機械密封因具有密封性好、摩擦功率損耗低、使用壽命長等優(yōu)點而被廣泛應用于石油化工、航空航天等領域。隨著精密制造業(yè)的發(fā)展,對機械密封的性能提出了更高的要求,但目前針對機械密封在減小摩擦磨損及微型化、輕量化等方面的研究尚未有重大進展。前期研究表明,田螺在干旱天氣下利用厴蓋密封殼口能有效防止身體水分流失,可在缺水狀態(tài)下存活數(shù)月,這為設計新型機械密封結構提供了新思路。本文以田螺厴蓋作為仿生對象,觀測了田螺宏觀運動特性及厴蓋的微觀結構,通過建立數(shù)學模型分析了厴蓋的減摩和密封機理,采用3D打印技術制備了仿厴蓋薄片并進行了密封性能測試,結合理論和實驗分析,提出了仿生機械密封中靜環(huán)的改進設計方案。采用宏觀與微觀相結合的研究方法,揭示了田螺厴蓋的減摩機理。利用光學顯微鏡、SEM、白光干涉三維形貌儀表征厴蓋表面形貌,發(fā)現(xiàn)厴蓋為表面均布環(huán)狀微溝槽的卵圓形薄片,通過對田螺爬行視頻的逐幀分析,得到殼與厴蓋的相對角速率。基于厴蓋微溝槽結構建立流體動壓潤滑模型,計算得到福壽螺厴蓋與殼體之間的理論摩擦系數(shù)可達0.012,證明存在最優(yōu)的微溝槽尺寸使摩擦系數(shù)最低。與光滑平面相比,福壽螺厴蓋的微溝槽結構使得其與殼體間的摩擦系數(shù)降低了97%,該結果表明,田螺厴蓋的微溝槽結構能夠形成有效的動壓潤滑減小與殼體間的摩擦。通過觀測手段量化了田螺厴蓋的鎖定行為,并建立數(shù)學模型揭示了厴蓋幾何構型與密封能力之間的關系。測量了厴蓋鎖定狀態(tài)時邊緣的變形量,借助微觀成像技術觀測到厴蓋邊緣的分層結構,并建立數(shù)學模型,從剛度、接觸面積的角度闡述了分層結構對密封性能的貢獻,證明了厴蓋分層結構具有最優(yōu)的層數(shù)和幾何尺寸以提供較小剛度增強密封性能。采用3D打印技術制備了均勻薄片與仿生薄片,并比較兩種設計的流體密封效果,對泄漏率的測量試驗表明:在相同壓力條件下,分層結構能夠顯著降低泄漏率。通過對田螺厴蓋減摩和密封機理的分析討論,給出對機械密封中靜環(huán)的改進設計方案。將靜環(huán)設計為表面具有環(huán)形微溝槽、邊緣為分層結構的環(huán)狀薄片,在降低結構尺寸和重量的同時,能夠減小摩擦磨損,增強密封性能,延長使用壽命。
【學位單位】：中國地質(zhì)大學(北京)
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TH136
【部分圖文】：

間的密封稱作動密封。對于動密封，按主軸的運動形式不同，可分為旋轉軸密封和往復軸密封；按密封元件是否接觸又可以分為接觸密封和非接觸密封兩大類。圖1-1 密封的分類（趙健英，2014）Fig. 1-1 Classification of seals作為旋轉機械中的常用密封手段，機械密封以其密封性好、摩擦功率損耗低、使用壽命長等特點而廣泛應用于石油化工、航空航天等領域。機械密封系統(tǒng)的分

而在高速、高溫、高壓等工況下，密封副端面易產(chǎn)生磨損、熱裂、膠合、氧化、皰痕及介質(zhì)汽化和密封環(huán)開啟等現(xiàn)象，從而導致密封的迅速失效。此外，接觸式機械密封的泄漏形式主要包括穿漏、滲漏和擴散三種，造成泄漏的原因主要是由于密封環(huán)制造精度低導致端面粗糙度較大，端面難以很好的貼合，形成縫隙，流體在壓力差、表面張力或濃度差的作用下，將通過密封間隙泄漏。因此，若要獲得良好的密封效果，必須盡量減少連接處的間隙或者消除其端面上的間隙，常見的方法是通過施加作用力使兩接觸面相互貼緊，以及通過改進加工工藝降低端面粗糙度，使接觸間隙保持在 0.5~1μm 之間。非接觸式機械密封是用于旋轉軸的動密封裝置，也被稱為端面密封，其密封副動、靜環(huán)端面間存在間隙。垂直于旋轉軸的端面在流體壓力及補償機構的彈力作用下，加之輔助密封的配合，與另一端面保持貼合并作相對旋轉運動，從而構成防止流體泄漏的機械裝置，典型機械密封裝置的結構如圖 1-2 所示。

a. 爬行的螺 b. 縮回殼內(nèi)的螺圖 1-3 田螺構造示意圖（福壽螺）Fig. 1-3 Structural sketch of a water snail (Pomacea canaliculata)1.2 仿生表面減阻國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自然界中的生物歷經(jīng)數(shù)十億年適者生存和用進廢退的漫長進化，多數(shù)生物
【參考文獻】

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本文編號：2850190