德永雄一郎，井上秀行，岡田健，上村訓右，山本雄二，崔惠明，李 丹

(1.日本伊格爾工業(yè)株式會社，日本東京；2.日本九州大學，日本福岡；3.伊格爾博格曼中國，上海 200245；4.伊格爾機械密封(無錫)有限公司，江蘇無錫 214000)

改善汽車發(fā)動機水封潤滑性能的研究

德永雄一郎1，井上秀行1，岡田健1，上村訓右1，山本雄二2，崔惠明3，李 丹4

(1.日本伊格爾工業(yè)株式會社，日本東京；2.日本九州大學，日本福岡；3.伊格爾博格曼中國，上海 200245；4.伊格爾機械密封(無錫)有限公司，江蘇無錫 214000)

從解決汽車發(fā)動機水封異響入手，分析了異響產(chǎn)生的原因，并通過密封理論和試驗驗證利用激光加工表面技術(shù)改善汽車發(fā)動機水封的潤滑性能。

水封；激光表面加工；潤滑性能

1 前言

汽車發(fā)動機冷卻水泵用水封是一種結(jié)構(gòu)緊湊型機械密封，由于使用在振動、高溫的工況，當發(fā)動機以不同的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時水封會產(chǎn)生響聲，發(fā)出的頻率、波長和衰減系數(shù)不同，如果發(fā)動機冷卻水泵水封在運轉(zhuǎn)過程中，伴隨有其它聲響，如發(fā)出間歇或連續(xù)的摩擦聲等，即表明發(fā)動機冷卻水泵水封運轉(zhuǎn)不正常，所伴隨的聲響為發(fā)動機冷卻水泵水封異響。發(fā)動機冷卻水泵水封異響往往是發(fā)動機水泵以及發(fā)動機相關(guān)某些機件故障的表現(xiàn)，若不及時排除，將會造成機件的加速磨損,甚至發(fā)生故障性的損壞[1～6]。因此必須及時判斷，并采取必要的維修措施加以排除。

汽車發(fā)動機冷卻水泵運轉(zhuǎn)所發(fā)出的響聲，通常主要來自水封、軸承或皮帶輪等[7～13]。在發(fā)動機運轉(zhuǎn)時可用長柄改錐或聽診器觸及可能發(fā)生響聲的附件上來判斷，真實原因還需要通過對故障水泵實施異響再現(xiàn)分析才能做出判斷。發(fā)動機水泵在怠速、高溫時發(fā)出的異響通常被判斷為水封異響，其異響種類也十分復雜。若要準確地將水封的各種異響診斷出來，必須掌握水封各種異響的規(guī)律和正確的分析方法。目前行業(yè)內(nèi)共識的汽車發(fā)動機冷卻水泵水封異響的原因主要有：

(1)潤滑不良。 潤滑是水封正常工作的重要條件，通過良好的潤滑可實現(xiàn)冷卻與清洗密封端面，當配合間隙、溫度、負荷和速度一定時，水封端面流體薄膜的厚度受密封端面比壓和冷卻液品質(zhì)影響，品質(zhì)好的冷卻液和適宜的密封端面比壓就能產(chǎn)生較好的流體薄膜，流體薄膜厚度越厚，承受機械沖擊緩沖能力越大，不易發(fā)生異響。如果潤滑液膜過薄，導致密封端面摩擦扭矩加劇，就會發(fā)生明顯而清晰的異響。

