高壓靜密封表面微織構(gòu)設(shè)計(jì)及其密封性能的有限元分析

馬彬鈃，顏培，余建杭，焦黎，仇天陽(yáng)，王西彬，張寶榮，趙志勇

（1.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；2.山西柴油機(jī)工業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037000）

密封結(jié)構(gòu)作為現(xiàn)代工業(yè)重要組成部分之一，其可靠、高效的密封性對(duì)機(jī)械產(chǎn)品整體服役性能具有重要意義。隨著社會(huì)不斷發(fā)展，密封技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，工作在特殊環(huán)境下的部件對(duì)密封性能要求愈加嚴(yán)苛，其密封性能與產(chǎn)品整機(jī)性能直接相關(guān)。如在航空航天、國(guó)防軍工、石油化工等領(lǐng)域，核心零部件不但涉及到高壓、高溫、強(qiáng)輻射、強(qiáng)腐蝕等一系列復(fù)雜環(huán)境，同時(shí)對(duì)密封性能又有著極高的要求[1-2]。因此，采用更加可靠的密封技術(shù)，實(shí)現(xiàn)更加有效的密封效果，是現(xiàn)代工業(yè)持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)保障。

為滿足未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)坦克裝甲車輛高機(jī)動(dòng)性和快速部署的需求，提高推進(jìn)系統(tǒng)的功率密度具有極為重要的意義。高功率密度（HPD）柴油機(jī)以其出色的輕量化、高利用率、高轉(zhuǎn)速輸出等優(yōu)異性能，代表著未來(lái)裝甲車輛推進(jìn)系統(tǒng)的發(fā)展方向，而高壓共軌噴油系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)高功率密度的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。美國(guó)陸軍坦克機(jī)動(dòng)車輛局的試驗(yàn)研究表明，通過(guò)將噴射壓力提高到200 MPa，可將功率密度提高26%[4]。而噴油壓力的提升對(duì)關(guān)鍵部件的密封性能及可靠性也提出了更高的要求，實(shí)際使用過(guò)程中，若發(fā)生油泵漏油的現(xiàn)象，會(huì)對(duì)柴油機(jī)工作的安全性產(chǎn)生巨大影響。因此，增強(qiáng)泵體密封裝置的密封性能及其可靠性，是HPD 柴油機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)保障。

表面織構(gòu)作為一種新技術(shù)，近些年來(lái)發(fā)展迅速，在刀具、齒輪、軸承、計(jì)算機(jī)硬盤、內(nèi)燃機(jī)活塞與氣缸套系統(tǒng)等產(chǎn)品中應(yīng)用廣泛[5]。I. ETSION 等[6-7]建立了具有規(guī)則表面結(jié)構(gòu)的非接觸式機(jī)械密封半球形孔隙結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)其密封性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，由于在孔中和孔周圍部分密封面區(qū)域發(fā)生了空化現(xiàn)象，因此可以提高流體動(dòng)力誘導(dǎo)的承載能力；通過(guò)適當(dāng)選擇孔徑和孔徑比，可以獲得較高的間隙和較小的摩擦扭矩；最佳孔徑取決于黏度、密封壓力和孔徑比。表面織構(gòu)應(yīng)用于金屬切削刀具表面，可以起到減小磨損面面積、儲(chǔ)存潤(rùn)滑劑、降低切削力和切削溫度等效果。宋文龍等[8]提出了微池自潤(rùn)滑刀具的概念，在刀具的刀-屑、刀-工接觸部位設(shè)計(jì)、加工一定形狀和尺寸的微孔，并在其中填充固體潤(rùn)滑劑，在切削過(guò)程中，微孔中的固體潤(rùn)滑劑受熱膨脹以及切屑的摩擦擠壓作用，在刀具表面拖覆形成固體潤(rùn)滑膜，使摩擦發(fā)生在潤(rùn)滑膜內(nèi)部，產(chǎn)生“微池潤(rùn)滑”效應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)刀具的自潤(rùn)滑。張赟等[9]在鋼制導(dǎo)軌副上制備了4 種不同的微織構(gòu)，并通過(guò)仿真軟件，分析微織構(gòu)對(duì)導(dǎo)軌副接觸面接觸應(yīng)力的影響。研究表明，所有的微織構(gòu)都可以改善導(dǎo)軌副接觸面的接觸應(yīng)力，在穩(wěn)定磨損階段，所有的微織構(gòu)都有一定的減摩能力，此外，不同的微織構(gòu)具有不同的存儲(chǔ)和供應(yīng)潤(rùn)滑油、產(chǎn)生額外流體動(dòng)壓效應(yīng)和改善接觸面接觸應(yīng)力的能力。

