（机械制造及其自动化专业论文）新型机械密封性能及其环面跨尺度快速成型技术的研究.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中不可缺少的零部件，广泛应用泵、压缩机和 搅拌器等旋转设备。动、静环端面摩擦副是主要密封面，是决定机械密封摩擦、磨 损、密封性能和使用寿命的关键。为了改善机械密封端面摩擦副的摩擦性能，人们 将表面织构技术应用于密封环端面，通过在密封面加工出具有规则分布的微小凹腔 和宏观凹槽，实现减小端面摩擦副的摩擦力和磨损量，提高机械密封的密封性能和 使用寿命。 本文首先从理论方面进行研究，忽略了密封环的周向不均匀性、表面粗糙度及 密封环的变形等因素，考虑密封端面间润滑液膜空化现象和流体动、静压的相互影 响，建立了端面具有规则微凹腔织构分布的机械密封理论分析模型。利用多重网格 法求解密封端面间液膜的膜压分布，以密封面的开启力为评价标准，分析了工况参 数和微凹腔的几何参数对密封性能的影响。结果表明：密封端面间隙、转速、介质 粘度、微凹腔深径比和半径对开启力的影响较大。开启力随着密封间隙的增大而减 小，随着转速和介质粘度的增大而增大。存在最优的深径比使开启力达到最大，且 最优的深径比随着微凹腔半径的增大而减小。微凹腔的面积密度在5 枷的范围 内对开启力的影响较小，存在最优的面积密度使开启力达到最大。 采用声光调q 二极管泵浦n d ：y a g 激光器，利用“单脉冲同点间隔多次”激光加 工工艺，对碳化硅机械密封试样端面进行激光表面微织构的加工工艺试验研究，分析 了泵浦电流、脉冲重复频率、脉冲重复次数和扫描速度等激光加工工艺参数对微凹 腔和微凹槽织构的几何形貌参数与加工质量的影响。结果表明，通过优化激光加工 工艺参数组合，可以加工出较优的微观几何形貌。 基于理论分析和激光加工工艺试验研究的基础上，本文在机械密封计算机辅助 试验装置上，考察了微凹腔织构对机械密封摩擦性能的影响。研究结果表明，在相 同的条件下与普通机械密封相比，激光表面微凹腔织构机械密封的摩擦扭矩均有不 同程度减小，特别是在密封介质压力较低、转速较高的工况下。 针对激光加工机械密封环表面宏观上游泵送槽效率低的问题，本课题研究了密 封环表面泵送槽的快速成型工艺，即结合现有成熟的s i c 密封环烧结工艺，利用凸 模压制工艺，在密封环表面进行一次性快速泵送槽成型。论文最后对密封环端面上 新型机械密封性能及其环面跨尺廖| 夹速成型技术的研究 游泵送槽快速成型进行了工艺试验研究，初步制备了上游泵送机械密封。 关键词：机械密封，激光表面织构，数值模拟，摩擦性能，快速成型 i i 江苏大学硕士学位论文 m e c h a l l i c a ls e a l i si n d i s p e n s a b l ep a r t sf o rf l u i dm a c h i n e r ya n dp o w e rm a c h i n e r ) r w h i c hi sw i d e l yu s e di np u m p s ，c 0 m p r e s s i o ne n 百n e s ，b l e n d e r sa n dm o s tm e c h a n i c a l e q u i p m e n t sc o n t a i nr o t a r ym o t i o n s 1 1 l es i i d i n gf a c e so fs e a l i n gr i n 黟a r et h ed o m i n a n t s e a l i n gf a c e sw h i c ha r ek e y st od e t e r i i l i n ep e 渤衄a n c eo ft h es e a l i n g ，仃i c t i o na n dw e a ro f t h em e c h a n i c a ls e a l s ，a sw e l la sw o r k j n gl i f e i no r d e rt oi i i l p r o v et h es e a l i n gp e 向肌a n c e a n dl u b r i c a t i o no fm e c h a i l i c a ls e a l sf r i c t i o np a i r s ，s u r i k i n gt e x t u r i n gt e c 量1 1 1 0 l o g yh a sb e e n a p p l i e dt om e c h a n i c a ls e a l sw i t hm i c r o p o r e sa j l dm a c r 0 - g r o o v e s i nr e g u l a rp a t t e m s t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sm o d e lw a sd c v e l o p e dt os t u d ym e c h a n i c a ls e a l sw i t hr e g u l a r m i c f p o r es t m c t