(2)旋轉(zhuǎn)零件剛性弱。伴隨汽車行業(yè)發(fā)動機降低燃料消耗的技術(shù)發(fā)展趨勢，除了廣泛使用渦輪增壓發(fā)動機結(jié)構(gòu)、混合能源和怠速停車等技術(shù)外，直接降低發(fā)動機內(nèi)各個零部件的重量被發(fā)動機廠商廣泛應(yīng)用。由于汽車發(fā)動機冷卻水泵采用更多的較輕質(zhì)量零部件，水泵內(nèi)旋轉(zhuǎn)零件的剛性明顯下降，而最為明顯的剛性下降體現(xiàn)在水封動環(huán)組件和軸承上。同時水泵采用質(zhì)量更輕的皮帶輪和水泵葉輪，也會帶來水泵運轉(zhuǎn)時慣性扭矩降低容易發(fā)生振動，從而使密封端面在黏滑運動中形成聲學揚聲器效果，直接導致異響的發(fā)生。

(3)低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。發(fā)動機低轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)過程中易產(chǎn)生振動，導致更大摩擦扭矩，從而影響水封的潤滑特性，容易產(chǎn)生異響。

(4)水封動靜環(huán)組對材料自潤滑性不好，摩擦系數(shù)大、導熱系數(shù)小、許用[PV]值低。

(5)水封結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，密封端面比壓過大、密封端面易變形、實際接觸面積小。

(6)汽車發(fā)動機使用的常效冷卻液質(zhì)量不好，冷卻液中有結(jié)晶物析出，傳熱性能不好，使冷卻液溫度升高或粘度過低，都會導致摩損加劇而產(chǎn)生異響。

綜上分析水封發(fā)生異響最主要的原因還是密封端面潤滑不良所致，水封最重要的問題是在長時間條件下如何保持良好的潤滑性能。為了解決這個問題，通過在密封表面形成適當?shù)牧黧w動壓潤滑薄膜,來避免表面損傷、磨損或者咬黏。這意味著需要優(yōu)化滑動面之間密封性能和潤滑性能。Ishiwata和Hirabayashi已經(jīng)試驗證明了依據(jù)Stribeck曲線圖，在密封/泄漏判別線ψc下面的區(qū)域時會導致泄漏[1]。常規(guī)的水封表面設(shè)計概念基于以下觀點：為了優(yōu)化密封性能和潤滑性能，水封滑動表面應(yīng)該在判別線ψc上面區(qū)域用密封流體充分地潤滑。常規(guī)的水封表面設(shè)計概念明確表明在低于判別線ψc的區(qū)域摩擦系數(shù)不能降低。

在這種情況下，很多研究者廣泛地進行了各種有效的密封表面加工研究[2]，例如微凹槽、微孔等。結(jié)果顯示一些表面結(jié)構(gòu)在提高滑動表面如動壓潤滑、降低摩擦系數(shù)、延長壽命、減少磨損等各種摩擦學性能上有改善作用。在這些研究中，為了密封性能和潤滑性能的最佳化，在不考慮判別線ψc時，本文介紹一種新型水封端面結(jié)構(gòu)，并且嘗試用一個周向溝槽分開密封和潤滑結(jié)構(gòu)，這樣兩者的功能不會互相干涉。然后，通過試驗和數(shù)值計算去檢驗這個結(jié)構(gòu)的性能。

2 理論背景

2.1 潤滑機理

在潤滑機理中，為了最終減小摩擦系數(shù)，水封應(yīng)該在流體動壓潤滑狀態(tài)下運行。利用流體動壓止推軸承的相同的潤滑理論。采用的是一種激光加工密封端面的最簡單結(jié)構(gòu)，用覆蓋式瑞利臺階產(chǎn)生潤滑作用。普通的瑞利臺階端面壓力分布如圖1(a)所示。

(a) 瑞利臺階

(b) 反向瑞利臺階

2.2 密封機理

2.2.1 密封泄漏的基本公式

密封泄漏率通過密封間隙中徑向流體流動速率描述。當假定忽略不計微弱的離心力和密封表面的不平度影響，滑動表面在間隙厚度為h時每單位寬度的泄漏率q為：

(1)