大量研究結(jié)果表明，表面織構(gòu)應(yīng)用于具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的非接觸式機(jī)械密封結(jié)構(gòu)件表面，能夠有效提高其動(dòng)壓承載能力，增強(qiáng)密封性能。而表面織構(gòu)在靜態(tài)密封方面的應(yīng)用研究尚缺乏，其作用機(jī)理與密封效應(yīng)亟待研究。本文以柴油機(jī)高壓供油泵靜密封區(qū)為研究對(duì)象，借助有限元仿真，研究密封接觸區(qū)表面結(jié)構(gòu)增強(qiáng)密封性能的機(jī)理，分析在特定環(huán)境下提升密封性能的微結(jié)構(gòu)最優(yōu)尺寸、形狀及分布，形成靜密封表面織構(gòu)的設(shè)計(jì)思路。本研究對(duì)密封微結(jié)構(gòu)在類似結(jié)構(gòu)與工況下的推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 密封面微織構(gòu)增強(qiáng)密封機(jī)理

1.1 基于逾滲理論的靜密封原理

逾滲理論主要處理無(wú)序系統(tǒng)中由于相互連接程度的變化所引起的效應(yīng)。在逾滲理論中，逾滲閾值Pc是一個(gè)重要參數(shù)，當(dāng)系統(tǒng)的成分或某種意義上的密度變化達(dá)到逾滲閾值時(shí)，在逾滲閾值處，系統(tǒng)的一些物理性質(zhì)會(huì)發(fā)生劇烈的變化，即在逾滲閾值處，系統(tǒng)一些物理現(xiàn)象的連續(xù)性會(huì)消失或出現(xiàn)。而在靜密封問(wèn)題中，密封件表面往往凹凸不平，密封的效果是通過(guò)外界施加的夾緊力，使密封件表面微凸體發(fā)生彈性或者塑性變形，填充密封面之間的凹凸不平，減少接觸空隙，進(jìn)而阻止介質(zhì)流出而達(dá)到的。由逾滲理論可知，當(dāng)密封面之間的孔隙率P小于逾滲閾值Pc時(shí)，密封介質(zhì)不會(huì)貫穿密封界面的兩側(cè)，此時(shí)密封效果良好；當(dāng)孔隙率P等于逾滲閾值Pc時(shí)，此時(shí)密封界面完全逾滲，出現(xiàn)大的孔隙群，發(fā)生少量的介質(zhì)泄漏；當(dāng)孔隙率P大于逾滲閾值Pc時(shí)，逾滲概率急劇增加，密封界面發(fā)生大量泄漏[10-11]。

