（流体机械及工程专业论文）端面激光微造型机械密封性能研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 机械密封是流体机械和动力机械的重要装置之一，摩擦副的接触端面是机械 密封的主要密封端面，是决定其密封性能的关键，同时也是决定机械密封的摩擦 磨损和工作寿命的关键。为了改善机械密封端面摩擦副的润滑状况，提高密封性 能，人们将表面造型技术应用于机械密封，在密封端面加工各种形状的几何形貌， 以产生动压效应和泵送效应，以此减小机械密封的摩擦磨损和泄漏量，替代普通 机械密封应用于高参数及危险性的恶劣工况。 本文从摩擦润滑理论和粘性流体力学角度分析了端面造型机械密封的内部流 动。由连续性方程和动量方程出发，推导了适用于机械密封流体动压润滑的雷诺 方程，并分析了各项对动压效应产生的意义。应用c f d 软件f l u e n t 对特定槽型参 数的端面螺旋槽造型机械密封的端面内流场进行了数值模拟，结果显示，对于特 定槽型参数的螺旋槽端面密封存在一定的适用工况范围。首次建立了螺旋槽与微 凹腔端面造型的几何模型，并对其流场进行了数值计算，结果表明，端面微凹腔 造型能产生较高的端面动压效应，减小端面剪切力，有效降低摩擦副的摩擦磨损， 且微凹腔呈辐射状分布在堰区时，能够在降低加工成本的同时获得良好的润滑效 果。 对端面无造型、微凹腔造型、螺旋槽造型、螺旋槽加微凹腔造型四种不同端 面形貌的机械密封进行了性能试验，针对密封性能有显著影响的密封介质压力和 转速两个关键参数的不同搭配选取1 2 组进行了试验，工况参数的选取与数值模拟 的参数对应，试验结果既验证了数值模拟结果的正确性，也显示了各种端面造型 机械密封在不同工况下的优势。其中普通端面机械密封具有良好的密封性能，但 摩擦磨损严重，且适用的工况范围很有限；端面微凹腔造型的机械密封润滑性能 优越，但泄漏量较大；端面螺旋槽造型的机械密封在保证密封性能的同时，具有 比普通端面机械密封优越的润滑性能，但一定槽型参数的螺旋槽具有一定的适用 工况范围，且降低摩擦磨损的能力逊色于微凹腔造型的机械密封；端面微凹腔加 螺旋槽造型机械密封较前三者具有明显的优势，具有良好密封性能的同时有效降 低了端面摩擦副的摩擦磨损，且更加适用于高参数的工况条件。 江苏大学硕士学位论文 创造性地提出了一种新型的端面造型机械密封，此端面造型的机械密封是在 原螺旋槽端面密封的基础上加工周向贯通槽，周向贯通槽加工于螺旋槽的径向末 端，与螺旋槽贯通，周向连续，能够有效降低停机开启时的摩擦磨损，平衡端面 压力和热量分布，且加工工序比端面螺旋槽槽加微凹腔造型的机械密封简单。 关键词：机械密封，激光端面造型，动压润滑，密封性能，数值模拟 i i 江苏大学硕士学位论文 a bs t r a c t m e c h a n i c a ls e a li so n eo ft h em o s ti m p o r t a n td e v i c e sf o rf l u i dm a c h i n e r ya n d p o w e rm a c h i n e r y t h ec o n t a c t i n gf a c e so fs e a l i n gr i n g sa r et h ed o m i n a n tf a c e si nt h e m e c h a n i c a ls e a l sw h i c ha r ek e y st od e t e r m i n es e a l i n gp e r f o r m a n c e ，a sw e l la sf r i c t i o n a n dw o r k i n gl i f e i no r d e rt oi m p r o v et h el u b r i c a t i o nc o n d i t i o n so fm e c h a n i c a ls e a l f r i c t i o np a i r sa n dt oi m p r o v es e a l i n gp e r f o r m a n c e ，p e o p l eu s es u r f a c em o d e l i n g t e c h n o l o g yt ot e x t u r eav a r i e t yo fg e o m e t r i cs h a p e sm o r p h o l o g yo nm e c h a n i c a ls e a l s r i n gf a c e ，t og e n e r a t ed y n a m i cp r e s s u r ee f f e c t sa n dp u m p i n ge f f e c t ，r e d u c i n gf r i c t i o n w e a ra n dl e a k a g e ，a n dt or e p l a c eo r d i n a r ym e c h a n i c a ls e a l su s e di nh i g h - r i s kp