密封唇部微觀紋理方向?qū)τ头饷芊庑阅艿挠绊?/h1>
2021-01-19 07:24:22張付英楊俊梅水浩澈董城城
排灌機(jī)械工程學(xué)報 2021年1期
張付英，楊俊梅*，水浩澈，董城城
(1. 天津科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300222； 2. 天津市輕工與食品工程機(jī)械裝備集成設(shè)計與在線監(jiān)控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222)
唇形油封被廣泛應(yīng)用于各種傳動裝置旋轉(zhuǎn)軸的軸端密封[1]，其密封性能好壞直接影響機(jī)器設(shè)備能否正常運(yùn)行，密封性能差不僅增加機(jī)器的摩擦、磨損及功率損耗，潤滑油泄漏還會導(dǎo)致設(shè)備腐蝕以及環(huán)境污染，嚴(yán)重時還可能引起爆炸，造成安全事故[2].
表面紋理技術(shù)最初是為了加強(qiáng)2個剛性相對運(yùn)動表面間的儲油能力，確保能形成一定厚度的油膜，從而提高相對運(yùn)動表面的摩擦學(xué)性能.近20 a，表面紋理技術(shù)被應(yīng)用于其中一個表面是柔性體的柔性彈流潤滑，以改善其彈流潤滑摩擦性能.
ETSION等[3]首次將激光紋理微表面結(jié)構(gòu)應(yīng)用于機(jī)械密封研究其對密封性能的影響.SHEN等[4]研究了不同密封表面粗糙度類型對泵汲率的影響，并證明泵汲率隨粗糙度的增加而增加.之后，JIA等[5]通過分析不同表面處理方法對泵汲率的影響，證明泵汲率隨軸表面斜槽數(shù)的增加而增加.但是，傾斜槽的方向性限制了軸的旋轉(zhuǎn)方向.在此基礎(chǔ)上，WARREN 等[6]證明，軸表面適當(dāng)?shù)募y理形狀可以在不限制軸旋轉(zhuǎn)方向的情況下提高泵汲率.GUO等[7]分析了接觸區(qū)軸向位置對軸表面不同微凹坑紋理形狀的唇形油封密封性能的影響.結(jié)果表明，軸表面具有三角形紋理的油封對接觸區(qū)軸向位置的敏感度較低，產(chǎn)生的泵汲率也更大.
文中對油封唇部三角形紋理以不同方向分布時，建立油封密封區(qū)域的混合潤滑數(shù)值模型并耦合溫度能量守恒方程, 通過迭代求解數(shù)值方程，得到表面三角形紋理不同方向時油封的泵汲率、油膜厚度、摩擦扭矩、唇口密封壓力、唇口平均溫度、唇口最高溫度等密封性能參數(shù)，研究三角形紋理的不同度數(shù)對油封密封性能的影響并獲得使密封性能最佳的三角形紋理方向.
1 油封唇部表面三角形紋理模型
文中選取帶彈簧的內(nèi)包金屬骨架型油封，其型號為60 mm×80 mm×8 mm，主體材料為丁腈橡膠(NBR)[8].如圖1所示，油封油側(cè)唇角為45°，空氣側(cè)唇角為25°，軸徑d=60 mm.
圖1 徑向唇形油封示意圖Fig.1 Schematic of radial lip seal
油封唇部表面等邊三角形紋理設(shè)置為沿唇端部平行排列的兩行，如圖2所示.
圖2 唇部表面紋理示意圖Fig.2 Schematic of lip surface texture
如圖3所示為三角形紋理方向.圖中a，b，c數(shù)值分別為2，94，20 μm，深度為2 μm.
圖3 三角形紋理方向示意圖Fig.3 Schematic of triangular texture direction
為了研究三角形紋理方向?qū)τ头饷芊庑阅艿挠绊?，將三角形底邊與旋轉(zhuǎn)軸軸向垂直的方向作為初始方向，依次以三角形的重心為旋轉(zhuǎn)中心，分別向右旋轉(zhuǎn)45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°.油封唇口表面紋理可采用激光微加工技術(shù)制造[9].
