采用FLUENT軟件分析微凹槽結(jié)構(gòu)對機(jī)械密封性能的影響，探討凹槽深度比(凹槽深度與油膜厚度比值) 、凹槽寬度比(微凹槽寬度與內(nèi)環(huán)圓弧的直線長度比值) 和凹槽長度比(微凹槽長度與圓環(huán)寬度比值) 對開啟力、液膜剛度、泄漏率的影響。結(jié)果表明：凹槽深度比、凹槽寬度比均存在一個(gè)最佳值使開啟力和液膜剛度達(dá)到最大值，開槽深度與油膜厚度有著密切的關(guān)系；在凹槽寬度比一定時(shí)，凹槽寬度越大，開啟力和液膜剛度也越大，而泄漏率基本保持不變，這表明毫米級寬度凹槽比微米級凹槽具有更好的密封性能；凹槽長度比越大，開啟力和液膜剛度也越大，但是泄漏率也會同時(shí)增大。

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)的快速發(fā)展，人們對機(jī)械密封性能提出了更高的要求。機(jī)械密封從1885 年出現(xiàn)至今，其ps v 值從1930 年的3.1 MPa·m/s 到現(xiàn)階段的5 700MPa·m/s，所應(yīng)用的工況越來越苛刻，這勢必會加劇機(jī)械密封磨損，降低其使用壽命和可靠性。而表面織構(gòu)作為一種改善機(jī)械零部件摩擦學(xué)性能的有效手段，已在許多領(lǐng)域得到充分應(yīng)用。表面織構(gòu)其中一個(gè)比較重要的作用是提高表面承載力，改善潤滑條件。即每個(gè)微結(jié)構(gòu)都可以認(rèn)為是一個(gè)微小的流體動壓軸承，在相對運(yùn)動過程中產(chǎn)生額外的流體動壓力，使摩擦副之間形成一層很薄的流體潤滑膜，讓兩表面由接觸狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉墙佑|，而這對降低機(jī)械密封摩擦、磨損來說有很重要的意義。另一方面表面織構(gòu)還可以起到存儲磨屑和潤滑油的作用。

　　表面織構(gòu)主要有微凹坑和微凹槽2 種結(jié)構(gòu)。在微凹坑結(jié)構(gòu)方面，Etsion 和Burstein在1996 年提出了激光加工多孔端面機(jī)械密封，并做了理論和實(shí)驗(yàn)研究，初步探討了工況參數(shù)和微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)對密封性能的影響；劉一靜等在活塞裙部加工凹坑陣列，起到了降低摩擦和磨損的作用，且最低減摩率達(dá)到了37.8%；于海武等建立了微凹坑織構(gòu)的流體動壓潤滑模型，通過優(yōu)化凹坑排布形式，進(jìn)一步提高了承載力。在微凹槽結(jié)構(gòu)方面，最常見的是內(nèi)燃機(jī)缸套內(nèi)孔表面的45°珩磨網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)；Blatter等在藍(lán)寶石圓片表面加工微凹槽結(jié)構(gòu)并用銷盤摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)表明微凹槽能減小摩擦并延長使用壽命；Yuan等在硼銅鑄鐵上加工出微凹槽陣列，通過實(shí)驗(yàn)研究證明合適的微凹槽參數(shù)能起到減摩作用。

　　目前，在很多非接觸機(jī)械密封上也會有凹槽結(jié)構(gòu)。胡丹梅和順宗祥用有限差分法對直線槽端面氣體密封間隙內(nèi)的氣體進(jìn)行了運(yùn)動分析，對直線槽參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；王和順等對徑向直線槽干氣密封端面流場進(jìn)行了分析，得出合適的端面結(jié)構(gòu)能形成足夠的開啟力，且有密封壩結(jié)構(gòu)徑向直線槽其密封性能更好的結(jié)論; 韓萍和郝木明對徑向直線槽密封進(jìn)行了三維數(shù)值分析，計(jì)算結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)具有良好的動壓效應(yīng)，內(nèi)外徑壓差對氣模壓力影響顯著。

