目前，国内外学者针对非接触式机械密封的研究主要集中在密封端面的织构化设计方面，即通过在动、静环表面引入微槽或微孔结构，并调控其形状、分布及尺寸参数以改善流体动压效应，从而实现最佳的密封性能[4-7]。这种织构化配置能够利用流体动压效应形成力封闭空间[8-9]，从而实现密封介质“零泄漏”[10-12]。郝木明等[13]利用螺旋槽上游的低流量、高压力端面泵送效应，将少量的隔离流体沿密封端面泵送回密封腔，实现了“零泄漏”。然而，在槽区与台区的交界处，流体在微通道中流动时会因通道突扩而产生Borda-Carnot损失，在惯性作用下流体无法完全填充扩大的截面，从而形成涡流，导致局部压力骤降，进而引发空化效应[14-15]。空化效应会严重削弱密封性能，且难以避免[16]。Bai等[17]对螺旋槽端面密封的空化区域进行了数值模拟分析，结果表明：空化区域扩展使端面压力降低了70%，从而导致密封性能下降。为减小空化效应的影响，李振涛等[18]基于质量守恒空化模型，在螺旋槽中引入周向斜面台阶结构，有效地减少了发散侧的液膜压力损失，降低了空化面积比，从而提高了密封性能。许华林等[19]建立了变深度阶梯螺旋槽机械密封空化模型，研究表明：底部非对称的阶梯结构能产生Rayleigh轴承效应，增强了流体动压性能，使得空化面积减小了93.42%。综上，相关学者在减小密封端面沟槽区空化效应方面的研究已取得显著进展[20-22]，但现有研究局限于沟槽的非对称结构设计与参数优化，缺乏对密封端面流体动压效应与空化抑制机理的深入研究以及原位可视化实验支撑。
为此，本文采用原位观测与数值模拟相结合的方法，对非对称性织构化密封端面的空化行为及密封性能进行系统研究。首先，在静环表面制备平底对称性、右倾斜非对称性和左倾斜非对称性沟槽。然后，利用高速机械密封试验台，对不同工况下3种沟槽的空化现象进行原位观测，并同步测量泄漏量、摩擦力矩和温升等密封性能参数。最后，基于Fluent软件建立液膜流场模型，分析液膜压力分布与空化特征，以揭示非对称性沟槽在抑制空化行为与调控泄漏方面的作用机理。
1 机械密封试验
1.1 试验材料及试样制备
本试验所使用的动环试样的外径为46 mm、内径为14 mm、厚度为6 mm，表面粗糙度为0.15 μm，平整度约为0.5 μm，如图1所示。
图1
静环试样采用浸渍树脂石墨（M106K）制备而成，其外径为40.4 mm、内径为28.8 mm、厚度为12.0 mm。静环试样的加工步骤包括抛光处理、超声波清洗、槽型设计、激光刻蚀和超声波二次清洗。首先，依次使用400、800、1 200、1 500目的砂纸对平整的静环试样进行打磨，并采用粒度为W0.25（粒径中值约为0.25 μm）的氧化铝抛光液进行抛光，如图2(a)所示。随后，使用无水乙醇进行超声波清洗（10 min），得到表面粗糙度约为0.2 µm的光滑试样。接着，利用激光加工设备（G20，天极星激光设备有限公司）对静环试样进行沟槽刻蚀。其中，沟槽的深度和宽度由激光扫描的速度、频率、功率及加工次数决定。本试验中具体的激光加工参数如下：扫描速度为1 000 mm/s，频率为20 Hz，功率为10 W。在试验中，因受激光加工设备的制约，无法直接在沟槽底部获得连续斜面，故以微小台阶结构近似逼近连续斜面。加工区域分为七部分，分别进行1~7次激光加工。在完成激光刻蚀后，沟槽内残留大量石墨颗粒。为保证加工质量，需进行10 min的超声波二次清洗。最后，测量沟槽深度，以验证加工精度。激光加工后的静环试样如图2(c)所示，其表面刻蚀的沟槽从左至右依次为平底对称性沟槽、右倾斜非对称性沟槽和左倾斜非对称性沟槽，结构参数如表1所示。其中：右倾斜非对称性沟槽为沟槽底部深度沿旋转速度方向呈梯度式增大的结构；左倾斜非对称性沟槽为沟槽底部深度沿旋转速度的反向呈梯度式增大的结构。
图2
表1 沟槽结构参数
Table 1
| 参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
|---|---|---|---|
| 内径Ri/mm | 14.4 | 槽角θ1/(°) | 9 |
| 外径Ro/mm | 20.2 | 堰角θ2/(°) | 21 |
| 槽长L/mm | 4.5 | 液膜厚度h0/μm | 5 |
| 槽宽B/mm | 2.1 | 沟槽深度h1/μm | 21 |
| 单个槽宽B1/mm | 0.3 | 台阶深度h2/μm | 3 |
| 中心角φ/(°) | 30 | 面积率Sp/% | 15.4 |
3种沟槽的三维形貌如图3所示，其中：平底对称性沟槽的总深度约为21 μm；左、右倾斜非对称性沟槽的台阶深度约为3 μm，总深度约为21 μm。
图3
图3
静环表面沟槽的三维形貌
Fig.3
Three-dimensional morphology of grooves on the static ring surface
1.2 试验装置与测试方法
本文所搭建的高速机械密封试验台主要包括驱动系统、密封系统、原位观测装置、推力加载系统、供油系统、冷却系统和泄漏收集器，其结构如图4所示。其中：驱动系统中的电机转速可达15 000 r/min；密封系统由动环、静环、夹具、轴向弹簧、力矩传感器和温度传感器等组成，动环采用圆形高透光的石英玻璃（JGS1），以便观测密封端面的空化演变；原位观测装置由工业相机、光源和反射镜组成，可实现对液膜流动状态及其空化现象的高分辨率观测与记录。在测试过程中，轴向弹簧可保证静环与动环的密封端面紧密贴合，确保端面跳动较小；密封介质由供油系统中的微型真空泵送入密封腔，最大供油压力可达0.25 MPa，利用泄漏收集器收集泄漏的密封介质。
