趙文靜，屠治榮，孟祥鎧，江錦波，彭旭東

（浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，浙江 杭州 310023）

引 言

密封端面織構(gòu)化是一種有效提高機(jī)械密封摩擦學(xué)性能和密封性能的重要途徑，它不僅有利于提高液膜剛度與承載能力，還能起到減磨、降低泄漏率和溫升等的作用。密封端面表面織構(gòu)的輪廓形狀是提升織構(gòu)性能的重要因素[1]。在織構(gòu)輪廓形狀的早期設(shè)計(jì)階段，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要關(guān)注于對(duì)比圓形、橢圓形、三角形等規(guī)則形狀的摩擦學(xué)特性和密封性能。Etsion 等[2]采用數(shù)值模擬方法對(duì)球缺型面微孔織構(gòu)的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了分析，但未考慮織構(gòu)形狀的多樣性。Siripuram 等[3]對(duì)比分析了方形、菱形、圓形、六角形和三角形微凹坑織構(gòu)和微凸體織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)凹凸體織構(gòu)的截面尺寸對(duì)摩擦因數(shù)和泄漏率的影響較為顯著；截面形狀對(duì)摩擦因數(shù)影響較小，對(duì)泄漏率影響較大，且三角形微凸體的泄漏率最小，方形微凸體的泄漏率最大。彭旭東等[4]以最大液膜剛度為優(yōu)化目標(biāo)，獲得了具有最優(yōu)幾何參數(shù)的矩形面、橢圓面、球缺面和拋物面，并指出矩形面微孔擁有最佳的綜合性能。隨后，又對(duì)比研究了圓形、正方形、正六邊形、三角形的微凹坑織構(gòu)和微凸體織構(gòu)，發(fā)現(xiàn)同工況下微凹坑織構(gòu)的密封性能優(yōu)于微凸體織構(gòu)，且三角形織構(gòu)在高速低載工況下具有良好的摩擦學(xué)特性[5]。Yu等[6]對(duì)比分析了單個(gè)圓形、橢圓形與三角形織構(gòu)在不同滑動(dòng)方向上的摩擦學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)微孔織構(gòu)的方向性對(duì)承載能力具有重要的影響作用。Qiu 等[7]研究了不同織構(gòu)對(duì)機(jī)械密封性能的影響，結(jié)果表明相比于圓形織構(gòu)、長(zhǎng)軸沿徑向方向的橢圓形織構(gòu)，長(zhǎng)軸沿圓周方向的橢圓形織構(gòu)更有利于降低密封端面的摩擦因數(shù)。隨后，Qiu等[8-9]采用數(shù)值方法研究了單個(gè)球體、圓形、橢圓體、橢圓形、三角形、V 形織構(gòu)對(duì)氣體滑動(dòng)軸承承載力、摩擦因數(shù)與軸承剛度的影響，指出橢圓體織構(gòu)具有最高的承載力、最低的摩擦因數(shù)和最高的液膜剛度。Xie等[10]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，相比于圓形織構(gòu)和尖部逆著旋轉(zhuǎn)方向的三角形織構(gòu)，尖部順著旋轉(zhuǎn)方向的三角形織構(gòu)更有利于降低密封端面的摩擦因數(shù)。同時(shí)，一些學(xué)者基于仿生工程也提出了非規(guī)則形狀織構(gòu)，分析了摩擦學(xué)特性。例如，Meng 等[11]根據(jù)硅藻殼設(shè)計(jì)了一種復(fù)合型織構(gòu)，數(shù)值結(jié)果表明與簡(jiǎn)單的織構(gòu)相比，復(fù)合型織構(gòu)具有更大的承載力和更小的摩擦因數(shù)；李俊玲等[12]采用正交實(shí)驗(yàn)法確定了葫蘆形織構(gòu)的最優(yōu)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相比于圓凹坑織構(gòu)和光滑表面，葫蘆形織構(gòu)表面具有更低的摩擦因數(shù)；Uddin 等[13]設(shè)計(jì)了一種“星形”織構(gòu)，數(shù)值結(jié)果表明，這種星形織構(gòu)具有比橢圓形、人字形、三角形和圓形織構(gòu)更低的摩擦因數(shù)。