u r e ，i 舒o r i n gm e m e c h a n i c a ls e a lr i n g l sn o n u n i f o m i t yc i r c u m f e r e n t i a l l y ， s u r f a c er o u g l m e s sa n dt h et r a n s f o m l a t i o no fs e a l i n gr i n ge t c ，a tt h es 锄et i m ec o n s i d e r i n g c a v i t a t i o n sw i t h i nt h en u i df i l mb e t w e e nt h et w of a c e sa n d t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e n h y d r o d y n a m i ca n dh y d r o d y n a m i cc o m p o n e n t s t h em u l t i - g r i dm e t h o dw a s u s e dt os t u d y t 1 1 ee f f e c to fg e o m e t r i cp a r 锄e t e r sa n dw o 脯n gc o n d i t i o np a r 锄e t e r so nt h el i q u i df i l m s p r e s s u r ed i s t 曲u t i o n 锄de v a l u a t e st h es e a l i n gp e r l 0 蛐a n c eb yt h e0 p e nf o r c e t h er e s u 蛔 i n d i c a t e dt h a ts e a ld e a r a n c e ，r o t a t es p e e d ，d i e l e c t r i cv i s c o s i t ya n d t h em i 啪一p o r e s d i 锄e t e r a sw e ua st h ed e p t ha n dd i 锄e t e r r a t i oh a v es i 伊i f i c 锄ti i u e n c eo n t h es e a l i n g p e 渤咖a n c e n eo p e nf o r c ed e c r e a s e sw i t ht l l es e 以c i e a f a n c ci n c r e a s i n g ，a n di tw o u l d i n c r e a s ew i t ht h er o t a t es p e e d 锄ds e a l i n gm e d i u mv i s c o s i t yd e c r e a s i n g a n da l s 0s h o w s t h a te x i s t0 ft h eb e s td e p t ha i l dd i a m e t e rr a t i ot 0a c h i e v et h el a r g e s to p e nf b r c e t h e r eh a s a no p t 洫a lv a l u eo ft h ed e p t ht 0d i 锄e t e rr a t i o ，w l l i c hd e c r e a s e dw i t ht h es e a ld e a r a n c e a r e ad e n s i t yh a ss l i 曲t l yi i l f l u e n c eo nt h e 叩e nf o r c ei n 她r 锄g eo f5 a j l d4 0 ，w h i c h c a nb eo p t i m i z e dt om a k et h eo p e nf o r c er e a c ht h em a x i i i l u m u s i n gaqs i t c h e dd i o d ep u m p e dn d ：y a gl a s e r ，t l l e1 a s e rs u r f a c et e x t u r i n g p r o c e s st e s t s0 fm i c r o p o r e sa n dm i c r o - 黟o o v e so ns i cm e c h a n i c a ls e a l s ，w a sp r o c e s s e d b yt h ep r o c e s s i n gt e c h l l o l o g yc a l l e d “s i n 罾ep u l s ea t at i i i l e ，r e p e a t e da ti n t e r v a l s ”n e e f 艳c to fl a s e rp r o c e s s i n gp a r 锄e t e r sq u m p i i l gc u r r e