傾斜微孔密封端面氣體潤(rùn)滑動(dòng)壓效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究

白少先 柏林清 孟祥鎧 李紀(jì)云 彭旭東

浙江工業(yè)大學(xué)，杭州，310032

0 引言

動(dòng)壓效應(yīng)是氣體潤(rùn)滑非接觸端面密封研究和設(shè)計(jì)中的重要問(wèn)題，良好的動(dòng)壓特性有利于密封端面的順利開(kāi)啟和穩(wěn)定運(yùn)行，減少密封端面的接觸和磨損。Etsion等［1］將微孔減摩技術(shù)（即在摩擦副表面加工形狀規(guī)則的微坑）引入液體端面機(jī)械密封中形成多孔端面密封，并成功應(yīng)用于2.3MPa壓力機(jī)械密封［2］。Kilgerman等［3］將微孔減摩技術(shù)擴(kuò)展到氣體端面密封，McNickle等［4］實(shí)驗(yàn)表明氣體多孔密封的摩擦扭矩比普通機(jī)械密封的摩擦扭矩可下降40%，端面溫升可降低20℃。但是，圓形［5］、方形［6］等微孔密封端面的動(dòng)壓特性不明顯，使微孔氣體密封更多地表現(xiàn)為一種靜壓型密封［7］，限制了微孔減摩技術(shù)在氣體端面密封中的應(yīng)用。

研究表明［8－9］，傾斜性方向微孔具有明顯的氣體潤(rùn)滑動(dòng)壓特性，可形成動(dòng)壓型多孔端面氣體密封。柏林清等［10］數(shù)值分析了傾斜微孔排列方式的影響，表明端面傾斜微孔的雙列排布結(jié)構(gòu)可增強(qiáng)微孔的氣體潤(rùn)滑動(dòng)壓效應(yīng)并減小密封端面的氣體泄漏。實(shí)驗(yàn)研究［11－12］表明傾斜微孔端面具有明顯的動(dòng)壓效應(yīng)，即隨著轉(zhuǎn)速的增加配副端面可迅速打開(kāi)、氣膜厚度增大、摩擦扭矩減小。但是，傾斜方向性微孔的氣體潤(rùn)滑動(dòng)壓特性在密封壓力影響下的變化規(guī)律尚缺乏充分的實(shí)驗(yàn)研究。

本文重點(diǎn)對(duì)密封壓力影響下傾斜微孔端面的氣體潤(rùn)滑動(dòng)壓效應(yīng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，采用單列和雙列排布形式的傾斜微孔端面，對(duì)不同密封壓力和轉(zhuǎn)速下的氣體潤(rùn)滑膜厚度變化進(jìn)行測(cè)量，分析端面排布、密封壓力和轉(zhuǎn)速對(duì)傾斜微孔端面動(dòng)壓效應(yīng)的影響規(guī)律和機(jī)理，為理論研究和工程應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

圖1所示為多孔端面密封氣體潤(rùn)滑實(shí)驗(yàn)裝置。試件安裝于密封腔體內(nèi)，如圖1a所示，外徑處密封壓力為po，內(nèi)徑處壓力為pi＝0.1MPa。在氣膜壓力p形成的開(kāi)啟力Fo的作用下動(dòng)環(huán)可沿軸向向下浮動(dòng)，而作用在動(dòng)環(huán)背面的彈簧力Fs與密封壓力po構(gòu)成閉合力Fc阻止動(dòng)環(huán)的移動(dòng)，當(dāng)開(kāi)啟力Fo和閉合力Fc平衡時(shí)，動(dòng)靜環(huán)端面間可形成穩(wěn)定的氣膜厚度h，該氣膜厚度可利用固定在靜環(huán)上的電渦流傳感器測(cè)量與動(dòng)環(huán)相固定的金屬片的軸向位置變化獲得。上試件為端面開(kāi)有傾斜橢圓微孔的靜止環(huán)，橢圓微孔長(zhǎng)軸為a，短軸為b，橢圓微孔的長(zhǎng)軸與通過(guò)微孔中心的密封端面直徑具有傾斜角度α（如圖1b所示），下試件為光滑動(dòng)環(huán)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