依據(jù)接觸力學(xué)理論，在壓力作用下，粗糙表面的實(shí)際接觸面積小于名義接觸面積，并且實(shí)際接觸面積隨接觸壓力的增大而增大。用實(shí)際接觸面積與名義接觸面積的比值α來(lái)表示接觸的緊密程度，則α=1?P，且當(dāng)α接近一定閾值時(shí)，界面的密封性能迅速提高，并且在達(dá)到閾值之后，滲漏通道存在的概率Pf迅速降低至接近零，此時(shí)的密封界面具有很好的密封性能[12]，其變化過(guò)程如圖1 所示。該逾滲閾值與密封界面主要影響尺度所形成系統(tǒng)尺寸和逾滲網(wǎng)格連通數(shù)密切相關(guān)，但不同連通數(shù)的滲透模型具有類似的演變規(guī)律。在工程應(yīng)用中，四連通網(wǎng)格較為普遍。本文選擇具有代表性的四連通單層網(wǎng)格，并將密封界面簡(jiǎn)化為系統(tǒng)尺寸無(wú)限大，此時(shí)Pc≈0.59，實(shí)際接觸面積與名義接觸面積的比值將收斂于0.41[13]。故在一定工況下，當(dāng)名義接觸面積一定時(shí)，密封界面之間的實(shí)際接觸面積決定密封性能，同時(shí)接觸面積的分布對(duì)密封性能也有著重要作用，即實(shí)際接觸面積越大且越集中，密封效果越顯著。

圖1 泄漏通道存在的概率與接觸概率關(guān)系曲線Fig.1 Schematic diagram of the relationship between the probability of leakage channels and the probability of contact

1.2 粗糙表面接觸狀態(tài)

密封環(huán)處于泵蓋和泵體之間，其中泵蓋與密封環(huán)的接觸平面為平整平面，而泵體上設(shè)置有一定大小的圓形凹槽，密封環(huán)放置其中，如圖2 所示。密封環(huán)零件如圖3 所示。泵蓋和泵體的材料為42CrMo，接觸端面表面粗糙度Ra為0.3 μm；密封環(huán)的材料為45 鋼，上下端面表面粗糙度Ra為0.5 μm[14-15]。泵蓋與泵體之間假定由6 個(gè)螺栓擰緊施加預(yù)緊力，擰緊力矩為20 N·m。高壓共軌系統(tǒng)油泵油壓可達(dá)到100～200 MPa，在此假定為180 MPa[16-17]。45 鋼[18]和42CrMo[19]的J-C本構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

圖2 密封表面密封環(huán)安裝位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of the installation position of the seal ring on the sealing surface

圖3 密封環(huán)零件示意圖Fig.3 Schematic diagram of seal ring parts

表1 45 鋼和42CrMo 的J-C 本構(gòu)參數(shù)Tab.1 J-C constitutive parameters of 45# steel and 42CrMo

當(dāng)密封接觸面之間發(fā)生擠壓時(shí)，由于粗糙度的存在，部分區(qū)域會(huì)先接觸[20]。研究表明，兩各向同性粗糙表面間的接觸可以等效為一個(gè)粗糙表面與一個(gè)剛性光滑平面的接觸[21]。本文使用ABAQUS 軟件對(duì)粗糙表面的接觸狀態(tài)進(jìn)行仿真，將42CrMo 接觸面等效為一剛性光滑平面。對(duì)粗糙表面形貌建模存在多種途徑[22]，本文采用二維數(shù)字濾波方法生成高斯隨機(jī)表面[23-25]，如圖4 所示。基于該模擬表面，利用APDL命令流生成三維粗糙平面[26]，與剛性表面建立接觸的幾何模型，進(jìn)行有限元分析，模型如圖5 所示。

圖4 高斯隨機(jī)表面Fig.4 Gaussian random surface

圖5 粗糙表面接觸有限元模型Fig.5 Rough surface contact finite element model

設(shè)置剛性平面為主面，粗糙接觸面為從面，接觸類型為面面接觸。剛性平面只存在z向的平移自由度，并施加下壓的位移載荷，約束粗糙面幾何模型下表面的所有自由度。將粗糙面模型分為上下兩部分，含粗糙表面的上部分采用網(wǎng)格密度為0.2 的C3D10 四面體網(wǎng)格，保證適應(yīng)性和計(jì)算精度，下部分則采用網(wǎng)格密度為0.5 的C3D8R 六面體網(wǎng)格，以減少計(jì)算時(shí)間。最終得到尺寸50 μm×50 μm 的名義接觸面積下的接觸壓強(qiáng)和實(shí)際接觸面積與名義接觸面積比值α的變化關(guān)系曲線，如圖6 所示。由圖可知，當(dāng)接觸區(qū)域壓強(qiáng)大于790 MPa 時(shí)，接觸面積比大于0.41，即可認(rèn)為密封效果良好。

