黃國慶， 于雪梅， 王 衍， 葛云路， 胡 瓊， 曹志康

(江蘇海洋大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 連云港 222005)

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展以及人們對環(huán)境要求的不斷提高，機(jī)械密封的使用環(huán)境正在發(fā)生深刻變化，其對工況的要求也變得更加苛刻[1]。石油、化工等相關(guān)過程工業(yè)的密封流體大多具有易燃、易爆、劇毒、污染嚴(yán)重等特點，傳統(tǒng)的機(jī)械密封難以滿足目前設(shè)備的密封要求。而先進(jìn)的動壓密封技術(shù)(如干氣密封、上游泵送機(jī)械密封等)通過很薄的壓力氣膜實現(xiàn)密封界面間的非接觸和小間隙運行，因此表現(xiàn)出優(yōu)越的防泄漏、長壽命和低維護(hù)等特性，已得到廣泛應(yīng)用[2]。但同時，流體動壓密封摩擦副表面的摩擦磨損問題一直是影響機(jī)械密封性能的重要因素。因此，科學(xué)有效地控制摩擦、減少磨損顯得尤為重要。潤滑是降低摩擦和磨損的重要手段之一，目前摩擦副潤滑狀態(tài)主要分為流體潤滑、邊界潤滑和混合潤滑。其中流體潤滑(包括流體靜壓潤滑和流體動壓潤滑)由于摩擦系數(shù)和磨損都很小，且能有效降低摩擦磨損而被廣泛應(yīng)用于各工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域[3]。

表面織構(gòu)技術(shù)是一種通過微細(xì)加工技術(shù)在材料表面加工出具有一定幾何形貌與尺寸且排列規(guī)律的圖案，從而改善材料表面摩擦學(xué)性能的新型表面改性技術(shù)[4]。表面織構(gòu)在機(jī)械密封中的應(yīng)用也越來越廣泛，其主要通過對密封端面進(jìn)行織構(gòu)化處理，從而有效改善密封界面的流體潤滑性能，減小摩擦磨損。在后續(xù)的實驗研究中人們發(fā)現(xiàn)，因動壓機(jī)械密封中的流體潤滑現(xiàn)象主要存在于固體摩擦副的微尺度間隙中，且表面織構(gòu)和粗糙度所產(chǎn)生的微尺度效應(yīng)對流體的流動、潤滑等有較大的影響，所以微尺度效應(yīng)對密封性能的影響不容忽視；同時，隨著流體潤滑中動壓機(jī)械密封研究工況的逐漸復(fù)雜化，人們對微尺度效應(yīng)也越來越重視。

目前，對“微尺度”這個概念并沒有嚴(yán)格的定義，一般理解為“微米尺度”。近年來隨著研究對象的不斷變化，出現(xiàn)微尺度效應(yīng)的時空尺度范圍也不盡相同[5]。由于在微尺度下，隨著特征尺度的減小，表面效應(yīng)的影響會變得越來越顯著，會出現(xiàn)微間隙下的流動效應(yīng)，因此，一些可以忽略的因素在微尺度下會對流動造成不小的影響。而在流體潤滑的動壓密封中，潤滑油膜的平均膜厚和表面粗糙度處于相同量級，粗糙度對潤滑性能的影響是不可忽略的，而且隨著膜厚的減小，粗糙度效應(yīng)不斷增大；而表面織構(gòu)和表面粗糙度也基本處于同一量級(一般為微米級)，兩者同屬于微尺度范疇，因此，在研究密封界面流體潤滑的過程中，這兩者所產(chǎn)生的界面微尺度效應(yīng)不容忽視。近年來，國內(nèi)外研究成果也相繼指出[6]，適當(dāng)?shù)拇植诙纫蠛捅砻婵棙?gòu)的合理規(guī)劃與重構(gòu)對改善摩擦性能至關(guān)重要，合理的粗糙度大小及表面織構(gòu)形貌的合理介觀分布，有助于提升動壓機(jī)械密封界面的流體潤滑效果，從而有效提高密封的使用性能。

本文主要從表面織構(gòu)和表面粗糙度微尺度效應(yīng)的影響方式和作用機(jī)制著手，重點綜述了其對流體動壓機(jī)械密封的影響性能，并且針對如何有效利用界面微尺度效應(yīng)、提升動壓密封界面流體潤滑效果進(jìn)行了探討，以期為今后的研究和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

1 表面織構(gòu)微尺度效應(yīng)

1.1 表面開槽動壓技術(shù)的發(fā)現(xiàn)

