密封環高速重載接觸行為的多尺度建模與耦合計算

《密封環高速重載接觸行為的多尺度建模與耦合計算》是依託江蘇大學，由宮燃擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：密封環高速重載接觸行為的多尺度建模與耦合計算
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：宮燃
• 依託單位：江蘇大學

項目摘要

隨著工程類重載車輛向大功率方向發展，對傳動系統中防止壓力油泄漏的密封環的性能要求日益苛刻。為提高密封環的穩定性和可靠性，必須重視高速重載工況下密封接觸行為。本項目依據前期研究基礎，對密封環在不同工況階段存在的混合摩擦接觸和流體潤滑接觸兩個方面進行研究。首先對複合材料密封環摩擦行為進行跨尺度關聯，明確巨觀與微介觀尺度的材料變形、摩擦狀態、溫升之間的協同效應，深化巨觀與微介觀之間的互動模型，實現尺度間摩擦狀態的雙向預測，以獲取密封環在各尺度上的混合摩擦規律。其次依據工況條件，定量表達與預測複雜環境下耦合多因素非穩態潤滑狀態的密封性能，計及非層流特性、流體慣性、表面形貌、系統擾動、熱流體等影響因素，進一步探明密封性能、潤滑性能演變、潤滑失效之間的本質關係。本項目旨在解決複雜系統密封部件摩擦與潤滑可量化、可預測的共性基礎問題，為設計高穩定性、高可靠性、長壽命的旋轉動密封提供理論依據。

結題摘要

深入掌握密封環在高速重載高溫服役條件下動態接觸行為及其演化過程，是重載車輛綜合傳動裝置設計開發過程中必須解決的關鍵問題。本項目的實施主要解決複雜系統密封部件摩擦與潤滑可量化、可預測的共性基礎問題。項目的研究主要圍繞著密封環在高速重載工況下的摩擦磨損規律和非穩態潤滑對密封性能的影響而展開的。首先，進行密封環摩擦接觸的巨觀狀態分析、微觀尺度動力學特徵描述及多尺度建模與求解。在密封環巨觀摩擦接觸狀態分析中，結合密封環的工作特點，提出一種基於載荷分配概念的密封摩擦狀態演變預測模型。根據微凸體承載力和總承載力等參數信息獲得總摩擦係數值。通過研究密封摩擦係數的變化及其影響因素，以便控制摩擦過程和降低摩擦損耗。為掌握非穩定因素對密封面摩擦磨損的影響，研究在擾動狀態下密封環的穩定性及其動態回響情況。建立了密封環三自由度的擾動模型，模擬實際運行工況，套用動態參數計算模型，研究了剛度係數和阻尼係數隨工況條件的變化規律，預測對密封面碰摩的影響。套用數值計算和試驗研究相結合的方法對密封環的熱負荷特性進行評估。確定了密封環傳熱規律，採用熱-結構耦合方法對各密封溫度參量隨工況的變化規律進行仿真計算。在微觀尺度動力學特徵描述中，充分考慮複合材料密封環各組成材料顆粒非均勻、各向異性的特點，通過移動元胞自動機方法，進行建模與分析密封環服役過程中局部摩擦接觸的情況。根據上述密封環巨觀和微觀的多種摩擦接觸行為的表征，建立高速重載工況下複合材料密封環多尺度計算模型以及數值模擬方法，耦合巨觀模型和微觀模型，構建密封環與其對偶件兩粗糙表面滑動接觸的二維模型，合理設定尺度間的耦合過渡區，形成一種密封環摩擦接觸多尺度模擬的建模規則與計算策略。通過密封環多尺度模擬計算，可以準確了解密封環從巨觀到微介觀不同尺度下的摩擦磨損特徵。其次，密封環實際潤滑狀態的行為特徵方程的建立與耦合求解。以非牛頓流體的流變特性為基礎，計及變粘度影響，模擬實際運行工況，確定表達密封環潤滑特徵的接觸參數變化規律。建立了密封環油膜的潤滑方程，獲得了密封承載力、摩擦力矩的計算模型，並分別求解，得到它們隨工況狀態的變化規律。開展本項目的研究工作，對正確表征密封接觸行為演化、性能變異與服役行為，提高密封性能和使用壽命具有顯著的學術意義。本項目的實施為重大工程與裝備核心部件的高服役壽命密封組件的精良設計提供理論支持和技術保障。