采用FLUENT軟件分析微凹槽結構對機械密封性能的影響，探討凹槽深度比(凹槽深度與油膜厚度比值) 、凹槽寬度比(微凹槽寬度與內環圓弧的直線長度比值) 和凹槽長度比(微凹槽長度與圓環寬度比值) 對開啟力、液膜剛度、泄漏率的影響。結果表明：凹槽深度比、凹槽寬度比均存在一個最佳值使開啟力和液膜剛度達到最大值，開槽深度與油膜厚度有著密切的關系；在凹槽寬度比一定時，凹槽寬度越大，開啟力和液膜剛度也越大，而泄漏率基本保持不變，這表明毫米級寬度凹槽比微米級凹槽具有更好的密封性能；凹槽長度比越大，開啟力和液膜剛度也越大，但是泄漏率也會同時增大。

　　隨著現代工業的快速發展，人們對機械密封性能提出了更高的要求。機械密封從1885 年出現至今，其ps v 值從1930 年的3.1 MPa·m/s 到現階段的5 700MPa·m/s，所應用的工況越來越苛刻，這勢必會加劇機械密封磨損，降低其使用壽命和可靠性。而表面織構作為一種改善機械零部件摩擦學性能的有效手段，已在許多領域得到充分應用。表面織構其中一個比較重要的作用是提高表面承載力，改善潤滑條件。即每個微結構都可以認為是一個微小的流體動壓軸承，在相對運動過程中產生額外的流體動壓力，使摩擦副之間形成一層很薄的流體潤滑膜，讓兩表面由接觸狀態轉變為非接觸，而這對降低機械密封摩擦、磨損來說有很重要的意義。另一方面表面織構還可以起到存儲磨屑和潤滑油的作用。

　　表面織構主要有微凹坑和微凹槽2 種結構。在微凹坑結構方面，Etsion 和Burstein在1996 年提出了激光加工多孔端面機械密封，并做了理論和實驗研究，初步探討了工況參數和微孔結構參數對密封性能的影響；劉一靜等在活塞裙部加工凹坑陣列，起到了降低摩擦和磨損的作用，且最低減摩率達到了37.8%；于海武等建立了微凹坑織構的流體動壓潤滑模型，通過優化凹坑排布形式，進一步提高了承載力。在微凹槽結構方面，最常見的是內燃機缸套內孔表面的45°珩磨網紋結構；Blatter等在藍寶石圓片表面加工微凹槽結構并用銷盤摩擦試驗機進行試驗，試驗表明微凹槽能減小摩擦并延長使用壽命；Yuan等在硼銅鑄鐵上加工出微凹槽陣列，通過實驗研究證明合適的微凹槽參數能起到減摩作用。

　　目前，在很多非接觸機械密封上也會有凹槽結構。胡丹梅和順宗祥用有限差分法對直線槽端面氣體密封間隙內的氣體進行了運動分析，對直線槽參數進行了優化；王和順等對徑向直線槽干氣密封端面流場進行了分析，得出合適的端面結構能形成足夠的開啟力，且有密封壩結構徑向直線槽其密封性能更好的結論; 韓萍和郝木明對徑向直線槽密封進行了三維數值分析，計算結果表明該結構具有良好的動壓效應，內外徑壓差對氣模壓力影響顯著。

　　目前，機械密封上凹槽尺寸大多是毫米級，對于微米級凹槽結構的研究很少，對凹槽密封性能的理解有待進一步深入。因此，本文作者以微米尺度的凹槽為研究對象，選取的最小凹槽寬度為100 多μm，采用FLUENT 流體分析軟件對機械密封表面微凹槽的性能進行數值分析，研究凹槽深度比、寬度比和長度比對機械密封性能的影響。

　　1、理論模型

　　1. 1、幾何模型

　　圖1 為機械密封表面微凹槽的幾何結構簡圖，將密封端面劃分為N個沿周向周期分布的扇形區域，圖1(a) 所示為機械密封摩擦副的截面示意圖，摩擦副由動環和靜環構成，微凹槽織構加工在靜環上，hp為微凹槽深度，c 為油膜厚度。圖1( b) 是單個周期微凹槽的平面示意圖，圖中w0為微凹槽寬度，w 為內環圓弧的直線長度，l0為微凹槽長度，l 為圓環寬度。

圖1 機械密封表面微凹槽示意圖

　　1.2、計算模型假設與前處理

　　采用FLUENT 軟件對表面微結構模型進行分析計算，該軟件的模擬是基于流體動力學；Navier-Stokes方程(N-S 方程) 和連續方程開展的。假設：

　　(1)忽略體積力的作用；

　　(2) 潤滑劑在界面上無滑動，即摩擦副表面的潤滑劑移動速度與表面速度相同；

　　(3) 摩擦副兩表面不接觸，其間存在潤滑油膜且潤滑油膜厚度c在兩表面間處處相等；

　　(4) 潤滑劑為牛頓流體且不可壓縮，黏度和密度為常量；

　　(5) 在沿著潤滑膜厚度方向不計壓力變化；

　　(6) 操作環境為恒溫且流動為層流和定常流動。

　　在理想狀態下，密封介質會在兩密封端面間形成一層極薄的流體動壓膜，使兩端面不直接接觸，取此流體膜為計算對象，其結構為環狀且沿周向均勻分布。其前處理主要包括兩部分：流體域三維模型建立和網格劃分。三維模型由Pro/E軟件建立，并采用參數化建模方案，大大縮短了創建三維模型的時間。模型創建完成后，將其導入到ICEM 中進行網格劃分，由于流體膜厚度與流體徑向和周向尺寸相差3 ～4 個數量級，普通的四面體網格無法滿足質量要求。因此，真空技術網(http://203scouts.com/)認為通過ICEM 中特有的塊功能進行網格劃分，首先創建塊并對塊進行相應的劃分，再將其與三維模型進行關聯，然后通過對塊上不同的邊設置節點數，最后能夠生成質量較好的六面體結構化網格。

2、結論

　　(1) 凹槽深度hp存在較優的值，且該值與油膜厚度有密切的聯系，在本文研究條件下當凹槽深度與油膜厚度的比值Hp = 0.75 左右，可使開啟力和液膜剛度都達到最大。

　　(2) 凹槽的寬度w0與扇形內圓弧直線長度w 存在最佳比值W= 0.8，使開啟力Fopen和液膜剛度Kz達到最大值；在相同W 值下，凹槽寬度w0越大，開啟力和液膜剛度值也越高，泄漏率基本保持不變，這表明毫米級寬度凹槽比微米級凹槽具有更好的密封性能; W 的增大，泄漏率Q 會呈單調遞增。

　　(3) 隨著凹槽長度比L 的增加，開啟力Fopen和液膜剛度Kz同時增大，且近似成正比的關系，但是泄漏率Q也隨之增加，因此在選擇參數時需進行綜合考量。