n t ，r e p e t i t i o nr a t e ，p u l s er e p e a t e d t h e s ，s c a n l l i n gs p e e d ) o ng e o m e t r i c a lp a r 锄e t e r a n dq u a l i t yo fm i c r o t e x t u r e sw a s d i s c l l s s e di n t h i sp a p e r t h er e s u l t ss h o wm a tt h em i c r o s t r u c t u r ec a nb ef 曲r i c a t e db y o p t i i n 娩i n gt h e l a s e rp f o c e s s i n gt e c h n o l o 酉c a lp a r a m e t i 时 b a s eo nt h er e s e a r c ho ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d l a s e r p r o c e s s i n gt e c l l l l i q u e e x p e r i m e n t s ，t h et f i b o l o 百c a lp r o p e r t i e so f l a s e rs u r f a c em i c r o p o r e st e x t u f i n gm e c h a i l i c a l s e a lw a si n v e s t i g a t e do n ac o m p u t e ra i d e dt e s t i n gd e v i c ef o rm e c h 砌c a ls e a l s e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tc o m p a r e dw i t hu n d e rt h es 锄eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h e u i 新型机械密封性能及其环面跨尺度快速成型技术的研究 -二r_一 m c t i o nt o r q u eo fl a s e rs u 施c em i c r 0 - p o r e sm e c h a n i c a l s e a li s a l w a y sl e s st h a no f u n t e x t u r e dm e c h a n i c a ls e a l ，e s p e c i a l l yu n d e rt h ei o ws e a im e d i ap r e s s u r ea n dl l i 曲s p e e d c o n d i t i o n s an e ws h a p i n gt e c l l l l i q u e ，n a m e d u p s t r e 锄p u m p i n g 伊o o v e sr a p i d p r o t o t y p i n g p r o c e s s ，w a sd e v e l o p e dt os o j v ei n e f ! f i c i e n c y0 fl a s e rm a c r 0 g r o o v e sp r o c e s s i i iv i e wo f t h es o p h i s t i c a t e ds i cm e c h a n i c a ls e a l s i n t e 咖gp r o c e s s ，t h en e wm e t h o di su s i n gt h e p u n c np r e s s l n gp r o c e s st of o r i nt h eu p s t r e 锄p u m p i n g 伊o o v e so nt h es e a l i n gr i n g t l l e l a s tp a r to ft h i sp a p e rd o e ss o m er e s e a r c ho nt h e p r o c e s s i n ge x p e 血n e m ，a n dw eg a i j lt h e p r e l i m i n a r ys a m p l e s k e yw o r d s ：m e c h 砌c a ls e a l ，l a s e rs u r f a c et e x t u 曲g ，叽m e r i 咖a n a l y s i s ，t 舶o l o 百c a l p e 响皿a n c e ，r a p i dp r o t o t y p e 江苏大学硕士学位论文 1 1引言 第一章绪论 机械端面密封是旋转轴用动密封装置，简称机械密封，是一种依靠弹性元件对 静、动环端面密封副的预紧和介质压力与弹性元件压力的压紧而达到密封的轴向端 面密封装置，故又称为端面密封【1 1 ，典型普通机械密封的结构如图1 1 所示。