椭圆微孔截面形状对机械密封动力润滑性能的影响

　　基于Navier-Stokes 方程，建立单一椭圆型微孔端面不可压缩牛顿流体的三维CFD 动力润滑模型，研究不同截面形状椭圆微孔机械密封的动力润滑性能，分析截面形状为矩形、梯形和三角形的椭圆微孔对端面液膜承载力、摩擦力和摩擦因数的影响。结果表明: 在微孔其他参数恒定情形下，微孔深度与端面间隙比值H* < 0.8 时，矩形截面微孔的动力润滑性能占优，0.8≤H* < 1.8 时梯形截面微孔的动力润滑性能占优，H* ≥1.8 时三角形截面微孔的动力润滑性能最好；微孔倾斜角为45°时3 种截面形状下都取得了最好的动力润滑性能，且梯形截面动力润滑性能最好；微孔长宽比1.5≤γ < 2 时梯形截面形状的微孔端面动力润滑性能最好，但当γ > 2 时矩形截面形状的微孔端面动力润滑性能最好。

　　Etsion 等，Wang 等实验发现在机械密封接触表面上开出圆形微孔，可以大大加强接触端面的动力润滑性能。Qiu 和Khonsari、杜东波等、程香平等采用有限元方法理论，基于二维雷诺方程，分析了不同圆形微孔结构参数及工况参数对机械密封的密封性能的影响；彭旭东等在此基础上对圆形、正方形、六边形和三角的微孔凸凹形状进行了研究，发现三角的凹形微孔端面密封的综合性能优于其他形状微孔端面；Qiu 和Khonsari、Bai 等发现，椭圆形微孔的摩擦性能要优于圆形微孔，且与椭圆微孔的结构参数有一定的关系，但未对不同截面形状椭圆微孔的性能进行深入研究。马晨波等研究了椭圆形截面圆形微孔的摩擦性能，发现微孔深度和直径是两个独立参数；彭旭东等研究发现矩形面、椭圆面、球缺面和抛物面4 种截面圆形微孔中，矩形截面微孔拥有最佳的综合性能，但并没有对原因进行深入分析。

　　Arghir 等，Kraker 等对于摩擦端面间的润滑模型进行了讨论，指出用基于Navier-Stokes 方程对其进行求解更合适。石卓等人基于Navier-Stokes方程对椭圆型微孔几何结构参数以及雷诺数对密封端面的动力润滑性能的影响进行了研究，但是他并没有针对椭圆微孔截面形状进行分析。

　　白少先等在微孔排布上对多孔端面进行了讨论，对倾斜式方向性微孔端面进行了研究，他将外、内微孔环带分别设在端面上游和端面下游，连续的环形密封坝，抵制泄漏的同时也增强了端面的润滑性能；柏林清等在气体润滑理论模型的基础上，采用数值方法也讨论了微孔排布对气体密封动压效应的影响，并给出了这些参数的优化取值范围。

　　本文作者基于Navier-Stokes方程，建立单一椭圆型微孔端面的不可压缩液体的三维CFD动力润滑模型，探讨椭圆微孔截面形状的变化对端面间液体动力润滑性能的影响规律。

　　结论

　　(1) 当Re = 100，Sp = 25.12%，α = 0°，γ = 2时，微孔的截面形状对端面间动力润滑性能影响与深度密切相关，当微孔深度H* < 0.8 时，矩形截面微孔产生的动力润滑性能占优，当微孔深度0.8≤H* <1.8 时梯形截面微孔产生的动力润滑性能占优，当微孔深度H* ≥1.8 时三角形截面微孔的动力润滑性能最好。

　　(2) 当Re = 100、Sp = 25.12%、γ = 2、H * =1.6 时，各截面形状微孔都在45°取得了最好的动力润滑性能；且梯形相比于其他截面形状有较好的动力润滑性能。

　　(3) 当Re = 100、Sp = 25.12%、α = 45°、H* =1.6、1.5 <γ < 2 时梯形截面形状的微孔端面动力润滑性能最好，但是当γ > 2 时矩形截面形状的微孔端面动力润滑性能最好；并且在γ 变大的情况下，矩形截面形状的微孔端面动力润滑性能增长得最快。