a r a m e t e r s a n dt h ep o o rw o r k i n gc o n d i t i o n s i nt h i sp a p e r ，t h ei n t e r n a lf l o wo fm e c h a n i c a ls e a l si sa n a l y z e db a s e do i lf r i c t i o n a n dl u b r i c a t i o nt h e o r i e sa n dv i s c o u sh y d r o d y n a m i c r e y n o l d se q u a t i o n sa p p l i e dt o s e a l e df l u i dh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o na r ed e r i v e df r o mt h ec o n t i n u i t ye q u a t i o na n d m o m e n t u me q u a t i o n ，a n ds i g n i f i c a n te f f e c to fe v e r yi t e mt od y n a m i cp r e s s u r ew a s a n a l y z e d t h eg e o m e t r ym o d e lo fm e c h a n i c a ls e a lr i n gf a c el a s e rt e x t u r e db o t hs p i r a l g r o o v e sa n dm i c r o c a v i t i e sw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h ei n n e rf l o wb e t w e e nt h ef a c e sw a s c a l c u l a t e da p p l i e dc f ds o f t w a r e ，a n dt h er e s u l t so fn u m e r i c a ls i m u l a t i o ns h o wt h a t t h e r ei sac e r t a i ns c o p eo fa p p l i c a t i o nc o n d i t i o n sf o rm e c h a n i c a ls e a lt e x t u r e dw i t h p a r t i c u l a rs h a p e ds p i r a lg r o o v e s a tt h es a m et i m en u m e r i c a ls i m u l a t i o n sf o rm e c h a n i c a l s e a lf l o wf i e l dw i t hb o t hg r o o v e sa n dc a v i t i e so nt h er i n gf a c ew e r et a k e n ，a n dt h e r e s u l t ss h o wt h a tm i c r o - c a v i t i e sc a np r o d u c eah i g hd y n a m i cp r e s s u r ea n dr e d u c et h e c o n t a c t i n gs h e a rf o r c e ，e f f e c t i v e l yr e d u c i n gt h ef r i c t i o na n dw e a ro ff r i c t i o np a i r s ，a n d t h ep r o c e s s i n gc o s tc a nb er e d u c e dw h e nm i c r o c a v i t i e sa r er a d i a l i z e dd i s t r i b u t e di nt h e w e i ra r e a t h es e l e c t i o n so f o p e r a t i n gc o n d i t i o n s w e r ec o n s i s t e n tw i t ht h en u m e r i c a l s i m u l a t i o ns e t t i n g s s e a l e dm e d i u mp r e s s u r ea n dr o t a t i o n a ls p e e d ，t h et w ok e yc o n d i t i o n p a r a m e t e r se f f e c ts e a lp e r f o r m a n c e ，w e r eb o t hc h o s e nd i f f e r e n tv a l u e st of