倾斜微孔密封端面气体润滑动压效应实验研究

白少先 柏林清 孟祥铠 李纪云 彭旭东

浙江工业大学，杭州，310032

0 引言

动压效应是气体润滑非接触端面密封研究和设计中的重要问题，良好的动压特性有利于密封端面的顺利开启和稳定运行，减少密封端面的接触和磨损。Etsion等［1］将微孔减摩技术（即在摩擦副表面加工形状规则的微坑）引入液体端面机械密封中形成多孔端面密封，并成功应用于2.3MPa压力机械密封［2］。Kilgerman等［3］将微孔减摩技术扩展到气体端面密封，McNickle等［4］实验表明气体多孔密封的摩擦扭矩比普通机械密封的摩擦扭矩可下降40%，端面温升可降低20℃。但是，圆形［5］、方形［6］等微孔密封端面的动压特性不明显，使微孔气体密封更多地表现为一种静压型密封［7］，限制了微孔减摩技术在气体端面密封中的应用。

研究表明［8－9］，倾斜性方向微孔具有明显的气体润滑动压特性，可形成动压型多孔端面气体密封。柏林清等［10］数值分析了倾斜微孔排列方式的影响，表明端面倾斜微孔的双列排布结构可增强微孔的气体润滑动压效应并减小密封端面的气体泄漏。实验研究［11－12］表明倾斜微孔端面具有明显的动压效应，即随着转速的增加配副端面可迅速打开、气膜厚度增大、摩擦扭矩减小。但是，倾斜方向性微孔的气体润滑动压特性在密封压力影响下的变化规律尚缺乏充分的实验研究。

本文重点对密封压力影响下倾斜微孔端面的气体润滑动压效应进行实验研究，采用单列和双列排布形式的倾斜微孔端面，对不同密封压力和转速下的气体润滑膜厚度变化进行测量，分析端面排布、密封压力和转速对倾斜微孔端面动压效应的影响规律和机理，为理论研究和工程应用提供实验依据。

1 实验模型

图1所示为多孔端面密封气体润滑实验装置。试件安装于密封腔体内，如图1a所示，外径处密封压力为po，内径处压力为pi＝0.1MPa。在气膜压力p形成的开启力Fo的作用下动环可沿轴向向下浮动，而作用在动环背面的弹簧力Fs与密封压力po构成闭合力Fc阻止动环的移动，当开启力Fo和闭合力Fc平衡时，动静环端面间可形成稳定的气膜厚度h，该气膜厚度可利用固定在静环上的电涡流传感器测量与动环相固定的金属片的轴向位置变化获得。上试件为端面开有倾斜椭圆微孔的静止环，椭圆微孔长轴为a，短轴为b，椭圆微孔的长轴与通过微孔中心的密封端面直径具有倾斜角度α（如图1b所示），下试件为光滑动环。

图1 实验装置示意图

密封压力使得气体从密封环外径向内径流动，在密封端面间形成具有一定压力分布的气膜，形成密封静压作用力；静环端面的倾斜微孔（图1）在动环和静环相对运动时可产生动压效应，形成动压作用力。因而，密封端面的气膜开启力Fo由密封静压和旋转动压两种部分构成。在实验过程中，两接触端面的分离可通过增加密封压力或动环转速两种方式实现，膜厚的变化可反映密封压力静压效应和微孔动压效应的强弱。

实验润滑介质为空气，动环材料为石墨，静环材料为SiC。动环为光滑端面，端面粗糙度Ra＝0.2μm。静环端面采用激光加工出不同排布方式的倾斜微孔，端面非开孔区粗糙度Ra＝0.2μm。密封环的工作外径do＝50mm，工作内径di＝38mm，平衡直径db＝43mm，开孔直径dg＝42.5mm。实验中所用4种端面结构如图2所示，其中静环端面1和3为局部开有单列分布倾斜椭圆微孔的单列倾斜微孔端面，端面2和4为局部开有双列分布倾斜椭圆微孔的双列倾斜微孔端面。图3所示为激光加工得到的单列微孔静环端面1倾斜椭圆微孔三维几何形貌。实验端面微孔参数如表1所示，其中双列微孔端面2和4的内外两列微孔的倾斜角相等、方向相反。

图2 实验用密封环端面

图3 单列微孔静环端面1激光加工倾斜椭圆微孔几何形貌

表1 静环端面微孔参数

2 结果分析与讨论

2.1 微孔排布的影响

图4是微孔端面1和端面2的瞬时开启特性曲线。从图中可以看出：①单双列倾斜微孔端面均可形成明显的动压效应，当上下试件在16s开始相对转动时，配对摩擦端面迅速分离；②双列微孔端面2的动压效果明显大于端面1的动压效果，单列微孔端面1的气膜厚度由0增加到约1.5μm，而双列微孔端面2的气膜厚度则由0增加到约3.0μm。

