微孔幾何特征對密封端面動壓潤滑性能的影響

李茂元，吳玉國，時禮平，童寶宏，吳勝

（1安徽工業(yè)大學(xué)機械工程學(xué)院，馬鞍山 243032；2馬鞍山鋼鐵股份有限公司，馬鞍山 243000）

微織構(gòu)化作為材料表面處理的一種手段已經(jīng)在理論和實驗上被證明能夠有效的提高相對運動表面摩擦學(xué)性能[1-2]。目前主要集中在考察織構(gòu)的形狀、幾何參數(shù)[3]以及工況條件[4-5]對摩擦副的摩擦學(xué)性能的影響?？棙?gòu)的形狀包括表面形狀[6-9]和底部形狀[10]，現(xiàn)有文獻對表面形狀研究較多，而對織構(gòu)的底面形狀研究一般只考慮矩形底面[11]。

王霄等[12]建立了圓柱形、球冠形、錐形等6種不同幾何形貌端面的數(shù)學(xué)模型，采用多重網(wǎng)格法分析了這些不同幾何形貌對兩滑動表面摩擦潤滑性能的影響；馬晨波等[13]建立了橢圓形截面織構(gòu)模型，對橢圓形截面織構(gòu)的參數(shù)進行了優(yōu)化，并對模型進行試驗驗證和應(yīng)用分析，但未對不同截面所產(chǎn)生的動壓性能進行對比分析；丁行武等[14]利用數(shù)值計算方法對織構(gòu)化滑動摩擦副表面的動壓潤滑模型進行了求解，從理論上分析了表面織構(gòu)不同截面類型和序依次增大，這說明了動壓效益產(chǎn)生的氣穴（壓力值低于環(huán)境壓力值）區(qū)域也逐漸增大；相反，曲線壓力作用區(qū)域依次減??；壓力分布最大值接近端面孔收斂出口處（圖3b）。

圖3 計算域無量綱壓力分布圖Fig.3 Dimensionless pressure distribution of calculated area

2.2 孔半徑對動壓性能的影響

圖 4為孔半徑分別為 0.050、0.150、0.200 mm時孔深度對無量綱平均壓力的影響。由圖4可知：

（1）隨著深度的增大不同底面形狀的圓孔端面無量綱平均壓力都呈現(xiàn)先增大再減小趨勢，且矩形面的最優(yōu)孔深度值最小，三角形面值最大。

圖4 孔半徑對無量綱平均壓力的影響Fig.4 Influence of dimp les radius on dimensionless average pressure

（2）同一底面形狀最優(yōu)孔深度由圖4a至c逐漸向左偏移，即最優(yōu)深度隨著圓孔半徑的增大而減小，如對于三角形面：圓孔半徑r=0.050mm、0.015 mm、0.200 mm時，其最優(yōu)深度分別為：hp=0.011 mm、0.009 mm、0.008 mm。

（3）當(dāng)微孔深度小于0.007mm時（圖4a），矩形面無量綱平均壓力明顯優(yōu)于其他3種型面，隨著微孔半徑的增大(圖4b、c)，矩形面的優(yōu)勢在逐漸減弱，當(dāng)r=0.200mm時，三角形面表現(xiàn)出最佳的動壓性能，而矩形面的動壓性能最差。

2.3 孔深度對動壓性能的影響

圖5為孔深度分別為0.004、0.008和0.012 mm時圓孔半徑對無量綱平均壓力的影響。由圖5可知：

（1）隨著孔半徑的增大不同底面的圓孔端面無量綱平均壓力都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，即存在最優(yōu)半徑使無量綱平均壓力值最大，最優(yōu)半徑基本保持在0.170 mm，與深度無關(guān)。

（2）矩形面具有最佳的動壓性能，三角形面動壓效果最差（圖5a）。

（3）半徑小于0.100mm時矩形面的動壓性能優(yōu)勢不明顯，半徑大于0.125 mm時矩形面端面動壓性能最差，原因是孔深度增大至“飽和點”，其他底面形狀端面動壓性能隨孔半徑的變化差距不明顯，無量綱平均壓力值近似（圖5b）。

（4）各端面動壓性能表現(xiàn)出與圖5a完全相反的趨勢，即三角形面具有最優(yōu)的動壓性能，而矩形面的動壓性能幾乎不受孔半徑的影響（圖5c）。

圖5 孔深度對無量綱平均壓力的影響Fig.5 Influence of dimp les depth on dimensionless average pressure

2.4 優(yōu)化結(jié)果

由以上分析可知，對于不同型面的微孔，存在最優(yōu)的微孔半徑和最優(yōu)的微孔深度，從表面織構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用角度考慮，有必要考察在最優(yōu)微孔半徑及最優(yōu)微孔深度條件下的各個型面微孔的動壓性能。

圖6為不同底面形狀微孔經(jīng)優(yōu)化后的無量綱平均壓力。從圖6可知：參數(shù)優(yōu)化后，矩形孔端面明顯具有最優(yōu)的動壓性能，其平均壓力值pav=1.39，相比于三角形面pav=1.28可提高8.59%。另外，從最優(yōu)參數(shù)來看：微孔的半徑基本保持在0.17 mm(矩形面和三角形面稍有波動，其值分別為0.15 mm和0.18 mm)，孔最優(yōu)深度變化較為明顯，但矩形微孔最優(yōu)深度明顯低于其他三種微孔型面。

圖6 無量綱平均壓力優(yōu)化Fig.6 Optimization of dimensionless average pressure

3 結(jié)論

（1）不同底面形狀圓形微孔對無量綱平均壓力的影響，隨著半徑的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最優(yōu)的微孔半徑基本保持在0.17 mm。

（2）不同底面形狀圓形微孔對無量綱平均壓力的影響，隨著深度的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，矩形面孔端面最優(yōu)孔深度明顯小于其它3種型面，且三角形面最優(yōu)孔深度最大。

（3）優(yōu)化后矩形面微孔的無量綱平均壓力值可達到1.39，較三角形面提高了8.59%。

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