润滑与密封杂志

润滑与密封杂志2025年第3期

• 多种制造误差对静压气体静平衡装置的涡流力矩影响

  刘占生，杨宜顺，于树博，孙原理

  以气浮式转子静平衡装置为研究对象，开展多种制造误差对静平衡装置静态特性以及涡流力矩的影响规律的研究。研究发现：静平衡装置的涡流力矩随节流孔偏转角度误差增大呈线性增大，但承载力变化较小；节流孔直径误差增大时，涡流力矩值与承载力值均同比线性增大；随着表面圆度偏差值的增大，涡流力矩的增大速率逐渐变大，当表面圆度为正偏差时能增大承载效果，负偏差时则相反；当静平衡装置采用环面节流形式时，考虑表面圆度误差、节流孔偏转角度误差、节流孔直径误差，最大涡流力矩值分别可至5.99×10-3、1.65×10-4、6.42×10-5N·m，因此在实际加工过程中应依次保证静平衡装置的表面圆度误差、节流孔偏转角度误差、节流孔直径误差均满足加工要求；相同误差下锥腔节流结构下的力矩值和变化速率均大于环面节流，因此静平衡装置应避免使用锥腔结构。针对存在表面圆度误差的静平衡装置，采用节流孔独立供气方式，进行力矩补偿，补偿比例可达52.33%，力矩补偿效果显著。

• 温度、载荷以及转速对4108航空润滑油摩擦学行为的影响

  朴正镇，岳骆，白鹏鹏，马楷，刘晨昊，温相丽，赵辉，孟永钢，田煜

  为满足航空发动机高温、高负荷工况需求，开展4108航空润滑油在M50钢球/M50钢球以及Si3N4陶瓷球/M50钢球摩擦副的四球摩擦磨损试验，研究温度、载荷、转速等环境工况对摩擦磨损行为的影响；通过光镜、三维白光干涉仪、扫描电子显微镜（SEM）和能谱(EDS)对M50钢球进行分析表征，探究4108航空润滑油在不同摩擦副体系的磨损机制行为。结果表明：4108航空润滑油在M50/M50摩擦副体系中的摩擦学性能对于载荷、温度环境因子敏感性较小，而转速直接影响摩擦因数和磨损率，且随转速增大摩擦因数和磨损率呈增大的趋势；4108航空润滑油在Si3N4/M50摩擦副体系中展现良好的润滑性能，高载荷、高温和高转速下条件下M50钢球摩擦因数和磨损率与常温、低载以及低速条件下相差不大。对比分析4108航空润滑油在不同摩擦配副体系中M50球的磨损率可以发现，高温、高转速条件下Si3N4/M50体系中M50球的磨损率明显低于M50/M50体系中M50球的磨损率。

• 金属平面截止阀密封性能的影响因素试验研究

  王金辉，张涛，周犊，张惟茜，王彤，许国良

  为研究多种因素对金属平面截止阀密封性能的影响，自主设计一套密封比压测量装置。该装置可以实现温度、压力、比压等多种参数的调节，且介质种类、阀瓣和阀座可以更换。基于该装置，测量不同条件下泄漏率随密封比压的变化规律。结果表明：在各种情况下，金属平面密封的密封性能均表现出明显的阈值现象；阈值比压前后，泄漏率随比压变化规律呈现显著差异；密封性越好，阈值效应越显著。依据标准给出的最大允许泄漏率确定必须比压，并探讨各种参数对其的影响。结果表明：密封比压随介质压力接近线性变化，但斜率会受到泄漏等级、接触宽度、介质种类、研磨精度和温度的影响；其中温度的影响最弱，而高精度研磨表面的必须比压曲线受各种参数影响均很小。研究结果对金属阀门密封比压选取有较好的指导意义。

