倾斜菱形孔端面密封的性能研究

1、倾斜菱形孔端面密封的性能研究程香平i,彭旭东2,孟祥铠2,张友亮】，康林萍i(1.江西省科学院应用物理研究所，江西 南昌330029；2.浙江工业大学过程装备及其再制造教育部工程研究中心，浙江杭州310032)摘要：基于流体润滑理论模型，采用数值模拟的方法分析儿何参数和操作参数对机械密封泄漏率、液膜刚度和开启力 的影响规律，探讨倾斜菱形孔上、下游泵送效应对密封性能的影响机理。结果显示：双向倾斜菱形孔织构端面能够使机械 密封的动压效应显著增强，泄漏率明显降低及液膜稳定性更可靠；在较低转速时，双向倾斜菱形孔织构可使密封端面迅速 打开，能够冇效减少启动时两端面间的摩擦和蘑损，同时还能降低倾斜菱形孔织

2、构密封的q;在研究的工况条件下，菲倾 斜菱形孔织构密封的液膜稳定性(即变工况口适应能力)在三者(即双向、单向与非倾斜菱形孔织构密封)中是最佳的；并得到 了倾斜菱形孔端而密封的反向开孔比、孔倾角、而积比和孔深等儿何参数的优化取值范围。关键词：机械密封；密封性能；倾斜菱形孔；动压效应中图分类号：tu831.3文献标识码：astudy on performance of end face seal with inclined diamond poresi2211cheng xiang-ping , peng xu-dong , meng xiang-kai, zhang you-liang , ka

3、ng lin-ping(1 institute of applied physics, jiangxi academy of sciences, nanchang 330029, china; 2.thc moe engineering center ofprocess equipment and its manufacture, zhejiang university of technology, hangzhou 310032, china )abstract: based on a liquid lubrication theory, influence of operating par

4、ameters and texturing parameters on open force> film stiffness and leakage was numerically investigated then upstream and downstream pumping principles of the inclined diamond pores were discussed. results show that the liquid seal with bidirectional inclined diamond pores had larger hydrodynamic

5、 open force, more reliable liquid membrane stability and lower leakage than those with unidirectional： at low speed, bidirectional inclined diamond pores texture can make seal end faces opened quickly, and can effectively reduce the friction and weiir between two end faces in the startup phase at th

6、e same time, the leakage of the inclined diamond pores texture seal can also be reduced; under the operation conditions of research, the liquid membrane stability (self-adaptive capacity of the variable conditions) of the non-inclined diamonds texture seal is the best in the three (the bidirectional

7、, unidirectional and non-inclined diamond pores texture seals); and optimization range of reverse pores ratio, pores inclination angle, pores area rate and pores depth was obtained. keywords: mechanical seal； seal performance； inclined diamond pores； hydrodynamic effect基金项目：国家青年科学基金项目(51505203)；江西省科

8、技开发和产业化开发项目火炬计划项目(20151bbe51065)； 2015年江曲省科学院聘士启动基金项g(2014-yyb-18和2014-xtph1-18).1996年etsion山将激光加工表面织构技术引入 机械密封(lst-ms)屮，又给出了对膜压具有重要影 响的径深比，并分析出动、静压与孔间效应的相互 关系。随后各国学者在端面展开了大量的研究， nam通过实验研究发现微孔的摩擦系数与微孔 密度和孔的径深比密切相关。kligerman对圆形微 孔的动压效应进行了数值分析，通过对微孔几何参 数的优化，使其密封端面的动压承载力达到最大。 彭旭东等x对各种型面微孔的密封性能进行研 究，指出矩

9、形孔织构的端面密封性能是最佳的。同 时较系统的研究了孔的排布形式、操作参数和几何 参数等对密封性能的影响规律l8-，0jo白少先等1川对 方向性椭圆微孔的密封性能进行了深入研究，获得 了最佳的倾斜角度，又指出表面形貌的方向性对于 流体运动规律尤英是对机械密封的开启力凡和泄 漏率q等性能参数有明显影响卩現为提高多孔端面密封的开启力仇同时减小泄 漏率q，提出倾斜菱形孔端面液体密封结构，采用 有限差分法分析倾斜菱形孔密封端面的密封性能 参数，包括液膜刚度&、化和q等的彫响规律，探讨双向双列倾斜菱形孔其上、下游泵送效应对密 封性能的作用机理，并给出主要孔型参数的优化取 值范围，以期为动压多孔端

