粗糙表面间密封性能研究进展_艾延廷.pdf

2023 年 2 月第 48 卷 第 2 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGFeb.2023Vol.48 No.2DOI:10.3969/j.issn.02540150.2023.02.024文献引用:艾延廷，刘俊男，田晶，等粗糙表面间密封性能研究进展 J 润滑与密封，2023，48(2):163171Cite as:AI Yanting，LIU Junnan，TIAN Jing，et alesearch progress in sealing performance of rough surfaceJ Lubrication Engineering，2023，48(2):163171*基金项目:国家自然科学基金项目(11702177);辽宁省自然科学基金项目(2020BS174);辽宁省教育厅项目(JYT2020019)收稿日期:20211028;修回日期:20211222作者简介:艾延廷(1963)，男，博士，教授，主要研究方向为航空发动机结构强度、噪声。Email:ytai 。粗糙表面间密封性能研究进展*艾延廷1刘俊男1田晶1刘玉1赵丹2解松霖1(1.沈阳航空航天大学，辽宁省航空推进系统先进测试技术重点实验室辽宁沈阳 110136;2.四川燃气涡轮研究院四川成都 610550)摘要:在微观尺度下的静密封界面表面形貌是粗糙不平的，两粗糙表面上的微凸体在载荷作用下会接触形成孔隙;随着接触压力的减小或观察尺度的增加，当孔隙增加到一定数量时孔隙之间会相互连通形成泄漏通道，影响密封性能。现有的粗糙表面密封分析基于均化思想、逾渗理论和多孔介质思想等方法建立泄漏通道模型，考虑表面粗糙度、表面纹理以及表面载荷等对密封性能的影响。对现有的粗糙表面间密封性能的研究现状进行综述，分析现有的粗糙表面密封研究方法存在的不足之处，指出粗糙表面间密封研究可能的方向，为进一步研究粗糙表面密封机制提供了参考。关键词:粗糙表面;逾渗理论;静密封;泄漏通道模型;密封性能中图分类号:TH136esearch Progress in Sealing Performance of ough SurfaceAI Yanting1LIU Junnan1TIAN Jing1LIU Yu1ZAHO Dan2XIE Songlin1(1.Liaoning Key Laboratory of Advanced Measurement and Test Technology for Aviation Propulsion System，Shenyang Aerospace University，Shenyang Liaoning 110136，China;2.AECC Sichuan Gas Turbineesearch Institute，Chengdu Sichuan 610550，China)Abstract:The surface morphology of the static seal interface is rough at the micro scale，and the asperities on the tworough surfaces will contact and form pores under the loadWith the decrease of contact pressure or the increase of observa-tion scale，when the number of pores increases to a certain amount，the pores will be interconnected to form a leakage chan-nel，affecting the sealing performanceThe existing leakage channel models of rough surface seal analysis are establishedbased on the idea of homogenization，percolation theory and porous media thought，which consider the influence of surfaceroughness，surface texture and load on the sealing performanceThe present research status of sealing performance betweenrough surfaces was reviewed，the shortcomings of existing research methods for rough surface sealing were analyzed，and thepossible research direction of sealing between rough surfaces was pointed out，which provided reference for further study ofsealing mechanism between rough surfacesKeywords:rough surface;percolation theory;static seal;leakage channel model;sealing performance密封技术对机械设备可靠运行、资源节约、环境保护等方面具有重要意义。随着科学技术的发展，密封技术和材料也在不断进步15，也出现了越来越多的密封结构和形式68。静密封是指两个静止面之间的密封9，是工程实际中最为常见的一种密封形式。静密封的结构复杂、形式多样，但密封性能良好，广泛应用于石油化工、船舶、航空航天等领域。静密封结构形式、密封机制方面的研究一直是学术界的热门问题。