制备出平底、左倾斜、右倾斜等 3 种底部形状的正方形凹坑织构，通过自主搭建的高速密封试验机开展试验，研究不同转速和轴向载荷条件下底部构形对端面摩擦系数、泄漏量及温度等密封性能参数的影响；利用 Fluent17.0 软件模拟分析 3 种底部构形截面的压力和流线分布。结果表明：随转速及轴向载荷的增大，底部左倾斜织构能显著减小端面摩擦系数和抑制泄漏，降低密封端面热量，有效改善机械密封性能；轴向载荷为 110140 N，转速在 7 000 r/min 时，底面左倾斜织构可获得最佳的综合密封性能；底部左倾斜织构入口处的负压区面积显著减小，流体介质的“空化”行为得到有效抑制，织构区域内流线复杂而紊乱，回流更强烈，流体微动压效应更明显。关键词：织构底部构形；机械密封；流体动压；密封性能中图分类号：TH 117.2文献标志码：Adoi：10.12415/j.issn.16717872.22314Effect of Bottom Configuration of Surface Texture on Performance ofLiquid Lubricated Mechanical SealsSHI Jun1a,1b,2,CHEN Xiaoya1a,1b,2,LI Meng1a,1b,WANG Tao1a,1b,SHI Liping1a,1b,2(1.a.School of Mechanical Engineering,b.Key Laboratory of Green Preparation and Surface Technology ofAdvanced Metal Materials,Ministry of Education,Anhui University of Technology,Maanshan 243032,China;2.Wuhu Institute of Technology Innovation,Anhui University of Technology,Wuhu 241002,China)Abstract：The“cavitation”behavior in the negative pressure area of the surface texture seriously affects theoverall sealing performance of the textured seal face.Three square pit textures with flat bottom,left tilt and right tilt,were prepared on the end face of silicon carbide sealing ring by laser processing technology.The effects of thebottom configurations on sealing performance parameters such as end friction coefficient,leakage and temperatureand other under different rotational speeds and axial loads were studied by using the self-developed high-speedsealing test machine.Fluent 17.0 software was used to simulate and analyze the pressure and streamline distributionof three bottom configuration sections.The results show that with the increase of rotational speed and axial load,thebottom left oblique texture can significantly reduce the friction coefficient of the end face and suppress leakage,andreduce the heat of the seal end face,and effectively improve the mechanical seal performance.When the axial load is 收稿日期：2022-12-12基金项目：国家自然科学基金项目(52205178)；安徽省自然科学基金项目(2108085ME174,2108085QE228)；先进金属材料绿色制备与表面技术教育部重点实验室开放基金项目(GFST2021KF05)作者简介：史俊(1995)，男，安徽合肥人，硕士生，主要研究方向为摩擦学与表面工程。通信作者：时礼平(1983)，男，安徽安庆人，博士，副教授，主要研究方向为摩擦学与表面工程。引文格式：史俊，陈小亚，李蒙，等.表面织构底部构形对液体润滑机械密封性能的影响 J.