近年來(lái)，一些研究者嘗試對(duì)非規(guī)則織構(gòu)形狀進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化研究，即采用樣條曲線(xiàn)或控制點(diǎn)來(lái)構(gòu)造織構(gòu)的幾何輪廓，基于通用智能優(yōu)化算法（如序列二次規(guī)劃算法、遺傳算法）尋優(yōu)，獲得了一些具有優(yōu)良摩擦學(xué)性能的非規(guī)則織構(gòu)形狀。例如，Shen等[14]以最大承載力為目標(biāo)函數(shù)，采用序列二次規(guī)劃算法研究動(dòng)壓潤(rùn)滑單向和雙向滑動(dòng)條件下的最佳織構(gòu)形狀，結(jié)果表明在單向滑動(dòng)下最佳形狀類(lèi)似V字形，雙向滑動(dòng)下最佳形狀類(lèi)似一副對(duì)稱(chēng)的“梯形”，在同一參數(shù)下，與圓形、橢圓形、方形、六邊形與菱形相比，類(lèi)似V 形織構(gòu)具有較大的承載能力。隨后，Shen 等[15]又對(duì)端面密封的單個(gè)織構(gòu)形狀進(jìn)行了研究，并將V形織構(gòu)與規(guī)則織構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得出不同面積比下最佳形狀都類(lèi)似V 字形；Zhang等[16-17]以摩擦因數(shù)為目標(biāo)函數(shù)，采用遺傳算法對(duì)處于往復(fù)運(yùn)動(dòng)和單向運(yùn)動(dòng)下的織構(gòu)形狀進(jìn)行了研究，指出子彈形和魚(yú)形織構(gòu)適合于單向運(yùn)動(dòng)工況，往復(fù)運(yùn)動(dòng)最優(yōu)織構(gòu)形狀類(lèi)似橢圓形和紡錘形，且實(shí)驗(yàn)證明了在高速輕載工況下具有更低的摩擦因數(shù)；Wang等[18-19]基于多目標(biāo)遺傳算法對(duì)干氣密封端面的表面織構(gòu)形狀進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在相同的泄漏率下，相對(duì)于圓形、橢圓形、方形、三角形等規(guī)則形狀而言，非對(duì)稱(chēng)V 字形織構(gòu)具有較好的承載能力和密封性能。由此可見(jiàn)，通過(guò)形狀優(yōu)化獲得的非規(guī)則V形織構(gòu)比規(guī)則織構(gòu)具有更優(yōu)的摩擦學(xué)性能。

然而，上述尺寸優(yōu)化和形狀優(yōu)化方法限于固定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，難以通過(guò)改變點(diǎn)線(xiàn)面的拓?fù)潢P(guān)系來(lái)進(jìn)一步提升密封端面的摩擦學(xué)性能。據(jù)此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者引入拓?fù)鋬?yōu)化方法來(lái)研究最佳織構(gòu)形狀以及織構(gòu)深度分布規(guī)律。例如，Buscaglia 等[20]采用靈敏度分析和遺傳算法研究表面織構(gòu)的深度分布規(guī)律；Waseem 等[21-22]針對(duì)基于均化理論的雙尺度模型，通過(guò)均勻化方法來(lái)優(yōu)化織構(gòu)結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到優(yōu)化織構(gòu)化表面宏觀性能的目的；Codrignani 等[23]提出一種基于伴隨方法的拓?fù)鋬?yōu)化策略來(lái)研究滿(mǎn)足質(zhì)量守恒空化算法下織構(gòu)深度分布規(guī)律。