1.1.1在軸承中的應(yīng)用

近年來，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，人們對摩擦副表面的潤滑、防護(hù)和減摩等性能提出了更高的要求。表面開槽動壓技術(shù)作為一種降低摩擦、減小磨損和有效提升流體動壓潤滑效應(yīng)的手段，已得到廣泛認(rèn)可[7]。表面開槽技術(shù)最早在軸承中得到應(yīng)用，通常采取在軸承密封端面開設(shè)不同參數(shù)槽型的方式來研究其對軸承性能的影響。

圖1為徑向槽氣體軸承端面結(jié)構(gòu)示意圖。從圖中可以看出，徑向槽沿周向分布于軸承端面，D為軸承直徑，θ為槽結(jié)構(gòu)角，Dg為徑向槽直徑。隨著軸承的高速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)氣體泵入時，由于槽區(qū)的存在，會產(chǎn)生一定的流體動壓力，從而形成流體動力潤滑。

圖1 徑向槽氣體軸承端面結(jié)構(gòu)示意圖

早在1965年，Vohr等[8]提出了一種窄槽理論，數(shù)值分析了人字槽氣體軸承幾何參數(shù)對軸承特性的影響。隨后，Bonneau等[9]驗證了窄槽理論的正確性，發(fā)現(xiàn)偏心率越低，軸承的剛度系數(shù)越高。2014年，董瑪莉等[10]采用局部積分有限差分法，系統(tǒng)分析了不同軸承參數(shù)對人字槽徑向氣體動壓軸承的膜厚、膜壓、承載力等特性的影響，發(fā)現(xiàn)合適的軸承尺寸、工況參數(shù)和槽型參數(shù)可使軸承的承載能力增強。在后續(xù)的研究中，人們通過大量的實驗發(fā)現(xiàn)，在試件表面開設(shè)不同形狀和參數(shù)的槽型，確實能有效改善摩擦性能，提升動壓效應(yīng)，至此開槽技術(shù)得到了非常迅速的發(fā)展。

1.1.2在干氣密封中的應(yīng)用

目前，表面開槽技術(shù)在干氣密封(dry gas seal, DGS)、上游泵送機(jī)械密封(upstream pumping mechanical seal，UPMS)等先進(jìn)密封技術(shù)領(lǐng)域有著非常廣泛的應(yīng)用，且在很大程度上提高了密封端面的動壓效應(yīng)，有效降低了摩擦磨損。

干氣密封是在氣體潤滑軸承的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，通常以氣體作為密封介質(zhì)，并通過極薄的壓力氣膜來實現(xiàn)動、靜環(huán)之間非接觸，因其泄漏少、長壽命、低維護(hù)等優(yōu)良特性，在壓縮機(jī)、攪拌器和離心泵等中高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械中得到了廣泛應(yīng)用[11]。圖2為常見的螺旋槽干氣密封端面結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可以看出，在軸承密封端面周向均勻分布著槽深為hg，氣膜厚度為δ，數(shù)量為Ng的螺旋槽(一般為8～12個)，其中rg、ri和ro分別為槽底半徑、密封端面內(nèi)徑、密封端面外徑。當(dāng)密封端面旋轉(zhuǎn)時，被密封氣體由于泵吸作用沿周向被吸入槽內(nèi)，氣體在流動過程中會受到密封堰的阻流作用從而使得氣體被壓縮，導(dǎo)致氣體壓力升高，進(jìn)而產(chǎn)生流體動壓效應(yīng)。

圖2 螺旋槽干氣密封原理示意圖

干氣密封目前的主要槽型有螺旋槽、T型槽、樹型槽、直線型槽等。近年來，國內(nèi)外許多學(xué)者采用仿真分析的方法對各種槽型展開了深入研究。1995年，Kowalski等[12]采用有限差分法對可以反向旋轉(zhuǎn)的螺旋槽干氣密封進(jìn)行了仿真研究。彭旭東等[13]介紹了一種多流通道螺旋槽干氣密封端面結(jié)構(gòu)，同時發(fā)現(xiàn)在中低速時，由于該型槽結(jié)構(gòu)中存在匯流槽，其相較于普通螺旋槽結(jié)構(gòu)有更好的穩(wěn)定性和更優(yōu)異的密封性能。簡元霞等[14]依據(jù)流體動力學(xué)相關(guān)理論，采用ANSYS Workbench軟件對T型槽干氣密封端面流場進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)T型槽的存在能有效阻礙密封介質(zhì)的泄漏通道。