o r md i f f e r e n t c o m b i n a t i o n sf o r1 2d i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s m e c h a n i c a ls e a lp e r f o r m a n c et e s t s w e r ec a r d e do u tu n d e rt h e1 2d i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，o nf o u rd i f f e r e n t f a c e - t e x t u r e ds e a l s 一n o n ef a c et e x t u r e ，m i c r o c a v i t i e st e x t u r e d ，s p i r a lg r o o v e st e x t u r e d ， b o t hs p i r a lg r o o v e sa n dm i c r o c a v i t i e st e x t u r e d t h et e s tr e s u l t sv e r i f i e dt h ec o r r e c t n e s s i i i 江苏大学硕士学位论文 o ft h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n r e s u l t s ，a n ds h o w e dt h ea d v a n t a g e s o fd i f f e r e n t f a c e t e x t u r e dm e c h a n i c a ls e a l su n d e rd i f f e r e n t o p e r a t i n gc o n d i t i o n s c o m m o n m e c h a n i c a lf a c es e a lw h i c hh a sg o o ds e a l i n gp e r f o r m a n c e ，b u tt h es e v e r ef r i c t i o na n d w e a rr e s u l ti nav e r yl i m i t e da p p l i c a t i o ni nh i l g h r i s kp a r a m e t e r sa n dt h ep o o ro p e r a t i n g c o n d i t i o n s ； m i c r o - c a v i t i e sf a c e t e x t u r e dm e c h a n i c a ls e a lh a s s u p e r i o r l u b r i c a t i o n p e r f o r m a n c e ，b u tt h el e a k a g ei sr e l a t i v e l yl a r g e ；s p i r a lg r o o v e sf a c e - t e x t u r e dm e c h a n i c a l s e a le n s u r e ss e a lp e r f o r m a n c ew i t hb e t t e rl u b r i c a t i o np e r f o r m a n c et h a no r d i n a r y m e c h a n i c a lf a c es e a l ，b u tc e r t a i np a r a m e t e r sf o rs p i r a lg r o o v eh a sac e r t a i nr a n g eo f a p p l i c a t i o nc o n d i t i o n s ，a n dt h ea b i l i t yt or e d u c ef r i c t i o na n dw e a ri sw o r s et h a nt h a to f t h em i c r o - c a v i t i e sf a c e t e x t u r e dm e c h a n i c a ls e a l ；b o t hm i c r o c a v i t i e sa n ds p i r a lg r o o v e s f a c e - t e x t u r e dm e c h a n i c a ls e a lh a v eo b v i o u sa d v a n t a g e so v e rt h ea b o v et h r e ek i n d so f f a c e t e x t u r e dm e c h a n i c a ls e a l s ，谢t h g o o ds e a l i n gp e r f o r m a n c ew h