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        非規(guī)則V形表面織構(gòu)化機(jī)械端面密封性能研究

        2022-11-13 07:32:06趙文靜屠治榮孟祥鎧江錦波彭旭東
        化工學(xué)報(bào) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:織構(gòu)液膜因數(shù)

        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。

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