10、面机械密封的工程设计 提供理论依据。列数和单列径向菱形孔的个数；d和b分别为菱形 孔半长、短轴的长度，若定义短、长轴比g=bb o 打和心分别为密封坏端面的内、外半径。为了反映内、外菱形孔环带的分布状况，特定 义反向开孔比“如下所示：(2)1计算模型1.1几何模型图1为双向双列倾斜菱形孔机械密封的端面 结构示意图。由图可知，在静圆环端血上开具内、 外菱形孔环带，外菱形孔环带位于高压处，内孔 环带位于低压处图1(a),孔环带沿着周向方向呈 对称分布、径向方向呈等间距排布，沿径向排布的 1列孔为单列孔型周期图1(b),内、外菱形孔的 半长轴与密封环旋转方向的夹角分别记为和 (x2图 1(c),其中

11、 0。勺芒90。，90°<a2<180°,且 a!+a2=180；另外，如图1(a)示的密封环反向旋转, 可实现 90°<ai<180°, 0°<a2<90°o式中，处和如分别为单列孔型沿径向方 向的总菱形孔数目、外菱形孔环带和内菱形孔环带 的孔数目,即叮+衍。则菱形孔沿径向的分布 特征就可由仏和/表示冋。1.2数学模型假定端血间液膜压力沿膜厚方向保持不变；密 封液体为牛顿型流体，其黏度恒定不变，故端面膜 压控制方程可用reynolds方程表示：d(/? 3 8p'dh"/?3 d

12、p、(6“ dxj® qy)=u理+止dx 8y°(c) ifldination angle(a) dimple distribution (b) column and boundarj1 condition 图1端面菱形孔分布示意图fig. 1 schematic diagram of the end faces with diamond pores 图l(a沖口为密封环内压,久为密封环内压。 非孔区端面间液膜厚度为/(),且孔型均是等深孔, 其深度定为仏。孔的而积比,s定义为：端面上所有 菱形孔的面积和与端面面积的比值，则有：zabnn7(1)式中：n、弘分别是沿端面周

13、向对称分布的孔式中，“为液体的黏度系数，u和v分别为直角坐 标系屮a-和y轴方向的端面平均线速度。流体膜厚方程：h( pores outside力斗h() + /?)pores inside因菱形孔沿着周向方向呈周期性排布，故选择 图1(b)所示的1个周期作为研究对象，则强制性边 界条件为：p(r = “，= pi< = p°0. 5/9) =-0. 50)将式引入jfo空化边界条件进行数值 求解，并采用类似elrod的质量守恒模型口叫设定 液膜区的密封流体不可压缩，密度恒定，而空化区 流体是可压缩的。用超松弛迭代法求解线性方程 组，得到计算域上的膜压分布，由此可算出液膜刚 度

14、&、化和q等密封性能参数，具体算法详见参8.257.657.508.10ie7.95n oa7.80x0.81.62.43.24.04.84/阴15 o0 a.5.o.5q.53.3.2 9 o lne x亠尸 1.勺=00“二0疋>1"产30°严0.25工 >1,勺=30°4503752 300&225150750.0 0.82结果与讨论计算过程屮，端面儿何结构参数：128mm,142mm； /?o=l5pm, /?i=1.5(.im, hs=4, a=l2mm, g=0.59,孔型列数(即周期数)am50。工况参数：门二0.1 mp

