端面傾斜對(duì)粗糙表面機(jī)械密封性能的影響分析

文建平

（湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421000）

端面傾斜對(duì)粗糙表面機(jī)械密封性能的影響分析

文建平

（湖南財(cái)經(jīng)工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽(yáng) 421000）

機(jī)械密封主要是由動(dòng)環(huán)、靜環(huán)與流體膜組成，流體膜的膜厚、端面摩擦力、端面密封壓力、動(dòng)環(huán)動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速、微凸體接觸力等都會(huì)對(duì)機(jī)械密封性能產(chǎn)生不同程度的影響，而端面傾斜角度則會(huì)在這些因素的綜合作用下，對(duì)機(jī)械密封性能產(chǎn)生相應(yīng)的影響，傾斜角度值的選擇直接影響到粗糙表面機(jī)械密封性能，當(dāng)流體中心膜厚為0.5μm時(shí)，傾斜角度位于0～0.35之間，粗糙表面獲得的綜合機(jī)械密封性能就會(huì)顯著高于光滑表面。

端面傾斜；粗糙表面；機(jī)械密封；密封性能

現(xiàn)代工業(yè)是以各類(lèi)機(jī)械設(shè)備作為基礎(chǔ)，而在各種機(jī)械設(shè)備中，密封性能是機(jī)械性能的重要部分，機(jī)械密封是密封領(lǐng)域中一個(gè)獨(dú)特而優(yōu)良的技術(shù)，在流體機(jī)械設(shè)備中有廣泛的應(yīng)用。機(jī)械密封是避免液體泄漏的一個(gè)關(guān)鍵零部件，對(duì)粗糙表面的傾斜角度、流體膜厚等進(jìn)行綜合分析，能夠顯著提升機(jī)械密封性能。

1 機(jī)械密封的理論模型

1.1 幾何模型

機(jī)械密封模型主要組成部分是具有浮動(dòng)性的沿徑向方向呈收斂性端面的一個(gè)靜環(huán)、可以固定安裝的一個(gè)動(dòng)環(huán)以及流體膜組成，動(dòng)、靜環(huán)通常呈平行狀態(tài)，在機(jī)械密封的制造及安裝過(guò)程中，可能會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，動(dòng)、靜環(huán)之間的密封端面可能會(huì)出現(xiàn)一定的傾斜，使密封端面之間的流體膜厚度在沿徑向方向上出現(xiàn)不一致的分布。結(jié)合經(jīng)典潤(rùn)滑理論，在粗糙表面的膜厚比低于3時(shí)，機(jī)械密封端面能夠?qū)崿F(xiàn)混合潤(rùn)滑；在端面的傾斜角度逐漸由0向1增加時(shí)，最小名義膜厚度則會(huì)由密封端面中心的流體膜厚度逐漸減少到0；在最小名義膜厚度不高于綜合粗糙高度標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍時(shí)，粗糙表面就會(huì)相互接觸，這時(shí)，就需要分析并計(jì)算微凸體接觸力大小，進(jìn)而構(gòu)建一個(gè)數(shù)學(xué)模型。

1.2 數(shù)學(xué)模型

（1）液體的潤(rùn)滑性能。。將密封流體設(shè)定為牛頓流體，能夠保持固定的黏度，具有不可壓縮性，流體保持層流動(dòng)狀態(tài)，并忽略掉慣性效應(yīng)影響。根據(jù)平均流量模型，將壓力流量因子、剪切流量因子引入方程中，從而修正Reynolds方程。在數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建中，還要考慮端面空化現(xiàn)象的影響、質(zhì)量守恒規(guī)律，因此需要根據(jù)JFO的空化邊界條件，將一個(gè)函數(shù)與變量引入其中，對(duì)方程進(jìn)行全面修正，得出以下計(jì)算公式：

其中，F(xiàn)φ=p，1+（1-F）φ=θ=ρ/ρ1

式中，p表示流體膜壓力，θ=ρ/ρ1為流體密度比，ρ1則液態(tài)液態(tài)介質(zhì)密度，φx、φy表示壓力流量因子，φs則表示剪切流量因子。

（2）微凸體接觸力?；旌蠞?rùn)滑的情況下，密封端面之間部分微凸體發(fā)生接觸后，產(chǎn)生彈塑性變形，并產(chǎn)生一種接觸力。根據(jù)彈塑性接觸模型對(duì)微凸體接觸力進(jìn)行計(jì)算即可。

