丁晨 金哲林 张尧 李嘉琪
江苏大学机械学院 江苏镇江 212013
摘要：现代工业中，存在着许多大功率、高转速流体机械，传统的接触式机械密封难以满足如此苛刻的条件，虽然通过合理的设计结构、选择良好的材料以及辅助设备可以改善密封性能，但彻底解决密封端面的摩擦磨损与密封性能的矛盾较为困难。通过对端面加工微织构可以有效的在保证密封性的同时减小磨损，延长机械密封的寿命。
关键词：表面织构、螺旋槽、机械密封、摩擦学
对于旋转式机械设备来说，机械密封是不可或缺的组成部分，其功能主要解决旋转轴与壳体间的泄露问题。机械密封的基本组成主要包括：端面密封副、辅助密封、补偿机构和传动机构，依靠成对的动静环在密封介质的压力和其他辅助元件共同作用下，两环接触端面相互贴合从而实现密封的目的。本机械密封密封性能的研究因其工作稳定、泄露少、使用寿命长等优点，将被广泛应用于石油、化工、电力、冶金等行业。如果这项技术理论成熟，并且具有相应的实验成果支持，可以大幅度提高工件使用寿命，减少磨损，带来一定的社会经济效益[1]。
1.机械密封的研究
1.1织构化机械密封的研究
上个世纪60年代，约翰克兰公司率先研制出螺旋槽气膜密封并进行了试验研究。1900年前后，螺旋槽上游泵送机械密封也逐渐发展起来，并在工业中开始运用。与干气密封不同的是，上游泵送机械密封是将低压侧泄漏的介质通过螺旋槽反送回高压侧，从而实现零泄漏或零逸出。1994年国内的张俊玲等提出一种适用于高速旋转的环形-螺旋槽端面密封结构，并认为该种结构在高速旋转过程中既可以产生流体动压又具有泵汲作用。宋鹏云探讨了螺旋槽密封的解析求解方法并分析一般工况和螺旋槽几何结构参数对密封性能的影响。WANG等在二维研究基础上利用FLUENT软件对螺旋槽型进行了三维模型的数值模拟，采用FVM求解一般的n-s方程，优化了端面结构的几何参数，并指出在干气密封中螺旋角、槽深、槽堰宽度比、槽坝宽度比会对密封性能产生显著影响。李贵勇等考虑了密封端面径向锥度的影响，分析不同黏度下膜厚、 端面径向锥度对密封特性参数的影响规律，得出径向锥度越大, 径向压力峰值、开启力和摩擦因数越小。Yuan Chen等对气膜动态特性进行了理论研究和实验研究，得出了槽径处压力高于内径、外径压力。张鹏高等将内、外螺旋槽型在不同液膜厚度和不同转速条件下的液膜特性作比较，结果显示液膜厚度和转速的增大都将会加大泄漏量，在相同条件下外螺旋槽表现出的密封性能更优。Q Wang等提出一种周向发散具有不同深度螺旋槽的上游泵送机械密封，可以产生更大的开口力，提高泵送性能和流体膜刚度。在实际工况中密封端面往往会出现各种微扰动，周建峰团队建立了非稳态条件下微螺旋槽端面密封的数学模型，通过对时变雷诺方程进行数值求解，理论分析得出液膜厚度对泄漏量和承载力的变化有很大的影响，且液膜承载力和泄漏率的变化频率和幅度主要受轴向扰动的频率和幅度的影响。总的来说，干气密封和上游泵送机械密封都是利用密封环的相对旋转将密封介质泵入槽内，在沟槽根部产生开口力，以减少密封面的磨损，延长密封面的使用寿命。但是由于所产生的开口力，密封环的间隙增大，从而导致泄漏率的增加。
1.2复合织构的应用研究
表面织构化技术的快速发展为研究表面织构润滑摩擦的理论和实验研究创造了有利的基础条件。改变了长期聚焦于研究单一织构形貌及优化其几何参数来改善动压润滑效应的局限，近年来国内外学者们对复合织构进行了一系列的研究和尝试[2]。
为了使密封端面在工作过程中既具备泵送作用，又可以产生足够的流体动压来实现非接触密封，学者们将目光转向了双螺旋槽、人字形槽、Y字形槽等复杂织构的机械密封。1992年王玉明等利用光刻法在密封端面制作八字型螺旋槽，通过5年多的优化设计终于使密封在线速度、泄漏率和磨损率方面取得突破性进展。近年来，阮鸿雁等采用CFD数值分析的方法，研究了多圆弧与三角形复合织构表面上的压力分布情况，以及产生举升力的情况。Suh等在单一形状织构基础上提出交叉沟槽织构模型,在销盘摩擦测试装置上对不同角度和宽度下的交叉沟槽测试，发现交叉沟槽的交叉角度和深宽比对减小摩擦系数方面发挥着极大的作用，且交叉角在40度附近时摩擦系数最小。Chae同样通过实验验证了微十字槽的表面形貌因角度不同而表现出不同的摩擦性能。