水平集法作為一種拓?fù)鋬?yōu)化算法，由于具備非參數(shù)描述曲線(xiàn)曲面、方便追蹤拓?fù)潢P(guān)系的特征，廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化領(lǐng)域[24-26]。本課題組[27]在前期研究中提出了一種基于水平集法的表面織構(gòu)優(yōu)化方法，以最大液膜承載力為優(yōu)化目標(biāo)獲得了一種非規(guī)則V 形織構(gòu)形狀。由于前期的研究工作[27]僅研究了單個(gè)最佳織構(gòu)，均布的V 形織構(gòu)陣列是否有利于提升密封端面承載能力等性能有待進(jìn)一步確認(rèn)。據(jù)此，本文基于上述研究工作，通過(guò)多段三次貝塞爾曲線(xiàn)擬合上述V 形織構(gòu)的輪廓邊界，將其應(yīng)用于機(jī)械密封端面，通過(guò)建立密封端面液膜的分析模型，研究非規(guī)則V 形表面織構(gòu)幾何參數(shù)及密封工況參數(shù)對(duì)密封性能的影響，并與三角形（特指等邊三角形）和圓形織構(gòu)密封端面進(jìn)行對(duì)比，為進(jìn)一步提高微織構(gòu)化端面的密封性能提供支持。

1 理論模型

1.1 幾何模型

圖1(a)所示為織構(gòu)化機(jī)械密封端面，在其靜環(huán)的密封端面上采用激光技術(shù)加工出非規(guī)則V 形、三角形和圓形織構(gòu)。由于織構(gòu)沿密封端面周向呈現(xiàn)均勻分布，為方便研究，沿周向方向取一列織構(gòu)作為研究對(duì)象，如圖1(b)所示。圖中ω為動(dòng)環(huán)角速度，ri、ro分別為密封端面的內(nèi)外半徑，po、pi分別為密封端面外徑處和內(nèi)徑處的壓力，h0為密封間隙，hg為微織構(gòu)深度。另外，周期列數(shù)為N，單列織構(gòu)的徑向開(kāi)孔數(shù)目為Np。

圖1 表面織構(gòu)化的機(jī)械密封示意圖Fig.1 Schematic diagram of mechanical seal with textured surface

1.2 數(shù)學(xué)模型

假設(shè)密封端面間潤(rùn)滑液膜處于層流狀態(tài)，充滿(mǎn)著不可壓縮牛頓流體，忽略密封端面粗糙度、表面變形、流體慣性及溫升的影響，則液膜可由基于JFO(Jakobsson-Floberg-Olsson)空化算法的雷諾方程[28-29]描述，如式(1)和式(2)所示。

式中，h為液膜厚度；μ為液膜動(dòng)力黏度；p為液膜壓力；pc為密封介質(zhì)的空化壓力；Ux、Uy分別為動(dòng)環(huán)沿x、y軸方向的滑動(dòng)速度；密度比θ是液膜密度ρ與液膜液體狀態(tài)下密度ρL的比值。

為了得到通用性規(guī)律，在本文中使用無(wú)量綱分析方法。對(duì)式(1)和式(2)進(jìn)行無(wú)量綱化得到式(3)和式(4)。

式中無(wú)量綱項(xiàng)定義如下。

式中，pa為大氣壓力；Λ為密封端面的特征數(shù)。

單列織構(gòu)[圖1(b)]除了周向上設(shè)置周期性壓力邊界條件外，還需在內(nèi)外徑處添加壓力邊界條件。內(nèi)外徑處的壓力邊界條件如式(6)所示。

式中，PD1與PD2分別為無(wú)量綱外徑與內(nèi)徑壓力；Ri與Ro分別為無(wú)量綱內(nèi)外半徑。

采 用 SUPG (Streamline-Upwind∕Petrov-Galerkin) 有限元方法[28-29]求解上述無(wú)量綱方程，獲得端面液膜壓力分布與密度比后，密封的主要性能參數(shù)（承載力LCC、泄漏率Q、摩擦因數(shù)f和液膜剛度Kz）分別采用式（7）～式（10）求得，計(jì)算模型和方法已做了正確性驗(yàn)證。其中，摩擦因數(shù)f[式(9)]推導(dǎo)結(jié)果同文獻(xiàn)[30]。

式中，Ω為一個(gè)周期單元的計(jì)算域；n為弧線(xiàn)上的外法線(xiàn)向量；s為一個(gè)周期單元的內(nèi)徑弧長(zhǎng)；Δ-h為膜厚的微擾量。