密封壓力使得氣體從密封環(huán)外徑向內(nèi)徑流動(dòng)，在密封端面間形成具有一定壓力分布的氣膜，形成密封靜壓作用力；靜環(huán)端面的傾斜微孔（圖1）在動(dòng)環(huán)和靜環(huán)相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)可產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)，形成動(dòng)壓作用力。因而，密封端面的氣膜開(kāi)啟力Fo由密封靜壓和旋轉(zhuǎn)動(dòng)壓兩種部分構(gòu)成。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，兩接觸端面的分離可通過(guò)增加密封壓力或動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速兩種方式實(shí)現(xiàn)，膜厚的變化可反映密封壓力靜壓效應(yīng)和微孔動(dòng)壓效應(yīng)的強(qiáng)弱。

實(shí)驗(yàn)潤(rùn)滑介質(zhì)為空氣，動(dòng)環(huán)材料為石墨，靜環(huán)材料為SiC。動(dòng)環(huán)為光滑端面，端面粗糙度Ra＝0.2μm。靜環(huán)端面采用激光加工出不同排布方式的傾斜微孔，端面非開(kāi)孔區(qū)粗糙度Ra＝0.2μm。密封環(huán)的工作外徑do＝50mm，工作內(nèi)徑di＝38mm，平衡直徑db＝43mm，開(kāi)孔直徑dg＝42.5mm。實(shí)驗(yàn)中所用4種端面結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中靜環(huán)端面1和3為局部開(kāi)有單列分布傾斜橢圓微孔的單列傾斜微孔端面，端面2和4為局部開(kāi)有雙列分布傾斜橢圓微孔的雙列傾斜微孔端面。圖3所示為激光加工得到的單列微孔靜環(huán)端面1傾斜橢圓微孔三維幾何形貌。實(shí)驗(yàn)端面微孔參數(shù)如表1所示，其中雙列微孔端面2和4的內(nèi)外兩列微孔的傾斜角相等、方向相反。

圖2 實(shí)驗(yàn)用密封環(huán)端面

圖3 單列微孔靜環(huán)端面1激光加工傾斜橢圓微孔幾何形貌

表1 靜環(huán)端面微孔參數(shù)

2 結(jié)果分析與討論

2.1 微孔排布的影響

圖4是微孔端面1和端面2的瞬時(shí)開(kāi)啟特性曲線(xiàn)。從圖中可以看出：①單雙列傾斜微孔端面均可形成明顯的動(dòng)壓效應(yīng)，當(dāng)上下試件在16s開(kāi)始相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，配對(duì)摩擦端面迅速分離；②雙列微孔端面2的動(dòng)壓效果明顯大于端面1的動(dòng)壓效果，單列微孔端面1的氣膜厚度由0增加到約1.5μm，而雙列微孔端面2的氣膜厚度則由0增加到約3.0μm。

圖4 單雙列排布方式微孔端面開(kāi)啟特性對(duì)比曲線(xiàn)

文獻(xiàn)［10］理論分析了雙列傾斜微孔端面排布的影響規(guī)律和機(jī)理：一方面，外側(cè)微孔的方向性?xún)A斜使得外徑處氣體沿微孔長(zhǎng)軸方向向內(nèi)徑處流動(dòng)，氣體在微孔末端不斷積累和壓縮；另一方面，內(nèi)側(cè)微孔將部分內(nèi)徑處氣體沿微孔長(zhǎng)軸方向向外側(cè)泵送，在一定程度上阻礙了外側(cè)氣體的流動(dòng)，在兩個(gè)孔帶交界處形成高壓，產(chǎn)生明顯的動(dòng)壓效應(yīng)，啟動(dòng)時(shí)兩端面可迅速分離，從而實(shí)現(xiàn)氣體端面密封的動(dòng)壓開(kāi)啟，減少密封端面的接觸摩擦和磨損。而對(duì)于單列微孔端面，由于缺少內(nèi)側(cè)微孔的泵送擠壓效應(yīng)，動(dòng)壓效應(yīng)比雙列微孔端面要小。

圖5是兩種不同尺寸雙列排布微孔端面2和4的開(kāi)啟曲線(xiàn)。從圖中可以看出，端面2和4的氣膜厚度數(shù)值分別約為2.0μm和1.0μm，即端面2比端面4的動(dòng)壓效應(yīng)較強(qiáng)。根據(jù)文獻(xiàn)［8，10］的理論分析，當(dāng)微孔深度與氣膜厚度比值約等于1.5時(shí)，微孔的動(dòng)壓效應(yīng)最強(qiáng)，隨著孔深的逐漸增加，動(dòng)壓效應(yīng)減弱；微孔方向因子γ越大，動(dòng)壓效應(yīng)越強(qiáng)。因而，在端面開(kāi)孔面積比相近的情況下（端面2的Sp＝0.192，端面4的Sp＝0.213），圖5中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示雙列排布端面2（hd＝4μm，γ＝5）的氣膜厚度大于端面4（hd＝8μm，γ＝4）。