圖6 粗糙接觸實(shí)際接觸面積比與載荷的關(guān)系曲線Fig.6 Relationship profile between actual contact area ratio of rough contact and load

2 基于逾滲理論的微織構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 預(yù)仿真及結(jié)果

在靜密封中采用微織構(gòu)設(shè)計(jì)，由于織構(gòu)的邊緣效應(yīng)，會(huì)產(chǎn)生多個(gè)接觸壓力峰值，從而形成“多級(jí)密封”，提升了密封的可靠性[27]。微織構(gòu)只會(huì)影響織構(gòu)處的接觸狀態(tài)，不影響其他區(qū)域的密封性。本文中微織構(gòu)的擇優(yōu)準(zhǔn)則如下：在微織構(gòu)處的接觸面積不減少的前提下，保證接觸區(qū)域的接觸壓強(qiáng)均能滿足密封要求；同時(shí)在滿足密封環(huán)強(qiáng)度的前提下，使微織構(gòu)兩端處的接觸壓強(qiáng)峰值更大[28]。采用這樣的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，盡可能提升微織構(gòu)局部區(qū)域的密封性能，進(jìn)而提升密封環(huán)整體的密封性能。

首先對(duì)密封環(huán)的初始接觸狀態(tài)進(jìn)行分析，確定微織構(gòu)的設(shè)計(jì)位置。因?yàn)榻佑|狀態(tài)關(guān)于密封環(huán)軸線中心對(duì)稱，故可將模型簡(jiǎn)化為1/4 模型，以減少網(wǎng)格數(shù)量，如圖7 所示。經(jīng)預(yù)計(jì)算可知，在預(yù)緊力的作用下，泵蓋與泵體會(huì)緊密接觸，且由于泵體與泵蓋的剛度大于密封環(huán)的剛度，泵體與泵蓋發(fā)生很小的彈性形變。設(shè)置泵體和泵蓋的接觸面為主面、密封環(huán)的上下面為從面，接觸類型為面面接觸。泵蓋只存在z向的平移自由度，并在泵蓋上表面施加向下0.3 mm 的位移載荷，約束泵體下表面的所有自由度，且約束1/4 密封環(huán)兩截面的周向自由度，保證簡(jiǎn)化的合理性。密封環(huán)采用C3D10 四面體網(wǎng)格，整體網(wǎng)格密度為0.2，在密封環(huán)與微織構(gòu)相接觸的上表面使用梯度密度布置網(wǎng)格，中間區(qū)域密度為0.002，兩端密度為0.2。對(duì)泵蓋進(jìn)行區(qū)域劃分，將微織構(gòu)區(qū)域設(shè)置為沿徑向密度為0.01、周向密度為0.1 的C3D10 四面體網(wǎng)格，其他區(qū)域采用密度為0.5 的C3D8R 六面體網(wǎng)格。泵體則采用密度為0.5 的C3D8R 六面體網(wǎng)格。采用該網(wǎng)格劃分方式細(xì)化了局部關(guān)鍵接觸區(qū)域網(wǎng)格，以保證計(jì)算精度，同時(shí)粗化其他區(qū)域的網(wǎng)格密度，提升計(jì)算效率。

圖7 密封環(huán)狀態(tài)分析有限元模型Fig.7 Finite element model for state analysis of the seal ring

