動壓密封技術界面微尺度效應研究現狀及其有效利用思路探討

黃國慶， 于雪梅， 王 衍， 葛云路， 胡 瓊， 曹志康

(江蘇海洋大學 機械工程學院， 江蘇 連云港 222005)

隨著現代工業的迅速發展以及人們對環境要求的不斷提高，機械密封的使用環境正在發生深刻變化，其對工況的要求也變得更加苛刻[1]。石油、化工等相關過程工業的密封流體大多具有易燃、易爆、劇毒、污染嚴重等特點，傳統的機械密封難以滿足目前設備的密封要求。而先進的動壓密封技術(如干氣密封、上游泵送機械密封等)通過很薄的壓力氣膜實現密封界面間的非接觸和小間隙運行，因此表現出優越的防泄漏、長壽命和低維護等特性，已得到廣泛應用[2]。但同時，流體動壓密封摩擦副表面的摩擦磨損問題一直是影響機械密封性能的重要因素。因此，科學有效地控制摩擦、減少磨損顯得尤為重要。潤滑是降低摩擦和磨損的重要手段之一，目前摩擦副潤滑狀態主要分為流體潤滑、邊界潤滑和混合潤滑。其中流體潤滑(包括流體靜壓潤滑和流體動壓潤滑)由于摩擦系數和磨損都很小，且能有效降低摩擦磨損而被廣泛應用于各工業生產領域[3]。

表面織構技術是一種通過微細加工技術在材料表面加工出具有一定幾何形貌與尺寸且排列規律的圖案，從而改善材料表面摩擦學性能的新型表面改性技術[4]。表面織構在機械密封中的應用也越來越廣泛，其主要通過對密封端面進行織構化處理，從而有效改善密封界面的流體潤滑性能，減小摩擦磨損。在后續的實驗研究中人們發現，因動壓機械密封中的流體潤滑現象主要存在于固體摩擦副的微尺度間隙中，且表面織構和粗糙度所產生的微尺度效應對流體的流動、潤滑等有較大的影響，所以微尺度效應對密封性能的影響不容忽視；同時，隨著流體潤滑中動壓機械密封研究工況的逐漸復雜化，人們對微尺度效應也越來越重視。

目前，對“微尺度”這個概念并沒有嚴格的定義，一般理解為“微米尺度”。近年來隨著研究對象的不斷變化，出現微尺度效應的時空尺度范圍也不盡相同[5]。由于在微尺度下，隨著特征尺度的減小，表面效應的影響會變得越來越顯著，會出現微間隙下的流動效應，因此，一些可以忽略的因素在微尺度下會對流動造成不小的影響。而在流體潤滑的動壓密封中，潤滑油膜的平均膜厚和表面粗糙度處于相同量級，粗糙度對潤滑性能的影響是不可忽略的，而且隨著膜厚的減小，粗糙度效應不斷增大；而表面織構和表面粗糙度也基本處于同一量級(一般為微米級)，兩者同屬于微尺度范疇，因此，在研究密封界面流體潤滑的過程中，這兩者所產生的界面微尺度效應不容忽視。近年來，國內外研究成果也相繼指出[6]，適當的粗糙度要求和表面織構的合理規劃與重構對改善摩擦性能至關重要，合理的粗糙度大小及表面織構形貌的合理介觀分布，有助于提升動壓機械密封界面的流體潤滑效果，從而有效提高密封的使用性能。

本文主要從表面織構和表面粗糙度微尺度效應的影響方式和作用機制著手，重點綜述了其對流體動壓機械密封的影響性能，并且針對如何有效利用界面微尺度效應、提升動壓密封界面流體潤滑效果進行了探討，以期為今后的研究和應用提供理論指導。

1 表面織構微尺度效應

1.1 表面開槽動壓技術的發現

1.1.1在軸承中的應用

近年來，隨著現代工業技術的快速發展，人們對摩擦副表面的潤滑、防護和減摩等性能提出了更高的要求。表面開槽動壓技術作為一種降低摩擦、減小磨損和有效提升流體動壓潤滑效應的手段，已得到廣泛認可[7]。表面開槽技術最早在軸承中得到應用，通常采取在軸承密封端面開設不同參數槽型的方式來研究其對軸承性能的影響。

圖1為徑向槽氣體軸承端面結構示意圖。從圖中可以看出，徑向槽沿周向分布于軸承端面，D為軸承直徑，θ為槽結構角，Dg為徑向槽直徑。隨著軸承的高速旋轉，當氣體泵入時，由于槽區的存在，會產生一定的流體動壓力，從而形成流體動力潤滑。

