微孔几何特征对密封端面动压润滑性能的影响

李茂元，吴玉国，时礼平，童宝宏，吴胜

（1安徽工业大学机械工程学院，马鞍山 243032；2马鞍山钢铁股份有限公司，马鞍山 243000）

微织构化作为材料表面处理的一种手段已经在理论和实验上被证明能够有效的提高相对运动表面摩擦学性能[1-2]。目前主要集中在考察织构的形状、几何参数[3]以及工况条件[4-5]对摩擦副的摩擦学性能的影响。织构的形状包括表面形状[6-9]和底部形状[10]，现有文献对表面形状研究较多，而对织构的底面形状研究一般只考虑矩形底面[11]。

王霄等[12]建立了圆柱形、球冠形、锥形等6种不同几何形貌端面的数学模型，采用多重网格法分析了这些不同几何形貌对两滑动表面摩擦润滑性能的影响；马晨波等[13]建立了椭圆形截面织构模型，对椭圆形截面织构的参数进行了优化，并对模型进行试验验证和应用分析，但未对不同截面所产生的动压性能进行对比分析；丁行武等[14]利用数值计算方法对织构化滑动摩擦副表面的动压润滑模型进行了求解，从理论上分析了表面织构不同截面类型和序依次增大，这说明了动压效益产生的气穴（压力值低于环境压力值）区域也逐渐增大；相反，曲线压力作用区域依次减小；压力分布最大值接近端面孔收敛出口处（图3b）。

图3 计算域无量纲压力分布图Fig.3 Dimensionless pressure distribution of calculated area

2.2 孔半径对动压性能的影响

图 4为孔半径分别为 0.050、0.150、0.200 mm时孔深度对无量纲平均压力的影响。由图4可知：

（1）随着深度的增大不同底面形状的圆孔端面无量纲平均压力都呈现先增大再减小趋势，且矩形面的最优孔深度值最小，三角形面值最大。

图4 孔半径对无量纲平均压力的影响Fig.4 Influence of dimp les radius on dimensionless average pressure

（2）同一底面形状最优孔深度由图4a至c逐渐向左偏移，即最优深度随着圆孔半径的增大而减小，如对于三角形面：圆孔半径r=0.050mm、0.015 mm、0.200 mm时，其最优深度分别为：hp=0.011 mm、0.009 mm、0.008 mm。

（3）当微孔深度小于0.007mm时（图4a），矩形面无量纲平均压力明显优于其他3种型面，随着微孔半径的增大(图4b、c)，矩形面的优势在逐渐减弱，当r=0.200mm时，三角形面表现出最佳的动压性能，而矩形面的动压性能最差。

2.3 孔深度对动压性能的影响

图5为孔深度分别为0.004、0.008和0.012 mm时圆孔半径对无量纲平均压力的影响。由图5可知：

（1）随着孔半径的增大不同底面的圆孔端面无量纲平均压力都呈现先增大后减小的趋势，即存在最优半径使无量纲平均压力值最大，最优半径基本保持在0.170 mm，与深度无关。

（2）矩形面具有最佳的动压性能，三角形面动压效果最差（图5a）。

（3）半径小于0.100mm时矩形面的动压性能优势不明显，半径大于0.125 mm时矩形面端面动压性能最差，原因是孔深度增大至“饱和点”，其他底面形状端面动压性能随孔半径的变化差距不明显，无量纲平均压力值近似（图5b）。

（4）各端面动压性能表现出与图5a完全相反的趋势，即三角形面具有最优的动压性能，而矩形面的动压性能几乎不受孔半径的影响（图5c）。

图5 孔深度对无量纲平均压力的影响Fig.5 Influence of dimp les depth on dimensionless average pressure

2.4 优化结果

由以上分析可知，对于不同型面的微孔，存在最优的微孔半径和最优的微孔深度，从表面织构设计及应用角度考虑，有必要考察在最优微孔半径及最优微孔深度条件下的各个型面微孔的动压性能。

图6为不同底面形状微孔经优化后的无量纲平均压力。从图6可知：参数优化后，矩形孔端面明显具有最优的动压性能，其平均压力值pav=1.39，相比于三角形面pav=1.28可提高8.59%。另外，从最优参数来看：微孔的半径基本保持在0.17 mm(矩形面和三角形面稍有波动，其值分别为0.15 mm和0.18 mm)，孔最优深度变化较为明显，但矩形微孔最优深度明显低于其他三种微孔型面。