1.1.3在泵送結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

上游泵送機(jī)械密封作為流體潤滑中泄漏、能耗和磨損都很小的一種非接觸式機(jī)械密封，現(xiàn)如今被廣泛用于離心泵、壓縮機(jī)等各種旋轉(zhuǎn)機(jī)械的軸端密封[15]。

圖3為典型的螺旋槽上游泵送機(jī)械密封端面結(jié)構(gòu)示意圖。由圖可以看到，在密封端面內(nèi)徑上均勻分布著一定深度和數(shù)量的對數(shù)螺旋槽，其工作時主要依靠開設(shè)有螺旋槽的動靜環(huán)端面進(jìn)行相對旋轉(zhuǎn)運動，并通過端面開槽后所產(chǎn)生的上游泵送效應(yīng)，把密封低壓側(cè)的少量流體增壓泵送到高壓側(cè)，在密封端面形成一層極薄的液膜，從而實現(xiàn)非接觸密封，極大地降低了密封端面的磨損。

圖3 螺旋槽上游泵送機(jī)械密封端面結(jié)構(gòu)示意圖

相關(guān)學(xué)者對上游泵送機(jī)械密封進(jìn)行了比較深入的研究。2011年，牛冬亮[16]對上游泵送機(jī)械密封的密封槽進(jìn)行了整體優(yōu)化設(shè)計，基于優(yōu)化槽型提出了加工流體動壓槽的新思路。2015年，丁雪興等[17]對比分析了單列槽和人字槽兩種不同槽型的上游泵送機(jī)械密封性能，發(fā)現(xiàn)人字槽上游泵送機(jī)械密封的動壓效應(yīng)及密封性能均優(yōu)于單列槽，并且獲得了最佳槽型參數(shù)。次年，陳匯龍等[18]探究了空化現(xiàn)象對上游泵送式機(jī)械密封性能的影響，分析了空化熱效應(yīng)對密封性能的作用機(jī)理，指出高速時空化熱效應(yīng)會阻礙上游泵送機(jī)械密封高壓區(qū)的形成，使得泵送量和開啟力都降低。

綜上可知，表面開槽技術(shù)是改善材料表面摩擦學(xué)性能的一種有效手段。該技術(shù)在軸承和機(jī)械密封中多以開微米級淺槽為主，在潤滑條件下，由于淺槽的存在，槽區(qū)會產(chǎn)生表面織構(gòu)微尺度間隙下的流體動壓效應(yīng)，進(jìn)而提高摩擦副表面的耐磨性能。由此可見，通過對密封界面的改型改性可有效改善摩擦性能、提升動壓效果，且合理的表面織構(gòu)有助于提高動壓密封的穩(wěn)定性。

2 粗糙度微尺度效應(yīng)

2.1 軸承中粗糙度微尺度效應(yīng)

在軸承的相關(guān)研究中，通常假設(shè)軸承表面為理想的光滑平面，而實際上任何加工平面都不可能絕對光滑，都存在一定的粗糙度，且軸承表面粗糙度與油膜厚度的數(shù)量級基本處于同一量級[19]，所以對軸承性能的研究必須考慮表面粗糙度的微尺度效應(yīng)影響；與此同時，隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，軸承的設(shè)計精度和設(shè)計要求也越來越高，因此需要考慮表面粗糙度對其性能的影響。

滑動軸承作為回轉(zhuǎn)軸的主要支承零件，因承載能力強、功耗小和工作可靠等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代制造的各個領(lǐng)域。鄧衍順等[20]研究指出，隨著軸承表面粗糙度的增大，其壓力變化和承載能力的均值都呈下降趨勢。吳卓等[21]基于MATLAB軟件對滑動軸承潤滑特性進(jìn)行了相關(guān)研究，指出當(dāng)考慮表面粗糙度時，油膜的壓力更大，特別是在軸承偏心率較大時，表面粗糙度對油膜壓力的影響更為顯著。該研究說明，在精度要求較高、偏心率大的軸承設(shè)計中，考慮表面粗糙度對滑動軸承的影響是很有必要的。秦超[22]以流體動壓潤滑理論為基礎(chǔ)，采用有限差分法研究了滑動軸承在不同粗糙度下的潤滑靜特性，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在相同的負(fù)載下，表面粗糙度越大，摩擦功耗越大，再次證明了粗糙度對滑動軸承靜特性的影響不可忽視。

2.2 干氣密封中粗糙度微尺度效應(yīng)