安徽工业大学学报(自然科学版)，2023，40(2):144-150.Vol.40 No.2安 徽 工 业 大 学 学 报 (自然科学版)第 40 卷 第 2 期April2023J.of Anhui University of Technology(Natural Science)2023 年4 月110140 N and the rotating speed is 7 000 r/min,the left inclined texture of the bottom surface can obtain the bestcomprehensive sealing performance.The area of negative pressure zone at the entrance of the left-leaning obliquetexture at the bottom is significantly reduced,the“cavitation”behavior of the fluid medium is effectivelysuppressed,the streamline in the texture area is complex and disordered,the reflux is stronger,and the fluid micro-pressure effect is more obvious.Keywords：configuration of texture bottom;mechanical seal;hydrodynamic pressure;sealing performance 机械密封(又称端面密封)作为旋转设备必不可少的一种轴封装置，主要由动环、静环及弹性元件组成，是一种利用弹性元件或介质压力的作用，使周向对置的密封动、静环在流体润滑条件下始终保持紧密贴合且相对滑动的轴封装置，以防止密封流体的端面泄漏13。机械密封在航空航天、石油化工及汽车等工业领域中被广泛应用，但面对高转速、高负荷、高温度等运行工况，传统接触式密封端面已难以满足设计要求。针对接触式密封端面的高摩擦、高磨损、大泄漏等问题，相关学者提出了非接触式机械密封理念46。非接触式机械密封是基于流体介质的动、静压效应在接触式密封界面形成一层润滑膜，以隔绝动、静环两端面接触，实现低摩擦、小磨损、高可靠性的密封技术78。目前表面织构化设计，即在摩擦副表面加工一定尺寸和排布规则的微结构是实现端面非接触式密封的重要途径。在减摩润滑特性方面，王国荣等9对比种沟槽形织构的减摩效果，结果表明沟槽底部越平整，减摩效果越好；Xu 等10对比不同润滑条件下椭圆织构的减摩润滑效果，结果表明在完全润滑条件下，摩擦系数降低近 60%，同时椭圆织构的长短轴之比过高会增加接触应力和破坏润滑膜。在泄漏特性方面，Chen 等11利用激光加工技术，在碳化硅环密封端面加工螺旋槽和圆凹坑多尺度复合织构阵列，泄漏率大幅度降低。彭旭东等12研究织构形貌(矩形面、椭圆面、球缺面及抛物面)对机械密封性能的影响，结果表明：不同型面微孔均存在最优的面密度，约 0.2，且与型面形式无关；摩擦扭矩与面密度成线性反比关系，其中矩形面微孔织构在深径比为 0.01、面密度为 0.2 时可获得最大的开启力和摩擦扭矩。表面织构的引入可极大改善机械密封端面的摩擦与密封特性，但受微细加工技术限制，现有研究对表面织构构形的探索停留于“平底”状设计，整体呈对称性结构。聚焦于单个织构单元，根据流体动压润滑理论，其微动压形成于织构的流体出口边缘，在织构的流体入口处却存在负压效应，引起“空化”行为1315。润滑油析出的空气能够一定程度上平衡负压效应(大量理论模型对此作归零化处理)，但织构入口处的负压区域始终削弱整体的动压特性，致使界面油膜刚度降低，承载力减小；“空化”行为也会引起密封设备的振动和噪音，造成泄漏率增大和表面腐蚀，降低设备密封性能16。如何从织构形几何学出发，利用织构形状设计来消除流体入口处的负压效应是一个值得深究的问题。Nanbu 等17通过数值模拟和试验验证发现，织构底部“非平底”如楔形或台阶形设计均能有效提高润滑膜厚度，增强弹流润滑效果。鉴于此，在碳化硅环上制备 3 种底部构形的正方形凹坑织构(平底、底部左倾斜和底部右倾斜)，探索不同工况下底部构形对机械密封润滑和泄漏性能的影响，利用 Fluent17.0 软件模拟分析 3 种底部构形截面的压力和流线分布，以期获得不同底部构形的表面织构设计原则。1数值模拟和试验过程 1.1数值模拟 1.1.1几何建模相对于宏观密封端面，单个微孔织构尺寸很小，故将壁面简化为平面，旋转运动简化为上壁面的直线运动。建立的 3 种底部构形的织构截面几何模型如图 1，流体域沿 X 轴方向的长度 L 为 3 000 m；油膜厚度 h0为 2 m；织构的深度 hp为 85 m；织构的宽度 W 为 1 800 m；v 为上壁面相对于下壁面的运动速度。1.1.2边界条件及相关参数说明利用 Gambit 前处理软件对 3 种底部构形的几何模型进行网格划分，采用 Fluent17.0 软件对 3 种底部构形截面的压力和流线分布进行仿真。将上下壁面设置成无滑移边界条件，上壁面运动、下壁面固定；将左、右壁面设置成周期性边界条件。采用的流体材料为 46#机械油；选择混合计算模型(Mixture)，空化模型为第 2 期史俊，等：表面织构底部构形对液体润滑机械密封性能的影响145 SchnerrSauer 模型；采用 SIMPLEC 算法并用有限体积法进行离散计算，迭代精度设为 1106。1.2试验过程 1.2.1试样制备将石墨静环固定在静环夹具上，静环与静环夹具之间添加橡胶垫以保证其密封性；将碳化硅动环装置夹在动环夹具上，设置紧定螺钉将其固定，且随电主轴高速旋转。旋转过程中，动静环端面会产生摩擦力，摩擦力会带动静环装置产生随动环旋转的趋势(因整个静环装置安装在直线轴承上)，在静环夹具外壁面设置一个力臂，并与扭矩传感器连接，用以测量动环与静环之间的扭矩。将贴片式热电偶安装在静环夹具上，测量摩擦副在运转时的温度。采用螺旋装置调节弹簧加载，采用螺旋机构调节弹簧加载，通过固定在螺