i l ee f f e c t i v e l y r e d u c i n gt h ef r i c t i o nf a c ew e a r ，a n db e t t e ra d a p t a b i l i t i e sf o rh i g hp a r a m e t e r sw o r k i n g c o n d i t i o n s an e wt y p eo ff a c e t e x t u r e dm e c h a n i c a ls e a lw a sc r e a t i v e l yp u tf o r w a r d ，w i t ha c i r c u m f e r e n t i a lg r o o v et e x t u r e do nt h eo r i g i n a ld a ma r e ac o n n e c t e dt ot h er a d i a le n do f t h eo r i g i n a ls p i r a lg r o o v e s ，c i r c u m f e r e n t i a lc o n t i n u o u s i tc a ne f f e c t i v e l yr e d u c e t h e f r i c t i o na n dw e a rd u r i n go p e ns t a r t u pa n ds h u t d o w n ，a n dc a nb a l a n c ef a c ep r e s s u r ea n d h e a td i s t r i b u t i o n sw h i l ew o r k i n g t h em a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e so ft h i sk i n do ff a c e t e x t u r ea r em u c hm o r es i m p l et h a nt h eb o t hs p i r a lg r o o v e sa n dm i c r o - c a v i t i e st e x t u r e d f a c e k e y w o r d s ：m e c h a n i c a ls e a l ，l a s e rs u r f a c et e x t u r e ，h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n ，s e a l p e r f o r m a n c e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密画。 学位论文作者签名：彦动句 矽肜年多月f 。日 指导狮签名：荔利 加f 兮年易只lf 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 奄垂角 日期：矽p 年石月，。e l 江苏大学硕士学位论文 1 1研究背景 第一章绪论 机械密封是流体机械和动力机械中重要的密封装置，它是由一对垂直于旋转 轴线的端面在密封介质压力和补偿机构( 弹性元件) 弹力的作用下保持贴合，并 配以辅助密封而达到防止介质泄漏的功能【1 1 。典型结构形式如图1 - 1 所示，动静环 的端面摩擦副是主要密封面，是决定机械密封摩擦、磨损和密封性能的关键，同 时也决定机械密封的工作寿命。机械密封的泄漏主要发生在以下几处： 1 ) 摩擦副接触面i 处。据统计，机械密封的泄漏大约有8 0 - - 9 5 是由于密 封端面摩擦副造成的。因此，要求接触面保持平行，对于不同的密封介质，选用 合适的密封副材料组合，注意耐磨损、耐腐蚀以及选取合适的几何参数等。 劲静环与压盖的辅助密封件i i 处和动环与轴( 或轴套) 的辅助密封i i i 处。辅 助密封面是决定机械密封密封性和动环追随性的关键。 3 1 压盖与密封箱体之间的静密封、轴套与轴之间的静密封v 、动环镶嵌结 构的配合处。由于这三处均为静密封，应根据密封介质选用相容材料的密封垫 或配合。 v 冲洗液 i f v i v 1 防转销2 压盖3 静环o 形圈4 静环5 动环6 一动环0 形圈7 一传动销8 一推环 9 弹簧1 0 弹簧座1 1 紧定螺钉1 2 轴套i 、i t 、i v 、v 泄漏点 图1 - 1 典型机械密封结构形式 只要主密封面的表面粗糙度、平直度以及材料的耐磨性能均达到一定的要求， 机械密封的泄漏量可以大大减少，甚至达到肉眼看不见的程度。因此，为了改善 江苏大学硕士学位论文 机械密封的密封性能和端面摩擦副的润滑状况，近年来人们将表面造型技术应用 于机械密封，在密封端面加工出各种形状的几何形貌，以此实现机械密封的零泄 漏和非接触式运转【2 】。 基于现代流体动压润滑理论的端面造型机械密封是一种新型非接触式机械密 封，具有泄漏量少、磨损小、寿命长、能耗低和维修量小等优点，因此适用于高 压、高速、高含固体颗粒介质等苛刻的工况条件。