（3）密封性能的相關(guān)參數(shù)。密封性能的關(guān)鍵參數(shù)是端面摩擦力，包括了流體膜摩擦力與微凸體接觸力。摩擦力又包括了流體黏性剪切摩擦力及微凸體接觸摩擦力。機(jī)械密封的泄漏率則可由計(jì)算公式獲得：

式中，Ω表示密封端面的計(jì)算域，l表示密封端面的內(nèi)圓周線，nx、ny傾斜端面外法線向量方向的余弦值。

2 密封性能計(jì)算和討論

（1）端面的流體膜壓力分布情況。不同的傾斜角度，粗糙端面的機(jī)械密封流體膜壓力分布情況也會(huì)有所不同，傾斜角度為0，即端面動(dòng)靜兩環(huán)呈平行狀態(tài)時(shí)，端面流體膜的壓力會(huì)沿著圓周方向做均勻分布狀態(tài)，當(dāng)傾斜端面流體膜壓力沿著圓周方向產(chǎn)生變化時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)高壓區(qū)與低壓區(qū)的明顯差別；傾斜角度增加，則高壓區(qū)流體膜壓力就會(huì)增加，傾斜角度為0.2時(shí)，流體膜壓力會(huì)達(dá)到最高值即13.9MPa。端面傾斜時(shí)，密封端面流體膜厚度會(huì)沿著圓周方向生成發(fā)散區(qū)與收斂區(qū)兩個(gè)不同的區(qū)域，動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)引發(fā)流體的動(dòng)壓效應(yīng)。收斂區(qū)流體膜會(huì)生成一個(gè)高壓區(qū)，而發(fā)散區(qū)流體膜則會(huì)生成一個(gè)低壓區(qū)甚至是空化區(qū)。隨著傾斜角度的增加，高壓區(qū)域會(huì)不斷集中，從而面積不斷減小，并且不斷增加壓力峰值；低壓區(qū)域的面積則不斷增加，并且會(huì)使最低壓力不斷減少，進(jìn)而在極端情況下產(chǎn)生空化壓力。

（2）端面傾斜角度對(duì)于機(jī)械密封性能的影響。在密封壓力、中心流體膜厚度、動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速不同的條件下，傾斜角度會(huì)對(duì)機(jī)械密封端面的摩擦力產(chǎn)生不同的影響。在傾斜角度增加的條件下，端面摩擦力會(huì)加速增長(zhǎng)，這種情況是由于端面傾斜時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一種流體動(dòng)壓效應(yīng)，有效提升了流體膜的摩擦力，傾斜角度增加，流體動(dòng)壓效應(yīng)也就會(huì)增強(qiáng)，流體膜的摩擦力也就會(huì)增大。傾斜角度的增加，會(huì)使最小流體膜厚呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，當(dāng)最小膜厚達(dá)到綜合粗糙高度標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍時(shí)，粗糙端面就會(huì)相互接觸，進(jìn)而產(chǎn)生微凸體接觸力，在傾斜角度固定時(shí)，通過(guò)密封壓力與動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速的增加、中心膜厚的減小，都能夠增強(qiáng)流體動(dòng)壓效應(yīng)，從而提高液體膜摩擦力，密封壓力的增加，也能夠提高流體的靜壓效應(yīng)，并提高端面的摩擦力。

工況相同的條件下，粗糙表面機(jī)械密封端面摩擦力始終要比光滑表面高，傾斜角度的增加，會(huì)使粗糙表面機(jī)械密封和光滑表面機(jī)械密封壓力差值增加，傾斜角度相同時(shí)，密封壓力與動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速的增加或者中心膜厚度的減小，會(huì)使粗糙表面和光滑表面的密封壓力差值不斷增加，因此，表面粗糙度會(huì)產(chǎn)生流體動(dòng)壓效應(yīng)，進(jìn)而增加端面摩擦力，而且傾斜角度、密封壓力、動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速的增加或者中心膜厚的減少，會(huì)使粗糙表面端面動(dòng)壓效應(yīng)增強(qiáng)，并且增加端面摩擦力。