式中η——粘性系數(shù)p——壓力ri——密封表面內(nèi)徑

式(1)的右面是壓力泄漏項。q為正值表示密封表面的流體離心流動,負值表示密封表面的流體向心流動，這種流向是泄漏方向。當假定η為常數(shù)，則泄漏率q與間隙厚度h的三次方和徑向壓力梯度?p/?r成比例關(guān)系。

2.2.2 常規(guī)水封的簡化公式

對于一般類型的水封來說，壓力梯度最簡單的表達式為：

(2)

式中P1——低壓側(cè)壓力P2——高壓側(cè)壓力B——密封面寬度

因此，對于常規(guī)最簡單的水封來說，式(1)還可表示為：

(3)

設(shè)計常規(guī)水封時，為了阻止密封泄漏，應(yīng)該盡量減少膜厚h和增大密封面的寬度B。因為式(3)中的h和η均為正值，且P2大于P1，所以在泄漏方向，泄漏率q總是負值。因此，在常規(guī)水封中，泄漏無法被完全阻止。

事實上，問題幾乎不會按照上述方法進行簡化，Mayer指出：基于流體力學原理的式(3)不能直接被應(yīng)用于密封泄漏的實際問題[3]。然而，無論何種情況下，密封壓力梯度變化曲線的基本原理來源于系統(tǒng)壓差(P2-P1)。因此，式(3)仍然能夠應(yīng)用于關(guān)于密封泄漏基本問題的討論中。

2.2.3 新型表面結(jié)構(gòu)的概念

對于式(1)， 如果通過控制壓力梯度?p/?r為零或者負值來降低泄漏率，而不是減少膜厚h，某些類型的表面結(jié)構(gòu)通過利用動壓產(chǎn)生的作用來控制滑動表面上的壓力分布，理論上可以達到零泄漏。

本文提出一種新型的水封表面結(jié)構(gòu)，如圖2(a)所示。在這種情況下，高壓側(cè)位于密封面外側(cè)，低壓側(cè)位于密封面內(nèi)側(cè)。潤滑作用的正壓區(qū)域位于密封面外側(cè)，密封作用的負壓區(qū)域位于密封面內(nèi)側(cè)。盡管潤滑作用所形成的流體膜較厚，但是只要密封表面能夠維持負壓區(qū)域，這種結(jié)構(gòu)就可以維持較低的泄漏率。新密封表面橫截面的壓力分布如圖2(b)所示。

(a) 新型水封端表面結(jié)構(gòu)

(b) 密封端面橫截面壓力分布

圖2 新型水封表面結(jié)構(gòu)及其橫截面壓力分布

線A表示常規(guī)水封的典型壓力分布。圖形清楚地顯示，在這種情況下，壓力梯度能夠用式(2)來定義。

線B表示動壓密封的典型壓力分布。因為該密封表面結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生正的動壓力，這種情況下的數(shù)值可能比線A的值更大，它可能會導致更大的泄漏。

線C表示本文中提出的新型表面結(jié)構(gòu)的典型壓力分布。一方面，密封表面外側(cè)產(chǎn)生正的動壓力，用來承受外加載荷；另一方面，密封表面內(nèi)側(cè)生成負的動壓力，使壓力梯度?p/?r為負值。理論上壓力梯度?p/?r為負值能夠阻止密封泄漏并產(chǎn)生泵送效應(yīng)。

本文中，采用一種反向覆蓋式瑞利臺階以便生成負的動壓分布。反向瑞利臺階端面壓力分布如圖1(b)所示。

此外，在負的動壓區(qū)域應(yīng)該考慮空穴的影響。眾所周知，空穴出現(xiàn)在滑動表面的負壓區(qū)域已被廣泛認知[4,5]。文中假定空穴區(qū)域的壓力Pc為常數(shù)。一般情況下，空穴壓力Pc比大氣壓更小。因此，如果能將滑動表面低壓側(cè)的流體壓力控制為零或負值，密封泄漏能夠完全被阻止，甚至泵送效應(yīng)也能實現(xiàn)。