15、a, po=0.3mpa, “=0.001 pa s,密封环转速二1500 r/mino在研究和计算分析某参数对密封性能影响吋， 除说明外，其它几何参数和工况参数均保持不变； 以获得最大f。和q为孔型几何参数的优选目标， 并参考以确保液膜稳定性。2操作参数的影响2.1.1 压力 po图2所示为密封性能参数随着久的变化而变 化的曲线图和柱状图(图2(a)屮实线与左侧纵轴相 对应，虚线与右侧纵轴相对应，二者共用横轴，文 屮有类似图形均有此规定)。有图2(a)可知，非倾 斜菱形孔(§二1，山二0)、单向倾斜菱形孔(§>1， #二0, %工0)和双向倾斜菱形孔(§

16、>1, “工0, a#0) 均可产生显著的动压效应，但双向倾斜菱形孔的动 压效应更强烈。对于双向倾斜菱形孔织构密封，一 方面，外侧孔的方向性倾斜使得上游流体沿长轴方 向往下游流动，流体在孔尾部不断积累和压缩; 另一方面，其屮一部分下游流体将在内侧菱形孔屮 沿着长轴方向往上游泵送，在某种程度上阻挠了上 游流体向下游流动，因此在两孔带交汇处形成高压 区，产生了明显的动压效应。还可看出，对于三种 型式的菱形孔织构，kz随p0的增大而稍微减小， 故而较大孔径的菱形孔端面密封液膜稳定性更好， 即在较大压力范围内，抗变压能力更强。但非倾斜 菱形孔的(po=3.2mpa)比单向倾斜菱形孔端面密 封的约

17、高出13%、比双向倾斜菱形孔的约高出9%, 且在研究的压力变化范围内，匕值变化很小，曲线 图几乎呈水平直线状，即非倾斜菱形孔端面密封的念=1, (71=0 y-0,<>l,«i=30° a =0.25<>1, 4=30(a)/7。、k&po(b) q&p。图2几对密封性能参数的影响fig.2 effect of p0 on sealing performance parameters 由图2(b)可知，非倾斜菱形孔(g=l, g=0)、 单向倾斜菱形孔>1，/?=0, «!/0)和双向倾斜 菱形孔(§>

18、1，”工0, «|0)的q均随着外压“o的 增加而增加，但倾斜菱形孔的q要比非倾斜菱形 孔的大，而单向倾斜菱形孔比双向倾斜菱形孔的q 要大，原因在于双向倾斜菱形孔的反向开孔将下游 流体向上游泵送，进而阻挠流体大量泄漏岀去。 2.1.2转速w图3为菱形孔端面密封的性能参数随e变化 的曲线图和柱状图。由图3可知，随着少的增加, 双向倾斜菱形孔端面密封(作0,血和)的化在启动 时快速增人，而非倾斜菱形孔(«i=0)和单向倾斜菱 形孔("0, «)#)启动时的几变化较小，而后基 木保持恒定。原因在于启动时双向倾斜菱形孔织构0 600 1200 1800<y

19、/r/min(a)f。、kz&e38lu.nroi xx2 -9 o o o46692.940 6 2.8652 z o 2 采o- x亠2.38初=0旳=30"24la 20840=025、=3.3q.73.3.02.n/cix 442.oo3.3.250200，5°1&100500较强的动压效应，可使两密封端面迅速打开，极大 地减弱了启动阶段两端面间的摩擦磨损。还可看 出，三种型式的菱形孔的心随着®的增大，呈现 出线性单调增加的变化趋势，而在相同操作工况 下，k/>kz单km，三者间差别不大。由图3(b) 可知，非倾斜菱形孔的q比倾斜菱形

20、孔的小，也 可看出双向倾斜菱形孔织构中的反向开孔可减小 方向性菱形孔密封的q，当60>5()()r/min时，其q 仅为单向倾斜孔的75%o0.230.00 2400322805001000150020002500ry/r/min(b)q&a)图3对密封性能参数的影响fig.3 effect of oj on scaling performance parameters2.1.3/?。的影响图4是双向倾斜菱形孔端面密封的f。、kz 和q随仏变化的柱状图和曲线图。结果显示, 随着增大和匕快速减小，而q迅速增加。 当/?o=1.0mm> ”=0.25时的动压f。比”=0时的 增

