端面傾斜對粗糙表面機械密封性能的影響分析

文建平

（湖南財經工業職業技術學院，湖南 衡陽 421000）

端面傾斜對粗糙表面機械密封性能的影響分析

文建平

（湖南財經工業職業技術學院，湖南 衡陽 421000）

機械密封主要是由動環、靜環與流體膜組成，流體膜的膜厚、端面摩擦力、端面密封壓力、動環動環轉速、微凸體接觸力等都會對機械密封性能產生不同程度的影響，而端面傾斜角度則會在這些因素的綜合作用下，對機械密封性能產生相應的影響，傾斜角度值的選擇直接影響到粗糙表面機械密封性能，當流體中心膜厚為0.5μm時，傾斜角度位于0～0.35之間，粗糙表面獲得的綜合機械密封性能就會顯著高于光滑表面。

端面傾斜；粗糙表面；機械密封；密封性能

現代工業是以各類機械設備作為基礎，而在各種機械設備中，密封性能是機械性能的重要部分，機械密封是密封領域中一個獨特而優良的技術，在流體機械設備中有廣泛的應用。機械密封是避免液體泄漏的一個關鍵零部件，對粗糙表面的傾斜角度、流體膜厚等進行綜合分析，能夠顯著提升機械密封性能。

1 機械密封的理論模型

1.1 幾何模型

機械密封模型主要組成部分是具有浮動性的沿徑向方向呈收斂性端面的一個靜環、可以固定安裝的一個動環以及流體膜組成，動、靜環通常呈平行狀態，在機械密封的制造及安裝過程中，可能會出現一定的誤差，動、靜環之間的密封端面可能會出現一定的傾斜，使密封端面之間的流體膜厚度在沿徑向方向上出現不一致的分布。結合經典潤滑理論，在粗糙表面的膜厚比低于3時，機械密封端面能夠實現混合潤滑；在端面的傾斜角度逐漸由0向1增加時，最小名義膜厚度則會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準偏差的3倍時，粗糙表面就會相互接觸，這時，就需要分析并計算微凸體接觸力大小，進而構建一個數學模型。

1.2 數學模型

（1）液體的潤滑性能。。將密封流體設定為牛頓流體，能夠保持固定的黏度，具有不可壓縮性，流體保持層流動狀態，并忽略掉慣性效應影響。根據平均流量模型，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。在數學模型的構建中，還要考慮端面空化現象的影響、質量守恒規律，因此需要根據JFO的空化邊界條件，將一個函數與變量引入其中，對方程進行全面修正，得出以下計算公式：

其中，Fφ=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則液態液態介質密度，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。混合潤滑的情況下，密封端面之間部分微凸體發生接觸后，產生彈塑性變形，并產生一種接觸力。根據彈塑性接觸模型對微凸體接觸力進行計算即可。

（3）密封性能的相關參數。密封性能的關鍵參數是端面摩擦力，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。機械密封的泄漏率則可由計算公式獲得：

式中，Ω表示密封端面的計算域，l表示密封端面的內圓周線，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，粗糙端面的機械密封流體膜壓力分布情況也會有所不同，傾斜角度為0，即端面動靜兩環呈平行狀態時，端面流體膜的壓力會沿著圓周方向做均勻分布狀態，當傾斜端面流體膜壓力沿著圓周方向產生變化時，就會出現高壓區與低壓區的明顯差別；傾斜角度增加，則高壓區流體膜壓力就會增加，傾斜角度為0.2時，流體膜壓力會達到最高值即13.9MPa。端面傾斜時，密封端面流體膜厚度會沿著圓周方向生成發散區與收斂區兩個不同的區域，動環轉動就會引發流體的動壓效應。收斂區流體膜會生成一個高壓區，而發散區流體膜則會生成一個低壓區甚至是空化區。隨著傾斜角度的增加，高壓區域會不斷集中，從而面積不斷減小，并且不斷增加壓力峰值；低壓區域的面積則不斷增加，并且會使最低壓力不斷減少，進而在極端情況下產生空化壓力。