2 結(jié)果與討論

為了便于對(duì)比分析，在研究中選取以下結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

(1)結(jié)構(gòu)參數(shù)

密封環(huán)端面內(nèi)半徑ri= 24 mm，外半徑ro= 34 mm，基礎(chǔ)膜厚h0=2.5 μm，孔深hg=5 μm，無(wú)量綱內(nèi)半徑Ri=1，無(wú)量綱外半徑Ro=ro∕ri=1.417，織構(gòu)深度比ζ=hg∕h0=2，周期列數(shù)N=120，單列織構(gòu)的開(kāi)孔數(shù)目Np=8，密封端面開(kāi)孔的面積比AR=20%。

(2)工況參數(shù)

大氣壓力pa=0.1 MPa，空化壓力值pc=0 MPa，密封內(nèi)徑處壓力pi=0.1 MPa，密封外徑處壓力po=1 MPa，密封介質(zhì)為水[動(dòng)力黏度μ=1×10-3Pa·s(20℃)]，動(dòng)環(huán)角速度ω=170 rad∕s，無(wú)量綱內(nèi)徑壓力PD2=1，無(wú)量綱外徑壓力PD1=10，特征數(shù)Λ=942。

在下述分析參數(shù)對(duì)密封性能的影響研究中，除特別說(shuō)明外，其他結(jié)構(gòu)參數(shù)和工況參數(shù)均保持不變。

2.1 膜壓分布

圖2 所示為相同開(kāi)孔數(shù)目和開(kāi)孔面積比AR 下不同織構(gòu)形狀的液膜壓力分布。由圖可知，非規(guī)則V 形織構(gòu)與三角形織構(gòu)的無(wú)量綱壓力峰值分別為11.8與11.5，位于織構(gòu)的尖峰位置，而圓形織構(gòu)的無(wú)量綱壓力峰值為10.9，遠(yuǎn)小于V 形織構(gòu)和三角形織構(gòu)。這是由于在密封動(dòng)環(huán)的周向剪切作用下，潤(rùn)滑液膜受到前兩種織構(gòu)兩側(cè)邊界的導(dǎo)流作用，在織構(gòu)尖部匯聚疊加而成，故無(wú)量綱壓力峰值相對(duì)較大，尤其是非規(guī)則的V 形織構(gòu)，其兩側(cè)的楔形幾何構(gòu)型的導(dǎo)流作用更強(qiáng)，因此其動(dòng)壓效應(yīng)在三種織構(gòu)中也是最強(qiáng)的。由液膜最低壓力可見(jiàn)，圓形織構(gòu)具有最低的液膜壓力，非規(guī)則V形織構(gòu)次之，而三角形織構(gòu)最大。

圖2 不同織構(gòu)形狀的密封端面液膜壓力分布Fig.2 Pressure distribution of seal face with different texture shapes

2.2 幾何參數(shù)對(duì)密封性能的影響

2.2.1 開(kāi)孔面積比的影響 開(kāi)孔面積比AR 是微織構(gòu)面積與一個(gè)周期單元面積的比值。圖3所示為在不同織構(gòu)形狀下開(kāi)孔面積比AR 對(duì)機(jī)械密封性能的影響，其中開(kāi)孔面積比AR 的變化通過(guò)保持開(kāi)孔數(shù)目不變，改變單個(gè)織構(gòu)面積獲得。值得注意的是，V形織構(gòu)通過(guò)多段三次貝塞爾曲線(xiàn)擬合獲得，其特征尺寸為貝塞爾曲線(xiàn)的控制點(diǎn)，通過(guò)控制點(diǎn)的坐標(biāo)變換來(lái)實(shí)現(xiàn)V形織構(gòu)面積的改變。

圖3 開(kāi)孔面積比對(duì)機(jī)械密封性能的影響Fig.3 Effect of area ratio on mechanical seal performance