21、大了 33%, 0=0.5时的动压f。比时大 50%；在同仏条件下，时的q最大，0=0.5 时的q最小。原因在于，随着”的增大，内孔带 数目所占比例增加，下游泵送作用增强，将原 己泄漏出的流体又泵送回密封端面间，从而减 小了 q.但是，与几、q相比，反向开孔比"的 大小对&影响不大。3.6(b)k八 q&h。图4 ho对密封性能参数的影响fig.4 effect of /?o on sealing performance parameters2.2几何参数的影响合理选择孔型参数“、山、$和仙可以极大 地改善织构端面密封的性能，从而研究其对密 封性能的影响情况。2.2.

22、1 “的影响图5是“对密封性能彫响规律的柱状图和 曲线图。有图可知，当/?=0.5时，化和是最 大的，山=45。时的f。比ai=10°的f°高出18.5%, 但ai=45。时的kz却是最小的；随着0的进一步 增加，动压效应和液膜稳定性逐渐减弱，而静 压效应却越来越强烈。图5(b)显示，q随着“的增加快速减小，当«i=10% “二1和二30。、p = 时，由动压效应引起的q降为0。其减小原因在 于，随着“的增大，内孔带微孔数目所占的比例 越來越大，下游泵送效应越來越显著，液体泵 送回端面的能力越来越强。故而在需要控制q 的场合，双向倾斜菱形孔织构端面密封具有更 强的

23、优势。综合以上，考虑f。、心和q，建议“的优选取值范围为0.40.6。(a) f°& p(b)k八q&卩图5 0对密封性能参数的影响fig.5 effect of 0 on scaling performance parameters2.2.2 的影响由咎对密封性能的影响规律曲线的柱状图 (图6(a)可知：当0.25<0<0.75时，随着 血 的增加，端面间液膜的动压效应先增加后减小, 当“二0.5、«)=30°时，凡出现极大值，且大于单 向孔(”二0或0 = 1)的开启力。据221节的分析, “值实质上反映了菱形孔端面密封的上、下游泵

24、 送作用所占的比率的相对变化情况。由图6(b)nj'知，&随着5的增大逐渐增大， 在当ai=20°左右时出现极大值，而后随着ai增 加，£迅速减小。在同工况条件下，”二0.5的 &值最大，其次是"二0.25和0.75,最差的是”=() 的。还可看出，当血为某定值时，0值越大q 就越小；当“<0.5时，随着如的增加，0先增 加到某极大值随后又缓慢减小。当卩>0.5时， 随血的增加，q先逐渐减小至某极小值后再缓 慢增大。当=0.25-0.75且=20。4()。时能够保 证端面密封具有较小的q和较大的&、fooai/(a) f

25、o&g01020 aif 304050(b)k八 q&g 图6血对密封性能参数的影响fig.6 effect of a on scaling performance parameters2.2.3 s的影响30274 18 52 2 11129 65c.5c&7.z7.56.vpvo图7给出了 s对f。、匕和q的影响规律。由 图7(a)可知，当“v0.9时，$越大f。随之增大，当 5=0.0899 k 卩=0.5 时的 凡 比 *0.0224、卩=0.5 时的f。大24%；当0 >0.9时，$越大f。就越小。 在不同s下，q随着“的增大而逐渐减小。当0.6时，s越

26、大q随之增大；当p >0.6时，$越大 q就越小。同样，&随s增大而迅速增大。由于$过大致使相邻孔型间相互交叉，从而极 大地削弱了孔型织构的作用。为了确保良好的密封 性能同时增大端面间液膜的f。和控制其q，$优先 选取().020.()9是足够的。3.0*o-2.8 x2.62.42 20.0 0.20.40.60.81.0(a)f°&$7.23228y0.02245-0.08992420-x.16 2118 4j4.566.5.4.23.一e.n/0-2x72.5=0.0505ii丄iiij 00.00.20.4b060.81.0(b) k,、q&s图