• 拉应力作用下35CrMo钢的颗粒冲蚀模拟

  范春杨，樊建春，代四维，李杰

  针对高压管汇在交变载荷和压裂液冲击下的冲蚀问题，建立拉应力作用下的35CrMo钢多颗粒冲蚀模型，采用Johnson-Cook本构模型和失效模型，根据冲蚀坑形貌特征、靶材应力分布和颗粒动能损失，分别分析冲击角度、加载应力及其耦合效应对35CrMo钢冲蚀的影响，并结合冲蚀试验进行验证。结果表明：35CrMo钢在低角度冲击时的冲蚀磨损机制主要为犁削和微切削机制，在正角冲击时为凿坑机制；随着冲击次数的增加，颗粒消耗动能递减；在一定范围内，随着加载应力增大，冲蚀坑的深度和宽度相应增大而前端挤出唇高度有轻微的削减，在高应力作用时这种变化更加明显；管汇在高压条件下受到的冲蚀损伤范围更大，破坏程度更严重。

• 酸性介质条件下的橡胶密封条加速老化寿命预测

  吴浩春，吕晓仁，姚志宏，王跃明，郭飞

  采用热空气加速老化试验，研究在酸性介质环境及不同温度下三元乙丙橡胶（EPDM）老化后的力学性能和压缩永久变形，利用Arrhenius方程，拟合压缩永久变形量与时间、温度的关系，建立时温等效模型。以压缩永久变形量80%和密封能力作为判断标准，预测得出三元乙丙橡胶在60 ℃温度下的寿命为606天。构建有限元仿真模型，获取不同老化时间后橡胶密封条密封面的接触压力，通过流固耦合分析计算得出，老化15天密封胶条泄漏率为0.188 mL/h。将在酸性介质环境下老化不同天数的橡胶密封条，放入试验工装中进行气泡法试验验证，发现老化14天之后，有小气泡产生，发生泄漏。对比数值仿真得到的结果和试验结果，发现理论模型与实际情况一致性较好，验证了该理论模型可为橡胶密封条的老化行为分析，对工业生产及实际应用提供指导。

• 等相对曲率齿轮热弹流润滑分析

  陈峙玮，刘雷，孔荣

  等相对曲率齿轮（CRC齿轮）是一种新型非渐开线齿轮，需要通过热弹流润滑分析，对其进行胶合承载能力的评估。基于CRC齿轮啮合原理获取热弹流分析所需参数，采用多重网格法在模拟工况下进行数值分析，并与同参数渐开线齿轮分析结果进行对比。结果表明：由于齿面间的相对曲率半径较大且恒定、卷吸速度较高，等相对曲率齿轮具有更大的油膜厚度，减少了强度校核所需的算例数量。结合CRC齿轮的设计理念开展单因素影响分析，探讨卷吸速度、温度、相对曲率对润滑油膜压力、厚度的影响规律。 结果表明：随着卷吸速度的提高，油膜厚度不断增大，油膜压力的最大值无明显变化；随着温度的升高，润滑油黏度下降，油膜厚度也显著下降，但温度对最大油膜压力影响较小；减小相对曲率有助于降低油膜压力，提高油膜厚度，进而改善油膜承载能力。

• 散热流道对转子泵密封性能影响的仿真及试验研究

  黄志强，刘伯韬，王美玲，王俊杰，米艳梅

  输油转子泵作为油气集输技术中的关键设备，密封是影响其输送效率和使用寿命的核心。然而高温密封环境常导致其密封结构发生失效，从而引发介质泄漏。提出一种流道散热结构，以改善组合密封的高温工况；优化了二维单向流固热耦合仿真方法，结合仿真与试验研究散热流道对不同转速下组合密封性能的影响规律。结果表明：高温工况下，密封滑环偏磨程度大，翻边现象严重，O形圈永久压缩程度大，导致材料老化，表层脱落现象严重；转速越快，组合密封温度越高，增幅越大，最大增幅约为45%；流道散热结构温度降幅效果高达50%，可有效改善不同转速下组合密封高温工况，减小其应力集中，减少热作用对其影响，减缓其老化速度，并延长其使用寿命。

