密封环高速重载接触行为的多尺度建模与耦合计算

随着工程类重载车辆向大功率方向发展，对传动系统中防止压力油泄漏的密封环的性能要求日益苛刻。为提高密封环的稳定性和可靠性，必须重视高速重载工况下密封接触行为。本项目依据前期研究基础，对密封环在不同工况阶段存在的混合摩擦接触和流体润滑接触两个方面进行研究。首先对复合材料密封环摩擦行为进行跨尺度关联，明确宏观与微介观尺度的材料变形、摩擦状态、温升之间的协同效应，深化宏观与微介观之间的交互模型，实现尺度间摩擦状态的双向预测，以获取密封环在各尺度上的混合摩擦规律。其次依据工况条件，定量表达与预测复杂环境下耦合多因素非稳态润滑状态的密封性能，计及非层流特性、流体惯性、表面形貌、系统扰动、热流体等影响因素，进一步探明密封性能、润滑性能演变、润滑失效之间的本质关系。本项目旨在解决复杂系统密封部件摩擦与润滑可量化、可预测的共性基础问题，为设计高稳定性、高可靠性、长寿命的旋转动密封提供理论依据。

深入掌握密封环在高速重载高温服役条件下动态接触行为及其演化过程，是重载车辆综合传动装置设计开发过程中必须解决的关键问题。本项目的实施主要解决复杂系统密封部件摩擦与润滑可量化、可预测的共性基础问题。项目的研究主要围绕着密封环在高速重载工况下的摩擦磨损规律和非稳态润滑对密封性能的影响而展开的。首先，进行密封环摩擦接触的宏观状态分析、微观尺度动力学特征描述及多尺度建模与求解。在密封环宏观摩擦接触状态分析中，结合密封环的工作特点，提出一种基于载荷分配概念的密封摩擦状态演变预测模型。根据微凸体承载力和总承载力等参数信息获得总摩擦系数值。通过研究密封摩擦系数的变化及其影响因素，以便控制摩擦过程和降低摩擦损耗。为掌握非稳定因素对密封面摩擦磨损的影响，研究在扰动状态下密封环的稳定性及其动态响应情况。建立了密封环三自由度的扰动模型，模拟实际运行工况，应用动态参数计算模型，研究了刚度系数和阻尼系数随工况条件的变化规律，预测对密封面碰摩的影响。应用数值计算和试验研究相结合的方法对密封环的热负荷特性进行评估。确定了密封环传热规律，采用热-结构耦合方法对各密封温度参量随工况的变化规律进行仿真计算。在微观尺度动力学特征描述中，充分考虑复合材料密封环各组成材料颗粒非均匀、各向异性的特点，通过移动元胞自动机方法，进行建模与分析密封环服役过程中局部摩擦接触的情况。根据上述密封环宏观和微观的多种摩擦接触行为的表征，建立高速重载工况下复合材料密封环多尺度计算模型以及数值模拟方法，耦合宏观模型和微观模型，构建密封环与其对偶件两粗糙表面滑动接触的二维模型，合理设置尺度间的耦合过渡区，形成一种密封环摩擦接触多尺度模拟的建模规则与计算策略。通过密封环多尺度模拟计算，可以准确了解密封环从宏观到微介观不同尺度下的摩擦磨损特征。其次，密封环实际润滑状态的行为特征方程的建立与耦合求解。以非牛顿流体的流变特性为基础，计及变粘度影响，模拟实际运行工况，确定表达密封环润滑特征的接触参数变化规律。建立了密封环油膜的润滑方程，获得了密封承载力、摩擦力矩的计算模型，并分别求解，得到它们随工况状态的变化规律。开展本项目的研究工作，对正确表征密封接触行为演化、性能变异与服役行为，提高密封性能和使用寿命具有显著的学术意义。本项目的实施为重大工程与装备核心部件的高服役寿命密封组件的精良设计提供理论支持和技术保障。