田螺厣盖力学特性研究

发布时间：2020-10-21 13:45

　　 机械密封因具有密封性好、摩擦功率损耗低、使用寿命长等优点而被广泛应用于石油化工、航空航天等领域。随着精密制造业的发展,对机械密封的性能提出了更高的要求,但目前针对机械密封在减小摩擦磨损及微型化、轻量化等方面的研究尚未有重大进展。前期研究表明,田螺在干旱天气下利用厣盖密封壳口能有效防止身体水分流失,可在缺水状态下存活数月,这为设计新型机械密封结构提供了新思路。本文以田螺厣盖作为仿生对象,观测了田螺宏观运动特性及厣盖的微观结构,通过建立数学模型分析了厣盖的减摩和密封机理,采用3D打印技术制备了仿厣盖薄片并进行了密封性能测试,结合理论和实验分析,提出了仿生机械密封中静环的改进设计方案。采用宏观与微观相结合的研究方法,揭示了田螺厣盖的减摩机理。利用光学显微镜、SEM、白光干涉三维形貌仪表征厣盖表面形貌,发现厣盖为表面均布环状微沟槽的卵圆形薄片,通过对田螺爬行视频的逐帧分析,得到壳与厣盖的相对角速率。基于厣盖微沟槽结构建立流体动压润滑模型,计算得到福寿螺厣盖与壳体之间的理论摩擦系数可达0.012,证明存在最优的微沟槽尺寸使摩擦系数最低。与光滑平面相比,福寿螺厣盖的微沟槽结构使得其与壳体间的摩擦系数降低了97%,该结果表明,田螺厣盖的微沟槽结构能够形成有效的动压润滑减小与壳体间的摩擦。通过观测手段量化了田螺厣盖的锁定行为,并建立数学模型揭示了厣盖几何构型与密封能力之间的关系。测量了厣盖锁定状态时边缘的变形量,借助微观成像技术观测到厣盖边缘的分层结构,并建立数学模型,从刚度、接触面积的角度阐述了分层结构对密封性能的贡献,证明了厣盖分层结构具有最优的层数和几何尺寸以提供较小刚度增强密封性能。采用3D打印技术制备了均匀薄片与仿生薄片,并比较两种设计的流体密封效果,对泄漏率的测量试验表明:在相同压力条件下,分层结构能够显著降低泄漏率。通过对田螺厣盖减摩和密封机理的分析讨论,给出对机械密封中静环的改进设计方案。将静环设计为表面具有环形微沟槽、边缘为分层结构的环状薄片,在降低结构尺寸和重量的同时,能够减小摩擦磨损,增强密封性能,延长使用寿命。
【学位单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH136
【部分图文】：

间的密封称作动密封。对于动密封，按主轴的运动形式不同，可分为旋转轴密封和往复轴密封；按密封元件是否接触又可以分为接触密封和非接触密封两大类。图1-1 密封的分类（赵健英，2014）Fig. 1-1 Classification of seals作为旋转机械中的常用密封手段，机械密封以其密封性好、摩擦功率损耗低、使用寿命长等特点而广泛应用于石油化工、航空航天等领域。机械密封系统的分

而在高速、高温、高压等工况下，密封副端面易产生磨损、热裂、胶合、氧化、疱痕及介质汽化和密封环开启等现象，从而导致密封的迅速失效。此外，接触式机械密封的泄漏形式主要包括穿漏、渗漏和扩散三种，造成泄漏的原因主要是由于密封环制造精度低导致端面粗糙度较大，端面难以很好的贴合，形成缝隙，流体在压力差、表面张力或浓度差的作用下，将通过密封间隙泄漏。因此，若要获得良好的密封效果，必须尽量减少连接处的间隙或者消除其端面上的间隙，常见的方法是通过施加作用力使两接触面相互贴紧，以及通过改进加工工艺降低端面粗糙度，使接触间隙保持在 0.5~1μm 之间。非接触式机械密封是用于旋转轴的动密封装置，也被称为端面密封，其密封副动、静环端面间存在间隙。垂直于旋转轴的端面在流体压力及补偿机构的弹力作用下，加之辅助密封的配合，与另一端面保持贴合并作相对旋转运动，从而构成防止流体泄漏的机械装置，典型机械密封装置的结构如图 1-2 所示。

a. 爬行的螺 b. 缩回壳内的螺图 1-3 田螺构造示意图（福寿螺）Fig. 1-3 Structural sketch of a water snail (Pomacea canaliculata)1.2 仿生表面减阻国内外研究现状自然界中的生物历经数十亿年适者生存和用进废退的漫长进化，多数生物
【参考文献】

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本文编号：2850190