• 油品黏度对油水两相高压斯特封密封性能的影响

  李晓暄，王冰清，李运堂，李想，许好好，陈源，金杰

  针对油膜水污染下斯特封密封性能难预测的问题，建立油水两相高压斯特封热弹流混合润滑模型，对比分析3种典型液压油不同含水率下密封的行为和性能，探讨参考黏度、黏温系数和黏压系数对密封性能的影响，获得净泄漏量、摩擦功耗与油品黏度3个参数和含水率的多元线性回归模型。结果表明：油品黏度对油水两相密封性能有重要影响，不同品牌液压油含水后其密封性能存在明显差异；在油包水流型下，增大含水率时油水混合物黏度增大，流体动压效应增强，回程液膜空化抑制泄漏，进程反向泵吸控漏减摩，密封性能有效提升；净泄漏量和摩擦功耗与液压油参考黏度、黏温系数和含水率呈显著负相关，可作为油水两相高压斯特封性能设计与预测的理论指导依据。

• 涂层表面缺陷对点接触热弹流润滑的影响

  苏振华，崔金磊，曹丰铄，刘晓玲

  为探究涂层表面缺陷对点接触热弹流润滑的影响，建立考虑涂层表面缺陷的时变点接触热弹流润滑(TTEHL)模型，以DLC涂层制备在快速运动表面为例，分析涂层表面存在凸起状和凹槽状2种表面缺陷时几何效应、时变效应、热效应及复合效应下接触区的润滑性能。结果表明：由于几何效应，2种表面缺陷皆引起了局部压力、膜厚及温度场的显著变化；表面缺陷的移动引起了时变效应，出现了油膜增厚及油膜扰动现象；凸起状缺陷因涂层局部增厚使接触区产生更高的温度，在讨论的参数范围内，缺陷深度增加时，压力、膜厚变化加剧，宽度增大时变化趋缓；凹槽状缺陷导致了更高的摩擦因数；复合效应下，2种表面缺陷影响下的整体膜厚皆增大，因为热黏度楔发挥了正效应。

• 单卡套式管接头密封特性及结构参数影响

  何浩淼，高闯，黄伟光，苏东涛

  对单卡套式管接头进行有限元模拟，开展其密封特性的研究。通过模拟接头装配过程获得接头的密封状态和密封性能的变化规律，研究单卡套的主要结构参数前刃角度、后刃厚度、螺母角度对密封性能的影响。研究结果表明，在装配过程中卡套与接头体和管路的接触高应力区通过4个高应力区向周围扩散，当装配达到最佳状态时，在卡套前端形成“M”形的力补偿区，可为管接头的振动和脉冲等造成的密封松动提供补偿；单卡套的3种主要结构参数中，前刃角度和后刃厚度对密封性能有很大的影响，而螺母角度对密封性能的影响较小；前刃角度影响卡套对接头体和管道的接触变形，前刃角度过小会使得接头体受力过大而被破坏，前刃角度过大会使得管道会被嵌入过多而损坏，而在角度为12°时能够达到最佳密封效果；后刃厚度则会影响管接头密封的稳定性，后刃厚度太小或太大均会导致前刃达不到密封要求，后刃厚度在0.1 mm时密封性能最优。

• 涡轮泵用双波纹管型静压式隔离密封性能分析及结构优化

  刘伟，刘志远，李双喜，宋子锋，马亚宾

  航天发动机用涡轮泵隔离密封处于高速、低温、高振动等严苛工况下运行，密封组件有着长寿命、高稳定性运转的需求，对其结构设计和工作性能提出了较大的挑战。提出一种高性能非接触式的静压式隔离密封，建立流固热耦合分析模型，研究入口压力、节流孔数量、稳压槽宽度等工作和密封结构参数对其性能的影响。结果表明：密封载荷系数一定时，节流孔个数增加对开启力的增益效果逐渐降低，开启力和耗气量均对稳压槽宽度变化不敏感。用正交分析法对密封结构进行优化，通过试验验证了仿真模型的准确性与结构优化后密封工作的稳定性。研究结果表明：静压式隔离密封性能影响最大的因素为载荷系数，静压式隔离密封载荷系数应小于临界载荷系数（0.57）；试验过程中密封运转状态稳定，达到了预期的隔离密封效果。提出了该类密封的设计及分析方法，为同类密封结构设计及性能优化提供了理论基础和指导。