圖8 所示為密封環(huán)軸向應(yīng)力云圖?？芍芊猸h(huán)下端面兩側(cè)受壓應(yīng)力最大，而上端面的壓應(yīng)力沿中心位置對(duì)稱分布。在泵蓋泵體擠壓作用下，密封環(huán)會(huì)發(fā)生形變，從而在兩側(cè)產(chǎn)生一定值的拉應(yīng)力，但相對(duì)于壓應(yīng)力而言，其值較小，可忽略其影響。金屬壓縮強(qiáng)度極限約為拉伸強(qiáng)度極限的3～4 倍，故取1500 MPa 作為參考值。圖9 為無(wú)微織構(gòu)時(shí)，密封環(huán)上下端面沿由外向內(nèi)的路徑的接觸壓強(qiáng)變化曲線。提取有限元仿真結(jié)果可知：上端面變形后，總接觸長(zhǎng)度約為3.734 mm，接觸壓強(qiáng)隨著路徑先增大，后逐漸降低，峰值約為1100 MPa；下端面變形后，總接觸長(zhǎng)度約為2.421 mm，接觸壓強(qiáng)總體在一定范圍內(nèi)變化，較穩(wěn)定，最大值約為1400 MPa，且接觸壓強(qiáng)變化趨勢(shì)與軸向應(yīng)力分布趨勢(shì)相對(duì)應(yīng)。因而在密封環(huán)實(shí)際受力作用下，下端面的接觸壓強(qiáng)大于上端面接觸壓強(qiáng)，接觸狀態(tài)較為穩(wěn)定，所以上端面較下端面易發(fā)生泄漏，且42CrMo 較45 鋼硬度大，故應(yīng)將微織構(gòu)設(shè)計(jì)于與密封環(huán)上端面接觸的泵蓋上。上端面接觸壓強(qiáng)分布近似關(guān)于中心位置對(duì)稱，故微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)位置也應(yīng)關(guān)于中心位置對(duì)稱。

圖8 密封環(huán)軸向應(yīng)力云圖Fig.8 Axial stress cloud diagram of seal ring

圖9 密封環(huán)上下端面接觸壓強(qiáng)變化曲線Fig.9 Change profile of contact pressure of upper and lower faces of seal ring: a) along the upper surface; b) along the lower surface

由預(yù)仿真確定，當(dāng)微織構(gòu)寬度為200 μm、深度為30 μm 時(shí)，具備一定增強(qiáng)密封性能的效果，故后文采用多因素逐項(xiàng)試驗(yàn)法對(duì)微織構(gòu)形狀、深度、寬度、數(shù)量以及分布進(jìn)行優(yōu)選。

2.2 微織構(gòu)形狀

對(duì)具有同樣深度和寬度，但不同截面形狀的微織構(gòu)進(jìn)行仿真。微織構(gòu)的寬度設(shè)置為200 μm，深度為30 μm，截面形狀分別設(shè)計(jì)為三角形、圓弧和梯形。圖10 為不同截面形狀密封環(huán)軸向應(yīng)力云圖，其上端面沿路徑的接觸壓強(qiáng)變化曲線及局部視圖如圖11 所示。

圖10 不同截面形狀微織構(gòu)軸向應(yīng)力云圖Fig.10 Axial stress cloud diagram of micro-textures with different cross-sectional shapes: a) triangle; b) trapezoid; c) arc

圖11 不同形狀微織構(gòu)接觸壓強(qiáng)變化曲線Fig.11 Change profile of contact pressure for micro-textures with different shapes: a) contact pressure profile of micro-textures with different shapes along the path of the upper surface; b) the local enlarged profile of the contact pressure of micro-textures with different shapes