圖1 徑向槽氣體軸承端面結構示意圖

早在1965年，Vohr等[8]提出了一種窄槽理論，數值分析了人字槽氣體軸承幾何參數對軸承特性的影響。隨后，Bonneau等[9]驗證了窄槽理論的正確性，發現偏心率越低，軸承的剛度系數越高。2014年，董瑪莉等[10]采用局部積分有限差分法，系統分析了不同軸承參數對人字槽徑向氣體動壓軸承的膜厚、膜壓、承載力等特性的影響，發現合適的軸承尺寸、工況參數和槽型參數可使軸承的承載能力增強。在后續的研究中，人們通過大量的實驗發現，在試件表面開設不同形狀和參數的槽型，確實能有效改善摩擦性能，提升動壓效應，至此開槽技術得到了非常迅速的發展。

1.1.2在干氣密封中的應用

目前，表面開槽技術在干氣密封(dry gas seal, DGS)、上游泵送機械密封(upstream pumping mechanical seal，UPMS)等先進密封技術領域有著非常廣泛的應用，且在很大程度上提高了密封端面的動壓效應，有效降低了摩擦磨損。

干氣密封是在氣體潤滑軸承的基礎上發展起來的，通常以氣體作為密封介質，并通過極薄的壓力氣膜來實現動、靜環之間非接觸，因其泄漏少、長壽命、低維護等優良特性，在壓縮機、攪拌器和離心泵等中高速旋轉機械中得到了廣泛應用[11]。圖2為常見的螺旋槽干氣密封端面結構示意圖。由圖可以看出，在軸承密封端面周向均勻分布著槽深為hg，氣膜厚度為δ，數量為Ng的螺旋槽(一般為8～12個)，其中rg、ri和ro分別為槽底半徑、密封端面內徑、密封端面外徑。當密封端面旋轉時，被密封氣體由于泵吸作用沿周向被吸入槽內，氣體在流動過程中會受到密封堰的阻流作用從而使得氣體被壓縮，導致氣體壓力升高，進而產生流體動壓效應。

圖2 螺旋槽干氣密封原理示意圖

干氣密封目前的主要槽型有螺旋槽、T型槽、樹型槽、直線型槽等。近年來，國內外許多學者采用仿真分析的方法對各種槽型展開了深入研究。1995年，Kowalski等[12]采用有限差分法對可以反向旋轉的螺旋槽干氣密封進行了仿真研究。彭旭東等[13]介紹了一種多流通道螺旋槽干氣密封端面結構，同時發現在中低速時，由于該型槽結構中存在匯流槽，其相較于普通螺旋槽結構有更好的穩定性和更優異的密封性能。簡元霞等[14]依據流體動力學相關理論，采用ANSYS Workbench軟件對T型槽干氣密封端面流場進行了仿真分析，結果發現T型槽的存在能有效阻礙密封介質的泄漏通道。

1.1.3在泵送結構中的應用

上游泵送機械密封作為流體潤滑中泄漏、能耗和磨損都很小的一種非接觸式機械密封，現如今被廣泛用于離心泵、壓縮機等各種旋轉機械的軸端密封[15]。

圖3為典型的螺旋槽上游泵送機械密封端面結構示意圖。由圖可以看到，在密封端面內徑上均勻分布著一定深度和數量的對數螺旋槽，其工作時主要依靠開設有螺旋槽的動靜環端面進行相對旋轉運動，并通過端面開槽后所產生的上游泵送效應，把密封低壓側的少量流體增壓泵送到高壓側，在密封端面形成一層極薄的液膜，從而實現非接觸密封，極大地降低了密封端面的磨損。

圖3 螺旋槽上游泵送機械密封端面結構示意圖

相關學者對上游泵送機械密封進行了比較深入的研究。2011年，牛冬亮[16]對上游泵送機械密封的密封槽進行了整體優化設計，基于優化槽型提出了加工流體動壓槽的新思路。2015年，丁雪興等[17]對比分析了單列槽和人字槽兩種不同槽型的上游泵送機械密封性能，發現人字槽上游泵送機械密封的動壓效應及密封性能均優于單列槽，并且獲得了最佳槽型參數。次年，陳匯龍等[18]探究了空化現象對上游泵送式機械密封性能的影響，分析了空化熱效應對密封性能的作用機理，指出高速時空化熱效應會阻礙上游泵送機械密封高壓區的形成，使得泵送量和開啟力都降低。

綜上可知，表面開槽技術是改善材料表面摩擦學性能的一種有效手段。該技術在軸承和機械密封中多以開微米級淺槽為主，在潤滑條件下，由于淺槽的存在，槽區會產生表面織構微尺度間隙下的流體動壓效應，進而提高摩擦副表面的耐磨性能。由此可見，通過對密封界面的改型改性可有效改善摩擦性能、提升動壓效果，且合理的表面織構有助于提高動壓密封的穩定性。