• 风电齿轮箱行星轮滑动轴承润滑管路设计优化

  李卓学，孙义忠，王建梅

  针对风电齿轮箱行星轮系中滑动轴承的应用需求，采用强制润滑的方式对行星轮滑动轴承提供润滑，基于对齿轮箱行星轮系功率损失和供油量的计算结果设计润滑管路系统，利用滑环和空心轴结构实现润滑油输送。通过对所涉及的行星架、销轴内置管路进行流体稳态分析，验证了所设计润滑管路的合理性，并优化设计方案。研究表明，在设计行星轮滑动轴承润滑管路时，需根据实际管路流向，合理设计支路管路参数，并结合节流器的设置，实现滑动轴承的均匀润滑。对管路模型的仿真表明，销轴内管路流通路径方向各润滑出口流量呈逐渐减小的趋势；通过节流器的布置和增加润滑油温度可以少量均衡各段润滑管路流量，但上述的减小趋势未能得到有效改善；结合节流器的布置，沿销轴内管路流通方向，改变径向管路直径由小至大、轴向管路直径由大至小，并进行适当调整，可使各出口流量平均偏差程度降低64.8%，明显改善各出口流量情况。

• 全金属可溶桥塞卡瓦结构锚定性能优化

  崔璐，常文权，王澎，邹方，赵景辉，王航，程嘉瑞

  全金属可溶桥塞由于具有良好的可控自溶解性，逐渐被用于储层压裂改造作业中。桥塞卡瓦结构锚定过程中，卡瓦牙与套管的不均匀咬合所引起的桥塞承载能力不足，是影响压裂效率的关键。为提升桥塞卡瓦结构的锚定性能，以影响套管咬合深度和接触应力的4个主要参数齿槽轴心角、齿槽深度、齿端距和齿槽倾角为对象，分析不同参数下前后排卡瓦牙对套管的咬合深度及接触应力的变化趋势。结果表明：随着齿槽轴心角增大，套管咬合深度差值先减小后增大，套管接触应力差值逐渐减小，齿槽轴心角为28°时咬合较为均匀；随着齿槽深度的增大，套管咬合深度差值逐渐增大，套管接触应力差值出现上下波动，齿槽深度为6.7 mm时咬合较为均匀；随着齿端距的增大，套管咬合深度差值不断增加，套管接触应力差值先逐渐增大最后保持稳定，齿端距为13 mm时咬合较为均匀；随着齿槽倾角的增加，套管咬合深度差值和套管接触应力差值逐渐增大，齿槽倾角为65°或67°时咬合较为均匀。以齿槽轴心角、齿槽深度、齿端距和齿槽倾角的变化作为输入层，以套管接触应力和咬合深度作为输出层，应用多目标优化方法确定出卡瓦基座最优结构参数为：齿槽轴心角为27.9°，齿槽深度为6.7 mm，齿端距为13 mm，齿槽倾角66°。在最优参数下套管的接触应力和咬合深度在轴向更加均匀。

• 纤维缠绕复合材料成型装置设计及功能验证

  肖峰，余一聪，林杰，黄齐韧，郭智威

  为研究纤维缠绕复合材料性能的影响因素，设计并搭建一种湿法单轴纤维缠绕机，该缠绕机可综合控制缠绕速度、缠绕角度、缠绕张力等成型参数，可实时采集纤维缠绕成型过程中的张力变化。选用玻璃纤维作为增强材料，环氧树脂作为基体材料，采用设计的纤维缠绕机制备玻璃纤维缠绕增强的复合材料，通过力学性能和摩擦性能试验对复合材料性能进行验证。结果表明：利用该缠绕机制备的复合材料力学性能得到了提升，与纯环氧树脂相比，弯曲强度增强了2.24 MPa，压缩强度增强了120.92 MPa，硬度提高了11.5HD；同时复合材料摩擦学性能也得到明显提升，其中平均摩擦因数均降低了0.01左右，磨损量降低了16.2%。测试结果验证了设计的缠绕机可用于制备纤维缠绕复合材料。

