机械密封是流体机械和动力机械的重要装置之一,摩擦副的接触端面是机械密封的主要密封端面,是决定其密封性能的关键,同时也是决定机械密封的摩擦磨损和工作寿命的关键。为了改善机械密封端面摩擦副的润滑状况,提高密封性能,人们将表面造型技术应用于机械密封,在密封端面加工各种形状的几何形貌,以产生动压效应和泵送效应,以此减小机械密封的摩擦磨损和泄漏量,替代普通机械密封应用于高参数及危险性的恶劣工况。本文从摩擦润滑理论和粘性流体力学角度分析了端面造型机械密封的内部流动。由连续性方程和动量方程出发,推导了适用于机械密封流体动压润滑的雷诺方程,并分析了各项对动压效应产生的意义。应用CFD软件Fluent对特定槽型参数的端面螺旋槽造型机械密封的端面内流场进行了数值模拟,结果显示,对于特定槽型参数的螺旋槽端面密封存在一定的适用工况范围。首次建立了螺旋槽与微凹腔端面造型的几何模型,并对其流场进行了数值计算,结果表明,端面微凹腔造型能产生较高的端面动压效应,减小端面剪切力,有效降低摩擦副的摩擦磨损,且微凹腔呈辐射状分布在堰区时,能够在降低加工成本的同时获得良好的润滑效果。对端面无造型、微凹腔造型、螺旋槽造型、螺旋槽加微凹腔造型四种不同端面形貌的机械密封进行了性能试验,针对密封性能有显著影响的密封介质压力和转速两个关键参数的不同搭配选取12组进行了试验,工况参数的选取与数值模拟的参数对应,试验结果既验证了数值模拟结果的正确性,也显示了各种端面造型机械密封在不同工况下的优势。其中普通端面机械密封具有良好的密封性能,但摩擦磨损严重,且适用的工况范围很有限;端面微凹腔造型的机械密封润滑性能优越,但泄漏量较大;端面螺旋槽造型的机械密封在保证密封性能的同时,具有比普通端面机械密封优越的润滑性能,但一定槽型参数的螺旋槽具有一定的适用工况范围,且降低摩擦磨损的能力逊色于微凹腔造型的机械密封;端面微凹腔加螺旋槽造型机械密封较前三者具有明显的优势,具有良好密封性能的同时有效降低了端面摩擦副的摩擦磨损,且更加适用于高参数的工况条件。创造性地提出了一种新型的端面造型机械密封,此端面造型的机械密封是在原螺旋槽端面密封的基础上加工周向贯通槽,周向贯通槽加工于螺旋槽的径向末端,与螺旋槽贯通,周向连续,能够有效降低停机开启时的摩擦磨损,平衡端面压力和热量分布,且加工工序比端面螺旋槽槽加微凹腔造型的机械密封简单。