图4
试验使用46号机械油作为密封介质，设置最大进口压力为0.22 MPa，从0.18 MPa起逐步以0.01 MPa增压至0.22 MPa。在每个进口压力下，动环转速从0 r/min开始，按500 r/min增速至2 500 r/min，每次试验持续15 min。为确保数据准确性，每组试验至少重复3次。试验工况参数如表2所示。
表2 试验工况参数
Table 2
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| 出口压力/MPa | 0.10 |
| 进口压力/MPa | 0.18~0.22 |
| 动力黏度/(Pa·s) | 4.025×10-5 |
| 温度/℃ | 25 |
| 轴向载荷/N | 100 |
| 转速/(r/min) | 500~2 500 |
2 密封端面空化行为及密封性能分析
2.1 非对称性沟槽对密封性能的影响
图5所示为不同转速和进口压力条件下（轴向载荷为100 N）3种织构化密封端面的泄漏量变化规律。其中：0 r/min转速工况反映密封端面在静压状态下的泄漏量。为简化图中标注，平底对称性沟槽、右倾斜非对称性沟槽和左倾斜非对称性沟槽分别以FB（flat-bottom）、RT（right-tilted）、LT（left-tilted）表示，下文同。由图5(a)可知，在轴向载荷和进口压力固定的条件下，密封端面的泄漏量随转速增大呈现先减小后增大的趋势。由图5(b)可知，在轴向载荷和转速固定的条件下，密封端面的泄漏量随进口压力的升高而增大。与平底对称性沟槽相比，非对称性沟槽能够抑制泄漏，其中：右倾斜非对称性沟槽的抑制效果较佳，密封端面的泄漏量约减少了40.7%；左倾斜非对称性沟槽次之，密封端面泄漏量的降幅约为20.4%。
图5
图5
不同转速和进口压力下密封端面的泄漏量
Fig.5
Leakage of sealing end face under different rotational speeds and inlet pressures
图6
图6
不同转速和进口压力下密封端面的摩擦力矩
Fig.6
Frictional torque of sealing end face under different rotational speeds and inlet pressures
图7
图7
不同转速和进口压力下密封端面的温升
Fig.7
Temperature rise of sealing end face under different rotational speeds and inlet pressures
2.2 非对称性沟槽对空化行为的影响
图8展示了在进口压力为0.20 MPa、出口压力为0.10 MPa、转速为2 000 r/min工况下3种沟槽的空化图像。图中：沟槽区域用绿色虚线框定，白色亮区为空化区域（以红色曲线标注），黑色区域为密封介质。观察图8可知，在密封试验中，空化区域呈现轻微波动，说明空化状态较为稳定，且气液分界线清晰，空化现象主要集中在沟槽内部。当动环开始旋转且密封介质从台区流向槽区时，由于结构突变（截面面积由小变大），沟槽入口处的液膜压力骤然下降，溶解于密封介质中的空气随之释放，从而引发空化现象[13-15]。通过对比3种沟槽的空化面积可知，相较于平底对称性沟槽，右倾斜非对称性沟槽的空化面积显著减小，而左倾斜非对称性沟槽的空化面积则明显增大。由此可知，通过优化台区与槽区交界处的结构设计，能够有效调控空化现象的发生与演变。
图8
为探究进口压力和转速对沟槽空化面积的影响，分别对不同进口压力（0.18、0.20、0.22 MPa）和转速（0、500、1 000、1 500、2 000、2 500 r/min）下沟槽的空化面积进行分析，结果如图9所示。结果表明，当转速为0 r/min时，3种沟槽均未发生空化现象。随着转速的提高，密封端面之间的相对速度逐渐增大，导致流体在密封间隙中的流动速度加快。流体速度的提升会导致局部压力下降，当局部压力降至密封介质的饱和蒸气压以下时，液体部分汽化并释放溶解气体，从而在低压区域形成气-液两相流，即空化现象[23]。因此，转速的提高会显著扩大空化面积。此外，进口压力的升高会使流体的整体压力升高，导致流体压力较难降至空化所需的低压阈值。在较高的进口压力下，更高的转速才能使局部压力降低到密封介质的饱和蒸气压以下，进而产生空化现象。
图9
图9
不同沟槽的空化行为演变图
Fig.9
Evolution diagrams of cavitation behavior for different grooves
图10
图10
不同转速和进口压力下沟槽的空化面积比
Fig.10
Cavitation area ratio of groove under different rotational speeds and inlet pressures
2.3 密封端面的液膜压力与相态分布