其中螺旋槽机械密封概念问世 已有2 0 多年，且己开发出螺旋槽机械密封产品并应用于工程实际。其作用原理是 在某密封端面上开设流体动压槽，与另一平行密封端面作相对运动时，借助动压 槽的粘性剪切作用，将由高压侧泄漏到低压侧的少量密封介质泵送回高压侧，以 消除密封介质由高压侧向低压侧的泄漏。同时在两密封端面间形成稳定的液体膜， 形成流体动压力以平衡端面闭合力，实现密封端面的非接触【3 一。 自1 8 8 5 年英国申请了第一个机械密封的专利及上世纪初应用于工业生产至 今，机械密封的发展已有1 0 0 多年的历史。目前国际上有不少专门从事研究、生 产和销售机械密封的学术团体和跨国公司，如英国流体力学组织( b h r g ) 、欧洲 密封协会( e s a ) 、美国流体密封协会( f s a ) 、美国f l o w s e r v e 公司、英国j o h nc r a n e 公司、德国b u r g m a n 公司、日本的皮拉公司等。我国从2 0 世纪6 0 年代开始认识、 使用机械密封，随后陆续开始生产和研究，并建立了一系列的标准。国内常规机 械密封的设计和生产已接近国外先进水平，但在产品规格、高性能材料和高参数 机械密封等方面，与国外仍有很大的差距，尤其在端面造型机械密封领域的研究 和生产方面。 本课题来源于江苏省自然科学基金项目f 编号b k 2 0 0 7 0 9 5 ) “具有微尺度形貌的 液体端面密封内流场与润滑理论研究”和江苏省高校自然科学基础研究项目( 编号 0 6 k j b 4 8 0 0 1 9 ) “全液体润滑机械密封内部流动微尺度效应及润滑理论研究”，旨在 对于具有微尺度端面形貌的机械密封的性能进行分析研究，对于提高国内机械密 封的技术水平，实现工业生产尤其是有害、危险性流体的零泄漏密封，具有重要 的社会效益和经济效益。 1 2 本课题研究的目的和意义 随着人们对环境保护的日益关注，对机械密封的泄漏要求越来越严格，美国 2 江苏大学硕士学位论文 摩擦学家与润滑工程师学会制定了部分易挥发物逸出定量控制规定指南，要求机 械密封从零泄漏向零逸出发展。为了延长装置检修周期以延长操作周期，中国许 多行业要求机械密封的工作寿命由1 年延长n 2 年，国外己提出由2 年延长到3 年 ( a p i 6 8 2 1 q b 有明确规定) 。因此，发展机械密封的新理论、新技术以及开发出 满足用户需求的高参数、高性能机械密封新产品势在必行。 在机械密封环端面进行微尺度几何形貌的激光加工，能够在减小机械密封泄 漏的同时解决摩擦副的摩擦磨损问题，真正实现机械密封的零泄漏和非接触。它 特别适用于高速、高压、高温等苛刻的工况条件下和核电、石油、化工等特殊行 业。同时提高机械密封和泵类产品的性能，增强产品在国际市场上的竞争力。本 课题的研究目的就是基于流体动压润滑理论进行数值分析，得出机械密封工况参 数( 转速、介质压力) 对润滑性能的影响规律，并对比不同端面造型的润滑性能，结 合试验结果寻求新型微尺度端面造型机械密封的优势所在，通过对本课题的研究， 有助于机械密封端面造型润滑理论的完善，推动激光表面微尺度加工技术在机械 密封领域的应用与发展，使得该技术能尽快应用到生产实践中去，研制出高性能 的新型零泄漏非接触式机械密封，以期提高我国机械密封的性能，增强产品的国 际竞争力。 1 3 表面造型机密封的研究进展 机械密封动静环摩擦副表面是主要密封面，同时也是决定机械密封的密封性 能和摩擦磨损的关键，并决定机械密封的使用寿命。为了改善机械密封的密封性 能和端面摩擦副的润滑状况，人们将表面造型技术应用于机械密封，在密封面加 工出各种形状的几何形貌，实现机械密封的零泄漏和非接触式运转，是行之有效 的方法。 2 0 世纪6 0 年代，h a m i l t o n 5 】等人开始在工件表面上加工微细形貌来改善摩擦 副表面间的润滑状况。1 9 6 1 年，m a y e r 6 】通过研究发现，端面具有径向槽的机械密 封的磨损量和摩擦功率损失非常小，但由于液体循环供应不足，槽边缘冷却效果 不佳，且滞留在槽内的颗粒容易进入摩擦副缝隙中去。后来，m a y e r 7 】又提出了端 面具有弧形槽的机械密封，由于弧形槽能吸附液体，因而能够起到良好冷却密封 环边缘的效果，且具有排出颗粒能力，并与转向无关，工作稳定，已在工业领域 3 江苏大学硕士学位论文 得到了广泛的应用，成为博格曼公司的一大特色产品。 对于端面开槽机械密封卓有成效的研究，始于2 0 世纪8 0 年代上游泵送机械 密封的发明。1 9 6 8 年，美国约翰克兰密封公司【2 1 开发出螺旋槽气体端面密封并获 美国专利( 3 4 9 9 6 5 3 ) 。1 9 8 1 年，s e d y 8 】提出了上游泵送机械密封的概念，并申请了 专利。1 9 8 5 年，u p s c h 沱【9 】也提出了利用剪切流来补偿压差流实现零泄漏的液相开 槽机械密封结构。在1 9 8 4 年的国际泵研讨会上，n e t z e l 1 0 l 正式明确了上游泵送机 械密封的概念，利用密封面上开槽将下游( 低压侧) 少量泄漏流体泵送回上游。 上游泵送密封的工作原理与干气密封类似，端面开设的流体动压槽在旋转条件下， 通过液体的粘性剪切作用把液体泵入密封端面之间，使液膜的压力增加并把两密 封端面分开。