约束空间跨速工况液膜密封原理研究

同时满足高速高压与低速高压使用要求的旋转密封是实现高功率密度传动的重要保障，但受结构空间约束与大跨度转速变化工况的影响，继续提高车用旋转密封的工作性能技术难度大，缺乏理论基础。本项目拟在传统车用旋转密封结构尺寸基础上，引入液膜密封原理，通过耦合密封坝区的部分膜润滑方程和槽区的全膜润滑方程，建立高pv值旋转密封的摩擦动力学模型，探讨膜厚的参数变化机理；进而构建不同膜厚下旋转密封的流场模型，研究旋转密封泄漏特性变化规律，并结合试验和表面磨痕晶相分析，建立密封表面的摩擦磨损模型，探索跨速过程的摩擦与泄漏特性演变规律；以磨损量、泄漏量以及油膜承载力等参数为优化目标，建立约束空间大跨度转速变化条件下的槽型优化函数，探索适合车用的旋转密封表面动压结构。项目研究将为车用高pv值旋转密封设计奠定理论基础，对提高车用旋转密封的性能有积极意义。

同时满足高速高压与低速高压使用要求的旋转密封是实现高功率密度传动的重要保障，但受结构空间约束与大跨度转速变化工况的影响，继续提高车用旋转密封的工作性能技术难度大，缺乏理论基础。本项目拟在传统车用旋转密封结构尺寸基础上，引入液膜密封原理，通过耦合密封坝区的部分膜润滑方程和槽区的全膜润滑方程，建立高pv值旋转密封的摩擦动力学模型，探讨膜厚等参数变化机理；进而构建不同膜厚下旋转密封的流场模型，研究旋转密封泄漏特性变化规律，并结合试验和表面磨痕晶相分析，建立密封表面的摩擦磨损模型，研究跨速过程的摩擦与泄漏特性演变规律；以油膜承载力与刚度等参数为优化目标，建立槽型优化模型，探索适合车用的旋转密封表面动压结构。.采用贴体坐标变换处理表面微槽槽区边界，应用基于质量守恒定律的有限体积法处理微槽边界膜厚突变的问题，获得微槽型流体润滑模型；采用统计接触模型描述混合润滑状态时粗糙峰接触特性；基于旋转密封稳态受力平衡关系，将流体润滑与粗糙峰接触模型相耦合，建立了微槽型旋转密封润滑状态预测模型。提出了“脱开转速”的概念，作为划分混合润滑状与全油膜流体动力润滑状态的临界转速。针对车用旋转密封往往工作在瞬态冲击等动态工况，建立了旋转密封动力学模型，对实际充油工况旋转密封动态特性进行研究。研究表明，微槽型旋转密封有稳定快速的瞬态响应，在实际充油工况下能很好地跟随工作压力的变化。为了使车用旋转密封获得更好的稳态与动态特性，以槽型线和槽型结构参数为设计变量，建立了槽型优化设计模型。研究表明，优化槽型的流体承载力与动态刚度大大优于初始螺旋槽的。优化槽型润滑特性提高的原因是优化槽的几何形式能更有效地利用流体动压效应；槽数对优化槽型的几何形式有较大影响，但外径尺寸影响不大。通过回归分析方法，计算得到了优化槽旋转密封润滑特性参数的回归方程。.项目通过理论分析、数值模拟与试验研究相结合的方法，对表面微槽型旋转密封稳态与动态润滑特性进行了系统的研究，取得了如下创新性成果：考虑粗糙峰接触构建了旋转密封跨速过程多物理场耦合数学模型，获得了跨速过程旋转密封润滑状态的演变规律；建立了包含油膜承载作用与粗糙峰微观接触效应的旋转密封摩擦动力学模型，研究了高pv值旋转密封跨速过程的密封特性，揭示了摩擦与泄漏特性的演变规律；在考虑空化效应的基础上，对旋转密封槽型结构进行了优化设计，建立了适用于车用工况的旋转密封槽型优化模型。