2 油封的數(shù)值計算模型
建立油封笛卡爾坐標(biāo)系時，原點(diǎn)選在軸上，x為圓周方向，y為軸向方向[10].密封唇口空氣側(cè)的點(diǎn)，軸向坐標(biāo)y=0，潤滑油側(cè)點(diǎn)的軸向坐標(biāo)y=1.對油封建立考慮表面粗糙峰的二維雷諾方程,如式(1).該模型是通過流量系數(shù)法得出x,y方向的流量并將其代入基于質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程中所推導(dǎo)得
(1)
雷諾邊界條件：
y方向，Py=0=Psealed,Py=1=1；x方向P周期性變化，即Px=0=Px=1，所有節(jié)點(diǎn)位置P≥0.
油封的泵汲率和摩擦扭矩計算公式分別為
(2)
(3)
式中：ff為摩擦力，N.
油封油膜厚度計算公式為
(4)
(5)
式中：hw為紋理結(jié)構(gòu)參數(shù)，μm；hs為靜態(tài)油膜厚度，μm；pt為總壓力，MPa；psc為靜態(tài)接觸壓力，MPa；式(5)為對油膜厚度的量綱一化過程，即量綱一油膜厚度為油膜厚度與油封唇表面均方根粗糙度值的比值.
求解油封唇口溫度分布的能量守恒方程式為
(6)
式中：k為熱傳導(dǎo)系數(shù)；T為溫度，K；S為內(nèi)熱源.
文中使用有限差分法將式(1)及式(6)的微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程求解.在使用差分法時一般網(wǎng)格劃分越細(xì)，各節(jié)點(diǎn)上的油膜壓力值及溫度值越精確，對接觸區(qū)域單周期內(nèi)劃分為36×36的網(wǎng)格，計算出油膜壓力值后進(jìn)一步代入式(2)，(3)及式(6)中進(jìn)行泵汲率、摩擦扭矩、唇口溫度的求解.整個過程通過在Matlab中編程實(shí)現(xiàn)，分析過程中由初始值不斷迭代求解，直至收斂.能量守恒方程的收斂準(zhǔn)則為輸入的預(yù)測值與計算值的差值小于1K時計算終止.雷諾方程的收斂準(zhǔn)則計算公式為
(7)
(8)
式中：εp，εh均為本次迭代和上次迭代的差值與上次迭代數(shù)值的比值的最大值，當(dāng)εp，εh同時小于0.000 1時，計算收斂.
3 數(shù)值計算結(jié)果分析
文中所建立的油封模型基本參數(shù)如下：油封表面粗糙峰半徑r=1 μm；黏度μ0=0.043 Pa·s；接觸區(qū)域軸向長度Ly= 0.251 5 mm；單周期內(nèi)周向長度Lx=0.0942 mm；熱傳導(dǎo)系數(shù)k=5.0×107W/(m2·K);比熱容c=2 000 J/(kg·K).
油封的動態(tài)密封機(jī)理為反向泵汲效應(yīng)，通常將油封反裝到實(shí)驗(yàn)儀器上來測量其泄漏量，即泵汲率用以衡量油封的密封性能[11].圖4為三角形紋理以不同方向分布時油封的泵汲率.
圖4 油封泵汲率隨三角形紋理旋轉(zhuǎn)度數(shù)的變化Fig.4 Variation of oil seal pumping rate with triangle texture rotational origination
可見，三角形紋理分布為315°方向時油封產(chǎn)生的泵汲率相比其他角度最大，為2.062 mL/h，其次為90°方向時的油封，為2.048 mL/h.而在0°和180°方向時油封所產(chǎn)生的泵汲率最小，分別為1.285 mL/h和1.278 mL/h.
當(dāng)量綱一化油膜厚度大于3時，油封處于全油膜流體潤滑狀態(tài)[12].圖5為油封量綱一化油膜厚度d隨三角形紋理旋轉(zhuǎn)度數(shù)的變化，從圖中可以看出，隨著三角形紋理方向的變化，油封的量綱一化油膜厚度始終都大于3，說明具有三角形紋理的油封始終都處于良好的潤滑狀態(tài)下.當(dāng)三角形紋理角度方向?yàn)?°時，所產(chǎn)生的量綱一化油膜厚度值相對最大，為3.193 8；角度方向?yàn)?35°和225°時，所產(chǎn)生的量綱一化油膜厚度值相對最小，為3.193 3.