与干气密封不同之处在于，上游泵送密封的端面流体动压槽是把由 高压侧泄漏至低压侧的被密封液体重新反输至高压侧，以消除密封介质由高压侧 向低压侧的泄漏。1 9 8 7 年，美国布克【1 1 】等在第4 5 届s t l e 春季会上发表了“上游 泵送机械密封新概念”的论文给出同样的概念，此文1 9 9 0 年发表在润滑技术杂志 上。1 9 9 0 年，n e t z e l 1 2 】等人又分别介绍了上游泵送机械密封的应用。1 9 9 3 年， r i c h a r d l l 3 】等探讨了螺旋槽机械密封的刚度和泄漏率。1 9 9 4 年，蹦【1 4 】对叶形、螺 旋槽、y 字形和人字形等六种机械密封进行了实验室试验和现场试验，认为非接 触式机械密封可以提供很高的泵送率来减少和消除泄漏。1 9 9 5 年，n e t z e l 1 5 】介绍 了利用先进的计算机工具来优化液体润滑机械密封的性能。 此外，以色列教授e t s i o n 在端面造型的机械密封领域做了深入系统的研究。 1 9 8 3 年，e t s i o n 1 6 】明确提出了零泄漏非接触机械密封的概念，打破了非接触式机械 密封不可能达到零泄漏的传统概念，发明了圆叶槽机械密封，利用密封面开槽的 表面造型产生流体动压的剪切流以对抗泄漏的压差流，从而达到零泄漏的目的。 1 9 9 4 年，与r o n e n l l 7 1 共同提出了环表面带有规则微观凹坑的机械密封，当两环作 相对转动时，由于相对速度，流体粘度，液膜厚度变化等因素，会在凹坑及其周 围区域产生流体动压力，提供了使两环分离的承载力，使两环形成非接触。1 9 9 6 年 【1 8 1 ，建立了求解密封面具有均匀分布的半球状微凹腔的全液膜非接触式机械密封 的密封性能的数学模型，模型中设定每个造型占有相等的正方面积，采用 h a l f - s o m m e r f e l d 空化边界条件，分析了在给定密封腔压力、凹腔几何尺寸及其在 密封面的分布密度时密封面间的开启力、摩擦转矩和泄漏量。1 9 9 9 年【1 9 1 ，建立了 4 江苏大学硕士学位论文 激光表面微造型机械密封的物理模型，以球冠状微凹腔为研究对象，采用r e y n o l d s 空化边界条件和有限差分法，分析了密封面间压差为零时，微凹腔的深径比等参 数对机械密封密封面间流体膜平均无量纲压力的影响。并分析了密封面间压差对 密封面间平均无量纲压力的影响。在不同型号水泵上机械密封的试验验证了理论 分析的结果：经过激光微细造型后的机械密封的性能要明显高于没有经过激光处 理的同类产品。2 0 0 1 至2 0 0 3 年，与r y k 、k l i g e r m a n 、b r i z m e r 2 0 - - 2 3 】等人密切合作 将激光微细加工技术的研究引入到缸套一活塞环摩擦副，通过对物理模型的分析 简化，以活塞往复运动方向的单列三个微坑单元为研究对象，建立了数值分析模 型，并通过试验对比分析激光加工的微细形貌在减小摩擦降低磨损中的作用。通 过理论分析和试验，结果指出，通过激光微细造型的尺寸、深度和单元面积占有 率的优化，能够有效改善缸套一活塞环的工作性能。对一系列工况的分析表明， 激光微细加工的缸套一活塞环比没有加工的试件，摩擦力平均减小达3 0 。并采 用同样的理论模型，分析了推力轴承、径向机械气体密封等摩擦副中激光微细造 型，对摩擦学性能的影响。2 0 0 5 年，e t s i o n t 冽再次阐述了密封面具有规则微凹腔机 械密封的在工业生产中的实用性，对激光表面微造型技术( l s a 3 的基本原理、加工 工艺和研究现状进行了总结。 在国内，自2 0 世纪8 0 年代末，有关科研、生产单位已开始从事干气密封和 上游泵送机械密封的研究工作。1 9 9 0 年，石油大学顾永泉【冽等研制出泵出式微米 级圆弧槽液体端面密封，获国家实用新型专利( 9 2 2 0 3 1 5 7 6 ) 。1 9 9 2 年，王玉明【2 6 捌 等成功研制了八字形油膜润滑螺旋槽机械密封，利用航空油实现了对气相的密封， 并应用于工业生产。1 9 9 8 年，李克永【2 8 】等发明了双环带螺旋槽端面密封，这种机 械密封具有很好的防固体颗粒能力和停车性能。同年，彭建【2 9 】等采用有限单元法 对三种不同槽型的上游泵送密封结构进行了研究，并且对上游泵送密封槽型结构 进行了优化。试验结果表明，用计算机优化设计出的三种上游泵送密封结构完全 能够实现密封的非接触运行，达到了微泄漏、微磨损，保证密封的长周期运行。 1 9 9 9 年，宋鹏云刚利用螺旋槽轴承的“窄槽理论，计算分析了螺旋槽上游泵送 机械密封的开启力、摩擦功耗和上游泵送速率等性能，给出了可用于该类密封设 计的计算式，采用有限差分法对影响上游泵送机械密封性能的操作因素和结构因 素进行了计算分析，并提出液体非接触机械密封“零压差零泄漏 密封观点，理 5 江苏大学硕士学位论文 论分析指出了密封端面存在气液分界面。2 0 0 0 年，郝木明等【3 1 】开发了多种端面具 有不同槽型的上游泵送机械密封，通过解析算法证明各自具有独特的效果。