为深入研究不同倾斜方向非对称性沟槽对密封端面空化特性和密封性能的影响，采用Fluent软件构建了基于N-S（Navier-Stokes）方程[24]的密封端面CFD（computational fluid dynamics，计算流体力学）模型，以分析其液膜压力和相态分布。其中，多相流模型采用Mixture模型。考虑到密封端面在周向上具有几何对称性，为提高计算效率，仿真时取整个端面的1/12进行计算。如图11所示（以平底对称性沟槽为例），计算单元区域的边界条件设定如下：进口压力为0.20 MPa，出口压力为0.10 MPa，转速为2 000 r/min，液膜厚度h0=5 μm，沟槽深度h1=21 μm；密封介质为46号机械油，温度为25 ℃，动力黏度为4.025×10-5 Pa·s，密度为0.861 kg/L。
图11
图11
计算单元区域的边界条件设置
Fig.11
Boundary condition setting for computational unit region
通过数值模拟分析得到密封端面液膜压力、截面流线和液膜相态的分布情况，结果如图12所示。从图12中可以看出，当流体进入槽区后，在沿流速方向的收敛侧受到压缩，导致局部流道截面减小，流体速度减缓并形成明显的高压区。相反，在背对流速方向的发散侧，流道截面突然扩大，流体因惯性而无法及时充满扩大的区域，产生了Borda-Carnot损失，造成边界层分离并形成局部涡流，导致此处压力骤降，从而引发空化现象。对于右倾斜非对称性沟槽，其渐扩结构在入口处延缓了截面突扩，使得流体能够更好地贴附壁面流动，减少了边界层内流体脱离壁面的现象。这种设计有效地减少了低压涡流区的形成，减小了局部压力的波动，从而抑制了局部低压区的产生，显著减少了空化现象。同时，低压区的抑制显著增强了整个密封端面的流体动压效应和液膜承载能力，使得密封面之间形成稳定的高压密封坝，从而减少了泄漏通道。此外，右倾斜非对称性沟槽收敛侧槽根位置处的流线呈现复杂且紊乱的回流现象，这显著促进了泵吸效应，双重作用机制下有效地抑制了端面泄漏。仿真结果与原位观测结果一致，进一步验证了右倾斜非对称性沟槽在抑制空化效应和提升密封性能方面的优越性。相反，左倾斜非对称性沟槽的渐扩结构位于沿流速方向的收敛侧，导致液膜压力损失增大，进而促使空化区域扩大。但高转速下较大的空化面积增强了空化抽吸效应，使得部分密封介质被抽吸回空化区域，抑制了端面泄漏，但密封端面液膜承载力因压力损失增大而下降。为了平衡轴向载荷，液膜厚度减小，致使密封端面的接触面积增大，最终导致摩擦力矩增大。
图12
图12
液膜压力、截面流线和液膜相态分布
Fig.12
Distribution of liquid film pressure, cross-sectional streamline and liquid film phase
图13
图13
沟槽空化面积比的试验值与仿真值对比
Fig.13
Comparison of experimental value and simulation value of groove cavitation area ratio
综上所述，右倾斜非对称性沟槽通过渐扩结构优化了密封端面的流场分布，有效抑制了空化行为，增强了流体动压效应和液膜承载能力，其在降低泄漏量、摩擦力矩及温升方面表现优异；而左倾斜非对称性沟槽因收敛结构而导致密封端面的压力损失增大与空化区域扩展，造成液膜承载能力下降，密封性能变差。
3 结 论
本文采用激光加工技术在静环表面制备了平底对称性沟槽、右倾斜非对称性沟槽和左倾斜非对称性沟槽，并通过密封试验和数值模拟相结合的方法，深入研究了非对称性沟槽对密封端面空化行为及密封性能的影响，主要结论如下。
1）右倾斜非对称性沟槽具有渐扩结构，有效延缓了入口处的截面突扩行为，显著抑制了空化现象，其空化面积相较于平底对称性沟槽减小了44.9%；相比之下，左倾斜非对称性沟槽采用相反结构，导致空化面积增加了21.3%。
2）右倾斜非对称性沟槽的渐扩结构设计通过引导流体紧密贴附壁面流动，有效减少了边界层内的流体脱离现象，从而显著抑制了低压涡流区的形成（即空化现象）。与平底对称性沟槽和左倾斜非对称性沟槽相比，右倾斜非对称性沟槽不仅优化了流体的流动特性，还显著扩大了高压区面积。
3）在密封性能方面，右倾斜非对称性沟槽通过抑制空化行为，提高了液膜承载力，增大了高压区面积，在密封面处形成高压密封坝，减少了泄漏通道；与平底对称性沟槽相比，右倾斜非对称性沟槽使密封端面的泄漏量降低了40.7%，摩擦力矩降低了42.6%。
参考文献
Determining a pressure response function of the hose and sensor arrangement for measurements of dynamic pressure in a dry gas seal film
［J］.
The fractal leakage model of contact mechanical seals considering wear and thermal deformation
［J］.
Frictional heat transfer regularity of the fluid film in mechanical seals
［J］.
Experimental research on sealing performance of liquid film seal with herringbone-grooved composite textures