圖5 油封量綱一化油膜厚度隨三角形紋理旋轉(zhuǎn)度數(shù)的變化Fig.5 Variation of oil seal dimensionless oil film thickness with triangle texture rotational ori-gination
圖6為不同三角形紋理方向時油封唇口密封壓力最大值.從圖中可知，三角形紋理角度為225°方向時的油封唇口密封壓力相對最小，為5.864 3 MPa.
圖6 油封唇口密封壓力隨三角形紋理旋轉(zhuǎn)度數(shù)的變化Fig.6 Variation of oil seal lip sealing pressure with triangle texture rotational origination
油封的摩擦扭矩是衡量油封密封性能的另一項(xiàng)重要指標(biāo)，摩擦扭矩過大，會加大油封唇部磨損，同時也會造成接觸區(qū)域局部溫度快速升高，加劇油封唇部材料的老化[13].圖7為不同三角形紋理旋轉(zhuǎn)角度時的摩擦扭矩變化情況.顯然，摩擦扭矩最低的三角形紋理分布方向分別為135°和225°，均為0.429 2 N·m；摩擦扭矩最大的三角形紋理分布方向分別為0°，45°，90°，均為0.429 4 N·m，最大值和最小值之間差距很小，僅為0.000 2 N·m，這是由于三角形紋理旋轉(zhuǎn)角度的改變對粗糙度的影響較小，所以接觸面間的流體摩擦力變化也較小.
圖7 油封摩擦扭矩隨三角形紋理旋轉(zhuǎn)度數(shù)的變化Fig.7 Variation of oil seal friction torque with triangle texture rotational origination
圖8，9分別為不同三角形紋理旋轉(zhuǎn)方向時油封唇口的平均溫度和最高溫度.油封運(yùn)行過程中，油封唇口和旋轉(zhuǎn)軸為過盈接觸，接觸面上會產(chǎn)生大量的摩擦熱，進(jìn)而引起油封材料的老化、變形，最終影響密封性能，導(dǎo)致密封失效.所以油封的唇口溫度是選取橡膠材料的一項(xiàng)重要參數(shù)，要把油封唇口最高溫度控制在允許范圍內(nèi)以保證油封的正常密封，同時也要追求更低的唇口平均溫度.從圖中可以看出，三角形紋理方向?yàn)?35°和270°時，油封的唇口平均溫度最低，為310.437 1 K.油封唇口的最高溫度如圖9所示，最低值出現(xiàn)在三角形紋理分布方向?yàn)?35°，225°，270°時.
圖8 油封唇口平均溫度隨三角形紋理旋轉(zhuǎn)度數(shù)的變化Fig.8 Variation of oil seal average lip temperature with triangle texture rotational origination
圖9 油封唇口最高溫度隨三角形紋理旋轉(zhuǎn)度數(shù)的變化Fig.9 Variation of oil seal maximum lip temperature with triangle texture rotational origination
分析圖4—9各項(xiàng)密封參數(shù)隨三角形紋理方向的變化情況發(fā)現(xiàn)，泵汲率隨三角形紋理角度的增大變化最顯著，最大值與最小值之間相差0.783 6 mL/h，除此之外，油封唇口密封壓力變化也隨著三角形紋理角度的增大變化較顯著，但最大值與最小值之間僅相差0.002 1 MPa，其余密封性能參數(shù)變化值僅在0.000 2～0.000 5.因此，選擇油封的三角形紋理方向時，優(yōu)先考慮泵汲率進(jìn)行選擇，油封泵汲率較大時的三角形紋理方向分別為90°，135°，225°，270°，315°.油封的唇口平均溫度和最高溫度都較低時的三角形紋理方向?yàn)?35°和270°，摩擦扭矩最小時的三角形紋理方向?yàn)?35°，225°.綜合考慮，三角形紋理方向?yàn)?35°時油封泵汲率處于較大值，為1.971 6 mL/h(比最大值小0.090 4 mL/h)，其摩擦扭矩、唇口平均溫度、唇口最高溫度均為最小值，其量綱一化油膜厚度數(shù)值雖然較低，為3.193 3，但仍處于全油膜潤滑狀態(tài)，可以保證較好的潤滑性能，因此在8組不同紋理方向油封中135°方向時的油封密封性能最優(yōu).
