Page 69 - 《摩擦学学报》2020年第3期

第 3 期 秦自臻, 等: PEEK旋转密封环密封性能仿真和试验研究 335

减趋势，考虑流体压力对密封环的作用后，接触压力 力，密封环非密封端面受到的流体压力增大，同时密

必定为递增趋势. 但接触压力递增会导致密封面形成 封面的入口压力也增大，但密封面流体压力分布形式
收敛间隙，即流体膜厚度递减，引起流体压力由线性 仍然基本不变，从入口到出口出递减. 因此，密封端面
变为抛物线型，在这种耦合作用下，密封面上接触压 所受接触力会增大，进而导致摩擦转矩增大. 另外，通
力和流体压力会变为非线性分布. 另外，在密封端面 过式(4)可知，接触压力增大会引起等效膜厚减小，则
的出口处，密封环和轴肩接触产生了应力集中现象， 由式(5)可知流体剪切摩擦力也会增加，从而导致摩擦
使密封端面接触压力分布更加非线性. 这说明第一节 转矩增大.
介绍的工程简化计算方法，对接触力和流体压力的假 另外，在相同压力下，两种环摩擦转矩随着转速
设是不可靠的，在设计计算中有必要考虑密封环的流 增大呈上升趋势，随温度升高呈下降趋势. 主要原因
固耦合. 如下：由式(5)可知，摩擦转矩包含固体摩擦力矩和流
另外，图7中虚线表示高刚度密封环(弹性模量为 体剪切力矩. 转速和温度对固体接触力p 影响小，故对
c
206 GPa)的接触压力和流体压力分布，与低刚度 固体摩擦力矩影响很小，而转速和温度增大分别会使
PEEK密封环相比，接触压力较大，流体压力较小，且 式(5)的右端第二项中的ω增大，η减小，从而使流体剪
分布更趋于线性. 这说明对于低刚度的PEEK密封环， 切力矩增大. 另外，V形槽将流体引入密封面，在周向

流固耦合作用更加明显，相比于高刚度的金属环，更 存在压力梯度，见图9(b)，所以转速增大还会使式
应该在设计计算中考虑流固耦合作用. (5)右端第三项的压力梯度增大. 因此两种环总摩擦转
3.2 工况条件对摩擦转矩的影响 矩随转速增加而增大，随温度增加而减小.
图8为两种密封环在不同主轴转速、油液压力和 此外，无槽环和V形槽环的流体压力与接触力分
油液温度下的摩擦转矩. 在不同转速和温度下，摩擦 布存在明显差异. 图9(a、c)中的无槽环端面流体压力
转矩均随压力增大而显著增大. 这是因为增大油液压 和接触力沿周向均匀分布，这是由无槽环周向几何一

7 7
Untextured, 0.5 MPa V-shape grooved, 0.5 MPa
V-shape grooved, 1.0 MPa
Friction torque/(N·m) 6 5 4 3 Friction torque/(N·m) 6 5 4 3
Untextured, 1.0 MPa
V-shape grooved, 1.5 MPa
Untextured, 1.5 MPa

V-shape grooved, 1.0 MPa
1 2 V-shape grooved, 0.5 MPa 2 1 Untextured, 0.5 MPa
Untextured, 1.0 MPa
V-shape grooved, 1.5 MPa Untextured, 1.5 MPa
0 0
20 40 60 80 100 20 40 60 80 100
Outlet oil temperature/℃ Outlet oil temperature/℃
(a) 500 r/min (b) 1 000 r/min
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V-shape grooved, 0.5 MPa V-shape grooved, 0.5 MPa
V-shape grooved, 1.0 MPa
Friction torque/(N·m) 6 5 4 3 Friction torque/(N·m) 6 5 4 3
V-shape grooved, 1.0 MPa
V-shape grooved, 1.5 MPa
V-shape grooved, 1.5 MPa

1 2 Untextured, 0.5 MPa 2 1 Untextured, 0.5 MPa
Untextured, 1.0 MPa Untextured, 1.5 MPa Untextured, 1.0 MPa Untextured, 1.5 MPa
0 0
20 40 60 80 100 20 40 60 80 100
Outlet oil temperature/℃ Outlet oil temperature/℃
(c) 1 500 r/min (d) 2 000 r/min

Fig. 8 Effect of working condition on friction torque of the seal rings
图 8 工况条件对密封环摩擦转矩的影响