橢圓微孔截面形狀對(duì)機(jī)械密封動(dòng)力潤(rùn)滑性能的影響

　　基于Navier-Stokes 方程，建立單一橢圓型微孔端面不可壓縮牛頓流體的三維CFD 動(dòng)力潤(rùn)滑模型，研究不同截面形狀橢圓微孔機(jī)械密封的動(dòng)力潤(rùn)滑性能，分析截面形狀為矩形、梯形和三角形的橢圓微孔對(duì)端面液膜承載力、摩擦力和摩擦因數(shù)的影響。結(jié)果表明: 在微孔其他參數(shù)恒定情形下，微孔深度與端面間隙比值H* < 0.8 時(shí)，矩形截面微孔的動(dòng)力潤(rùn)滑性能占優(yōu)，0.8≤H* < 1.8 時(shí)梯形截面微孔的動(dòng)力潤(rùn)滑性能占優(yōu)，H* ≥1.8 時(shí)三角形截面微孔的動(dòng)力潤(rùn)滑性能最好；微孔傾斜角為45°時(shí)3 種截面形狀下都取得了最好的動(dòng)力潤(rùn)滑性能，且梯形截面動(dòng)力潤(rùn)滑性能最好；微孔長(zhǎng)寬比1.5≤γ < 2 時(shí)梯形截面形狀的微孔端面動(dòng)力潤(rùn)滑性能最好，但當(dāng)γ > 2 時(shí)矩形截面形狀的微孔端面動(dòng)力潤(rùn)滑性能最好。

　　Etsion 等，Wang 等實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在機(jī)械密封接觸表面上開(kāi)出圓形微孔，可以大大加強(qiáng)接觸端面的動(dòng)力潤(rùn)滑性能。Qiu 和Khonsari、杜東波等、程香平等采用有限元方法理論，基于二維雷諾方程，分析了不同圓形微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)及工況參數(shù)對(duì)機(jī)械密封的密封性能的影響；彭旭東等在此基礎(chǔ)上對(duì)圓形、正方形、六邊形和三角的微孔凸凹形狀進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)三角的凹形微孔端面密封的綜合性能優(yōu)于其他形狀微孔端面；Qiu 和Khonsari、Bai 等發(fā)現(xiàn)，橢圓形微孔的摩擦性能要優(yōu)于圓形微孔，且與橢圓微孔的結(jié)構(gòu)參數(shù)有一定的關(guān)系，但未對(duì)不同截面形狀橢圓微孔的性能進(jìn)行深入研究。馬晨波等研究了橢圓形截面圓形微孔的摩擦性能，發(fā)現(xiàn)微孔深度和直徑是兩個(gè)獨(dú)立參數(shù)；彭旭東等研究發(fā)現(xiàn)矩形面、橢圓面、球缺面和拋物面4 種截面圓形微孔中，矩形截面微孔擁有最佳的綜合性能，但并沒(méi)有對(duì)原因進(jìn)行深入分析。

　　Arghir 等，Kraker 等對(duì)于摩擦端面間的潤(rùn)滑模型進(jìn)行了討論，指出用基于Navier-Stokes 方程對(duì)其進(jìn)行求解更合適。石卓等人基于Navier-Stokes方程對(duì)橢圓型微孔幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)以及雷諾數(shù)對(duì)密封端面的動(dòng)力潤(rùn)滑性能的影響進(jìn)行了研究，但是他并沒(méi)有針對(duì)橢圓微孔截面形狀進(jìn)行分析。

　　白少先等在微孔排布上對(duì)多孔端面進(jìn)行了討論，對(duì)傾斜式方向性微孔端面進(jìn)行了研究，他將外、內(nèi)微孔環(huán)帶分別設(shè)在端面上游和端面下游，連續(xù)的環(huán)形密封壩，抵制泄漏的同時(shí)也增強(qiáng)了端面的潤(rùn)滑性能；柏林清等在氣體潤(rùn)滑理論模型的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值方法也討論了微孔排布對(duì)氣體密封動(dòng)壓效應(yīng)的影響，并給出了這些參數(shù)的優(yōu)化取值范圍。

　　本文作者基于Navier-Stokes方程，建立單一橢圓型微孔端面的不可壓縮液體的三維CFD動(dòng)力潤(rùn)滑模型，探討橢圓微孔截面形狀的變化對(duì)端面間液體動(dòng)力潤(rùn)滑性能的影響規(guī)律。

　　結(jié)論

　　(1) 當(dāng)Re = 100，Sp = 25.12%，α = 0°，γ = 2時(shí)，微孔的截面形狀對(duì)端面間動(dòng)力潤(rùn)滑性能影響與深度密切相關(guān)，當(dāng)微孔深度H* < 0.8 時(shí)，矩形截面微孔產(chǎn)生的動(dòng)力潤(rùn)滑性能占優(yōu)，當(dāng)微孔深度0.8≤H* <1.8 時(shí)梯形截面微孔產(chǎn)生的動(dòng)力潤(rùn)滑性能占優(yōu)，當(dāng)微孔深度H* ≥1.8 時(shí)三角形截面微孔的動(dòng)力潤(rùn)滑性能最好。

　　(2) 當(dāng)Re = 100、Sp = 25.12%、γ = 2、H * =1.6 時(shí)，各截面形狀微孔都在45°取得了最好的動(dòng)力潤(rùn)滑性能；且梯形相比于其他截面形狀有較好的動(dòng)力潤(rùn)滑性能。

　　(3) 當(dāng)Re = 100、Sp = 25.12%、α = 45°、H* =1.6、1.5 <γ < 2 時(shí)梯形截面形狀的微孔端面動(dòng)力潤(rùn)滑性能最好，但是當(dāng)γ > 2 時(shí)矩形截面形狀的微孔端面動(dòng)力潤(rùn)滑性能最好；并且在γ 變大的情況下，矩形截面形狀的微孔端面動(dòng)力潤(rùn)滑性能增長(zhǎng)得最快。