　　目前，機(jī)械密封上凹槽尺寸大多是毫米級，對于微米級凹槽結(jié)構(gòu)的研究很少，對凹槽密封性能的理解有待進(jìn)一步深入。因此，本文作者以微米尺度的凹槽為研究對象，選取的最小凹槽寬度為100 多μm，采用FLUENT 流體分析軟件對機(jī)械密封表面微凹槽的性能進(jìn)行數(shù)值分析，研究凹槽深度比、寬度比和長度比對機(jī)械密封性能的影響。

　　1、理論模型

　　1. 1、幾何模型

　　圖1 為機(jī)械密封表面微凹槽的幾何結(jié)構(gòu)簡圖，將密封端面劃分為N個(gè)沿周向周期分布的扇形區(qū)域，圖1(a) 所示為機(jī)械密封摩擦副的截面示意圖，摩擦副由動環(huán)和靜環(huán)構(gòu)成，微凹槽織構(gòu)加工在靜環(huán)上，hp為微凹槽深度，c 為油膜厚度。圖1( b) 是單個(gè)周期微凹槽的平面示意圖，圖中w0為微凹槽寬度，w 為內(nèi)環(huán)圓弧的直線長度，l0為微凹槽長度，l 為圓環(huán)寬度。

圖1 機(jī)械密封表面微凹槽示意圖

　　1.2、計(jì)算模型假設(shè)與前處理

　　采用FLUENT 軟件對表面微結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行分析計(jì)算，該軟件的模擬是基于流體動力學(xué)；Navier-Stokes方程(N-S 方程) 和連續(xù)方程開展的。假設(shè)：

　　(1)忽略體積力的作用；

　　(2) 潤滑劑在界面上無滑動，即摩擦副表面的潤滑劑移動速度與表面速度相同；

　　(3) 摩擦副兩表面不接觸，其間存在潤滑油膜且潤滑油膜厚度c在兩表面間處處相等；

　　(4) 潤滑劑為牛頓流體且不可壓縮，黏度和密度為常量；

　　(5) 在沿著潤滑膜厚度方向不計(jì)壓力變化；

　　(6) 操作環(huán)境為恒溫且流動為層流和定常流動。

　　在理想狀態(tài)下，密封介質(zhì)會在兩密封端面間形成一層極薄的流體動壓膜，使兩端面不直接接觸，取此流體膜為計(jì)算對象，其結(jié)構(gòu)為環(huán)狀且沿周向均勻分布。其前處理主要包括兩部分：流體域三維模型建立和網(wǎng)格劃分。三維模型由Pro/E軟件建立，并采用參數(shù)化建模方案，大大縮短了創(chuàng)建三維模型的時(shí)間。模型創(chuàng)建完成后，將其導(dǎo)入到ICEM 中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于流體膜厚度與流體徑向和周向尺寸相差3 ～4 個(gè)數(shù)量級，普通的四面體網(wǎng)格無法滿足質(zhì)量要求。因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.mp99x.cn/)認(rèn)為通過ICEM 中特有的塊功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分，首先創(chuàng)建塊并對塊進(jìn)行相應(yīng)的劃分，再將其與三維模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)，然后通過對塊上不同的邊設(shè)置節(jié)點(diǎn)數(shù)，最后能夠生成質(zhì)量較好的六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

2、結(jié)論

　　(1) 凹槽深度hp存在較優(yōu)的值，且該值與油膜厚度有密切的聯(lián)系，在本文研究條件下當(dāng)凹槽深度與油膜厚度的比值Hp = 0.75 左右，可使開啟力和液膜剛度都達(dá)到最大。

　　(2) 凹槽的寬度w0與扇形內(nèi)圓弧直線長度w 存在最佳比值W= 0.8，使開啟力Fopen和液膜剛度Kz達(dá)到最大值；在相同W 值下，凹槽寬度w0越大，開啟力和液膜剛度值也越高，泄漏率基本保持不變，這表明毫米級寬度凹槽比微米級凹槽具有更好的密封性能; W 的增大，泄漏率Q 會呈單調(diào)遞增。

　　(3) 隨著凹槽長度比L 的增加，開啟力Fopen和液膜剛度Kz同時(shí)增大，且近似成正比的關(guān)系，但是泄漏率Q也隨之增加，因此在選擇參數(shù)時(shí)需進(jìn)行綜合考量。