由圖3(a)可知，隨著AR 的增大，V 形與三角形織構(gòu)的承載力逐漸增大，而圓形織構(gòu)的承載力呈緩慢下降的趨勢(shì)，且下降幅度較小。同時(shí)，在同一AR下V形織構(gòu)的承載力最大，三角形織構(gòu)次之，圓形織構(gòu)最小，這是因?yàn)閂 形和三角形織構(gòu)的尖部能匯聚流體，從而增強(qiáng)動(dòng)壓效應(yīng)。當(dāng)AR 大于10%時(shí)，承載力增大趨勢(shì)較為顯著。從圖3(b)可得，三種織構(gòu)的泄漏率均隨著AR 的增大而增大，且在同一AR 下，泄漏率由大到小依次為三角形織構(gòu)、V 形織構(gòu)與圓形織構(gòu)。當(dāng)AR 小于10%時(shí)，V 形織構(gòu)和三角形織構(gòu)的泄漏率結(jié)果相差較小。由圖3(c)可知，隨著AR的增大，三種織構(gòu)的摩擦因數(shù)均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，與泄漏率變化規(guī)律相反，這是因?yàn)槌休d力起主導(dǎo)作用，承載力越大，摩擦因數(shù)越小，且在同一AR 下圓形織構(gòu)的摩擦因數(shù)最大，V形織構(gòu)最小。比較而言，當(dāng)AR 大于10%時(shí)，V 形織構(gòu)的優(yōu)勢(shì)更為明顯。由圖3(d)可知，隨著AR 的增大，V 形織構(gòu)與三角形織構(gòu)的液膜剛度均呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，而圓形織構(gòu)的液膜剛度基本保持不變，且在同一AR 下V 形織構(gòu)的液膜剛度最大，圓形織構(gòu)最小。這是因?yàn)橐耗偠确从沉四ず竦奈_動(dòng)對(duì)流體動(dòng)壓承載力的改變能力，受流體動(dòng)壓效應(yīng)的影響，因而液膜剛度變化規(guī)律與承載力一致。綜上所述，開(kāi)孔面積比AR 的變化對(duì)V 形與三角形織構(gòu)的密封性能影響較大，而對(duì)圓形織構(gòu)的密封性能影響不大。當(dāng)AR 一定時(shí)，三種織構(gòu)中V 形織構(gòu)的承載力、摩擦因數(shù)與液膜剛度均最優(yōu)，且泄漏率略小于三角形織構(gòu)，當(dāng)AR 大于10%時(shí)這種效果更為明顯。當(dāng)AR 小于10%時(shí)，密封性能參數(shù)相差相對(duì)較小。

2.2.2 織構(gòu)深度比的影響 圖4為在不同織構(gòu)形狀下深度比ζ對(duì)機(jī)械密封性能的影響規(guī)律。

圖4 深度比對(duì)機(jī)械密封性能的影響Fig.4 Effect of depth ratio on mechanical seal performance

由圖4(a)可見(jiàn)，隨著織構(gòu)深度比ζ的增加，非規(guī)則V形與三角形織構(gòu)的承載力均呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律，且V形織構(gòu)的承載力大于三角形織構(gòu)，當(dāng)ζ大于1.00 時(shí)，這種效果更為明顯，在ζ約為1.77時(shí)，V形織構(gòu)的承載力得到最大值，而圓形織構(gòu)的承載力基本不變，這是因?yàn)樵谝耗の窗l(fā)生空化的條件下，具有對(duì)稱(chēng)性的織構(gòu)不具有良好的動(dòng)壓效應(yīng)，與流體動(dòng)壓效應(yīng)強(qiáng)弱程度有關(guān)。由圖4(b)可見(jiàn)，隨著ζ的增大，三種織構(gòu)的泄漏率均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，且V形織構(gòu)的泄漏率增大程度遠(yuǎn)大于其他兩種織構(gòu)，圓形織構(gòu)的增大程度最小。由圖4(c)可見(jiàn)，隨著ζ的增加，三種織構(gòu)的摩擦因數(shù)均呈現(xiàn)緩慢減小的趨勢(shì)，且在同一ζ下V 形織構(gòu)的摩擦因數(shù)最小，而圓形織構(gòu)的最大。由圖4(d)可見(jiàn)，液膜剛度的變化規(guī)律與承載力變化規(guī)律類(lèi)似，隨著ζ的增加，V 形與三角形織構(gòu)的液膜剛度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且V形織構(gòu)的液膜剛度逐漸大于三角形織構(gòu)，當(dāng)ζ=1.50時(shí)，液膜剛度達(dá)到最大值，而圓形織構(gòu)的液膜剛度隨ζ的增加變化不大，在同一ζ下圓形織構(gòu)的液膜剛度最小。綜上可知，織構(gòu)深度比的變化對(duì)V 形與三角形織構(gòu)的密封性能影響較大，而對(duì)圓形織構(gòu)影響不大，在同一深度比下，V 形織構(gòu)的承載力、摩擦因數(shù)與液膜剛度均相對(duì)最優(yōu)，且在ζ大于1.00 時(shí)，這種效果更為顯著，但同時(shí)泄漏率亦呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì)。