與此同時，機(jī)械密封摩擦副表面粗糙度微尺度效應(yīng)作為影響機(jī)械密封和流體潤滑性能的重要因素也越來越受到學(xué)者們的關(guān)注。

動壓式干氣密封中，考慮粗糙度的微尺度效應(yīng)影響的研究較多。學(xué)者們通常采用端面開槽及表面紋理設(shè)計的方式來改善密封端面的流場特性，提升流體動壓效應(yīng)，從而有效提升機(jī)械密封性能。

相關(guān)學(xué)者們對此也進(jìn)行了深入的研究。1978年，Patir等[23]引入流量因子來探究流體間隙流量中表面粗糙度的相關(guān)影響，建立了PC模型，為今后研究流體潤滑效應(yīng)下表面粗糙度的影響機(jī)理提供了有益的借鑒。彭旭東等[24]考慮了螺旋槽干氣密封(S-DGS)不同區(qū)域(分為軟環(huán)端面、硬環(huán)端面開槽與非開槽區(qū))表面粗糙度對其密封性能的影響，結(jié)果表明，非開槽區(qū)硬環(huán)端面粗糙度對S-DGS性能的影響甚微，而軟環(huán)端面則相反；與光滑平面相比，粗糙端面的密封開啟力和氣膜剛度更大，且泄漏量更小。在一定條件下，S-DGS的密封端面光滑與否與其幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化值無關(guān)。李偉等[25]研究指出，相比于傳統(tǒng)的密封端面，一定的粗糙度可明顯提升密封氣膜剛度，且在高速運轉(zhuǎn)時，表面粗糙度對密封開啟力的影響不容忽視。劉夢靜等[26]探究了滑移流效應(yīng)對密封性能的作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)滑移流現(xiàn)象與粗糙度的影響密切相關(guān)，且在微尺度條件下，負(fù)滑移有助于密封開啟力的提高。以上研究結(jié)論皆表明，在流體動壓密封的相關(guān)研究中，粗糙度這一因素的影響不容忽視，且一定的粗糙度大小及合理的粗糙表面形貌分布更有利于減小磨損，提高耐磨性能；同時，如何合理利用微尺度效應(yīng)對流體潤滑的影響成為目前亟需解決的問題。

鑒于干氣密封技術(shù)中利用微尺度開槽技術(shù)獲得了良好的動壓效應(yīng)，有效地削弱了粗糙度微尺度效應(yīng)對密封性能的不良影響，因此以干氣密封為對象，研究動壓密封技術(shù)中的微尺度效應(yīng)對改善摩擦副表面的摩擦學(xué)性能、有效提升密封性能的積極作用。

3 表面織構(gòu)微尺度效應(yīng)有效利用思路探討

3.1 基于開槽技術(shù)的有序微造型設(shè)計

微尺度效應(yīng)使得密封潤滑性能方面的研究變得十分復(fù)雜。從國內(nèi)外文獻(xiàn)檢索情況來看，關(guān)于利用表面織構(gòu)微尺度效應(yīng)對密封性能影響方面的研究都還很少，甚至未曾涉及，這也使得微尺度的理論研究與現(xiàn)實應(yīng)用之間依然存在很大差距。基于此，結(jié)合課題組最新研究成果，介紹了一種新的基于開槽技術(shù)的微造型設(shè)計，旨在闡釋微造型設(shè)計對密封性能改善的作用機(jī)制，最終實現(xiàn)基于槽底粗糙表面造型改性的干氣密封，有效提升密封端面流體潤滑效應(yīng)，進(jìn)而提高干氣密封的使用性能。

以經(jīng)典槽型T型槽為例，干氣密封槽底微造型設(shè)計如圖4和5所示。

圖4 矩形微造型示意圖

圖5 有序微造型三維示意圖

圖4中，Bm、Cm、ε分別為微造型寬度、間距和深度，hg為槽深，δ為氣膜厚度。綜合考慮模型引入微造型后的復(fù)雜性以及網(wǎng)格劃分難度，在模擬研究中主要使用UG進(jìn)行二維建模，微造型選用平行直線，并在Gambit軟件中對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分(見圖5)，微造型采用映射法形成面，對氣膜和槽區(qū)的面分別劃分網(wǎng)格，最后利用Fluent軟件仿真求解。