4 結(jié) 論
1) 在所研究的三角形紋理的8個分布方向，泵汲率隨度數(shù)的變化最顯著，變化差值為0.783 6，除油封唇口密封壓力變化差值為0.002 1 MPa，其余密封性能參數(shù)變化值在0.000 2～0.000 5，所以應(yīng)優(yōu)先考慮三角形紋理方向?qū)Ρ眉陈实挠绊?
2) 綜合考慮各項(xiàng)密封性能參數(shù)，三角形紋理在135°方向時，油封的泵汲率、摩擦扭矩、唇口平均溫度、唇口最高溫度均為較優(yōu)值，是8組模型中密封性能最優(yōu)的三角形紋理方向分布方案.
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唇形油封被廣泛應(yīng)用于各種傳動裝置旋轉(zhuǎn)軸的軸端密封[1]，其密封性能好壞直接影響機(jī)器設(shè)備能否正常運(yùn)行，密封性能差不僅增加機(jī)器的摩擦、磨損及功率損耗，潤滑油泄漏還會導(dǎo)致設(shè)備腐蝕以及環(huán)境污染，嚴(yán)重時還可能引起爆炸，造成安全事故[2].
表面紋理技術(shù)最初是為了加強(qiáng)2個剛性相對運(yùn)動表面間的儲油能力，確保能形成一定厚度的油膜，從而提高相對運(yùn)動表面的摩擦學(xué)性能.近20 a，表面紋理技術(shù)被應(yīng)用于其中一個表面是柔性體的柔性彈流潤滑，以改善其彈流潤滑摩擦性能.
ETSION等[3]首次將激光紋理微表面結(jié)構(gòu)應(yīng)用于機(jī)械密封研究其對密封性能的影響.SHEN等[4]研究了不同密封表面粗糙度類型對泵汲率的影響，并證明泵汲率隨粗糙度的增加而增加.之后，JIA等[5]通過分析不同表面處理方法對泵汲率的影響，證明泵汲率隨軸表面斜槽數(shù)的增加而增加.但是，傾斜槽的方向性限制了軸的旋轉(zhuǎn)方向.在此基礎(chǔ)上，WARREN 等[6]證明，軸表面適當(dāng)?shù)募y理形狀可以在不限制軸旋轉(zhuǎn)方向的情況下提高泵汲率.GUO等[7]分析了接觸區(qū)軸向位置對軸表面不同微凹坑紋理形狀的唇形油封密封性能的影響.結(jié)果表明，軸表面具有三角形紋理的油封對接觸區(qū)軸向位置的敏感度較低，產(chǎn)生的泵汲率也更大.
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1 油封唇部表面三角形紋理模型
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圖1 徑向唇形油封示意圖Fig.1 Schematic of radial lip seal
油封唇部表面等邊三角形紋理設(shè)置為沿唇端部平行排列的兩行，如圖2所示.
圖2 唇部表面紋理示意圖Fig.2 Schematic of lip surface texture
如圖3所示為三角形紋理方向.圖中a，b，c數(shù)值分別為2，94，20 μm，深度為2 μm.
圖3 三角形紋理方向示意圖Fig.3 Schematic of triangular texture direction
為了研究三角形紋理方向?qū)τ头饷芊庑阅艿挠绊?，將三角形底邊與旋轉(zhuǎn)軸軸向垂直的方向作為初始方向，依次以三角形的重心為旋轉(zhuǎn)中心，分別向右旋轉(zhuǎn)45°，90°，135°，180°，225°，270°，315°.油封唇口表面紋理可采用激光微加工技術(shù)制造[9].
2 油封的數(shù)值計算模型
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y方向，Py=0=Psealed,Py=1=1；x方向P周期性變化，即Px=0=Px=1，所有節(jié)點(diǎn)位置P≥0.
油封的泵汲率和摩擦扭矩計算公式分別為
(2)
(3)
式中：ff為摩擦力，N.
