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(yīng)用于石油化工、航空航天等領(lǐng)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(shè)計新型機械密封結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu),通過建立數(shù)學(xué)模型分析了厴蓋的減摩和密封機理,采用3D打印技術(shù)制備了仿厴蓋薄片并進行了密封性能測試,結(jié)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(shè)計方案。采用宏觀與微觀相結(jié)合的研究方法,揭示了田螺厴蓋的減摩機理。利用光學(xué)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�；趨樕w微溝槽結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)使得其與殼體間的摩擦系數(shù)降低了97%,該結(jié)果表明,田螺厴蓋的微溝槽結(jié)構(gòu)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(xué)模型揭示了厴蓋幾何構(gòu)型與密封能力之間的關(guān)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(shù)觀測到厴蓋邊緣的分層結(jié)構(gòu),并建立數(shù)學(xué)模型,從剛度、接觸面積的角度闡述了分層結(jié)構(gòu)對密封性能的貢獻,證明了厴蓋分層結(jié)構(gòu)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(shù)制備了均勻薄片與仿生薄片,并比較兩種設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)計方案。將靜環(huán)設(shè)計為表面具有環(huán)形微溝槽、邊緣為分層結(jié)構(gòu)的環(huán)狀薄片,在降低結(jié)構(gòu)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(xué)位單位】：中國地質(zhì)大學(xué)(北京)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(zhuǎn)軸密封和往復(fù)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(zhuǎn)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(yīng)用于石油化工、航空航天等領(lǐng)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(dǎo)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(dǎo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)軸的端面在流體壓力及補償機構(gòu)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(zhuǎn)運動，從而構(gòu)成防止流體泄漏的機械裝置，典型機械密封裝置的結(jié)構(gòu)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(gòu)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