• 胶囊润滑剂制备及其在无机盐钻井液中的应用研究

  徐博韬，张紫铜，夏小春，邹洋，王志永，张浩，宋钰，戴媛静

  随着钻井环境的日益复杂与苛刻，常规钻井液用润滑剂在钻井工程中难以发挥有效的减摩抗磨作用。采用微胶囊技术，以二氧化硅为壁材，润滑剂为芯材，制备2种胶囊润滑剂：ATF6润滑油胶囊（ATF6@HSM）及QT311润滑剂胶囊（QT311@HSM），将其分别添加至无机盐钻井液中并通过四球试验机测试其减摩抗磨性能。结果表明：钻井液中添加质量分数2% ATF6@HSM后，摩擦因数降低30%，磨斑直径降低12%，效果优于ATF6；经过长时间老化后ATF6失效，而ATF6@HSM仍能发挥较优的减摩抗磨作用，说明胶囊润滑剂壁材可以保护芯材，同时能够在摩擦区域定点释放润滑剂，从而在钻井液中能够发挥出优异的减摩抗磨性能；2%QT311@HSM添加至钻井液后摩擦因数降低39%，磨斑直径降低22%。

• 航空活塞式发动机润滑油全尺寸台架试验研究

  张磊，赵勇，李静，王将兵，常虎山，刘翔，邓志彬

  发动机全尺寸台架试验是航空润滑油适航验证的关键环节。通过调研国内外民航局、航空工业组织以及发动机和润滑油生产商提供的资料进行全尺寸活塞发动机润滑油台架方案设计，包括试验前准备、150 h耐久试验及试验后评价等内容。按照制定的方案，对自研油品成功实施了全尺寸发动机润滑油台架试验，并通过试验前后油品黏度、酸值、元素含量以及发动机部件磨损等的分析，对自研油品性能进行了评价。通过试验前准备发现，发动机气密性良好、油耗表现正常，因此发动机装配符合试验要求；耐久试验结果表明，润滑油黏度、酸值衰变较小，曲轴、凸轮轴、连杆等关键部位磨损情况不严重，活塞积炭和油底壳油泥较少。因此，自研润滑油的氧化安定性、抗磨减摩性、抗剪切性等性能优异。

• 基于氧化动力学模型的水轮机组润滑油寿命预测

  宋洪亮，何爵亨，陈宇，魏盼，牟振华，刘文勇，许少凡

  为制定合理换油周期，以保障机组的安全运行，对水轮机组润滑油的使用寿命进行观测研究。基于Arrhenius氧化动力学方程，通过高温老化试验模拟润滑油的氧化过程，分析温度对润滑油理化指标的影响；通过线性拟合温度与理化指标变化速率的关系，求解出活化能和频率因子，分别建立以运动黏度、酸值和旋转氧弹值作为评价指标的润滑油寿命预测模型。结果表明：随着温度升高，润滑油中分子的热运动加剧油品的氧化降解，润滑油寿命显著下降；寿命预测模型的预测值和试验值吻合性较好，但不同评价指标的寿命预测模型的预测结果存在差异。采用层次分析法确定在润滑油寿命预测中不同评价指标的重要程度的权重，建立多评价指标寿命预测模型，能够快速和准确地预测水轮机组的润滑油使用寿命。

• 基于MPS法的城轨列车齿轮箱飞溅润滑系统优化

  李建加，师陆冰，张祥儒，陈慧潇，王相辉，吴帅杰，刘润田

  为了实现城轨列车齿轮箱关键零部件的精准润滑，提升齿轮箱传动效率，基于移动粒子半隐式(Moving Particle Semi-implicit，MPS)法建立某齿轮箱飞溅润滑流场仿真模型；通过飞溅润滑流场分析发现该齿轮箱内集油、导油结构存在不足，并提出低速轴承集油槽顶部增设导油肋和高速轴承集油槽设置在输入轴上方的优化设计方案；研究结构优化前后齿轮箱内集油槽、齿轮啮合区油液粒子数量以及齿轮搅油损耗功率变化规律，并验证结构优化方案的可行性。研究结果表明：低速轴承集油槽处增设导油肋可显著提升集油槽的集油量；改进高速轴承集油槽位置可提高对飞溅油液的利用率，显著提升高速轴承供油量，同时保证轮齿啮合区连续供油。结构优化后齿轮搅油损耗功率降低了20%~30%，有效提升了齿轮箱传动效率。

