STMP编辑优选：流体动压润滑下蛇形仿生表面织构对指尖密封性能的影响

文章介绍

Lingping Chen（陈玲萍）, Yanchao Zhang（张延超）, Yahui Cui(崔亚辉), Jie Wang(王杰) and Mingfeng Wang(王明峰)

通讯作者：

■  张延超，西安理工大学

为了研究表面织构对指尖密封性能的影响，在蛇鳞的启发下，我们提出了四种表面织构形式，并在流体动压润滑条件下进行了综合性能分析。

首先，在雷诺方程的基础上，提出了流体动压润滑下的表面织构化指尖密封的数值模型。然后，考虑到不同表面织构的类型、排布和几何参数等，进行了表面织构化指尖密封性能分析。结果表明：(1)当表面织构轮廓与转子运动方向一致时，有利于产生较好的流体动压，提高密封性能；(2)为了使表面织构化指尖密封具有良好的减摩耐磨特性，表面织构深度应尽可能小(<25μm)。(3)当表面织构深度等于密封间隙时，平均无量纲压力达到最大，摩擦系数最小；(4)随着表面织构密度的增加，平均无量纲压力呈现出先迅速增加、后逐渐平缓趋势，而摩擦系数恰恰相反。考虑到制造的经济性，取合适的表面织构密度范围为20%～40%。

Figure 2. Illustration of snakeskin-inspired surface textures.

Figure 7. Comparison study of four textures with different orientations: (a) dimensionless pressure (maximum and average) and (b) friction coefficient.

Figure 9. Effect of texture depth on pressure and friction coefficient under different seal clearance: (a) 20,000 r/min and (b) 15,000 r/min.

研究背景：

作为一种柔性密封，指尖密封具有低泄漏率和长服役寿命的特点，在航空发动机、燃气轮机等领域有着巨大的应用潜力。指尖密封与转子之间的直接接触不可避免地会产生摩擦磨损，也成为了影响指尖密封工作稳定性的重要因素。近年来，仿生非光滑表面已被广泛应用于具有相对运动的各种场合，如轴承、活塞环、密封、刀具等，以改善运动副的摩擦学性能。

考虑到复杂恶劣的生活环境，蛇被认为是理想的应用表面纹理提高摩擦学性能的仿生研究对象。蛇的鳞片可以改善它们在陆地上（控制摩擦）和水中（减少水动力阻力），甚至是空中（减少空气阻力）的能动性。基于这些特征，我们在指尖密封的表面织构设计中采用了蛇鳞形状，以提高指尖密封性能。

通讯作者介绍

Surface Topography: Metrology and Properties（STMP）专注物理、化学、材料科学及工程研究中关于表面的最新应用和功能，是一本于2013年创刊的纯电子期刊。该刊旨在为来自不同领域的学者、工业界人士和工程师提供一个国际化平台，发表他们的研究成果、最新研究和研究案例。