基于流固热动耦合的唇形密封抗磨特性研究和寿命评估

密封失效不仅会引起巨大经济损失或致命灾害，而且也是制约机械系统实现设计寿命的瓶颈之一。本申请拟以旋转轴唇形密封为对象，理论分析和实验测量相结合，建立流固热动耦合的密封性能仿真模型，研究密封系统摩擦磨损特性和泄漏率变化规律，进行优化设计以提高密封性能，探索密封失效模式，建立寿命评估和预测模型。并通过轴表改形设计延长密封寿命。基于以上工作，建立一套密封性能仿真和寿命评估理论研究方法及实验测量系统，可扩展用于往复轴唇形密封和其他成型填料密封。预期成果不仅可为高性能橡塑密封的研制提供理论基础和设计方法，打破我国重大装备关键配套密封件完全依赖进口的局面，也为未来研制智能密封积累技术和数据，在延长密封安全服役寿命、提高可靠性方面更上一个台阶。课题开展对预防重大事故发生、保证我国重大工程建设等具有重要的理论意义和经济价值。

唇形密封广泛用于机械系统，对保障主机安全和可靠性起着关键作用。本项目以旋转轴唇形密封（简称唇封）为对象，采用理论分析、数值仿真和实验测量相结合的手段，开展了唇封性能仿真、性能劣化规律、寿命评估和延寿设计等方面的研究。具体包括：采用统计学方法，建立了模拟唇封稳态工况下的混合润滑模型。模型耦合考虑了润滑油膜的流体力学分析、粗糙峰与轴之间的接触力学分析以及密封唇的固体力学分析。研制了一套密封实验台和检测装置，模拟唇封的实际工况，对唇封性能进行测试，验证了数值仿真模型的正确性。基于以上的理论方法和实验平台，建立了密封唇摩擦磨损模型和老化模型，研究了导致唇封性能随着时间历程产生动态演化的两个影响因素——橡胶磨损和老化，通过综合考虑这两者的共同影响，建立了唇封性能动态演化规律通用模型。基于该方法预测了某一工况下唇封泵送率随着运行时间的变化规律，并得到了台架实验结果的验证，证明了通用模型的正确性。提出了通过优化设计唇封结构和轴表织构化处理的方式，实现减小摩擦力矩同时又增大泵送率的优化目标，以减小橡胶老化和磨损的影响程度，延长唇封的使用寿命。本课题建立的研究方法和技术平台，可以用于其他同类密封的研究。研究成果可以用于优化密封设计方法和提高密封系能。部分成果已经用于产品设计。同时，取得的成果为后续的研究提供了基础数据和研究平台，在此基础上可以进一步开展智能密封、密封可靠性、密封机理和密封材料的研究工作。