2 粗糙度微尺度效應

2.1 軸承中粗糙度微尺度效應

在軸承的相關研究中，通常假設軸承表面為理想的光滑平面，而實際上任何加工平面都不可能絕對光滑，都存在一定的粗糙度，且軸承表面粗糙度與油膜厚度的數量級基本處于同一量級[19]，所以對軸承性能的研究必須考慮表面粗糙度的微尺度效應影響；與此同時，隨著現代工業的迅速發展，軸承的設計精度和設計要求也越來越高，因此需要考慮表面粗糙度對其性能的影響。

滑動軸承作為回轉軸的主要支承零件，因承載能力強、功耗小和工作可靠等優點，被廣泛應用于現代制造的各個領域。鄧衍順等[20]研究指出，隨著軸承表面粗糙度的增大，其壓力變化和承載能力的均值都呈下降趨勢。吳卓等[21]基于MATLAB軟件對滑動軸承潤滑特性進行了相關研究，指出當考慮表面粗糙度時，油膜的壓力更大，特別是在軸承偏心率較大時，表面粗糙度對油膜壓力的影響更為顯著。該研究說明，在精度要求較高、偏心率大的軸承設計中，考慮表面粗糙度對滑動軸承的影響是很有必要的。秦超[22]以流體動壓潤滑理論為基礎，采用有限差分法研究了滑動軸承在不同粗糙度下的潤滑靜特性，結果發現，在相同的負載下，表面粗糙度越大，摩擦功耗越大，再次證明了粗糙度對滑動軸承靜特性的影響不可忽視。

2.2 干氣密封中粗糙度微尺度效應

與此同時，機械密封摩擦副表面粗糙度微尺度效應作為影響機械密封和流體潤滑性能的重要因素也越來越受到學者們的關注。

動壓式干氣密封中，考慮粗糙度的微尺度效應影響的研究較多。學者們通常采用端面開槽及表面紋理設計的方式來改善密封端面的流場特性，提升流體動壓效應，從而有效提升機械密封性能。

相關學者們對此也進行了深入的研究。1978年，Patir等[23]引入流量因子來探究流體間隙流量中表面粗糙度的相關影響，建立了PC模型，為今后研究流體潤滑效應下表面粗糙度的影響機理提供了有益的借鑒。彭旭東等[24]考慮了螺旋槽干氣密封(S-DGS)不同區域(分為軟環端面、硬環端面開槽與非開槽區)表面粗糙度對其密封性能的影響，結果表明，非開槽區硬環端面粗糙度對S-DGS性能的影響甚微，而軟環端面則相反；與光滑平面相比，粗糙端面的密封開啟力和氣膜剛度更大，且泄漏量更小。在一定條件下，S-DGS的密封端面光滑與否與其幾何結構參數的優化值無關。李偉等[25]研究指出，相比于傳統的密封端面，一定的粗糙度可明顯提升密封氣膜剛度，且在高速運轉時，表面粗糙度對密封開啟力的影響不容忽視。劉夢靜等[26]探究了滑移流效應對密封性能的作用機理，發現滑移流現象與粗糙度的影響密切相關，且在微尺度條件下，負滑移有助于密封開啟力的提高。以上研究結論皆表明，在流體動壓密封的相關研究中，粗糙度這一因素的影響不容忽視，且一定的粗糙度大小及合理的粗糙表面形貌分布更有利于減小磨損，提高耐磨性能；同時，如何合理利用微尺度效應對流體潤滑的影響成為目前亟需解決的問題。

鑒于干氣密封技術中利用微尺度開槽技術獲得了良好的動壓效應，有效地削弱了粗糙度微尺度效應對密封性能的不良影響，因此以干氣密封為對象，研究動壓密封技術中的微尺度效應對改善摩擦副表面的摩擦學性能、有效提升密封性能的積極作用。

3 表面織構微尺度效應有效利用思路探討

3.1 基于開槽技術的有序微造型設計

微尺度效應使得密封潤滑性能方面的研究變得十分復雜。從國內外文獻檢索情況來看，關于利用表面織構微尺度效應對密封性能影響方面的研究都還很少，甚至未曾涉及，這也使得微尺度的理論研究與現實應用之間依然存在很大差距。基于此，結合課題組最新研究成果，介紹了一種新的基于開槽技術的微造型設計，旨在闡釋微造型設計對密封性能改善的作用機制，最終實現基于槽底粗糙表面造型改性的干氣密封，有效提升密封端面流體潤滑效應，進而提高干氣密封的使用性能。