• 气浮导轨支承的静态特性分析及优化设计

  王钒宇，黄善胜，夏辉衡，李景潼

  为提升气浮导轨支承的静态特性，对气浮单元的关键参数进行优化分析及实验验证。基于气浮导轨支承气膜流场的理论模型及控制方程，利用ANSYS Fluent软件，研究节流孔直径、输入压力、气腔深度、节流孔深度及双边气膜厚度等关键参数对多孔耦合气流域静承载力、静刚度的影响。结果表明：节流孔深度对单边气流域的静态性能几乎没有影响；输入压力和气腔深度与单边气流域承载性能均呈正相关，但过大的输入压力和气腔深度均会导致导轨的稳定性下降；节流孔直径对单边气流域影响较大，适当减小节流孔直径可以提高承载能力，但会造成整体静态刚度下降。结合实际工况需求和工艺能力，确定节流孔直径0.16 mm、输入压力0.5 MPa、气腔深度0.05 mm、节流孔深度0.5 mm及双边气膜厚度24 μm为气浮单元的优化设计值，并以此设计某超精密金刚石车床气浮导轨支承，其静承载力大于6 000 N，静态刚度大于800 N/μm。

• 残余Si对C/SiC复合材料力学性能和摩擦学性能的影响

  谢建伟，沈益顺，熊杰，刘迪文，陈灵涛，曾磊峰

  为研究C/SiC复合材料摩擦引起的高频啸叫机制，以准三维整体针刺碳纤维毡作为预制体，经化学气相沉积法沉积热解碳得到C/C 坯体，再经反应熔渗法高温渗硅得到C/SiC复合材料，研究残余Si含量对C/SiC复合材料力学和摩擦学性能的影响，探究残余Si产生啸叫的机制，得出残余的Si 的最佳含量。结果表明：残余Si 含量对材料的力学性能、摩擦磨损性能以及高频啸叫的产生有重要影响，随着复合材料中残余Si 含量的减少，碳化硅含量也减少，碳含量增多，材料的层间结合强度增大，室温热扩散率提高，材料的压缩强度、抗弯强度和剪切强度增大；残余Si在复合材料中碳纤维束和针刺孔隙内聚集成大颗粒硬质点，由于润滑组元不足，大颗粒硬质点在法向压力作用下滑动摩擦，产生模态耦合现象，形成明显的槽状沟槽，产生自激振荡，从而出现摩擦剧烈振动和高频啸叫现象；当复合材料中残余Si的质量分数为5%左右，碳化硅质量分数在40%左右，可得到较稳定的摩擦因数、较低的磨损率和无高频啸叫现象。

• 油气井牙轮钻头金属密封研究现状

  罗凯，马艺，孟祥铠，江锦波

  随着深层油气资源的不断开发，牙轮钻头核心组件之一——轴承密封系统对整个钻井系统的影响愈发明显，已成为制约钻头寿命和钻井效率的关键要素。综述油气井牙轮钻头用金属密封技术及相关领域流体密封的研究现状，分析井下高温、高压、高频振动及磨砺性颗粒流工况的复杂性及其对密封的不利影响；介绍钻头密封的常见结构类型及特点，从界面接触力学特性、多场耦合效应以及稳、动态密封性能与多相流环境下的摩擦磨损特性等方面，讨论金属密封的密封机制与失效机制，指出金属密封的界面成膜机制、磨损机制与抗磨损技术研究具有重要意义，并就今后钻头金属密封研究提出了建议，可为石油和天然气高效钻探设备的基础研究与设计开发提供参考。