由圖可知，無(wú)論何種形狀的微結(jié)構(gòu)，都不影響其他無(wú)微結(jié)構(gòu)區(qū)域的接觸狀態(tài)，密封環(huán)上端面微織構(gòu)兩端的軸向應(yīng)力顯著增加。由于微織構(gòu)的邊緣效應(yīng)，接觸壓強(qiáng)在微織構(gòu)處會(huì)呈現(xiàn)出“鐘形”的分布趨勢(shì)，單個(gè)微織構(gòu)會(huì)形成2 個(gè)峰值的接觸壓強(qiáng)分布趨勢(shì)。接觸壓強(qiáng)峰值大小比較為：三角形<圓弧<梯形。而接觸壓強(qiáng)的大小是衡量密封性能的主要指標(biāo)，該值越大，則密封性能越優(yōu)且更加可靠。在處于兩個(gè)峰值之間的區(qū)域，三角形和梯形截面形狀的微織構(gòu)接觸壓強(qiáng)變化波動(dòng)較大，且局部區(qū)域密封環(huán)的變形不能與泵蓋上的微織構(gòu)完全耦合，即存在接觸壓強(qiáng)為0 的現(xiàn)象，而圓弧狀截面的微織構(gòu)在該區(qū)域變化幅度小且較為穩(wěn)定，接觸壓強(qiáng)均≥790 MPa，滿足密封要求。梯形截面的微織構(gòu)引起的軸向應(yīng)力遠(yuǎn)大于1500 MPa，或造成密封環(huán)材料的局部失效。綜上所述，在滿足密封環(huán)材料不失效的前提下，圓弧形微織構(gòu)在不減少有效密封長(zhǎng)度的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多個(gè)接觸壓強(qiáng)峰值，從而形成“多級(jí)密封”，并顯著提升局部區(qū)域的密封性能及可靠性。故微織構(gòu)截面形狀選擇圓弧形最優(yōu)。

2.3 微織構(gòu)深度

對(duì)相同形狀和寬度、不同深度的微織構(gòu)進(jìn)行仿真，并對(duì)其深度進(jìn)行優(yōu)化。選擇微織構(gòu)的寬度為200 μm，截面形狀為圓弧，深度分別為15、20、25、30、35、40 μm，對(duì)應(yīng)密封環(huán)軸向應(yīng)力云圖如圖12 所示，上端面沿路徑的接觸壓強(qiáng)變化曲線及局部視圖如圖13 所示。

圖12 不同深度微織構(gòu)密封環(huán)軸向應(yīng)力云圖Fig.12 Axial stress cloud diagram of micro-textured seal rings with different depths

圖13 不同深度微織構(gòu)接觸壓強(qiáng)變化曲線Fig.13 Change profile of contact pressure for micro-textures with different depths: a) contact pressure profile of microtextures with different depths along the path of the upper surface; b) the local enlarged profile of the contact pressure of micro-textures with different depths

由圖可知，不同深度的微結(jié)構(gòu)并不影響其他無(wú)微結(jié)構(gòu)區(qū)域的接觸壓強(qiáng)分布，密封環(huán)上端面微織構(gòu)兩端的軸向應(yīng)力顯著增加，不同深度的微織構(gòu)接觸壓強(qiáng)均呈“鐘形”分布，形成“多級(jí)密封”。在微織構(gòu)寬度保持不變的前提下，隨著深度的增加，接觸壓強(qiáng)峰值和密封環(huán)軸向應(yīng)力增加，如圖14、圖15 所示。當(dāng)微織構(gòu)深度≥35 μm 時(shí)，微織構(gòu)中間區(qū)域會(huì)出現(xiàn)接觸壓強(qiáng)為0 的現(xiàn)象，此時(shí)密封環(huán)無(wú)法與微織構(gòu)完全耦合，同時(shí)密封環(huán)的軸向應(yīng)力≥1500 MPa，或造成密封環(huán)材料的局部失效。隨著微織構(gòu)深度的減小，接觸區(qū)的接觸壓強(qiáng)變化幅度減小，且接觸狀態(tài)更加穩(wěn)定，但微織構(gòu)處接觸壓強(qiáng)的峰值有所減小。綜上所述，在滿足密封環(huán)材料不失效的前提下，深度為30 μm 的微織構(gòu)在不減少有效密封長(zhǎng)度的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生多個(gè)較大的接觸壓強(qiáng)峰值，顯著提升該區(qū)域的密封性能及可靠性。故微織構(gòu)的深度為30 μm 時(shí)最優(yōu)。