Segu等将未织构表面与具有不同参数的圆形凹坑和椭圆凹坑表面进行磨损试验并对比，并得出复合织构展现的润滑性能明显优于未织构表面，且该试验环境下最佳面积占有率为12%。尹必峰等对缸套表面进行槽腔复合织构和交叉沟槽织构的设计，通过实验得出相对于单一织构，复合织构可以提高油膜厚度，其中交叉沟槽的润滑性能最优。Wang等通过实验比较了3种形式的SIC表面微凹坑织构对流体动压承载力的影响，结果表明复合形式能使大小凹坑所产生的流体动压效应相互耦合。李茂元通过在机械密封端面建立复合凹坑织构理论模型，考察不同形状和复合形式的微凹坑对动压性能的影响，发现大凹坑与小凹坑之间的动压效应有相互“提升”的作用，进一步完善了复合微凹坑的理论研究[3]。
而复合织构在机械密封中的研究与应用是少之又少，本课题组于2008年首次提出了一种在密封环端面具有微观凹腔和宏观泵送槽的新型机械密封，并介绍了一种激光微造型加工新方法。随后对表面跨尺度织构与未织构密封端面进行摩擦性能对比实验，发现无论是在低压低速，还是在高压高速的工况下，激光表面跨尺度织构均可以显著改善机械密封的润滑与摩擦性能。
2.技术路线及可行性分析
2.1理论分析
在前人研究基础上，提出一种具有宏观螺旋槽的跨尺度复合织构端面密封。依据机械密封的实际工况，基于合理的假设和JFO空化边界条件，采用Reynolds方程作为控制方程，推导出密封端面间液膜厚度的膜厚方程，从而建立跨尺度复合织构化端面机械密封数学模型。
2.2数学建模
建立宏观螺旋槽组成的跨尺度复合织构端面密封数学模型，推出相应的润滑油膜承载力方程，膜厚方程，利用多重网格法完成上述模型的数值求解，着重研究复合织构几何参数、分布位置对密封性能的影响规律。
2.3数值分析
根据已建立的螺旋槽跨尺度复合织构数学模型，确定其强制性边界、周期性边界和初始条件，对比多种数值求解方法选用适当的方法离散偏微分方程，并通过MATLAB编程完成上述模型方程的数值求解，研究复合织构的几何参数、分布位置、形貌特征对机械密封性能的影响规律。
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2.3 可行性分析
采用激光织构技术在密封端面面上加工出宏观螺旋槽织构，用三维形貌仪测量纪录激光加工后的几何形貌参数。实际工况条件，在密封试验台上进行试验，研究该复合织构产生的耦合影响，确定最佳的织构尺寸参数、形貌特征和最优的分布位置使泄漏量最小，密封性能最优。
3.实际应用价值及现实意义
目前国内外对针对孔径为微米级凹孔端面密封在孔型结构、排布方式、端面孔形、几何参数等方面开展了系统研究，并取得了丰硕的成果。尽管微凹坑密封具有良好的动压密封性能，但是在高压或低速启停阶段时，其难以形成明显的动压开启力，端面难以顺利分离且易发生磨损。而且密封端面织构的研究主要局限于在密封表面织构单一形貌，对跨尺度复合织构缺少系统性、理论性的研究。因此本课题中将提出在密封端面加工毫米级螺旋槽的跨尺度复合织构，使得摩擦副间形成动压效应和泵送机制，进一步完善跨尺度复合织构机械密封减摩润滑及密封性能的理论和实验研究。鉴于激光加工的特殊性使盲孔的底部呈现圆弧状，对磨粒的吸附等有一定的促进作用[4]。
如果这项技术理论成熟，并且具有相应的实验成果支持，当尝试应用到石油、化工、电力、冶金等方面时，可以大幅度提高工件使用寿命，减少磨损。
4.结论
根据已建立的螺旋槽跨尺度复合织构数学模型，确定其强制性边界、周期性边界和初始条件，对比多种数值求解方法选用适当的方法离散偏微分方程。提出一种新型零泄漏螺旋槽机械密封，该密封可以改善密封端面之间的摩擦性能，实现零泄漏，提升密封性能，降低端面温升，延长使用寿命。
参考文献
[1]孙见君，魏龙，顾伯勤.机械密封的发展历程与研究动向[A]. 润滑与密封，2004，4
[2]厉建全，朱华.表面织构及其对摩擦学孙玉霞，李双喜，李继和等.机械密封技术.北京：化学工业出版社，2014.6
[3]符永宏，汤伯虎，纪敬虎等. 微凹坑织构表面摩擦学性能的实验研究[A].润滑与密封，2013,38（5）
[4]纪敬虎，符永宏，王祖权等.激光表面跨尺度织构化机械密封摩擦性能.排灌机械工程学报，2012