2 0 0 1 年，孟剑【3 2 1 等对内径开槽机械密封进行了试验研究，验证了螺旋槽机械密封的优 点，并在液化气泵和p v c 浆料离心泵上得到了成功应用。2 0 0 2 年，于新奇【3 3 】等人 对激光加工多孔端面机械密封的摩擦学特性在变载荷下做了试验研究。研究了速 度、载荷对摩擦力矩、摩擦系数和密封面温升的影响，并与一般机械密封进行了 比较。结果表明，其端面温升、摩擦扭矩和摩擦系数远低于后者的相应值。2 0 0 3 年，胡丹梅【3 4 】等采用多目标的优化设计方法对螺旋槽上游泵送机械密封的端面结 构参数进行了优化设计。2 0 0 5 年，张金凤【3 5 】等分析了上游泵送机械密封内部流动， 并进行了三维数值模拟。得到了上游泵送机械密封的性能与主要参数( 槽深、密 封压力、转速) 之间的影响关系。同年，符永宏等【3 6 3 7 】提出了端面具有润滑腔和泵 送槽的机械密封，能同时解决非接触和零泄漏两大难题，并提出了“单脉冲同点 间隔多次 激光加工工艺方法，能同时加工微观的润滑腔和宏观的泵送槽。2 0 0 6 年，杜东波等【3 8 】通过建立激光加工多孔端面机械密封的理论分析模型，应用有限 元方法在给定工况下研究了不同微孔截面型线微孔的深径比和分布密度对端面开 启力、液膜刚度、摩擦扭矩及泄漏量等对密封性能的影响。彭旭东等【3 9 】考虑密封 端面液膜中的空化现象，建立了激光加工多孔端面机械密封( l s t m s ) 的理论分析 模型，应用有限元方法研究了矩形面、椭圆面、球缺面和抛物面等4 种不同型面 微孔的密封特性参数，包括端面开启力、液膜刚度和摩擦转矩等受微孔几何结构 参数的影响规律，给出了上述l s t m s 在最大液膜刚度条件下微孔的最优面积密 度和最优的深径比。结果表明，矩形面微孔l s t m s 拥有最佳的综合性能，研究 结果具有较强的理论与工程应用价值。2 0 0 7 年，王霄副【删等基于激光造型的实际 形貌，建立了激光加工非接触机械端面密封性能的数学模型，确定了油膜控制方 程及其边界条件，采用多重网格法求解无量纲化后的雷诺方程，对静环上均匀分 布的锥形凹腔的形貌进行优化。2 0 0 8 年，卢宁【4 1 】等就螺旋槽气体端面密封稳定性 进行了分析，采用直接数值模拟的方法联立求解螺旋槽气体端面密封的运动方程 和雷诺方程，结合给定的密封参数条件，得到螺旋槽气体端面密封的临界转速和 临界转动惯量。在干气密封的设计和运行过程中，超过该临界值，系统将因失稳 而导致泄漏。 6 江苏大学硕士学位论文 总之，在机械密封端面上加工各种几何形貌的造型来改善机械密封端面的润 滑状况和密封性能，延长机械密封的使用寿命，是非常有效的方法，并且已经成 为当今机械密封研究领域的热点。 1 4 本研究的主要内容 近年来，为了提高机械密封的密封性能，改善端面摩擦副的润滑状况，将表 面微造型技术应用于机械密封中并取得了理想的效果，其中最卓有成效的研究是 上游泵送机械密封和密封面具有规则微观凹腔机械密封，而在密封面同时加工出 具有宏观泵送槽和微观凹腔，实现机械密封密封面的微尺度加工，则更具有创新 性。本课题从计算流体动力学的角度出发，采用f l u e n t 软件对端面具有螺旋槽、 微观凹腔、槽腔结合造型的机械密封性能进行数值模拟，并结合实验结果与普通 机械密封进行对比分析，进一步研究表面激光造型机械密封的特点。本文的主要 内容有： 1 理论研究 根据简化的n a v i e r s t o c k s 方程( 简称n s 方程卜_ 雷诺方程，建立具有规则 几何形貌的激光表面微造型机械密封的流体润滑数学模型f 由运动方程、连续性方 程、能量方程、状态方程和粘度方程组成) ，求解此数学模型，得到流体膜的膜压 分布，分析机械密封工况参数( 转速和介质压力) 对流体膜压力的影响规律，以此来 寻求既定造型端面密封的适用工况范围。 2 不同激光表面造型机械密封流场模拟 基于内流场计算和流体动压润滑理论，在密封坝与密封堰区域设置具有一定 直径、深度的微观凹腔，对同一工况下端面造型的机械密封和无端面造型的机械 密封的密封性能进行数值计算，并作对比分析，寻求槽与腔耦合作用的规律。 3 激光表面造型机械密封性能实验 对螺旋槽机械密封、端面纯凹腔造型机械密封、槽腔组合端面造型机械密封 和普通端面机械密封进行对比试验，并将试验结果与数值模拟结果进行对比分析， 验证数值模拟结果的可靠性。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章微造型摩擦副物理模型及内部流动分析 本章主要通过理论分析，研究端面激光加工微尺度形貌的机械密封内部流动。 为此首先要建立一个用来求解机械密封动、静环端面摩擦副间流体膜压力和流体 膜厚度分布的物理模型，此润滑理论物理模型主要研究机械密封工况参数和密封 端面激光微造型的几何参数对流体动压润滑性能的影响，进而指导新型零泄漏非 接触式机械密封端面微尺度形貌的设计。 2 1 微尺度端面造型 微尺度端面造型的机械密封是指在普通机械密封的端面应用激光加工出微米 级的几何形貌，主要有动压槽、微凹腔以及不同槽型和槽与凹腔的组合形貌。 根据机械密封的工况参数及使用要求，可以将机械密封的动压槽设计为以旋转 轴为中心对称的不同槽型。