圖14 接觸壓強(qiáng)峰值隨微織構(gòu)深度的變化Fig.14 Change profile of peak contact pressure with microtexture depth

圖15 密封環(huán)軸向最大應(yīng)力隨微織構(gòu)深度的變化Fig.15 Change profile of the maximum axial stress of seal ring with micro-texture depth

2.4 微織構(gòu)寬度

對(duì)相同形狀和深度、不同寬度的微織構(gòu)進(jìn)行仿真。選擇微織構(gòu)的深度為30 μm，截面形狀為圓弧，寬度分別為120、140、160、180、200、220 μm，對(duì)應(yīng)密封環(huán)軸向應(yīng)力云圖如圖16 所示，上端面沿路徑的接觸壓強(qiáng)變化曲線及局部視圖如圖17 所示。

圖16 不同寬度微織構(gòu)密封環(huán)軸向應(yīng)力云圖Fig.16 Axial stress cloud diagram of micro-textured seal rings with different widths

圖17 不同寬度微織構(gòu)接觸壓強(qiáng)變化曲線Fig.17 Change profile of contact pressure for micro-textures with different widths: a) contact pressure profile of micro-textures with different widths along the path of the upper surface; b) the local change profile of contact pressure of micro-textures with different widths

由圖可知，不同寬度的微結(jié)構(gòu)并不影響其他無(wú)微結(jié)構(gòu)區(qū)域的接觸壓強(qiáng)分布，密封環(huán)上端面微織構(gòu)兩端的軸向應(yīng)力顯著增加。微織構(gòu)深度保持不變，隨著織構(gòu)寬度的增加，接觸壓強(qiáng)峰值和密封環(huán)軸向應(yīng)力減小（見(jiàn)圖18、19），接觸區(qū)的接觸壓強(qiáng)變化幅度也減小，接觸狀態(tài)更加穩(wěn)定。當(dāng)微織構(gòu)寬度≤160 μm，微織構(gòu)中間區(qū)域會(huì)出現(xiàn)接觸壓強(qiáng)為0 的現(xiàn)象，此時(shí)密封環(huán)無(wú)法與微織構(gòu)完全耦合，同時(shí)密封環(huán)的軸向應(yīng)力≥1500 MPa，或造成密封環(huán)材料的局部失效。當(dāng)微織構(gòu)寬度為180 μm 時(shí)，微織構(gòu)與密封環(huán)接觸左端存在接觸壓強(qiáng)下降明顯的波谷，其值小于790 MPa，影響密封性能。綜上所述，在滿足密封環(huán)材料不失效的前提下，寬度為200 μm 的微織構(gòu)在不減少有效密封長(zhǎng)度的同時(shí)，產(chǎn)生多個(gè)較大的接觸壓強(qiáng)峰值，顯著提升該區(qū)域的密封性能及可靠性。故微織構(gòu)的寬度為200 μm 時(shí)最優(yōu)。

圖18 接觸壓強(qiáng)峰值隨微織構(gòu)寬度的變化Fig.18 Change profile of peak contact pressure with microtexture width