2.3 工況參數(shù)對(duì)密封性能的影響

2.3.1 特征數(shù)的影響 圖5所示為不同織構(gòu)形狀下不同特征數(shù)Λ對(duì)機(jī)械密封性能的影響規(guī)律。特征數(shù)Λ是與密封轉(zhuǎn)速正相關(guān)的無(wú)量綱數(shù)，轉(zhuǎn)速越大，特征數(shù)越大。

圖5 特征數(shù)對(duì)機(jī)械密封性能的影響Fig.5 Effect of characteristic number on mechanical seal performance

由圖5(a)可見(jiàn)，由于流體動(dòng)壓效應(yīng)隨著Λ的增大而持續(xù)增強(qiáng)，因此隨著Λ的增大，V 形織構(gòu)和三角形織構(gòu)的承載力均呈現(xiàn)線(xiàn)性增大的變化規(guī)律，而圓形織構(gòu)的承載力基本不變，且在同一Λ下V 形織構(gòu)的承載力最大，圓形織構(gòu)最小。由圖5(b)可見(jiàn)，隨著Λ的增大，三種織構(gòu)的泄漏率變化趨勢(shì)不同：V 形織構(gòu)上升趨勢(shì)非常緩慢，基本沒(méi)有太大的變化，三角形織構(gòu)呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)，而圓形織構(gòu)基本保持不變。在同一Λ下，三角形織構(gòu)的泄漏率最大，而圓形織構(gòu)的泄漏率最小。由圖5(c)可見(jiàn)，三種織構(gòu)的摩擦因數(shù)隨著Λ的增大而增大，且三種織構(gòu)摩擦因數(shù)的變化曲線(xiàn)幾乎一致。特征數(shù)Λ隨著密封環(huán)角速度的改變而改變，由于轉(zhuǎn)速增加，Λ增加，液膜的黏性剪切作用增強(qiáng)，故摩擦因數(shù)增大。同時(shí)，在同一Λ下，圓形織構(gòu)的摩擦因數(shù)增長(zhǎng)速度最大，V形織構(gòu)最小，且隨著Λ的增大，這種效果越顯著。當(dāng)Λ小于1260 時(shí)，三種織構(gòu)的摩擦因數(shù)差別不大。由圖5(d)可見(jiàn)，液膜剛度的變化規(guī)律與承載力的變化規(guī)律類(lèi)似，隨著Λ的增大，V 形與三角形織構(gòu)的流體動(dòng)壓效應(yīng)持續(xù)增強(qiáng)，其液膜剛度呈現(xiàn)線(xiàn)性增大的趨勢(shì)，而圓形織構(gòu)的液膜剛度基本保持不變，且在同一Λ下V 形織構(gòu)的液膜剛度最大，圓形織構(gòu)最小。綜上可知，在相同的特征數(shù)Λ下，V 形織構(gòu)的承載力、摩擦因數(shù)與液膜剛度最優(yōu)，泄漏率雖呈現(xiàn)出緩慢增大的趨勢(shì)，但增大趨勢(shì)較小。

