Page 56 - 摩擦学学报2025年第5期

690 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷

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减小，摩擦系数减小，上游泵送率增加 . 此外，黏温 哈佛大学Wong等 提出将低表面能润滑剂注入经过
效应以黏度变化体现温度变化，同时导致内摩擦热、 粗糙处理的固体表面微纳尺度空隙内，取代气层，用
泵送效应和动压效应的变化进而影响膜压、膜温和相 这种方法获得了滑移效果显著的超滑移表面(Slippery
变，内摩擦效应使开启力减小，泄漏量增大，而黏温效 liquid-infused porous Surface，简称SLIPS). 该方法是
应使开启力增大，泄漏量减小 . 因此，从整体来看， 目前制备液体超滑移表面的主流手段 ，但是存在严
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温度变化给密封稳定性的维持带来了巨大挑战，如何 重的润滑剂损耗而导致超滑表面失效的问题.
有效降低摩擦热对密封性能的影响始终是科研工作 综上可知，关于介质压力波动和黏温效应对液膜

者不断努力的方向. 密封性能的影响，国内外学者已开展了大量工作，但
在提升诸如液膜密封之类的液体润滑摩擦副承 目前尚未发现有关在该复杂环境下槽底超滑流动对
载能力或降低摩擦损耗过程中，人们常常假设摩擦间 液膜密封性能的影响研究. 而且，尽管目前超滑移表
隙流-固界面无滑移，即流体分子与固体表面之间紧
面制备技术仍不成熟，但利用织构和滑移组合设计方
密黏附，不产生相对滑动. 但实际上，亲、疏水表面都会
法提升摩擦副承载和降低摩擦损耗的研究，已成为摩
产生边界滑移现象，只是滑移量一般在微纳米尺度 [15-17] ，
擦学领域的另一重要发展方向. 鉴于此，本文中将以具
所以假设为无滑移在通常情况下影响较小. 然而，当
有超滑移表面设计流体型槽的泵用下游泵送螺旋槽
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滑移量较大时，承载能力 、摩擦特性 以及流动特
液膜密封(简称S-LFS)为例，探究介质压力波动和黏温
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性 均会发生显著变化. 权威学者Spikes 最早通过
效应对液膜性能的影响，以期进一步探索“超滑移设
理论计算获得了轴承静面的滑移设计能够提升承载、
计”在提高液膜密封稳定性方面具备的潜在优势.
降低摩擦的结论. Salant则最先考虑边界滑移对机械

密封性能的影响 ，并对比研究了轴承副表面在织
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1 物理模型
构+滑移、织构、滑移+无滑移和无滑移4种设计形式
1.1 几何模型
下的性能，结果显示织构和滑移组合设计时的承载力
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最大 . 后续的研究结果也显示，表面的部分滑移设 在速度不高于15 000 r/min时，螺旋槽开设在动环
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计优于全滑移设计和传统无滑移情况 ，而织构和滑 或静环，其密封性能无明显差异 . 因此为考虑槽底
[25] 面不同滑移条件的影响，将流体型槽开设在静环端
移组合设计可以获得更优异的润滑性能 .
关于大滑移表面的制备，有学者认为可通过疏液 面，则S-LFS结构如图1(a)所示，几何参数列于表1中.
设计获得：一是让表面极为光滑，可使水产生数微米 在本模型中，静环槽底未作处理时无滑移，如图1(b)所
的滑移长度 ；二是在表面设计微纳织构，如Lee等 [27] 示，超滑移设计后如图1(c)所示，即液膜与槽底面之间
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利用光刻和化学沉积技术制备了微纳织构超疏水表 的液体分子可以沿静面自由移动，流-固界面无剪切
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面，获得了本文中作者所能查到的最大的滑移长度 阻力，且在此设计下，液膜可保持其完整性 . 螺旋槽
400 μm，可见，这2种方法都很难实现宏观滑移. 因此， 的螺旋线方程为

h g
v s =0
Low Stator
pressure
h 0 Dam
Rotor
r o r g
α r i Spiral V
groove (b) No slip
Z High v s =V
pressure Weir
θ w
θ g
Rotor Stator

V
(a) Construction of seal end face of S-LFS (c) Super slip
Fig. 1 Construction of seal end face of S-LFS and slip design of groove bottom
图 1 S-LFS密封端面结构示意图和槽底滑移设计