［J］.
Experimental investigation of the effect of typical surface texture patterns on mechanical seal performance
［J］.
Fluid flow regime transition in water lubricated spiral grooved face seals
［J］.
Lubrication film flow control by oriented dimples for liquid lubricated mechanical seals
［J］.
非接触式机械密封基础研究现状与展望
［J］.
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［J］.
非接触式端面密封流体动压效应的研究进展
［J］.
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［J］.
Tribological performance of UV picosecond laser multi-scale composite textures for C/SiC mechanical seals： theoretical analysis and experimental verification
［J］.
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［J］.
An overview of geometrical parameters of surface texturing for piston/cylinder assembly and mechanical seals
［J］.
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［J］.
Numerical study on sealing performance of spiral groove liquid film seal considering effects of cavitation
［J］.
汽液两相流机械密封的研究进展
［J］.
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［J］.
On the optimum groove geometry for herringbone grooved journal bearings
［J］.
机械密封液膜汽化问题研究现状与进展
［J］.
Research and progress of mechanical seals operating with vaporization transition
［J］.
Gas-liquid mass transfer behavior of upstream pumping mechanical face seals
［J］.
周向斜面台阶螺旋槽液膜密封流体动压性能
［J］.
Hydrodynamic performance of liquid film seals in circumferential beveled-step spiral grooves
［J］.
阶梯螺旋槽端面密封摩擦学性能数值研究
［J］.
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［J］.
表面织构底部构形对液体润滑机械密封性能的影响
［J］.
Effect of bottom configuration of surface texture on performance of liquid lubricated mechanical seals
［J］.
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［J］.
内部结构非对称织构对材料表面的润滑性能分析
［J］.
Analysis of the lubricating properties of the internal structure asymmetric microtexture on the material surface
［J］.
Experimental study of cavitation characteristic of single-row reverse spiral groove liquid-film seals
［J］.
织构设计对润滑脂密封副密封特性影响的数值模拟
［J］.
Numerical simulation of effect of texture design on sealing characteristics of grease sealing pair
［J］.
Suction effect of cavitation in the reverse-spiral-grooved mechanical face seals
［J］.
雷列台阶-环槽端面密封机理与性能研究
［J］.
Mechanism and performance of end face seal of Rayleigh steps and annular grooves
［J］.