油封油膜厚度計算公式為
(4)
(5)
式中：hw為紋理結(jié)構(gòu)參數(shù)，μm；hs為靜態(tài)油膜厚度，μm；pt為總壓力，MPa；psc為靜態(tài)接觸壓力，MPa；式(5)為對油膜厚度的量綱一化過程，即量綱一油膜厚度為油膜厚度與油封唇表面均方根粗糙度值的比值.
求解油封唇口溫度分布的能量守恒方程式為
(6)
式中：k為熱傳導(dǎo)系數(shù)；T為溫度，K；S為內(nèi)熱源.
文中使用有限差分法將式(1)及式(6)的微分方程轉(zhuǎn)化為代數(shù)方程求解.在使用差分法時一般網(wǎng)格劃分越細(xì)，各節(jié)點(diǎn)上的油膜壓力值及溫度值越精確，對接觸區(qū)域單周期內(nèi)劃分為36×36的網(wǎng)格，計算出油膜壓力值后進(jìn)一步代入式(2)，(3)及式(6)中進(jìn)行泵汲率、摩擦扭矩、唇口溫度的求解.整個過程通過在Matlab中編程實(shí)現(xiàn)，分析過程中由初始值不斷迭代求解，直至收斂.能量守恒方程的收斂準(zhǔn)則為輸入的預(yù)測值與計算值的差值小于1K時計算終止.雷諾方程的收斂準(zhǔn)則計算公式為
(7)
(8)
式中：εp，εh均為本次迭代和上次迭代的差值與上次迭代數(shù)值的比值的最大值，當(dāng)εp，εh同時小于0.000 1時，計算收斂.
3 數(shù)值計算結(jié)果分析
文中所建立的油封模型基本參數(shù)如下：油封表面粗糙峰半徑r=1 μm；黏度μ0=0.043 Pa·s；接觸區(qū)域軸向長度Ly= 0.251 5 mm；單周期內(nèi)周向長度Lx=0.0942 mm；熱傳導(dǎo)系數(shù)k=5.0×107W/(m2·K);比熱容c=2 000 J/(kg·K).
油封的動態(tài)密封機(jī)理為反向泵汲效應(yīng)，通常將油封反裝到實(shí)驗(yàn)儀器上來測量其泄漏量，即泵汲率用以衡量油封的密封性能[11].圖4為三角形紋理以不同方向分布時油封的泵汲率.
圖4 油封泵汲率隨三角形紋理旋轉(zhuǎn)度數(shù)的變化Fig.4 Variation of oil seal pumping rate with triangle texture rotational origination
可見，三角形紋理分布為315°方向時油封產(chǎn)生的泵汲率相比其他角度最大，為2.062 mL/h，其次為90°方向時的油封，為2.048 mL/h.而在0°和180°方向時油封所產(chǎn)生的泵汲率最小，分別為1.285 mL/h和1.278 mL/h.
當(dāng)量綱一化油膜厚度大于3時，油封處于全油膜流體潤滑狀態(tài)[12].圖5為油封量綱一化油膜厚度d隨三角形紋理旋轉(zhuǎn)度數(shù)的變化，從圖中可以看出，隨著三角形紋理方向的變化，油封的量綱一化油膜厚度始終都大于3，說明具有三角形紋理的油封始終都處于良好的潤滑狀態(tài)下.當(dāng)三角形紋理角度方向?yàn)?°時，所產(chǎn)生的量綱一化油膜厚度值相對最大，為3.193 8；角度方向?yàn)?35°和225°時，所產(chǎn)生的量綱一化油膜厚度值相對最小，為3.193 3.
圖5 油封量綱一化油膜厚度隨三角形紋理旋轉(zhuǎn)度數(shù)的變化Fig.5 Variation of oil seal dimensionless oil film thickness with triangle texture rotational ori-gination
圖6為不同三角形紋理方向時油封唇口密封壓力最大值.從圖中可知，三角形紋理角度為225°方向時的油封唇口密封壓力相對最小，為5.864 3 MPa.