3.1.1在干氣密封中的應(yīng)用

近年來，課題組在干氣密封粗糙表面有序微造型設(shè)計方面取得了較大的進(jìn)展[27]。首先，基于干氣密封微尺度流場的相關(guān)特性，提出了有序微造型下的干氣密封新模型，并在有無微造型兩種工況下，對螺旋槽和T型槽進(jìn)行了數(shù)值仿真對比分析，結(jié)果表明：同工況下，有微造型結(jié)構(gòu)的開啟力相較于無微造型結(jié)構(gòu)的開啟力有較大幅度的提升，且在速度和壓力值較高及微尺度下，提升量更為顯著；同時還發(fā)現(xiàn)，槽深和微造型深度存在一個區(qū)間，可使密封性能達(dá)到最優(yōu)。其次，基于激光開槽的方法[28]，通過在圓弧線槽干氣密封(A-DGS)槽底開設(shè)有序微造型，對比分析了不同幾何和工況參數(shù)下偏移背風(fēng)側(cè)有無微造型A-DGS的密封性能，結(jié)果表明，同工況下，具微造型圓弧線槽干氣密封的開啟力較A-DGS有一定程度的提升，且在低速、高壓和小槽深時可達(dá)最佳提升效果，同時還發(fā)現(xiàn)，槽底微造型設(shè)計與槽型結(jié)構(gòu)優(yōu)化參數(shù)無關(guān)。文獻(xiàn)[29]還進(jìn)一步探究了槽底粗糙表面有序造型設(shè)計對T型槽干氣密封微尺度流場的影響，并對其進(jìn)行了擾流特性的相關(guān)分析，研究發(fā)現(xiàn)，粗糙表面有序造型設(shè)計對干氣密封性能的影響非常顯著，且在具微造型的槽底表現(xiàn)出了較好的導(dǎo)流效應(yīng)；同時，在高壓、高速、小膜厚和小槽深時，發(fā)現(xiàn)具槽底粗糙表面有序造型的T型槽較無微造型T型槽具有更優(yōu)異的密封性能。

3.1.2在上游泵送機(jī)械密封中的應(yīng)用

鑒于目前表面織構(gòu)微尺度影響下上游泵送式機(jī)械密封方面的研究較少[30]，因此課題組采取三維建模、仿真模擬的方式對其進(jìn)行了相關(guān)研究。圖6對比分析了具有序微造型上游泵送機(jī)械密封(upstream pumping mechanical seal with micro texture，M-UPMS)與上游泵送機(jī)械密封(UPMS)的開啟性能，圖中Qp為密封泄漏量，F(xiàn)o為密封開啟力，δ為氣膜厚度。由圖可知，M-UPMS和UPMS的Fo均隨δ的增大而減小，同時，二者的Qp均隨δ的增大先逐漸增大，當(dāng)δ增大至2.5 μm后，Qp開始逐漸減小，且M-UPMS較UPMS更遲出現(xiàn)泄漏。當(dāng)δ取0.5～4.5 μm時，M-UPMS相較于UPMS，Qp性能最大可提升46.7%。由此可見，在上游泵送式機(jī)械密封穩(wěn)定運行階段(δ取3～5 μm)，槽底有序微造型不僅可以保持相對穩(wěn)定的膜厚，同時還具有顯著的抑漏效果。

圖6 M-UPMS與UPMS開啟性能對比

以上實驗研究表明，從流體潤滑的密封界面微尺度效應(yīng)的微觀特性分析，基于開槽技術(shù)的有序微造型設(shè)計，因量級相近，極大地削弱了粗糙度的不利影響，進(jìn)而產(chǎn)生導(dǎo)流、抑?jǐn)_等積極的微尺度效應(yīng)，極大地增強了槽底的流體動壓效應(yīng)，有效改善了密封端面的摩擦學(xué)特性，提高了密封性能，這也驗證了基于粗糙表面的有序微造型設(shè)計在提升流體潤滑效果方面的巨大潛力。

4 結(jié) 語

本文系統(tǒng)綜述和闡釋了近年來表面織構(gòu)和表面粗糙度微尺度效應(yīng)對流體動壓密封影響的研究現(xiàn)狀，并結(jié)合當(dāng)前課題組的最新研究成果，以干氣密封及上游泵送機(jī)械密封為主要研究對象，就如何有效利用界面微尺度效應(yīng)對流體動壓密封的影響，詳細(xì)介紹了基于表面開槽技術(shù)的有序微造型設(shè)計，并通過仿真計算驗證了該方法的可行性。以期為今后流體潤滑下動壓密封的進(jìn)一步研究及工程應(yīng)用提供理論指導(dǎo)和借鑒。

目前，流體動壓機(jī)械密封的研究已經(jīng)取得了重要進(jìn)展，未來的研究方向可以集中在以下方面：①系統(tǒng)研究非單一織構(gòu)、槽型及其幾何參數(shù)對密封表面摩擦學(xué)特性的影響；②結(jié)合實際工況，探究基于不同槽型的多樣化微造型設(shè)計對密封性能的影響。