毫米级不同形状方向性孔流体动压特性对比研究

近年来出现的新型端面密封结构-激光加工多孔端面机械密封(LST-MS)，是在普通机械密封的端面上加工出微米级的杏孔，与普通端面机械密封相比，此类新型端面密封结构在降低端面摩擦磨损与端面温升、提高承载能力、延长密封使用寿命等方面具有显著的作用。

为此 ，国内外学者主要针对微孔端面密封在几何参数 、孔形结构 、排布方式 、方向性 等方面开展了较系统的理论研究，但对毫米级孔的密封性能研究-直没有涉及到，且研究者发现：尽管微孔端面密封具有良好的动压特性，但在高压或低速启动时，微孔端面密封不能形成明显的动压开启力，以保证密封端面顺利打开，从而易造成端面的接触摩擦、磨损，甚至导致密封在开启阶段就失效。目前关于多孔端面液体润滑密封性能的研究都是基于Reynold空化边界条件，该空化边界条件不能够准确地计算出端面密封性能参数。

为改善多孔密封端面的动压特性和准确求解密封性能参数，本研究基于质量守恒的JFO空化边界条件，对毫米级不同形状方向性孔的流体动压特性进行对比研究。

l 模型的建立1.1 几何模型LST-MS拥有-对相对旋转的密封环，两密封环端面光滑且相互平行，本研究在静环的密封端面上采用激光加工出不同端面形状方向性孔，结构图如图1所示。

且0蠢 bl图 1 不 同端 面形状 和方 向性孔结构图h -孔的深度 ；h。- 密封间隙；r-孔半径；0，b-椭圆孔的长、短半轴；n。，b。-菱形孔的长、短半轴；r ，r。-密封环的内、外径 ；卢- 孔倾斜角；S - 圆孔面积；S -椭圆孔面积 ；sd- -菱形孔面积为了研究孔的方向性对动压效应的影响，本研究定义方向因子 a/b0 /b 和孔倾斜角 卢，且方向因子 和倾斜角 共同表征了孔的方向性。

密封端面的液膜厚度为： ： ； 区 ( )1.2 数学模型假设密封端面间压力沿膜厚方向恒定不变；密封流体为牛顿型流体，其粘度保持不变；基于上述假设条件，根据质量守恒的JFO空化理论可知，二维层流稳态不可压缩流体动力润滑Reynolds方程可写成n ：( 考)鲁(篙鲁)等 盟(2)式中：P -液体密度；P-端面间任意-点的液膜密度；- 液体所占的体积分数， pip ；r-端面半径 ；P-端面间压力；h-端面间膜厚； -角速度； -密封介质粘度。

为正确求解上述方程，本研究给上述方程式(2)添加了适当的边界条件和互补条件。

(2)周期性边界条件：p 努.r) p (4)(3)JFO空化互补条件：fP>p ， 1 1ppc，0< <1 5 J为求解端面间流体膜压分布时，取-个周期作为孑L栏”计算区域进行网格划分，网格划分图如图2所示。

- - - - 0图2 有限差分计算区域网格划分图整个孔栏区域压力分布 P可以通过每-点压力积分得到，而根据差分原理，变量 P在节点 0 的压力值的1阶导数可由中心差分公式求得：根据式(6)对式(2)进行离散，得离散方程组为： c ·(7)ti中.、 g i t- - c - -r(8)e -厶 - -· 276 · 机 电 工 程 第30卷最多 ，而圆形孑L由于没有方向性 ，故开启力为-定值。在同-/3下，当70。

2.4 不同方向因子 对动压特性的影响在倾斜角 /30。和/345。时，不同端面形状(椭圆形、菱形)孑L的方向因子 y变化时对动压特性的影响如图6所示。随着 逐渐增大，倾斜角 0。椭圆形孔和菱形孔的开启力逐渐减小，倾斜角 卢45。椭圆形孔和菱形孔的开启力先增大后减小，这是因为随着 T的增大，压力在倾斜角 卢0。椭圆形孔和菱形孔的末端堆积的量逐渐减小，故开启力就逐渐减校而在 1时，随着 的增大，压力在倾斜角卢45。椭圆形孔和菱形孔的末端堆积的量逐渐减小，故开启力就减校在同- y下 ，倾斜角 0。的椭圆孔的开启力最大，而倾斜角 45。的菱形孔的开启力最校故综上可知， 越小且 0。的椭圆孔的动压特性最佳 ，而 越大且 卢45。的菱形孔的动压特性最差。

行了对比研究，研究结果表明：(1)孑L的形状和方向性对动压特性都有-定的影响，其中方向性的影响最为显著。

(2)在不同转速 .r/、倾斜角 卢、方向因子 下，在n900 r/min时， 越孝卢0。椭圆孔的动压特性最佳；而在 n600 r/min时，y越大、卢45。菱形孔的动压特性最差。

(3)本研究是在内外压差相等(即只考虑动压效应)的情况下，对不同形状方向性孔的流体动压效应进行对比研究。

由以上结论可知，研究者只要选择合理的端面形状和方向性孔，且保证其在最佳的结构参数和工况参数下工作，就可以获得最佳的动压挣陛，从而保证密封端面在低速下快速开启，避免了端面摩擦磨损现象的发牛