（2）端面傾斜角度對于機械密封性能的影響。在密封壓力、中心流體膜厚度、動環轉速不同的條件下，傾斜角度會對機械密封端面的摩擦力產生不同的影響。在傾斜角度增加的條件下，端面摩擦力會加速增長，這種情況是由于端面傾斜時，會產生一種流體動壓效應，有效提升了流體膜的摩擦力，傾斜角度增加，流體動壓效應也就會增強，流體膜的摩擦力也就會增大。傾斜角度的增加，會使最小流體膜厚呈現減小的趨勢，當最小膜厚達到綜合粗糙高度標準偏差的3倍時，粗糙端面就會相互接觸，進而產生微凸體接觸力，在傾斜角度固定時，通過密封壓力與動環轉速的增加、中心膜厚的減小，都能夠增強流體動壓效應，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，并提高端面的摩擦力。

工況相同的條件下，粗糙表面機械密封端面摩擦力始終要比光滑表面高，傾斜角度的增加，會使粗糙表面機械密封和光滑表面機械密封壓力差值增加，傾斜角度相同時，密封壓力與動環轉速的增加或者中心膜厚度的減小，會使粗糙表面和光滑表面的密封壓力差值不斷增加，因此，表面粗糙度會產生流體動壓效應，進而增加端面摩擦力，而且傾斜角度、密封壓力、動環轉速的增加或者中心膜厚的減少，會使粗糙表面端面動壓效應增強，并且增加端面摩擦力。

傾斜角度增加，端面摩擦力會出現先減少之后增大的趨勢，當摩擦力達到最小值時，其傾斜角度對應一個極值點，當傾斜角度在這一極值的范圍內時，由于端面傾斜的空化現象，空化區面積會因傾斜角度的增加而增大，而其流體密度比則會相應減少，進而降低了空化區液體黏性剪切應力，使其低于液體膜完整區域的流體黏性剪切應力，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的范圍內時，空化區域面積與流體密度比會穩定在一個值內，而最小膜厚則會因傾斜角度的增大而減小，進而增加了最小膜厚附近區域的液體黏性剪切應力與端面之間的流體黏性剪切摩擦力。中心膜厚減小，極值點也會減小，密封壓力、動環轉速的增加，則基本不會影響極值點的大小。傾斜角度相同時，中心膜厚的減小與密封壓力、動環轉速的增加，會增加密封端面的摩擦力；增加密封壓力，則會增加開啟力與泄漏率，同時增加了端面摩擦力，并增加了密封端面之間的流體靜壓效應。工況相同的條件下，粗糙表面機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范圍時，粗糙表面端面摩擦力的增加速度遠高于光滑表面摩擦力增加速度。

從數學模型可以看出，傾斜角度與泄漏率之間有直接的關系，傾斜角度的增加，會使泄漏率出現加速增長趨勢，而泄漏率與膜厚的立方呈正比，因此膜厚增加，泄漏率也會增加，從而提高了總泄漏率。傾斜角度相同時，密封壓力與中心膜厚的增加，會提高泄漏率；動環轉速的增加，則會因傾斜角度的范圍值不同而呈不同的變化趨勢，在傾斜角度值低于0.6時，泄漏率基本保持不變，當傾斜角度高于0.6時，泄漏率則會有一定的增加。在中心膜厚極小的情況下，傾斜角度就會出現一個臨界點，當傾斜角度位于0到這一臨界點的范圍內時，粗糙表面機械密封端面泄漏率就會明顯低于光滑表面泄漏率；如果傾斜角度在這一臨界點到1的范圍內時，粗糙表面機械密封端面泄漏率就會顯著高于光滑表面泄漏率。這一臨界點會因中心膜厚的增加而降低。

3 結語

工況相同的條件下，傾斜角度的增加，會使端面摩擦力與泄漏率增加，而摩擦力則會在減小之后又加速增加。傾斜角度相同時，密封壓力、動環轉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。粗糙表面會產生一定的流體動壓效應，從而有效提升端面摩擦力。傾斜角度的增加，會使動壓效應增強，從而增加了摩擦力。當中心膜厚為0.5μm時，傾斜角度位于0到0.35之間，粗糙表面獲得的綜合機械密封性能就會顯著高于光滑表面。

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文建平（1962-），湖南衡陽人，大學本科，高級實驗師，主要研究方向：模具設計及教學。