静密封一般是通过螺栓等零件对密封界面施加载荷，从而使两密封界面紧密接触，在宏观上紧密贴合不产生空隙，从而达到密封效果。但是，想要做到完美的密封是不可能的，不可能做到绝对意义上的“零泄漏”，一个重要的原因就是粗糙表面形貌的存在。任何加工手段都不可能加工出绝对光滑的表面，在微观尺度下，密封界面的表面形貌是粗糙不平的。粗糙表面的波峰波谷相互交错形成大小不一的孔隙，当改变接触压力时，孔隙之间会相互连接形成一条或若干条泄漏通道，从而对密封性能及效果产生影响。接触模型是密封性能研究的基础，本文作者首先介绍了 2 种常见的粗糙表面接触模型表征方法，分别是基于统计学特征的接触模型和基于分形理论的接触模型;然后介绍了考虑粗糙表面形貌特征的密封性能的三类分析方法，包括基于均化思想的密封性能研究方法，基于逾渗理论的密封性能研究方法，以及基于多孔介质的密封性能研究的方法;最后分析了上述方法的特点和存在的不足，阐明未来粗糙表面密封性能研究的发展方向，为提高静密封的密封性能，探索粗糙表面间密封机制及扩展其应用范围提供了参考。1粗糙表面接触模型的研究粗糙表面间的接触问题是密封性能研究的基础和重要组成部分。在微观尺度下的密封表面是粗糙不平的，2 个粗糙表面上的微凸体在载荷作用下会相互接触产生挤压变形。HETZ10 在 1882 年提出了无摩擦条件下弹性体接触的理论解析式，奠定了接触力学的理论基础。此后，许多学者在 Hertz 接触理论的基础上进行了大量的研究，将 Hertz 接触理论推广应用到更多形式的接触领域。目前主流的接触力学研究模型主要 基 于 以 下 2 种 接 触 模 型:GEENWOOD 和WILLIAMSON11 提出的基于统计学特征的 GW 接触模型，MAJUMDA 和 BHUSHAN12 提出的基于分形理论的 MB 分形接触模型。1.1基于统计学特征的接触模型基于统计学特征的 GW 模型，假设粗糙表面的微凸体具有相同的曲率半径，且微凸体高度符合高斯概率分布规律，微凸体发生的变形足够小且忽略相邻微凸体间的相互作用。基于 GW 模型的微凸体接触分析表明，两粗糙表面的实际接触面积与接触压力呈线性增加关系。此后，许多学者在 GW 模型的基础上进行了改进和修正，提出了许多新的基于统计学特征的接触力学模型，使其更加贴近实际情况。如 BUSH 等13、CIAVAELLA 等14 提出了考虑微凸体之间相互作用的接触模型;GEENWOOD 和 TIPP15 在后续的研究中提出了变曲率半径的接触模型;CHANG 等16 提出 了 考 虑 弹 塑 性 变 形 的 接 触 模 型;ZHAO 和CHANG17 提出了考虑弹性、弹塑性和塑性变形的接触模型。然而，由于 GW 模型对粗糙表面进行了过度的简化和假设，使其偏离实际情况;另外，由于统计学特征模型依赖于表面统计学表征参数，而表征参数检测设备受分辨率和取样长度等影响较大，因此统计性模型仅适用于载荷相对比较小的情况。1.2基于分形理论的接触模型基于分形理论的 MB 分形接触模型，采用与尺度无关的分形参数来表征表面粗糙度，建立两各向同性粗糙表面接触的模型。该模型假设当实际接触面积小于临界接触面积时的所有接触点都是塑性接触，因为较小的微凸体具有更小的曲率半径，更容易发生塑性变形。随着载荷的增加，塑性接触点变为弹性接触点。这与认为小的接触点为弹性变形，大的接触点为塑性变形的 GW 模型不同。研究表明，分形参数对弹性变形和塑性变形的载荷面积关系和实际接触面积有显著影响，对于塑性变形，载荷面积具有线性相关性。PESSON18 提出了一种新的接触理论，假设粗糙表面具有自仿射性，该模型既适用于静止状态，也适用于具有弹性或弹塑性接触的滑动状态，实现了全接触的理论分析。基于分形几何特征建立的分形接触模型具有多尺度性，克服了在测量条件有限的情况下表面粗糙度模型不能反映实际粗糙度全部形貌的缺陷。但分形接触模型假设表面微凸体先发生塑性变形，再发生弹塑性变形和弹性变形，依然存在过度简化的问题，并且分形接触模型仅适用于具有分形特征的接触面。2粗糙表面密封性能的研究目前没有任何加工方式能够加工出绝对光滑的表面，因此，两密封接触面完全契合而不形成任何空隙是无法实现的。因此在密封时，两密封面的这种不完全接触会形成可供介质通过的间隙。当间隙足够大以至于贯穿整个密封界面时会形成泄漏通道，密封介质从高压侧流向低压侧从而产生泄漏，影响密封性能。而对于考虑表面粗糙度的密封问题，最大的难点就是克服宏观结构与微观粗糙表面的跨尺度性。现有的粗糙表面间密封性能分析主要基于均化思想、逾渗理论以及多孔介质思想等方法建立泄漏模型，研究其密封机制，分析其密封性能。2.1基于均化思想的密封性能研究2.1.1基于平均流动方法1979 年，PATI 和 CHENG1921 提出采用平均流动模型描述流体在三维粗糙表面形成的间隙中的流461润滑与密封第 48 卷动，通过数值模拟得到压力和剪切流量因子以描述粗糙度的影响，并推导出粗糙表面间的平均雷诺方程。如图 1 所示，设局部膜厚 hT为hT=h+1+2(1)则接触点处的膜厚 hT=0。图 1粗糙表面间的膜厚示意19 Fig.1Schematic of film thickness between rough surfaces19 如图 2 所示，取一个面积为 xy，高度为 hT的矩形控制体，且 xy 包含足够多的粗糙峰，但与密封表面的面积相比很小，可以推导出平均雷诺方程的表达式为xxh312px()+yyh312py()=U1+U22 hTx+U1 U22sx+hTt(2)式中:p 为平均压力;hT为平均膜厚;为粗糙度;为流体的黏性系数;x和 y为压力流量因子，表示粗糙表面和光滑表面间的平均流量之比;s为剪切流量因子，表示滑动产生的额外流量。图 2平均流量控制体19 Fig.2Average flow control body19 通过计算得到粗糙表面的方向性特征对压力流量因子的影响，用 来表示粗糙表面特征长宽比。研究发现，在各向同性(=1