2.2.4 采用激光加工的水封表面結(jié)構(gòu)

基于上述理論背景，提出圖3所示的表面結(jié)構(gòu)。高壓側(cè)(即外側(cè)，流體動壓潤滑作用結(jié)構(gòu)的滑動表面)布置8個瑞利臺階，低壓側(cè)(即內(nèi)側(cè)，密封結(jié)構(gòu)的滑動表面)布置一個反向瑞利臺階。此外，布置一個通過徑向槽與高壓區(qū)域聯(lián)通的周向槽來分離潤滑和密封結(jié)構(gòu)的作用，采用激光技術(shù)加工該水封表面結(jié)構(gòu)。

圖3 利用理論分析優(yōu)化設(shè)計的表面結(jié)構(gòu)

表面結(jié)構(gòu)的具體參數(shù)如表1所示。

表1 密封表面的具體參數(shù)

3 數(shù)值分析

水封端面間的壓力分布通過有限元理論求解，以雷諾方程來計算。

(4)

式中ω——角速度

數(shù)值分析的條件如表2所示。試驗條件見表3。

表2 數(shù)值計算條件

注：其它條件與試驗條件相同。

表3 試驗條件

對于水封，根據(jù)質(zhì)量守恒來選擇空穴邊界條件非常重要[6～10]，且Swift-Stieber條件被用作空穴區(qū)域上游邊界條件：

(5)

Jakobsson-Floberg條件被用作空穴區(qū)域下游邊界條件[6]：

(6)

式中h*——開槽區(qū)域的初始流體膜厚 Δr——徑向?qū)挾仍隽?Δθ——周向?qū)挾仍隽?/p>

在試驗條件下，在流體膜區(qū)域和空穴區(qū)域計算中維持了質(zhì)量守恒。

壓力分布可以通過以下步驟求解[6]：(1)假設(shè)空穴區(qū)域。(2)通過求解方程(4)來確定壓力分布。(3)檢查空穴邊界條件式(5)(6)。(4)重復1到3的步驟，直到同時滿足空穴邊界條件式(5)和式(6)。

4 試驗裝置和程序

試驗的目的是研究表面結(jié)構(gòu)對水封的影響。試驗裝置如圖4所示。水封位于垂直方向，放置一塊玻璃平晶在密封環(huán)表面作為一個相對應(yīng)的轉(zhuǎn)動表面。通過CCD照相機觀察密封環(huán)表面。水封在外殼內(nèi)固定，摩擦系數(shù)由懸臂梁和測力傳感器測量。流體膜厚度通過激光誘導熒光法測量[11]。

圖4 試驗裝置示意

試驗條件見表3，采用2種表面作為試驗表面。一種是沒有激光加工的平面，另一種是圖4所示的激光加工表面。激光加工槽的邊緣的毛刺通過提前拋光完全去除。用28 N的力將光學平晶壓在密封環(huán)上。在滑動表面?zhèn)鹊墓鈱W平晶的轉(zhuǎn)動速度從1500 r/min(1.8 m/s)以100 r/min的降速(0.12 m/s)降到0。蒸餾水作為被密封流體充滿整個腔體。在室溫下，沒有控制流體溫度。流體壓力在0.15 MPaG下觀察泄漏量，在0 MPaG下測量摩擦系數(shù)和膜厚。

在試驗條件下，測量出水封流體膜厚和摩擦系數(shù)，直接觀察密封的空穴區(qū)域和泄漏量及有無異響來驗證表面結(jié)構(gòu)對水封的影響。

5 結(jié)果和討論

5.1 摩擦系數(shù)

圖5表示了摩擦系數(shù)的試驗測量和數(shù)值計算結(jié)果。工況參數(shù)G=ηU/(W/B)，W是施加的力。試驗中的平面，不考慮轉(zhuǎn)速，摩擦系數(shù)在0.1～1.0之間波動。

