Page 142 - 摩擦学学报2025年第5期

776 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷

开启速度减小效果越来越显著. 结果表明相同载荷条 两密封端面粗糙峰接触并发生磨损的概率越小. 图8
件下，阶梯螺旋槽有着更小的开启速度，可以更早进 所示为2种螺旋槽在载荷为500 N、不同转速下稳定运
入流体润滑状态，减少混合润滑阶段占比，起到更好 行时的膜厚及摩擦扭矩对比，d 分别为1、3以及5μm，
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的磨损抑制效果. 阶梯螺旋槽保持相同的d ，而d =2d . 由图8可见，不同
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2.3 液膜刚度对比 转速稳定运行时，阶梯螺旋槽膜厚H 均大于相应平底
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液膜刚度反映了机械密封抵抗外界干扰的能力， 螺旋槽，而摩擦扭矩则均小于相应平底螺旋槽，可见，
本节中对2种螺旋槽在相同转速及膜厚下的液膜刚度 稳定运行时阶梯螺旋槽同样具有更好的摩擦学性能.

进行了对比，d 分别为1、3以及5 μm，阶梯螺旋槽保持 2.5 阶梯螺旋槽性能提升机理分析
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相同的d ，而d =2d . 由图7可见，膜厚H 由1 μm增大 2.5.1 压力分布
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至2 μm的过程中，2种螺旋槽液膜刚度均随着膜厚的 图9(a)所示为转速ω=50 r/min、膜厚H =1 μm时不
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增大而减小，但3种不同槽深的阶梯螺旋槽液膜刚度 同槽深d 平底螺旋槽压力分布图. 随着d 的增大，流体
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均大于对应平底螺旋槽. 可见在启停阶段的小膜厚、 动压区承载能力先增大后减小，而几乎无承载能力的
低转速工况下，阶梯螺旋槽形成的液膜稳定性及抗干 空化区面积越来越小，总体上承载力呈先增大后减小
扰性优于平底螺旋槽. 的趋势. d =3 μm时，液膜承载能力达到最大；d 大于
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2.4 稳态工况下密封摩擦学性能对比 3 μm后，空化区面积减小但流体动压效应减弱，总承
前文中在给定膜厚下对承载能力、开启速度以及 载力小于d =3 μm时的承载力；d 小于3 μm时，虽在某
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液膜刚度进行了分析，本节中将给定载荷，研究密封 一槽深时(如d =2 μm)流体动压效应较强，但空化区域
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稳定运行时阶梯螺旋槽的摩擦学性能，以液膜厚度和 较大，总承载力也小于d =3 μm时的承载力. 因此，平
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摩擦扭矩2个参数表征，液膜厚度越大意味着运行时 底螺旋槽存在最优槽深，使其流体动压区承载力较

1 000 Flat-bottomed 1 000 Flat-bottomed 800 Flat-bottomed

Opening speed, ω/(r/min) 600 Opening speed, ω/(r/min) 600 Opening speed, ω/(r/min) 600
Stepped
Stepped
Stepped
800
800
400
400
400
200
0 200 0 200 0
1.50 3.75 6.00 8.25 10.50 12.75 15.00 0.50 1.25 2.00 2.75 3.50 4.25 5.00 0.150 0.375 0.600 0.825 1.050 1.275 1.500
Load, Q/kN Load, Q/kN Load, Q/kN
(a) H 0 =0.5 μm (b) H 0 =1.0 μm (c) H 0 =1.5 μm
Fig. 6 Comparison of the opening speed of two spiral grooves at different loads
图 6 2种螺旋槽不同载荷下开启速度对比

900 Flat-bottomed 700 Flat-bottomed 350 Flat-bottomed

800
Film stiffness, K/(N/μm) 600 Film stiffness, K/(N/μm) 500 Film stiffness, K/(N/μm) 250
600
300
Stepped
Stepped
Stepped
700
500
400
200
400
150
300
300
200
100
100
0 200 100
50
1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00
Film thickness, H 0 /μm Film thickness, H 0 /μm Film thickness, H 0 /μm
(a) d 1 =1 μm (b) d 1 =3 μm (c) d 1 =5 μm
Fig. 7 Comparison of the film stiffness of two spiral grooves at different film thicknesses
图 7 2种螺旋槽不同膜厚下液膜刚度对比