圖5 雙列排布微孔端面開(kāi)啟特性對(duì)比曲線(xiàn)

2.2 轉(zhuǎn)速的影響

圖6 轉(zhuǎn)速對(duì)氣膜厚度的影響（po＝0.25MPa，F(xiàn)s＝12N）

圖6所示是端面1和端面2氣膜厚度隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。由圖中實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：①隨著轉(zhuǎn)速的增加，雙列傾斜微孔端面和單列傾斜微孔端面間的氣膜厚度逐漸增大，動(dòng)壓效應(yīng)越來(lái)越強(qiáng)；②相同轉(zhuǎn)速下，雙列傾斜微孔端面間的氣膜厚度明顯大于單列傾斜微孔端面的氣膜厚度，但是轉(zhuǎn)速越大，單雙列微孔端面間氣膜厚度差值越小，轉(zhuǎn)速為2400r/min時(shí)，單列傾斜微孔端面間的氣膜厚度僅為雙列傾斜微孔端面間的50%，而轉(zhuǎn)速為4200r/min時(shí)，單列傾斜微孔端面間氣膜厚度可達(dá)雙列傾斜微端面的90%。這說(shuō)明相同條件下雙列傾斜微孔端面的動(dòng)壓性能優(yōu)于單列傾斜微孔端面，特別是在低速時(shí)，雙列傾斜微孔端面動(dòng)壓效應(yīng)強(qiáng)的特點(diǎn)更為突出。

2.3 密封壓力的影響

圖7所示是密封壓力對(duì)端面3和端面4氣膜厚度的影響。從圖中可以看出：①隨著密封壓力的增加，轉(zhuǎn)速n＝0時(shí)由靜壓引起的氣膜厚度逐漸增加，當(dāng)壓力從0.26MPa增加到0.30MPa時(shí)，端面3的靜壓膜厚從約0.1μm增加到0.6μm，即隨著密封壓力的增加，兩接觸端面可實(shí)現(xiàn)靜壓分離；②隨著密封壓力的增加，動(dòng)壓效應(yīng)形成的膜厚所占比重逐漸減小，轉(zhuǎn)速n＝4200r/min時(shí)，隨著壓力從0.26MPa增加到0.30MPa，端面3的動(dòng)壓膜厚占整個(gè)氣膜厚度的比例從約95%下降到約78%，表明密封壓力的增加可減弱動(dòng)壓效應(yīng)的影響；③雙列傾斜微孔端面間動(dòng)壓效應(yīng)和氣膜厚度大于單列傾斜微孔端面，轉(zhuǎn)速n＝4200r/min，壓力0.30MPa時(shí)，單列微孔端面3和雙列微孔端面4的氣膜厚度分別為2.3μm和2.6μm，動(dòng)壓膜厚所占的比重分別為78%和94%，說(shuō)明雙列傾斜微孔端面表現(xiàn)出更好的動(dòng)壓性能，更易實(shí)現(xiàn)氣體端面密封的動(dòng)壓開(kāi)啟。

圖7 密封壓力對(duì)氣膜厚度的影響（Fs＝12N）

3 結(jié)論

（1）傾斜微孔氣體潤(rùn)滑端面在密封壓力作用下可以產(chǎn)生明顯的流體潤(rùn)滑動(dòng)壓效應(yīng)，并隨轉(zhuǎn)速的增加而增強(qiáng)，使兩密封端面迅速開(kāi)啟；隨著密封壓力增加，密封壓力形成的靜壓效應(yīng)逐漸消弱動(dòng)壓效應(yīng)對(duì)氣膜厚度的影響，傾斜微孔有利于減小密封端面的接觸摩擦和磨損。

（2）傾斜微孔的排布方式對(duì)端面氣體動(dòng)壓效應(yīng)影響明顯，文中實(shí)驗(yàn)雙列傾斜微孔端面的動(dòng)壓特性?xún)?yōu)于單列傾斜微孔端面，即雙列微孔端面的動(dòng)壓效應(yīng)形成的氣膜厚度大于單列傾斜微孔端面動(dòng)壓效應(yīng)形成的氣膜厚度，雙列排布方式比單列分布方式更有利于實(shí)現(xiàn)傾斜微孔氣體端面密封的動(dòng)壓開(kāi)啟。

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