27、7 $对密封性能参数的影响fig.7 effect of s on sealing performance parameters2.2.4 hx的影响图8反映了 f°、&和q随/z,的变化规律。随 着加的增大，当“=()时，仇先缓慢增加到某极值 而后又逐渐减小；当“工0时仇随h的增大而缓慢 变大。当0=0.5、hx= 4um时,f°增长率最大,约 为28%。由图8(b)可知，随创的增加而迅速减 小。而0随加的增加逐渐增大，当i = 1.54um时q很小而f。鮫大。/zi/pm(b)&、q&hi图8儿对密封性能参数的彫响fig.8 effect of

28、h、on sealing performance parameters3结论(1) 双向倾斜菱形孔液体端面密封是动压型机 械密封，内孔环带的倾斜方向与外孔环带相反，可 将下游流体沿倾斜孔长轴方向往上游泵送，从而极 大地减小了 q；(2) 在较低转速吋，双向倾斜菱形孔织构可使 密封端面迅速打开，能够有效减少密封装置启动时 两端血间的摩擦和磨损，同吋还能减小方向性菱形 孔端面密封的0在研究的变压工况条件下，非倾 斜菱形孔织构密封的液膜稳定性(即变工况自适应 能力)在三者(即双向、单向与非倾斜菱形孔织构密 封)屮是最佳的。(3) 双向倾斜菱形孔液体端曲密封的f。、& 和0受p、g、s和力等参

29、数的影响。当0为0.4().6, ai 为 20。40。, s 为 0.020.09, ha 为 1.52um 时， 菱形孔织构密封具有很好的动压开启性、液膜稳定 性和密封可靠性。符号说明0菱形孔对称轴的半长轴长，mm；b菱形孔对称轴的半短轴长，mm；h端面间任意点的膜厚，pm；仏端面未开孔区流体膜厚，pm；hi孑l深，gm；3旋转环转速，卬m；端面同一径向方向上的孔数p膜压，mpa；pi端面低压侧压力，mpa；po密封介质压力或高压侧压力，mpa；片、ro端而内、外半径，mm；$端面开孔面积之和与端面面积之比；f。一端面开启力，n；k:端曲间液膜刚度，nmmsq泄漏率，ml h"；

30、外菱形孔带旋转倾角；«2内菱形孔带旋转倾角；p反向开孔比；p密封介质粘度，pa s；§短长轴比。参考文献1 etsion i, burstein l. a model for mechanical seals with regular micro-surface structure |j|. tribology trans., 1996, 39(3): 677-683.2 etsion i, kligerman y, halperin g analytical and experimental investigation of laser-textured mechanic

31、al seal faces j. tribology trans., 1999, 42(3): 511-516.|3) nam s. chang y, lee s, et al. effect of size for micro-scale dimples on surface under lubricated sliding contact jj. key engineering materials, 2007, (345-346): 295-768.4 kligerman y, etsion i. analysis of the hydrodynamic effects in a surf

32、ace textured circumferential gas seal |j|. tribology transactions, 2001,44(3): 472-478 彭旭东，杜东波，李纪云 不同型面微孔对激光加工多 孔端面机械密封性能的影响j.摩擦学学报，2006, 26(4): 367-371.6j秦浩，彭旭东，白少先，等.激光加工多孔气体端而密 封的静压性能研究|j摩擦学学报,2009, 29(3):205-209.7|彭旭东，杜东波，盛颂恩，等.端面微形体对液体润滑 机械密封性能的影响j.摩擦学学报,2007, 27(4): 352-356.8杜东波，彭旭东.微孔参数对激光加工多孔端血机械密 封性能的影响j.润滑与密封，2006, 31:42-44.|9|杜东波，骆建国，胡滨，等.激光加工多孔端面机械密 封的理论研究j.流体机械,2006, 34(5):12-14.10j彭旭东，梁世克，h少先.激光加工多孔气体密封性能 的临界静压开启特性j.润滑与密封，2010, 38(3):1-4.11 shaoxian bai, xudong peng, yefeng li, songen sheng a hydrodynamic laser surface -textured