圖5 摩擦系數(shù)的試驗測量和數(shù)值計算結(jié)果

激光加工表面密封在1500 r/min到300 r/min(1.8 m/s到0.36 m/s)的全流體充分潤滑下運轉(zhuǎn)、條件更改到300 r/min到250 r/min(0.36 m/s到0.3 m/s)的混合潤滑下運轉(zhuǎn)、最后更改到邊界潤滑的條件為低于250 r/min(0.3 m/s)轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)。與相應(yīng)試驗結(jié)果比較，激光加工表面摩擦系數(shù)數(shù)值計算結(jié)果小。這個差異可能是由于激光加工準確度產(chǎn)生的誤差引起的。

5.2 膜厚

圖6表示了膜厚的試驗測量和數(shù)值計算結(jié)果，在表面為平面情況，試驗結(jié)果在轉(zhuǎn)速為1500 r/min(1.8 m/s)最大膜厚不超過0.04 μm。當轉(zhuǎn)速由1500 r/min(1.8 m/s)降到800 r/min(0.96 m/s)，滑動表面相互粘貼而停止轉(zhuǎn)動，沒有泄漏。試驗中的激光加工表面，試驗結(jié)果的膜厚在轉(zhuǎn)速為1500 r/min(1.8 m/s)為1.1 μm。激光加工表面摩擦系數(shù)數(shù)值計算(膜厚為1.35 μm)結(jié)果與相應(yīng)試驗結(jié)果有相同的趨勢，沒有異響產(chǎn)生。

圖6 膜厚的試驗測量和數(shù)值計算結(jié)果

平面結(jié)構(gòu)試驗結(jié)果充分說明滑動表面間的流體膜厚太小而不能形成足夠的動壓，由于平面結(jié)構(gòu)沒有產(chǎn)生動壓，表明平面潤滑狀態(tài)實際上是干接觸。一個表面粘貼在另一個表面的情況有時發(fā)生在鏡面拋光的滑動配合面上，這個與精密量塊的粘貼現(xiàn)象一樣。

對于激光加工表面，在轉(zhuǎn)速超過300 r/min時開始形成厚膜。從圖5可知，在轉(zhuǎn)速超過300 r/min時可以獲得達到全流體動力潤滑的條件。從混合潤滑到全流體動力潤滑的過渡膜厚是0.1μm，這個厚度取決于表面粗糙度。平面結(jié)構(gòu)試驗表面因鏡面粘貼而停止轉(zhuǎn)動，實際應(yīng)用的水封表面比試驗件粗糙，常見的水封粘貼停止轉(zhuǎn)動速度可能會更高。常用水封通常在亞微米級膜厚范圍內(nèi)運行，因此，對于實際應(yīng)用水封，1.1 μm膜厚足夠來維持全流體動力潤滑。

5.3 空穴區(qū)域

圖7(a)所示為激光加工表面壓力分布和空穴區(qū)域的數(shù)值計算結(jié)果?？梢园l(fā)現(xiàn)在內(nèi)側(cè)密封表面形成了環(huán)向空穴區(qū)域。圖7(b)所示為在圖7(a)指定的區(qū)域的空穴區(qū)域直接觀察結(jié)果。密封表面內(nèi)側(cè)的空穴區(qū)域的下游邊界向轉(zhuǎn)動方向延伸到反向瑞利臺階。觀察到的空穴區(qū)域與圖7(a)所示計算的結(jié)果一致。

(a)壓力分布計算結(jié)果 (b)指定區(qū)域觀察結(jié)果

圖7 激光加工表面在0.15 mPaG,1000 r/min(1.2 m/s)時空穴區(qū)域壓力分布數(shù)值計算結(jié)果

及指定的空穴區(qū)域直接觀察結(jié)果

由于試驗和計算結(jié)果的趨勢相同，說明用于計算的空穴邊界條件是合適的，可以用于預測水封的空穴區(qū)域。此外， 證明了反向瑞利臺階具有在負壓區(qū)產(chǎn)生空穴區(qū)域的作用。