图6 无量纲平均压力优化Fig.6 Optimization of dimensionless average pressure

3 结论

（1）不同底面形状圆形微孔对无量纲平均压力的影响，随着半径的增大呈现先增大后减小的趋势，最优的微孔半径基本保持在0.17 mm。

（2）不同底面形状圆形微孔对无量纲平均压力的影响，随着深度的增大呈现先增大后减小的趋势，矩形面孔端面最优孔深度明显小于其它3种型面，且三角形面最优孔深度最大。

（3）优化后矩形面微孔的无量纲平均压力值可达到1.39，较三角形面提高了8.59%。

[1]Andersson P，Koskinen J，Varjus S，et al.Micro-lubrication effect by laser-textured steel surfaces[J].Wear，2007，262(3-4)：369-379.

[2]Etsion I，Burstein L.A model for mechanical seals with regularmicrosurface structure[J].Tribology Transactions，1996，39(3)：677-683.

[3]Wang X L，Koji K，Koshi A，et al．Loads carrying capacity map for the surface texture design of SiC thrust bearing sliding in water[J].Tribology International，2003，36(3)：189-197.

[4] 刘录，张学忠.变工况条件下机械密封端面稳定性实验研究[J].润滑与密封，2009，34(4)：64-66.Liu L，Zhang X Z.Experimental study of mechanical seal face stability in changing conditions[J].Lubrication Engineering，2009，34(4)：64-66.

[5]Liu X，Peng X D，Meng X K，et al.The theoretical study of collective effect of laser surface textured mechanical seal with oblique distributed pore face[J].CIESC Journal，2010，61(2)：444-449.

[6]Mezghani S，Demirci I，Zahouani H，et al.The effect of groove texture patterns on piston-ring pack friction[J].Precision Engineering，2012，36(2)：210-217.

[7]Shi X，Ni T．Effects of groove textures on fully lubricated sliding with cavitation[J].Tribology International，2011，44(12)：2022-2028.

[8]Etsion I，Kligerman Y，Halperin G.Analytical and experimental investigation of laser-textured mechanical seal faces[J].Tribology Transactions，1999，42(3)：511-516.

[9] 历建全，朱华.表面织构及其对摩擦学性能的影响[J].润滑与密封，2009，34(2)：94-97.Li JQ，Zhu H.Surface texture and its influence on tribological properties[J].Lubrication Engineering，2009，34(2)：94-97.

[10]Siripuram R B，Stephens L S.Effect of deterministic aspe-rity geometry on hydrodynamic lubrication[J].Journal of tribology，2004，126(3)：527-534.

[11]Zhao Z，Peng X D，Sheng S E，et al.Numerical analysis of laser textured mechanical seals with a porous sector face[J].Journal of the CIESC，2009，60(4)：965-971.

[12]王霄，张广海，陈卫，等.不同微细造型几何形貌对润滑性能影响的数值模拟[J].润滑与密封，2007，32(8)：66-68.Wang X，Zhang G H，Chen W，et al.Numerical study of different micro-asperities on hydrodynamic lubrication[J]．Lubrication Engineering，2007，32(8)：66-68.

[13]马晨波，朱华，孙见君.椭圆形截面织构的最优参数设计模型[J].中南大学学报：自然科学版，2012，43(3)：953-959.Ma C B，Zhu H，Sun J J.Applicable Equation Study of Lubrication Calculation of Surface Texture Based on CFD Analysis[J].Journal of Mechanical Engineering，2011，47(15)：95-100.

[14]丁行武，王家序，郭胤等．基于滑动摩擦的摩擦副表面织构优化分析[J].四川大学学报：工程科学版，2013，45(1)：183-187.Ding H W，Wang J X，Guo Y.Optimization Analysis of the Surface Texture of Friction Pair Based on Sliding Friction[J]．Journal of Sichuan University，2013，45(1)：183-187.

[15]彭旭东，杜东波，李纪云.不同型面微孔对激光加工多孔端面机械密封性能的影响 [J].摩擦学学报，2006，26(4)：367-371.Peng X D，Du D B，Li J Y.Effect of different section profile micro-pores on seal performance of a laser surface textured mechanical seal[J].Tribology，2006，26(4)：367-371.