郭俊德团队在《摩擦学学报(中英文)》发表机械密封润滑性能分析论文

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　　西安工业大学机电工程学院郭俊德团队在《摩擦学学报(中英文)》发表论文《考虑动环受热变形的机械密封润滑性能分析》。该论文聚焦于火箭发动机涡轮泵等极端工况下使用的螺旋槽机械密封，针对其在高速、高温(600~700°C)环境下动环受热变形，进而影响密封性能的关键问题，首次从微观螺旋槽几何变形量化的角度出发，系统研究了热变形对密封开启力、泄漏量和液膜厚度的定量影响。研究表明，槽深变形是影响密封性能的最关键因素，在特定工况下其影响远大于槽宽和螺旋角变形，为高参数机械密封的设计优化提供了重要理论依据。

　　在航天、能源等高端装备领域，机械密封的可靠性直接关系到整个系统的安全与效能。涡轮泵中使用的螺旋槽机械密封，凭借其非接触、低磨损、长寿命的优势，成为关键部件的核心密封方案。然而，当工况迈向每分钟数万转的高转速与数百摄氏度的高温时，旋转的动环会因剧烈摩擦和环境加热产生显著的热膨胀变形。过去的研究多关注密封环整体的热变形，而郭俊德团队敏锐地指出，这种宏观变形最终会传导并体现在动环端面精密的螺旋槽微观结构上，导致槽型发生变化，从而可能根本性地改变其流体动压效应和密封性能。

　　为了精确揭示这一影响，研究团队采用了“机理分析-建模仿真-量化评估”的系统研究方法。首先，他们利用有限元分析软件，对9Cr18材料动环在600~700°C工况下的温度场和热变形进行了精细仿真，验证了变形由外径向内径递减的分布规律。随后，研究实现了关键创新：将宏观热变形精准量化为螺旋槽三个核心几何参数的变化量，即槽深变形量(0~3 μm)、槽宽变形量(0~3 μm)和螺旋角变形量(0°~1.5°)。

　　基于此，团队建立了考虑螺旋槽热变形的流体动压润滑数值模型，并通过与试验数据对比验证了模型的准确性。定量分析结果清晰揭示了不同变形的影响程度：在转速40000 r/min、槽深变形达3 μm的极限情况下，与理想未变形状态相比，密封的开启力飙升48.1%，泄漏量激增83.3%，润滑膜厚也增加59.0%。相比之下，槽宽变形对开启力的影响仅为1.39%，螺旋角变形的影响为13.6%。这表明，由热变形引起的槽深减小是导致密封性能恶化的首要矛盾，它会显著增强泵送效应，在提升开启力的同时，也造成了泄漏量的不可接受地增加。

　　这项研究的结论对工程实践具有直接指导意义。它明确提示设计人员，在对高参数螺旋槽机械密封进行设计，尤其是在选择材料、制定冷却方案和设定公差时，必须将控制动环热变形、特别是抑制槽深方向的变形作为优先考虑的目标。传统的整体变形分析不足以精准评估性能变化，必须深入到螺旋槽的微观几何尺度。该工作深化了对机械密封热-流-固耦合行为机理的理解，为开发更稳定、更可靠的下一代高参数机械密封产品提供了坚实的理论分析和设计依据。