傾斜角度增加，端面摩擦力會(huì)出現(xiàn)先減少之后增大的趨勢(shì)，當(dāng)摩擦力達(dá)到最小值時(shí)，其傾斜角度對(duì)應(yīng)一個(gè)極值點(diǎn)，當(dāng)傾斜角度在這一極值的范圍內(nèi)時(shí)，由于端面傾斜的空化現(xiàn)象，空化區(qū)面積會(huì)因傾斜角度的增加而增大，而其流體密度比則會(huì)相應(yīng)減少，進(jìn)而降低了空化區(qū)液體黏性剪切應(yīng)力，使其低于液體膜完整區(qū)域的流體黏性剪切應(yīng)力，并降低了端面之間的流體黏性剪切摩擦力。在傾斜角度大于這一極值點(diǎn)的范圍內(nèi)時(shí)，空化區(qū)域面積與流體密度比會(huì)穩(wěn)定在一個(gè)值內(nèi)，而最小膜厚則會(huì)因傾斜角度的增大而減小，進(jìn)而增加了最小膜厚附近區(qū)域的液體黏性剪切應(yīng)力與端面之間的流體黏性剪切摩擦力。中心膜厚減小，極值點(diǎn)也會(huì)減小，密封壓力、動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速的增加，則基本不會(huì)影響極值點(diǎn)的大小。傾斜角度相同時(shí)，中心膜厚的減小與密封壓力、動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速的增加，會(huì)增加密封端面的摩擦力；增加密封壓力，則會(huì)增加開(kāi)啟力與泄漏率，同時(shí)增加了端面摩擦力，并增加了密封端面之間的流體靜壓效應(yīng)。工況相同的條件下，粗糙表面機(jī)械密封的端面摩擦力高于光滑表面，在傾斜角度大于極值點(diǎn)范圍時(shí)，粗糙表面端面摩擦力的增加速度遠(yuǎn)高于光滑表面摩擦力增加速度。

從數(shù)學(xué)模型可以看出，傾斜角度與泄漏率之間有直接的關(guān)系，傾斜角度的增加，會(huì)使泄漏率出現(xiàn)加速增長(zhǎng)趨勢(shì)，而泄漏率與膜厚的立方呈正比，因此膜厚增加，泄漏率也會(huì)增加，從而提高了總泄漏率。傾斜角度相同時(shí)，密封壓力與中心膜厚的增加，會(huì)提高泄漏率；動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速的增加，則會(huì)因傾斜角度的范圍值不同而呈不同的變化趨勢(shì)，在傾斜角度值低于0.6時(shí)，泄漏率基本保持不變，當(dāng)傾斜角度高于0.6時(shí)，泄漏率則會(huì)有一定的增加。在中心膜厚極小的情況下，傾斜角度就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)臨界點(diǎn)，當(dāng)傾斜角度位于0到這一臨界點(diǎn)的范圍內(nèi)時(shí)，粗糙表面機(jī)械密封端面泄漏率就會(huì)明顯低于光滑表面泄漏率；如果傾斜角度在這一臨界點(diǎn)到1的范圍內(nèi)時(shí)，粗糙表面機(jī)械密封端面泄漏率就會(huì)顯著高于光滑表面泄漏率。這一臨界點(diǎn)會(huì)因中心膜厚的增加而降低。

3 結(jié)語(yǔ)

工況相同的條件下，傾斜角度的增加，會(huì)使端面摩擦力與泄漏率增加，而摩擦力則會(huì)在減小之后又加速增加。傾斜角度相同時(shí)，密封壓力、動(dòng)環(huán)轉(zhuǎn)速的增加或者中心膜厚的減少，能夠有效增加密封端面摩擦力與泄漏率。粗糙表面會(huì)產(chǎn)生一定的流體動(dòng)壓效應(yīng)，從而有效提升端面摩擦力。傾斜角度的增加，會(huì)使動(dòng)壓效應(yīng)增強(qiáng)，從而增加了摩擦力。當(dāng)中心膜厚為0.5μm時(shí)，傾斜角度位于0到0.35之間，粗糙表面獲得的綜合機(jī)械密封性能就會(huì)顯著高于光滑表面。

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文建平（1962-），湖南衡陽(yáng)人，大學(xué)本科，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：模具設(shè)計(jì)及教學(xué)。