Page 143 - 摩擦学学报2025年第5期

第 5 期 许华林, 等: 阶梯螺旋槽端面密封摩擦学性能数值研究 777

0.5 2.8 0.20

1.2 0.4 2.4 0.15
Film thickness, H 0 /μm 1.0 0.3 Frictional torque, T/(N·m) Film thickness, H 0 /μm 2.0 0.10 Frictional torque, T/(N·m)

1.6
0.8
0.2
1.2
Flat-bottomed, H 0
0.6
Stepped, H 0
Stepped, H 0
Flat-bottomed, T 0.1 0.8 Flat-bottomed, H 0 0.05
Flat-bottomed, T
Stepped, T Stepped, T
0.4 0.0 0.4 0.00
100 200 300 400 500 100 200 300 400 500
Speed, ω/(r/min) Speed, ω/(r/min)
(a) d 1 =1 μm (b) d 1 =3 μm
3.5 0.15
3.0 0.12
Film thickness, H 0 /μm 2.0 0.09 Frictional torque, T/(N·m)
2.5

0.06
1.5
Flat-bottomed, H 0
Stepped, H 0
1.0
Flat-bottomed, T
Stepped, T 0.03
0.5 0.00
100 200 300 400 500
Speed, ω/(r/min)
(c) d 1 =5 μm
Fig. 8 Comparison of film thickness and friction torque during stabilization of two spiral grooves at different speeds
图 8 2种螺旋槽不同转速下稳定运行时膜厚及摩擦扭矩对比

高，而空化面积较小，总承载能力最大. 旋槽空化率均小于对应的平底螺旋槽. 可见在小膜
图9(b)和(c)所示为最优槽深d =3 μm的平底螺旋 厚、低转速的机械密封启动阶段，阶梯螺旋槽可以有
1
槽与对应阶梯螺旋槽承载能力的对比，相同工况下，阶 效减小空化区.

梯螺旋槽压力峰值(p max =4.5 MPa)相较于平底螺旋 2.5.3 机理分析
槽(p =4.2 MPa)提高7.14%，表明阶梯螺旋槽流体动 旋转机械密封中流体流动主要为周向流动，图12
max
压区承载能力较对应的平底螺旋槽更强. 阶梯螺旋槽 所示为2种螺旋槽在径向位置r=22及23.5 mm处周向
空化率(0.68%)较平底螺旋槽(10.33%)减小93.42%，表 压力分布轮廓，其中膜厚H =1 μm，转速ω=50 r/min.
0
明阶梯螺旋槽可以减小空化面积，有效承担载荷区域 可见，沿圆周方向压力先减小后增大再减小，阶梯螺
面积更大. 总体上阶梯螺旋槽总承载力(659.03 N)较 旋槽在阶梯线处相较平底螺旋槽有着额外的流体动

平底螺旋槽(549.98 N)提升19.83%. 压效应，使该区域附近压力提升至饱和蒸气压以上，

2.5.2 空化区域分布 减小了空化区域，提供了额外的承载力. 此外，槽底引
图10所示为膜厚H =1 μm、转速ω=50 r/min下2种 入台阶后，只是局部增强台阶附近流体动压效应，而
0
螺旋槽空化区域对比. 由图10可见，不同槽深阶梯螺 对其他位置动压效应无负面影响(即阶梯线至终止

旋槽的空化区域均小于对应平底螺旋槽，且空化区域 线处的压力轮廓斜率不变)，因此阶梯线处的压力提
在半径越大的位置减小得越多，这是因为该区域线速 升使得流体压力在整体上均大于对应平底螺旋槽. 事
度更大，阶梯处产生的流体动压效应更强，减小空化 实上，螺旋槽的引入使得平行的密封面间形成了多个
的效果更好. Rayleigh轴承，其承载机理如图13所示.
图11所示为2种螺旋槽在相同膜厚下不同转速时 图13(a)所示为单个阶梯螺旋槽内润滑介质流动
的空化率对比，由图11可见，转速由50 r/min增大至 示意图，流体沿周向先后经过起始线、阶梯线和终止
500 r/min的过程中，相同膜厚下(0.5、1和1.5 μm)，2种 线，在阶梯线和终止线处流经2次收敛间隙(即从大口
螺旋槽的空化率均随着转速的增加而增大，但阶梯螺 流入小口)，相当于产生了2次流体动压效应，是其承