以經典槽型T型槽為例，干氣密封槽底微造型設計如圖4和5所示。

圖4 矩形微造型示意圖

圖5 有序微造型三維示意圖

圖4中，Bm、Cm、ε分別為微造型寬度、間距和深度，hg為槽深，δ為氣膜厚度。綜合考慮模型引入微造型后的復雜性以及網格劃分難度，在模擬研究中主要使用UG進行二維建模，微造型選用平行直線，并在Gambit軟件中對其進行網格劃分(見圖5)，微造型采用映射法形成面，對氣膜和槽區的面分別劃分網格，最后利用Fluent軟件仿真求解。

3.1.1在干氣密封中的應用

近年來，課題組在干氣密封粗糙表面有序微造型設計方面取得了較大的進展[27]。首先，基于干氣密封微尺度流場的相關特性，提出了有序微造型下的干氣密封新模型，并在有無微造型兩種工況下，對螺旋槽和T型槽進行了數值仿真對比分析，結果表明：同工況下，有微造型結構的開啟力相較于無微造型結構的開啟力有較大幅度的提升，且在速度和壓力值較高及微尺度下，提升量更為顯著；同時還發現，槽深和微造型深度存在一個區間，可使密封性能達到最優。其次，基于激光開槽的方法[28]，通過在圓弧線槽干氣密封(A-DGS)槽底開設有序微造型，對比分析了不同幾何和工況參數下偏移背風側有無微造型A-DGS的密封性能，結果表明，同工況下，具微造型圓弧線槽干氣密封的開啟力較A-DGS有一定程度的提升，且在低速、高壓和小槽深時可達最佳提升效果，同時還發現，槽底微造型設計與槽型結構優化參數無關。文獻[29]還進一步探究了槽底粗糙表面有序造型設計對T型槽干氣密封微尺度流場的影響，并對其進行了擾流特性的相關分析，研究發現，粗糙表面有序造型設計對干氣密封性能的影響非常顯著，且在具微造型的槽底表現出了較好的導流效應；同時，在高壓、高速、小膜厚和小槽深時，發現具槽底粗糙表面有序造型的T型槽較無微造型T型槽具有更優異的密封性能。

3.1.2在上游泵送機械密封中的應用

鑒于目前表面織構微尺度影響下上游泵送式機械密封方面的研究較少[30]，因此課題組采取三維建模、仿真模擬的方式對其進行了相關研究。圖6對比分析了具有序微造型上游泵送機械密封(upstream pumping mechanical seal with micro texture，M-UPMS)與上游泵送機械密封(UPMS)的開啟性能，圖中Qp為密封泄漏量，Fo為密封開啟力，δ為氣膜厚度。由圖可知，M-UPMS和UPMS的Fo均隨δ的增大而減小，同時，二者的Qp均隨δ的增大先逐漸增大，當δ增大至2.5 μm后，Qp開始逐漸減小，且M-UPMS較UPMS更遲出現泄漏。當δ取0.5～4.5 μm時，M-UPMS相較于UPMS，Qp性能最大可提升46.7%。由此可見，在上游泵送式機械密封穩定運行階段(δ取3～5 μm)，槽底有序微造型不僅可以保持相對穩定的膜厚，同時還具有顯著的抑漏效果。

圖6 M-UPMS與UPMS開啟性能對比

以上實驗研究表明，從流體潤滑的密封界面微尺度效應的微觀特性分析，基于開槽技術的有序微造型設計，因量級相近，極大地削弱了粗糙度的不利影響，進而產生導流、抑擾等積極的微尺度效應，極大地增強了槽底的流體動壓效應，有效改善了密封端面的摩擦學特性，提高了密封性能，這也驗證了基于粗糙表面的有序微造型設計在提升流體潤滑效果方面的巨大潛力。

4 結 語

本文系統綜述和闡釋了近年來表面織構和表面粗糙度微尺度效應對流體動壓密封影響的研究現狀，并結合當前課題組的最新研究成果，以干氣密封及上游泵送機械密封為主要研究對象，就如何有效利用界面微尺度效應對流體動壓密封的影響，詳細介紹了基于表面開槽技術的有序微造型設計，并通過仿真計算驗證了該方法的可行性。以期為今后流體潤滑下動壓密封的進一步研究及工程應用提供理論指導和借鑒。

目前，流體動壓機械密封的研究已經取得了重要進展，未來的研究方向可以集中在以下方面：①系統研究非單一織構、槽型及其幾何參數對密封表面摩擦學特性的影響；②結合實際工況，探究基于不同槽型的多樣化微造型設計對密封性能的影響。