它主要 由端面密封副( 静环2 和动环5 ) 、辅助密封( 静环0 形圈3 和动环o 形圈6 ) 、补 偿机构( 弹簧8 和弹簧座1 0 ) 等组成。 口 r 1 1 一防转销2 一静环3 一静环o 形圈4 一压盖5 一动环6 一动环o 形圈 7 一推环8 一弹簧9 一密封箱1 0 一弹簧座1 1 一防转销1 2 一转轴 图1 1 典型机械密封的结构 f i g 1s t m c t u r eo ft ) ，p i c a lm e c h a i l i c a ls e a l 由于机械密封具有密封性能好工作可靠、泄漏量小、使用寿命长、摩擦功率消 耗少、对轴和轴套的磨损小，维修周期长和抗震性好等优点，从而被广泛应用于泵、 压缩机、反应釜、转盘塔、搅拌器、离心机和过滤机等旋转式流体机械，也用于齿 轮箱、旋转接头、船舶尾轴等轴封装置上。机械密封最早于1 8 8 5 年在英国发明并获 得专利，并于1 9 0 0 年用于轴承密封【1 1 。以后，逐步在制冷压缩机和内燃机冷却水泵 上获应用。上世纪5 0 年代后期，鉴于石化、核电与宇航等工业的迅速发展，机械密 封的生产工艺和结构不断完善，技术不断提高，逐步形成了比较系统的机械密封理 论。目前国际上有很多专门从事机械密封生产、销售和研究的跨国公司和学术团体， 如德国的b u 掣觚公司、英国j o l l n c r 觚e 公司、日本p i l l a r 公司、欧洲密封协会( e s a ) 以及英国流体力学组织( b h r g ) 等。我国从5 0 年代开始对机械密封进行认识、使 新型机械密封性能及其环面跨尺度快速成型技术的研究 用并应用于炼油行业，随后陆续生产和研究，并建立一系列的标准。 机械密封按端面接触状态可分为接触式机械密封和非接触式机械密封。接触式 机械密封是指密封面微凸体接触的机械密封，非接触式机械密封是指利用流体静压 或动压效应作用，使密封端面间充满一层完整的流体膜分开两密封副端面，从而没 有微凸体接触的机械密封。非接触式机械密封有可分为流体静压型密封、热流体动 压型密封、流体动压型密封和流体动静压型密封1 2 1 。 1 2 表面宏观槽织构机械密封研究进展 动压式机械密封是在密封环端面上设置各种形状的动压槽或微凹腔织构，利用 端面旋转时的流体动压效应在密封端面间产生一层微米级的流体膜，实现非接触， 从而改善密封端面间润滑状况。与普通机械密封相比，动压式机械密封密封面磨损 小，密封可靠，使用寿命长。 受流体动压轴承的启发，人们利用槽的台阶效应和泵送效应在密封端面间产生 流体动压承载力，即流体动压型机械密封。1 9 5 1 年，w h i p p l e 【3 】建立了开槽面与平板 间流体压力分布模型，研究了等距排列的平面平行槽与平板间的流体流动情况，提 出了研究螺旋槽气体止推轴承的“窄槽理论”。在此基础上，m a l a j l o s k i 【4 l 和 m u i j d e 胁a n 【5 】对螺旋槽气体止推轴承的“窄槽理论 进行了完善，为研究端面开槽 的轴承和动压型机械密封奠定了理论基础。1 9 6 1 年，m a v e r 【6 】研究发现在机械密封端 面设置径向槽的可减小其磨损量和摩擦功率损失，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。随后针对上述机械 密封的缺点，m a v e r 7 】又提出了端面具有弧形槽的机械密封，可以显著提高机械密封 的性能。 1 2 1 千气机械密封研究进展 1 9 6 7 年，j 锄e s 等【8 】采用有限差分方法研究了气体润滑螺旋槽平面推力轴承的流 场和压力场。随后，g a r d n e r 【9 】和z u k 【1 0 j 分别采用解析法和对螺旋槽机械密封的性能 进行了分析，并在第四届国际流体密封会议上发表了其研究成果。1 9 7 9 年，g a b r i e l 【1 1 】 对螺旋槽非接触机械密封进行了较全面的论述，阐明了工况参数和结构参数对密封 性能的影响。1 9 9 2 年，b a s u 【1 2 】分别采用了有限差分法和有限单元法研究了径向槽气 体机械密封的压力分布情况。2 0 0 0 年，r u a i l 【1 3 】采用有限单元法研究了在低压、低速 工况下，滑移流对螺旋槽干气密封的密封性能的影响。同年，z i r k e l b a c k 等1 1 4 】运用有 限元法求解非线性雷诺方程，研究了螺旋槽几何结构参数对气体机械密封的密封性 2 江苏大学硕士学位论文 能影响规律。 随后，国内学者对气体动压型机械密封也开展了大量研究。1 9 9 1 年，王建荣等 【1 5 】运用有限单元法研究了圆弧槽气体密封的性能并对端面结构进行了优化。1 9 9 2 年， 王美华等1 1 6 l 用有限单元法计算了人字形螺旋槽气体密封的性能。1 9 9 4 年，吴宗祥等 旧运用有限单元法研究了直线槽、圆弧槽和螺旋槽干气密封在低速下密封性能，并 对槽几何结构参数进行了优化。同年，蔡文新等【1 8 】采用有限单元法对螺旋槽气体密 封的密封性能进行求解。随后，彭建等【1 9 】采用八节点有限单元法研究螺旋槽干气密 封的端面压力分布，并对端面结构参数进行了优化。