至今已开发出的槽型包括多圆叶台阶面型、周向雷列 台阶型、直叶型和类螺旋槽型( 包括螺旋槽、圆弧槽、直线槽、曲线槽等) 。类螺 旋槽型具有较高的动态密封能力，在启动和停车时均能实现密封，且在流体动压 效应和摩擦功耗方面具有明显的优势，因此，在工程应用中，类螺旋槽型机械密 封最为普遍，而又以螺旋槽型尤佳，可以获得最大的液膜刚度【4 2 ，4 3 1 。 本文采用1 0 8 u 5 0 型机械密封，静环材料为具有自润滑作用的石墨，动环材料 为高硬度、刚性好且耐磨的s i c 。本研究在动环端面上开设螺旋槽，密封端面被分 为螺旋槽、密封堰和密封坝三个区域，如图2 - 1 所示。螺旋槽的型线为近似对数螺 旋线，在极坐标下用如下方程描述： 厂= 吒e 口咖4 ( 2 1 ) 式中：r ；动环的内半径，m i l l ； 口螺旋线的展开角，r a d ； a 螺旋线内径侧的螺旋角( 即螺旋线内径侧切线与密封环内圆周向切 线的夹角) ，。 8 江苏大学硕士学位论文 图2 - 1 螺旋槽机械密封的端面结构图2 2 端面规则微凹腔造型的机械密封 近几年对于微凹腔端面造型的研究也越来越深入。微凹腔端面造型是指在其 中一个密封环端面上用激光加工出均匀分布的规则微凹腔。如图2 2 所示，其动环 为普通的未经激光加工的密封环，在静环端面上均匀分布激光加工的规则微凹腔。 当动环相对静环旋转时，会在微凹腔上及其周围区域产生流体动压效应，提供了 使两环分离的承载力，使密封面形成非接触。 根据机械密封的使用性能的要求，并基于内流场计算和流体动压润滑理论， 本文在密封环端面设置具有一定螺旋角度、g m 级深度、分布间距、几何形貌的宏 观泵送槽的同时，在密封堰区域设置具有一定分布密度、岬级直径、g r n 级深度 的微观凹腔。图2 3 所示为螺旋槽与微凹腔组合形貌的机械密封端面结构示意图， 此机械密封在工作条件下，泵送槽将下游( 低压侧) 少量泄漏密封介质泵送回上 游( 高压侧) ，其基本原理是由泵送槽产生的泵送效应抵抗由密封介质所产生的压 差效应，当泵送效应大于或等于压差效应时，泵送槽将下游少量泄漏密封介质泵 送回上游，使机械密封实现零泄漏。同时，在剪切力的作用下，流体在圆周方向 上依次通过泵送槽、密封堰，泵送槽使流体的流向发生偏转，产生径向分量。在 槽堰交界处及槽坝交界处，由于流体的流量和流向均发生突变，从而强化了流体 动压润滑效应。当流体流经微观凹腔区域时，每一个微观凹腔就像一个微动力润 滑轴承，在微观凹腔上及其周围区域产生流体动压润滑效应。由于泵送槽与微观 凹腔所产生的流体动压润滑效应相互叠加、耦合，增强了密封环端面间的流体动 压润滑效应，实现了动静环摩擦副的非接触运转。 另外，当机械密封端面摩擦副处于边界摩擦或开车时，泵送槽和微观凹腔内 的液体可以为摩擦副表面提供润滑作用，以避免发热变形甚至损坏；泵送槽和微 9 江苏大学硕士学位论文 观凹腔还可以起到容纳由于边界摩擦或干摩擦时产生的磨屑的作用，有利于减少 磨损，延长使用寿命。 图2 3 螺旋槽与微凹腔组合造型的图2 _ 4润滑膜的简化几何模型 机械密封端面结构示意图 2 2 物理模型 针对端面螺旋槽机械密封，螺旋槽的深度为微米级，机械密封摩擦副端面间的 距离也是微米级，所以其内部的流动为微间隙内的流动，对微间隙内流动的不可 压缩流体，建立图2 2 所示的几何模型，z = o 处表示静环端面，z = ) ，) 处表示 动环端面。对端面内的流体作如下假设： 1 ) 忽略体积力的作用，如重力； 2 ) 为牛顿流体，即剪切应力与速度梯度成正比； 3 ) 表面无滑移，即附着于界面上的流体质点的速度与界面上该点的速度相同； 4 ) 与粘性力相比，忽略惯性力的影响，包括流体加速度的惯性力和流体膜弯 曲的离心力； 5 ) 整个机械密封润滑系统的温度处处相等，因此不考虑润滑剂的粘度和密度 随温度的变化； 6 ) 流体为不可压缩流体，其密度不随压力变化。 基于以上假设，由粘性流体运动方程( n a v i e r - - s t o k e s 方程) 4 4 1 一塞+ c 雾+ 窘+ 窘，= 9 面d u c 2 彩 昭，一考+ c 等+ 窘+ 窘，= p 去 c 2 剐 1 0 江苏大学硕士学位论文 p g ：一老+ e + 雾+ = p 警 协4 ， z 一言+ 嘧+ 萨+ 万) 邓i 屹4 式中：p 流体密度，k g m 3 ； 流体的动力粘度，p a s l 由于沿着流体膜厚度方向( z 方向) 的尺度相对于x 、y 方向的尺度要小得多，因 此昙、晏相对于要是一阶小量，可忽略不计，因而可得简化的n s 方程如下 o xc 、o z 望：娶( 2 - 5 ) 衰叫万 至：- o z v ( 2 6 ) 亩叫虿 屹。0 望：0( 2 7 ) 瑟 方程( 2 7 ) 表明z 方向上液膜压力不变。把式( 2 5 ) 和( 2 6 ) 对z 进行二重积分， 并代入边界条件： u ( z = o ) - - o ，“忙j 1 ) = u ； 比猛o ) = 0 ，g = j i z ) = o ； 式中，u 密封环旋转时端面线速度，r n s ； 可得 甜= 五l 硪o p z 2 一z h ) + u 三( 2