图4 单双列排布方式微孔端面开启特性对比曲线

文献［10］理论分析了双列倾斜微孔端面排布的影响规律和机理：一方面，外侧微孔的方向性倾斜使得外径处气体沿微孔长轴方向向内径处流动，气体在微孔末端不断积累和压缩；另一方面，内侧微孔将部分内径处气体沿微孔长轴方向向外侧泵送，在一定程度上阻碍了外侧气体的流动，在两个孔带交界处形成高压，产生明显的动压效应，启动时两端面可迅速分离，从而实现气体端面密封的动压开启，减少密封端面的接触摩擦和磨损。而对于单列微孔端面，由于缺少内侧微孔的泵送挤压效应，动压效应比双列微孔端面要小。

图5是两种不同尺寸双列排布微孔端面2和4的开启曲线。从图中可以看出，端面2和4的气膜厚度数值分别约为2.0μm和1.0μm，即端面2比端面4的动压效应较强。根据文献［8，10］的理论分析，当微孔深度与气膜厚度比值约等于1.5时，微孔的动压效应最强，随着孔深的逐渐增加，动压效应减弱；微孔方向因子γ越大，动压效应越强。因而，在端面开孔面积比相近的情况下（端面2的Sp＝0.192，端面4的Sp＝0.213），图5中的实验结果显示双列排布端面2（hd＝4μm，γ＝5）的气膜厚度大于端面4（hd＝8μm，γ＝4）。

图5 双列排布微孔端面开启特性对比曲线

2.2 转速的影响

图6 转速对气膜厚度的影响（po＝0.25MPa，Fs＝12N）

图6所示是端面1和端面2气膜厚度随转速的变化规律。由图中实验结果可知：①随着转速的增加，双列倾斜微孔端面和单列倾斜微孔端面间的气膜厚度逐渐增大，动压效应越来越强；②相同转速下，双列倾斜微孔端面间的气膜厚度明显大于单列倾斜微孔端面的气膜厚度，但是转速越大，单双列微孔端面间气膜厚度差值越小，转速为2400r/min时，单列倾斜微孔端面间的气膜厚度仅为双列倾斜微孔端面间的50%，而转速为4200r/min时，单列倾斜微孔端面间气膜厚度可达双列倾斜微端面的90%。这说明相同条件下双列倾斜微孔端面的动压性能优于单列倾斜微孔端面，特别是在低速时，双列倾斜微孔端面动压效应强的特点更为突出。

2.3 密封压力的影响

图7所示是密封压力对端面3和端面4气膜厚度的影响。从图中可以看出：①随着密封压力的增加，转速n＝0时由静压引起的气膜厚度逐渐增加，当压力从0.26MPa增加到0.30MPa时，端面3的静压膜厚从约0.1μm增加到0.6μm，即随着密封压力的增加，两接触端面可实现静压分离；②随着密封压力的增加，动压效应形成的膜厚所占比重逐渐减小，转速n＝4200r/min时，随着压力从0.26MPa增加到0.30MPa，端面3的动压膜厚占整个气膜厚度的比例从约95%下降到约78%，表明密封压力的增加可减弱动压效应的影响；③双列倾斜微孔端面间动压效应和气膜厚度大于单列倾斜微孔端面，转速n＝4200r/min，压力0.30MPa时，单列微孔端面3和双列微孔端面4的气膜厚度分别为2.3μm和2.6μm，动压膜厚所占的比重分别为78%和94%，说明双列倾斜微孔端面表现出更好的动压性能，更易实现气体端面密封的动压开启。

图7 密封压力对气膜厚度的影响（Fs＝12N）

3 结论

（1）倾斜微孔气体润滑端面在密封压力作用下可以产生明显的流体润滑动压效应，并随转速的增加而增强，使两密封端面迅速开启；随着密封压力增加，密封压力形成的静压效应逐渐消弱动压效应对气膜厚度的影响，倾斜微孔有利于减小密封端面的接触摩擦和磨损。

（2）倾斜微孔的排布方式对端面气体动压效应影响明显，文中实验双列倾斜微孔端面的动压特性优于单列倾斜微孔端面，即双列微孔端面的动压效应形成的气膜厚度大于单列倾斜微孔端面动压效应形成的气膜厚度，双列排布方式比单列分布方式更有利于实现倾斜微孔气体端面密封的动压开启。

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