1 9 9 6 年，胡丹梅等【捌用八节点 有限单元法对直线槽干气密封的密封性能进行研究。2 0 0 5 年，陈志等【2 l 】用有限差分 法求解三维的n s 方程方法，获得了螺旋槽干气密封的流场分布。2 0 1 0 年，丁雪兴 等【2 2 】应用f l u e n t 对比分析了螺旋槽干气密封在层流和湍流两种流态下的压力分布、 速度分布和泄漏量情况。 1 2 2 上游泵送机械密封研究进展 1 9 8 1 年，s e d v 【2 3 】将螺旋槽气体机械密封应用于密封液体，并申请了高压上游泵 送密封专利。1 9 8 8 年，【e u c h i 【2 4 】才开始对液体动压型机械密封开展理论研究，用有 限差分法对螺旋泵送槽和雷列台阶槽复合槽机械密封的密封性能进行研究，研究结 果表明此复合槽具有良好的动压效应。1 9 9 2 年，s a l a n t 【2 5 1 采用有限差分法研究端面槽 的结构参数和工况参数对液体倾斜槽和螺旋槽动压型机械密封的密封性能的影响规 律。1 9 9 5 年，n e t z e l 【2 6 墚用计算机手段对液体润滑非接触式机械密封性能进行优化。 在国内，1 9 9 0 年，顾永泉【刎获得了泵出式圆弧槽液体机械密封国家实用新型专 利。1 9 9 4 年，张俊玲等【冽介绍了一种新型雷列螺旋槽复合型机械密封，其不仅具有 动压和泵自吸作用，而且静止时还具有密封能力。1 9 9 5 年，朱良等【2 9 】采用有限差分 法研究了工况参数对流体介质的环形槽机械密封的密封性能的影响。1 9 9 8 年，李克 永等【划发明了双环待螺旋槽机械密封，这种密封具有良好的防固体颗粒能力和停车 能力。同年，彭建等【3 1 l 用有限单元法分析了三种不同槽型结构对上游泵送机械密封 性能的影响，并对其进行优化。1 9 9 9 年，宋鹏云等【3 2 】利用“窄槽理论 推导出螺旋 槽上游泵送机械密封的密封性能参数的计算公式。同年，宋鹏云【3 3 】采用有限差分法 分析了工况参数和螺旋槽结构参数对上游泵送机械密封的密封性能的影响。随后， 胡丹梅和郝木明等【3 4 3 5 】用有限单元法对上游泵送机械密封进行了数值计算，并对螺 旋槽的结构参数进行了优化。2 0 1 0 年，郝木明和李贵勇等建立了端面径向锥度机 械密封的理论分析模型，通过有限元法求解修正后雷诺方程，分析了液膜厚度和端 3 新型机械密封性能及其环面跨尺度快速成型技术的研究 面径向锥度对密封性能的影响规律。 除了上述端面具有各种槽的动压型机械密封外，激光表面微凹腔织构机械密封 是另一种重要的动压型机械密封。 1 3 表面微凹腔织构机械密封的研究进展 机械密封端面摩擦状态是决定机械密封使用寿命和密封性能好坏的关键因素 【3 7 1 。传统的接触式机械密封在正常运转过程中存在着微凸体相互接触，因此其摩擦 副一般处于边界摩擦或混合摩擦状态，在高温、高速、高压等高参数工况下，会使 密封环端面出现非正常磨损、热裂、疱痕、胶合、氧化及端面间介质汽化，从而导 致密封环迅速失效。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 将表面织构技术应用于机械密封，根据摩擦副的润滑减磨性能要求，在密封环摩擦 副端面设置优化匹配的织构，可以极大地改善其润滑性能。 1 3 1表面微凹腔织构机械密封理论研究进展 表面微凹坑织构机械密封理论研究是为了探明端面微凹坑织构机械密封的机 理，获得密封性能随微凹坑织构几何形貌尺寸和工况参数的变化规律，为其最终工 业实际应用提供理论支撑。1 9 9 4 年，e t s i o n 【3 8 】利用解析法对部分端面微凹坑织构机 械密封的动态特性和密封性能进行了理论研究，研究结果表明该密封可使液膜有效 产生轴向刚度，与锥面机械密封相比，该密封具有更强的动压效应和更小的泄漏量。 1 9 9 6 年，e t s i o n 等【3 9 l 建立了端面具有半球形规则微凹腔织构机械密封的数学模型， 采用h a l f - s o m m e r f e l d 空化边界条件，研究了微凹腔织构面积密度、微凹腔的半径和 和密封介质压力对密封性能的影响规律，结果表明了最佳面积密度为2 0 ，最优的 微凹腔半径受密封介质粘度、密封介质压力和面积密度的影响。1 9 9 9 年，e t s i o n 等 将激光表面织构技术应用于机械密封，提出了激光表面织构机械密封( l s t - m s ) ， 并建立了理论分析模型来研究工况参数对其开启力的影响规律，该模型适用于任何 截面形状的微凹腔织构。以最大开启力和油膜刚度为优化目标，对微凹腔织构几何 形貌参数进行优化，研究结果发现微凹坑面积密度和密封端面内外经比对平均无量 纲压力影响很小，而微凹坑深径比对平均无量纲压力有显著影响。此外，e t s i o 等的 研究结果还表明，由密封腔内密封介质压力形成的静压效应会抑制空化效应的发生， 从而消弱了微凹腔所产生的流体动压力。当密封介质压力增大到一定程度时，空化 效应完全被抑制或仅限于一小部分微凹腔内，激光表面微凹腔织构机械密封没有起 到提高流体动压承载能力的作用。同年，b u r s t e i i l 等【4 1 l 研究了随机尺寸分布的端面微 4 江苏大学硕士学位论文 凹腔织构对机械密封的密封性能的影响，并对矩形和指数型两种型面微凹腔织构的 承载能力进行了对比分析。