2.5 微織構(gòu)數(shù)量及分布

分別在距離密封環(huán)上端面中心位置0.3、0.7 mm處設(shè)計(jì)微織構(gòu)。因?yàn)榻佑|壓強(qiáng)分布沿中心位置近似對(duì)稱，故只設(shè)計(jì)一邊微織構(gòu)形貌，對(duì)稱于另外一側(cè)。采用同樣的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則對(duì)不同位置的微織構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。確定距離密封環(huán)上端面中心位置0.3 mm 處，微結(jié)構(gòu)深度為15 μm，寬度為220 μm；距離密封環(huán)上端面中心位置0.7 mm 處，微結(jié)構(gòu)深度為3 μm，寬度為260 μm。最后將微織構(gòu)同時(shí)設(shè)計(jì)于同一模型中進(jìn)行仿真，密封環(huán)軸向應(yīng)力云圖如圖20 所示，其上端面沿路徑的接觸壓強(qiáng)變化曲線如圖21 所示。與無(wú)微結(jié)構(gòu)相比，設(shè)置5 處微結(jié)構(gòu)，在保證密封環(huán)與微織構(gòu)完全耦合的同時(shí)，避免發(fā)生密封環(huán)零件的失效，顯著提升部分區(qū)域的接觸壓強(qiáng)，并提升密封性能和可靠性。對(duì)比單個(gè)微織構(gòu)接觸壓強(qiáng)變化曲線發(fā)現(xiàn)，多個(gè)微織構(gòu)會(huì)對(duì)單個(gè)微織構(gòu)的效果產(chǎn)生一定程度的影響，使得部分區(qū)域的接觸壓強(qiáng)降低，但并沒(méi)有出現(xiàn)未接觸的區(qū)域，其在微織構(gòu)兩側(cè)產(chǎn)生的峰值仍高于無(wú)微織構(gòu)時(shí)的接觸壓強(qiáng)，“多級(jí)密封”效應(yīng)依然存在。

圖19 密封環(huán)軸向最大應(yīng)力隨微織構(gòu)寬度的變化Fig.19 Change profile of the maximum axial stress of seal ring with micro-texture width

圖20 5 處微織構(gòu)密封環(huán)軸向應(yīng)力云圖Fig.20 Axial stress cloud diagram of five micro-textured seal ring

圖21 整體微織構(gòu)沿路徑的接觸壓強(qiáng)變化Fig.21 Contact pressure change profile of the overall microtexture along the path

目前，微織構(gòu)的加工方法有機(jī)械加工[29]、激光加工[30,31]、電解加工[32]等。考慮所設(shè)計(jì)的微織構(gòu)形狀與精度要求，后續(xù)將采用微銑削的方式對(duì)所設(shè)計(jì)的微織構(gòu)進(jìn)行加工。

3 結(jié)論

本文通過(guò)有限元仿真，研究了微織構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)靜密封性能的影響規(guī)律，并基于逾滲理論，設(shè)計(jì)了特定工況下的密封環(huán)微織構(gòu)結(jié)構(gòu)及分布，對(duì)靜密封微織構(gòu)的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。主要結(jié)論如下：

1）由于邊緣效應(yīng)，微織構(gòu)兩側(cè)的接觸壓強(qiáng)峰值顯著提升，同時(shí)影響中間區(qū)域接觸壓強(qiáng)分布趨勢(shì)，并改變密封環(huán)上端面的軸向最大應(yīng)力。

2）圓弧形微織構(gòu)的密封性能更優(yōu)。隨著微織構(gòu)深度的增加或?qū)挾鹊臏p小，微織構(gòu)邊緣接觸壓強(qiáng)峰值增加，但同時(shí)密封環(huán)軸向最大應(yīng)力也增加，且微織構(gòu)中間區(qū)域會(huì)出現(xiàn)部分區(qū)域無(wú)法與密封環(huán)完全耦合的情況；隨著微織構(gòu)深度的減小或?qū)挾鹊脑黾?，微織?gòu)區(qū)域接觸壓強(qiáng)變化幅度減小，接觸狀態(tài)更加穩(wěn)定。

3）多個(gè)微織構(gòu)結(jié)構(gòu)的密封環(huán)能在保證密封環(huán)與微織構(gòu)完全耦合的同時(shí)，避免密封環(huán)零件失效，顯著提升局部接觸壓強(qiáng)，進(jìn)而提升密封性能。