2.3.2 密封介質(zhì)壓力的影響 圖6所示為不同織構(gòu)形狀下不同密封介質(zhì)壓力PD1對(duì)機(jī)械密封性能的影響。由圖6(a)可見(jiàn)，隨著PD1的增大，液膜流體的靜壓效應(yīng)得到持續(xù)增強(qiáng)，三種織構(gòu)的承載力呈現(xiàn)出線(xiàn)性增大的變化規(guī)律，且三種織構(gòu)的變化曲線(xiàn)幾乎一致。由圖6(b)可見(jiàn)，隨著PD1的增大，三種織構(gòu)的泄漏率均持續(xù)線(xiàn)性增大。這是由于密封介質(zhì)壓力的增大使得密封端面內(nèi)外半徑的靜壓差增大，致使沿泄漏方向的壓力梯度變大，從而導(dǎo)致泄漏率的增加。由圖6(c)可見(jiàn)，隨著PD1的增大，三種織構(gòu)的摩擦因數(shù)均呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)，這是因?yàn)槌休d力起主導(dǎo)作用，承載力越大，摩擦因數(shù)越小。由圖6(d)可見(jiàn)，由于密封介質(zhì)壓力的變化增強(qiáng)了液膜的靜壓效應(yīng)，因此隨著PD1的增大，液膜剛度隨密封介質(zhì)壓力的變化不大，三種織構(gòu)的液膜剛度基本保持不變，但在同一PD1下，V 形織構(gòu)的液膜剛度最大，約是三角形織構(gòu)的2 倍，而圓形織構(gòu)最小，基本保持在0 附近。綜上可知，密封介質(zhì)壓力的變化對(duì)三種織構(gòu)的機(jī)械密封性能影響較大，且在相同的介質(zhì)壓力條件下，三種織構(gòu)的承載力、泄漏率和摩擦因數(shù)結(jié)果相差不大，但V 形織構(gòu)的液膜剛度最優(yōu)，約是三角形織構(gòu)的2 倍，而圓形織構(gòu)的液膜剛度最小。

圖6 密封介質(zhì)壓力對(duì)機(jī)械密封性能的影響Fig.6 Effect of seal medium pressure on mechanical seal performance

3 結(jié) 論

本文采用有限元數(shù)值模擬方法研究了新型非規(guī)則V 形表面織構(gòu)對(duì)機(jī)械密封性能的影響，探討了不同幾何參數(shù)和工況參數(shù)下承載力、泄漏率、摩擦因數(shù)和液膜剛度等密封性能參數(shù)的變化規(guī)律，并與三角形和圓形表面織構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比優(yōu)選分析，具體結(jié)論如下。

（1）相比于圓孔織構(gòu)和三角形織構(gòu)，新型非規(guī)則V形織構(gòu)上下兩側(cè)的楔形結(jié)構(gòu)具有明顯的收集和匯聚液膜的作用，使其具有更強(qiáng)的動(dòng)壓效應(yīng)和液膜承載力，開(kāi)孔面積比、深度比、密封特征數(shù)和密封介質(zhì)壓力對(duì)V形織構(gòu)與三角形表面織構(gòu)的密封性能具有較大影響，而對(duì)圓形織構(gòu)的密封性能影響不大。

（2）在研究幾何和工況參數(shù)范圍內(nèi)，新型V形表面織構(gòu)的機(jī)械密封性能相對(duì)較優(yōu)，其承載力、摩擦因數(shù)與液膜剛度均略?xún)?yōu)于三角形織構(gòu)，遠(yuǎn)優(yōu)于圓形織構(gòu)；對(duì)于泄漏率，雖然V形織構(gòu)泄漏率略低于三角形織構(gòu)，但呈現(xiàn)增長(zhǎng)的趨勢(shì)。

（3）當(dāng)織構(gòu)開(kāi)孔面積比AR 大于10%、深度比ζ大于1.00 時(shí)，V 形織構(gòu)具有比三角形織構(gòu)和圓形織構(gòu)更明顯的優(yōu)勢(shì)，且在ζ約為1.77 和1.50 時(shí)，V 形織構(gòu)的承載力和液膜剛度分別達(dá)到最大值；在不同密封壓力下，V 形織構(gòu)的液膜剛度可達(dá)三角形織構(gòu)的2倍。