5.4 泄漏量和泵送效應(yīng)

圖8所示為沿著密封表面內(nèi)側(cè)周向泄漏率的數(shù)值計算結(jié)果。

圖8 沿著密封表面內(nèi)側(cè)周向泄漏率的數(shù)值計算結(jié)果

結(jié)果顯示徑向槽周圍的沿著密封表面周向泄漏率是正值(密封/泵送方向)。泄漏率Q可以通過流體流動速率沿著密封面的內(nèi)側(cè)邊緣從0到2π積分來計算：

(7)

其中，Q正值時表示密封不泄漏和有泵送效應(yīng)，負值時表示發(fā)生泄漏。

在假設(shè)空穴壓力為-0.01013 MPaG，總泄漏率Q的計算結(jié)果為0.04 mL/h。因此，激光加工表面無泄漏，并且有泵送效應(yīng)。

圖9所示為密封表面內(nèi)側(cè)泄漏直接觀察結(jié)果。預先泄漏一些流體來觀察泵送效應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當轉(zhuǎn)動后，預先泄漏流體從低壓側(cè)抽到高壓側(cè)，這就是泵送效應(yīng)。

圖8所示的總泄漏率計算可以確定，在條件為1500 r/min(1.8 m/s)及0.15 MPaG的情況下激光加工表面可以阻止泄漏的泵送效應(yīng)。實際上，激光加工表面的觀察結(jié)果與計算結(jié)果有相同的趨勢，說明本文中提出的表面結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)產(chǎn)生泵送效應(yīng)的低摩擦低泄漏的水封。

6 結(jié)論

(1)控制密封表面低壓側(cè)的徑向壓力梯度，可以降低水封泄漏。

(2)可以利用激光加工的表面來改變密封表面的流體動壓力分布。

(3)利用在高壓側(cè)，類似止推軸承結(jié)構(gòu)形成潤滑理論，在低壓側(cè)，類似反向止推軸承結(jié)構(gòu)形成密封理論的原理，水封能夠成為產(chǎn)生泵送效應(yīng)的低摩擦低泄漏密封。

(4)可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速1500 r/min(1.8 m/s)、壓力0.15 MPaG、形成1.1 μm的膜厚、在全流體動力潤滑下運行低泄漏的靜音型水封。

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作者簡介：德永雄一郎(1979 -)，男，博士，主要從事機械密封的研究和解析，通訊地址：日本埼玉縣大字片柳1500號。

Improvement in sealing performance and friction reduction by laser surface texturing for mechanical seal

Y Tokunaga1，H Inoue1，K Okada1，N Uemura1，Y Yamamoto2,CUI Hui-ming3,LI Dai4

(1.Eagle Industry Co.,Ltd.,Japan;2.Professor Emeritus of Kyushu University,Japan;3.EagleBurgmann,China,Shanghai 200245;4.Eagle Mechanical Seal (Wuxi) Co.,Ltd.,Wuxi 214000,China)

One of the most important issues for mechanical seals is how to achieve two contradictory functions:sealing and lubricating performance at the sliding surfaces.Various studies have been presented so far.This paper proposes a surface design concept for achieving low-friction and low-leakage mechanical seals by laser surface texturing.The theoretical and experimental results demonstrated that the low-friction and low-leakage seals were technically feasible.These results also indicated that the seals were operated with hydrodynamic lubrication and had an effective pumping effect.

mechanical seal for water pump;laser surface texturing;lubrication performance

葉志秦(1991-)，男，碩士研究生，通訊地址：201620 上海市松江區(qū)人民北路2999號東華大學環(huán)境學院3137，E-mail：yezhiqin1@126.com

1005-0329(2017)01-0008-07

2016-07-06

2016-12-26

TH136

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.01.002