圖6 油封唇口密封壓力隨三角形紋理旋轉(zhuǎn)度數(shù)的變化Fig.6 Variation of oil seal lip sealing pressure with triangle texture rotational origination
油封的摩擦扭矩是衡量油封密封性能的另一項(xiàng)重要指標(biāo)，摩擦扭矩過大，會加大油封唇部磨損，同時也會造成接觸區(qū)域局部溫度快速升高，加劇油封唇部材料的老化[13].圖7為不同三角形紋理旋轉(zhuǎn)角度時的摩擦扭矩變化情況.顯然，摩擦扭矩最低的三角形紋理分布方向分別為135°和225°，均為0.429 2 N·m；摩擦扭矩最大的三角形紋理分布方向分別為0°，45°，90°，均為0.429 4 N·m，最大值和最小值之間差距很小，僅為0.000 2 N·m，這是由于三角形紋理旋轉(zhuǎn)角度的改變對粗糙度的影響較小，所以接觸面間的流體摩擦力變化也較小.
圖7 油封摩擦扭矩隨三角形紋理旋轉(zhuǎn)度數(shù)的變化Fig.7 Variation of oil seal friction torque with triangle texture rotational origination
圖8，9分別為不同三角形紋理旋轉(zhuǎn)方向時油封唇口的平均溫度和最高溫度.油封運(yùn)行過程中，油封唇口和旋轉(zhuǎn)軸為過盈接觸，接觸面上會產(chǎn)生大量的摩擦熱，進(jìn)而引起油封材料的老化、變形，最終影響密封性能，導(dǎo)致密封失效.所以油封的唇口溫度是選取橡膠材料的一項(xiàng)重要參數(shù)，要把油封唇口最高溫度控制在允許范圍內(nèi)以保證油封的正常密封，同時也要追求更低的唇口平均溫度.從圖中可以看出，三角形紋理方向?yàn)?35°和270°時，油封的唇口平均溫度最低，為310.437 1 K.油封唇口的最高溫度如圖9所示，最低值出現(xiàn)在三角形紋理分布方向?yàn)?35°，225°，270°時.
圖8 油封唇口平均溫度隨三角形紋理旋轉(zhuǎn)度數(shù)的變化Fig.8 Variation of oil seal average lip temperature with triangle texture rotational origination
圖9 油封唇口最高溫度隨三角形紋理旋轉(zhuǎn)度數(shù)的變化Fig.9 Variation of oil seal maximum lip temperature with triangle texture rotational origination
分析圖4—9各項(xiàng)密封參數(shù)隨三角形紋理方向的變化情況發(fā)現(xiàn)，泵汲率隨三角形紋理角度的增大變化最顯著，最大值與最小值之間相差0.783 6 mL/h，除此之外，油封唇口密封壓力變化也隨著三角形紋理角度的增大變化較顯著，但最大值與最小值之間僅相差0.002 1 MPa，其余密封性能參數(shù)變化值僅在0.000 2～0.000 5.因此，選擇油封的三角形紋理方向時，優(yōu)先考慮泵汲率進(jìn)行選擇，油封泵汲率較大時的三角形紋理方向分別為90°，135°，225°，270°，315°.油封的唇口平均溫度和最高溫度都較低時的三角形紋理方向?yàn)?35°和270°，摩擦扭矩最小時的三角形紋理方向?yàn)?35°，225°.綜合考慮，三角形紋理方向?yàn)?35°時油封泵汲率處于較大值，為1.971 6 mL/h(比最大值小0.090 4 mL/h)，其摩擦扭矩、唇口平均溫度、唇口最高溫度均為最小值，其量綱一化油膜厚度數(shù)值雖然較低，為3.193 3，但仍處于全油膜潤滑狀態(tài)，可以保證較好的潤滑性能，因此在8組不同紋理方向油封中135°方向時的油封密封性能最優(yōu).
4 結(jié) 論
1) 在所研究的三角形紋理的8個分布方向，泵汲率隨度數(shù)的變化最顯著，變化差值為0.783 6，除油封唇口密封壓力變化差值為0.002 1 MPa，其余密封性能參數(shù)變化值在0.000 2～0.000 5，所以應(yīng)優(yōu)先考慮三角形紋理方向?qū)Ρ眉陈实挠绊?
2) 綜合考慮各項(xiàng)密封性能參數(shù)，三角形紋理在135°方向時，油封的泵汲率、摩擦扭矩、唇口平均溫度、唇口最高溫度均為較優(yōu)值，是8組模型中密封性能最優(yōu)的三角形紋理方向分布方案.
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