研究结果表明以相同形状微凹腔织构为模型进，对其承 载能力计算是不符合实际的；随机尺寸分布微凹腔织构比同一形貌微凹腔织构可显 著地提高其承载能力；对微凹腔织构的几何形貌尺寸统计分析取其平均值可以获得 更好的设计效果。2 0 0 2 年，e t s i o n 等【4 2 l 对激光表面局部微凹腔织构机械密封进行了 理论和试验研究，其密封属于动静压型机械密封，在一定假设初始条件下，通过理 论分析微凹坑织构的局部径向开孔长度比q ，面积密度s p 和6 三个参数对密封性 能的影响规律，并通过对这三个参数优化可使平均无量纲静压力达到最大，实验结 果表明了激光表面局部微凹腔织构机械密封的摩擦扭矩和端面温升显著降低，而且 还可以显著提高非平衡机械密封的承载能力。 与此同时，国内科研单位对激光表面微凹腔织构机械密封也进行了大量研究工 作。2 0 0 4 年，于新奇和蔡仁良等【4 3 彤1 对激光表面微凹腔织构机械密封的摩擦润滑特 性和密封性能进行了理论研究，利用有限差分法求解雷诺方程，得到了微凹腔织构 的几何结构参数和操作参数对密封性能的影响规律，研究结果表明微凹腔织构可以 显著提高机械密封的承载能力。2 0 0 5 年，符永宏等【4 5 ，蛔提出了端面跨尺度织构机械 密封，即在机械密封端面设置宏观上游泵送槽织构，同时在密封堰和密封坝区设置 微凹坑织构，上游泵送织构和微凹坑织构产生的流体动压润滑效应相互耦合，增强 了机械密封端面间的流体动压润滑效应，从而有效提高了机械密封的密封性能，用 激光表面机构技术解决了微凹坑织构和宏观泵送槽织构跨尺度加工难题。2 0 0 6 年， 彭旭东和杜东波等【4 7 ，镐】通过建立激光表面微凹腔织构机械密封的数学模型，分别取 h a l f - s o i i u l l e 疵l d 和r e y n o l d s 边界条件，采用有限元法求解雷诺方程，研究了矩形面、 球缺面、椭圆面和抛物面四种不同截面微凹腔织构对l s t - m s 密封性能的影响，结 果表明矩形型面微凹腔具有最佳的综合性能。随后分析了矩形截面微凹腔几何结构 参数和操作参数对机械密封的无量纲平均压力，获得了矩形截面微凹腔几何结构参 数的优化组合。2 0 1 0 年，符永宏和纪敬虎等【4 9 】考虑液膜的空化现象和流体动、静压 效应的相互影响，利用多重网格法研究球缺面微凹腔织构的几何参数对机械密封性 能的影响。 1 3 2 激光表面微凹腔织构机械密封试验研究进展 端面微凹腔织构机械密封的试验研究比理论研究相对晚一些，e t s i o n 等【5 0 1 最早 于1 9 9 7 年进行了无织构平行密封副和激光表面微凹腔织构化摩擦副对比试验，实验 结果表明微凹腔织构可以显著提高机械密封的p v 值和液膜的刚度，延长机械密封的 5 新型机械密封性能及其环面跨尺度快速成型技术的研究 使用寿命。1 9 9 9 年，e t s i o n 等【5 1 】为了验证激光表面微凹腔织构机械密封在任何工况 下的可行性，选择低粘度水为密封介质，对其进行试验研究，研究发现密封端面间 平均压力随着液膜厚度的减小而增大，即开启力随着液膜厚度增大而减小。在不同 型号水泵上进行了试验验证，表明激光表面织构机械密封的性能明显优于同类型无 织构机械密封。 w a n g 等【5 2 1 通过试验研究摩擦副材料为碳化硅的机械密封端面微凹腔在水润滑 条件和不同操作条件下对润滑性能的影响，试验结果表明微凹腔织构机械密封能够 显著地提高承载能力。随后，w a n g 等【5 3 】采用反应离子蚀刻技术在密封环端面加工圆 柱形微凹腔，并采用相同的试验台架，试验研究了端面微凹腔对碳化硅机械密封的 润滑性能、抗吸附性能和摩擦力等特性的影响，研究结果表明机械密封端面微凹腔 能够显著地减小碳化硅密封表面的摩擦力，提高承载能力和降低摩擦系数。 2 0 0 2 年，于新奇等【5 4 】进行了激光表面微凹腔织构机械密封和无织构机械密封对 比摩擦润滑性能试验，研究了激光表面织构技术在不同转速和载荷下对机械密封的 摩擦性能影响。结果表明了前者摩擦扭矩、摩擦系数和端面温升均远小于无织构机 械密封，由此说明微凹腔织构产生的动压效应可以显著改善密封端面间的摩擦润滑 状态。 2 0 0 7 年，万轶和熊党生【5 5 】在环盘式摩擦试验机上进行激光表面微凹腔织构化 t 8 钢的摩擦性能试验研究，试验结果表明微凹腔织构和无织构摩擦副均随着载荷和 随度的增大呈先减小后增大的趋势，但与无织构摩擦副相比，微凹腔织构密封最大 p v 值可提高2 5 倍。 2 0 1 0 年，符永宏等【5 6 】对进行了激光表面跨尺度织构机械密封，激光表面微凹腔 织构机械密封和无织构机械密封对比摩擦性能试验，实验结果表明跨尺度织构比微 凹腔织构可以更大地改善机械密封的摩擦性能。 1 3 3 表面织构的加工技术研究进展 表面织构技术是依据摩擦副润滑和摩擦性能要求，在其表面上加工出优化匹配 的功能性微观几何形貌，这些功能性微观几何形貌可显著地改善其摩擦和润滑性能。 作为表面织构技术的根本，表面织构加工手段的发展与应用是实现表面织构几何形 貌参数可控性的关键。表面织构加工方法的优劣，体现在其对表面织构形貌几何参 数的控制能力、环境保护、加工效率以及加工成本等方面。目前，普遍使用的表面 织构加工方法主要有：机械微刻、反应离子刻蚀、电子束刻蚀、超声加工、u v 光刻 技术、u g a 技术、电火花加工、电解加工和激光表面织构技术等。 6 江苏大学硕士学位论文 机械微刻( m i c r 0 c u t t i n g ) 【5 7 】是使用特定形状刀具，使其沿着待织构表面相对移 动，去除材料形成微织构。机械微刻主要采用钻削的形式，钻头制造困难，容削空 间小容易导致钻头的损坏，无法在比刀具硬度更大的材料表面加工微织构，而且织 构过程中不可避免地出现孔径扩张和孔心偏移。 反应离子刻蚀( r e a c t i v ei o ne t c h i n g ，r i e ) 【5 8 】是利用一定压强下刻蚀气体在高功率 的射频电源作用下，使气体辉光放电产生活性粒子，这些活性粒子与被腐蚀表面进 行化学反应和利用离子轰击被腐蚀表面，使材料从试样表面脱落，从而实现微织构 形貌的制备。反应离子刻蚀技术被广泛应用于微电子领域，是微光机电和集成光学 加工的一种重要手段，但其需要特殊气氛和辅助装置。 电子束刻蚀【5 9 】是在真空气氛下，经过加速、聚焦后形成的高能量密度电子束， 直接射向待织构表面，轰击待织构部位，瞬间使待织构部位的材料产生融化、气化 而去除材料一种微织构加工技术。这种技术具有束径小、加工范围广、加工效率高、 易控制、精度高以及可加工锥孔和异型弯孔织构等优点，但电子束刻蚀需要真空系 统和整套专用设备，成本高。 超声加工技术删是利用超声换能器使工具作超声振动，通过涂覆在工件表面上 游离在悬浮液中的磨料，去除工件表面材料实现微织构的加工一种技术。工具非常 细，制造比较困难，易磨损，影响织构加工的质量，而且效率低。( 微细孔超声波加 工关键技术) u g a ( l i t h 黟a p h i e ，g a l v a n o f o 蛐u n ga n da b f o 锄u n g ) 【6 1 6 2 】技术包括三个工艺步骤， 即深度x 射线光刻、微电铸和模铸。u g a 技术可以在试样表面加工出大深宽比的微 织构形貌，平面尺寸可达到微米级，织构高度可达到几百微米。但u g a 技术需要 制各与微织构几何形貌相匹配的x 光掩模板，因而此技术的灵活性和精度受到一定 的限制。该技术加工出来的织构形状均是呈直柱状，难以加工出具有斜面、曲面和 大密度呈微尖阵列的微器件和口小腔大的腔体，而且成本高。 电火花加工【叫是利用工具和工件之间脉冲放电时产生的局部高温蚀刻待织构表 面材料的加工方法。电火花可对任何导电材料进行加工，还可在斜面上加工微小孔， 但微细工具电极制造比较困难，且加工效率低，成本高。 电解加工哗l 是利用在电解液中金属阳极被溶解腐蚀的电化学原理实现微织构的 成型加工。电解加工效率高，织构化表面残余应力和变形，而且孔口无毛刺和飞边。 但其由于受到工具阳极制造的限制，加工精度不理想，且会腐蚀夹具和机床等，从 而电解加工在微细加工领域受到限制。 激光表面织构技术是指利用聚焦后高功率密度的激光束在工件表面加工出微织 新型机械密封性能及其环面跨尺度快速成型技术的研究 构形貌的一种织构技术。激光表面织构技术为非接触式，无切削力，微织构几何形 貌尺寸可控性好，且加工过程中热影响小，精度高，加工效率高，可在空气气氛中 进行且对环境无污染，还有加工对象范围广等一系列独特优点，因此在微加工领域 备受关注【6 5 1 ，还广泛用于缸套活塞环【6 5 ，嗍和推力轴承【6 7 6 8 1 等。 1 4 本课题研究主要内容 本课题以机械密封的端面摩擦副为研究对象，首先，建立了激光微凹腔织构机 械密封的流体动压润滑数学模型，并利用多重网格法分析了工况参数和微凹腔的几 何参数对端面间开启力的影响；其次，对碳化硅机械密封环激光表面织构加工工艺 进行了试验研究；基于理论研究和激光加工工艺试验的基础上，进行了激光表面微 凹腔织构机械密封的性能试验研究。最后，对上游泵送槽快速成型工艺做了初步探 索性研究。 ( 1 ) 激光表面微凹腔织构机械密封的理论研究 基于流体动压润滑理论，建立抛物面型微凹腔织构机械密封的理论分析模型， 采用多重网格法求解密封端面液膜控制方程，分析微凹腔织构几何参数和工况参数 对密封端面开启力的影响规律，并对微凹腔织构几何结构参数进行了优化。 ( 2 ) 激光表面织构加工工艺研究 “ 基于单因素分析法，采用本课题组提出的“单脉冲同点间隔多次 激光微加工 工艺，对s i c 实验表面进行了工艺试验。本文主要研究了激光的输出功率、脉冲的 重复次数、控制频率和扫描速度等对s i c 机械密封环端面激光表面织构形貌几何尺 寸和质量的影响，为碳化硅材质机械密封环表面微织构激光加工提供依据。 ( 3 ) 激光表面微凹腔织构机械密封的试验研究 对激光表面微凹腔织构机械密封和无织构机械密封进行对比试验，分析了工况 参数对激光表面微凹腔织构机械密封的摩擦性能的影响规律，并与理论计算结果进 行对比分析。 ( 4 ) 上游泵送槽快速成型工艺试验研究 本文采用本课题组提出的上游泵送槽快速成型工艺对无压烧结碳化硅机械密封 做了初步试验研究。 1 5 本课题来源 本课题来源于： 1 、国家自然科学基金项目( 5 1 1 7 5 2 3 3 ) 8 江苏大学硕士学位论文 金属塑性成形模具表面微观织构的主动设计制造及其摩擦和成形机理研究； 2 、江苏省科技成果转化专项资金项目( b a 2 0 1 0 0 6 8 ) 高可靠经济型拖拉机的研发及产业化； 3 、江苏省高校科研成果产业化推进项目( j 船2 0 1 1 3 9 ) 新型高性能机械密封关键技术及其产业化； 4 、常州市科技支撑计划( 工业) 项目( c e 2 0 1 1 0 0 4 1 ) 高性能机械密封的跨尺度快速成形关键技术研究； 5 、教育部留学回国基金( 教外司留2 0 0 7 1 1 0 8 号1 基于激光微造型处理的运动副表面摩擦学优化设计研究； 1 6 本课题研究意义 目前，国内外石油化工行业普遍使用机泵来输送各类工艺流体，这些流体具有 易燃、易爆、剧毒等特点，如烯烃、瓦斯等。随着石化行业的发展，人们对机泵的 要求越来越高，希望其可以长周期稳定运转，并实现节能环保。机械密封的使用寿 命是影响机泵长期稳定运转的主要因素之一。在众多工业领域大量普遍使用的接触 式机械密封，因其密封工作机理，决定了这种机械密封难以保证良好的润滑工况， 摩擦磨损严重，功耗高，寿命短，泄漏量大等问题。而且维护、维修的工作量大， 对对于高温、高压和高速等工况下，甚至都无法正常使用。为了改善机械密封的性 能，延长机械密封的使用寿命，密封研究者一直在持续努力。在密封端面设置一些 几何形貌织构，是增强各流体动压效应改善机械密封密封性能的一种行之有效的手 段。本课题研究的目的，是通过流体动压润滑理论研究，系统地分析了机械密封的 几何形貌参数和工况参数对密封性能的影响，并通过试验进一步验证，这对激光表 面微凹腔织构机械密封的设计、制造具有重要的学术价值和工程应用前景。 在许多特殊工业领域使用的带流体槽的高性能机械密封绝大部分依靠进口，价 格昂贵。因此，本课题最后对上游泵送槽快速成型工艺做了初步研究，为研制出具 有自主知识产权的、能广泛应用于多个工业生产领域的高性能机械密封提供依据， 以期整体提高我国机械密封的性能品质，增强产品的国际竞争力。 9 新型机械密封性能乃其环面跨尺度快速成型技术的研究 第二章激光表面织构机械密封的理论分析 本章主要依据流体动压润滑理论，忽略表面粗糙度的影响，建立一个求解机械 密封端面问摩擦副的表面规则分布的微凹腔织构流体动压润滑数学模型，并对其进 行无量纲化处理，随后用多重网格法对其进行数值求解，分析微凹腔织构形貌的几 何参数和机械密封工况参数变化对流体动压润滑特性的影响，进而为机械密封端面 的激光表面微凹腔织构形貌优化设计提供理论依据。 2 1激光表面微凹腔织构机械密封的几何模型 激光表面微凹腔织构机械密封是在密封副的静环或动环端面上利用激光表面织 构技术加工出均匀分布的规则微凹腔织构。密封端面上的每一个微凹腔织构就像一个 微动力润滑轴承，当两密封端面相对转动时，在微凹腔织构及其周围区域会产生类似 油楔的流体动压效应，当流体动力和介质压力共同作用形成的密封开启力超过闭合力 时，两密封副端面分离，并产生具有一定刚度和厚度的流体介质润滑膜，密封端面间 的润滑状况因此得到很大改善。激光表面微凹腔织构机械密封模型如图2 1 所示。 转动办向 - 、 一一 动环 厂 一一 釜 垦、一一一 毯一篁造j ： 1 一j ，；弋o ? ，jy 静环 、：一一) ? ：o ：7 。 静环 、 图2 1 激光表面微凹腔织构机械密封 f 唔2 1l 丑s e rs u 血c en l i c r 0 - p o r e st e x t u r i n gm e c h a n i c a ls e a l 机械密封环端面激光表面微凹腔织构形貌的几何形状和分布如图2 2 所示。微凹 腔织构沿密封环端面呈辐射状分布，沿端面周向呈等间距分布，每一组径向微凹腔 织构称为一个孔栏，如图2 2 ( a ) 所示。由于密封端面的宽度相对于端面平均半径非常 小，因而可忽略表面曲率的影响，本文近似认为孔栏的两径向边界相互平行；又由 于孔栏的内外周边圆弧的长度相对于密封环周长很小，因而可认为孔栏的两周向边 界为相互平行的直线。因此，每个扇形孑l 栏可合理地假设为微凹腔织构均匀分布于 1 0 江苏大学硕士学位论文 矩形孔栏，如图2 2 ( b ) 所示，为了便于研究，本文建立了相应的坐标系，坐标系的x 轴为密封环环面的周向方向，v 轴为径向方向。 每个微凹腔织构可以假设位于边长为l l 的正方形控制单元的中央，并以此进 行相应的数值模拟计算和理论分析，如图2 荆所示，图中i 和y 为一微凹腔织构中 心为原点的局部坐标系。微凹腔织构的面积密度s p 为端面微凹腔织构面积与整个端 面面面积的比值，则有： l = 皂仁 ( 2 1 ) 2v s p 式中：s p 一微凹腔织构面积密度，无量纲； p _ 微凹腔织构半径，岬； 卜假想正方形边长，岫。 y c2 r p ， j x ( t 一 l ( a ) 微凹腔织构在密封环( b ) 扇形孔栏( c 滞凹坑织构单元的几何尺寸 图2 2 密封环端面微凹腔织构结构示意图 f 蟾2 。2s c h e m a t i cd i a 伊锄o fl s t - m sf a c ew i t hm i c f o - p o r e s 2 2 激光表面微凹腔织构机械密封的理论模型 2 2 1微凹腔织构端面间流体膜的控制方程 从数学观点来看，对