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润滑与密封
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国内统一连续出版物号 :CN44-1260/TH

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    2024年 第49卷 第8期
    • 石油井安全阀弹簧蓄能密封性能分析及结构优化
      纪佳馨,杨志康,张帆,陈升山,王跃明,郭飞

      摘要:为研究一种适用于超高压石油井安全阀用密封圈,设计一种适用于做往复运动的弹簧蓄能密封圈结构方案,并分析密封圈唇口结构对密封性能的影响规律。通过构建V形等效弹簧建立二维轴对称模型,借助ABAQUS有限元仿真软件分析不同唇口结构的接触应力状态;以泄漏量为指标,评价单唇和双唇在介质压力35、70、105 MPa和相对运动速度4~8 mm/s下的密封性能;并在双唇口结构优化的基础上,分析唇口角度和唇口间距对密封性能的影响规律。结果表明:在70 MPa介质压力以下,单/双唇结构的密封性能随介质压力变化的趋势相同,随着介质压力逐渐升高,双唇结构的优势逐渐明显;双唇优化后,唇口角度和唇口间距仅对唇口局部接触压力分布有影响,对密封性能的影响十分有限;相对运动速度对2种结构的密封性能影响具有相同的规律;双唇结构密封性能整体比单唇结构提高约25%。

    • 光滑环形液体密封流态演变规律及静态稳定性研究
      张万福,冯金,张宇聪,李春

      摘要:光滑环形密封静态刚度系数直接影响转子系统稳定性。为探究影响光滑环形液体密封的静态失稳机制及影响因素,应用计算流体力学方法建立光滑环形液体密封模型,研究密封在不同流动状态(层流、过渡流和湍流)、偏心率、进出口压力和转速下流动特性。结果表明:黏性效应是导致层流到过渡流状态下直接静态刚度先减后增主要原因;在过渡流和湍流中,黏性和惯性效应会使高偏心率下密封产生的气流力和刚度系数均为负值;随雷诺数增加,密封静态稳定性降低。

    • 作动器往复密封可靠性退化分析
      谭桂斌,邝鸿晖,李顺利,黄兴,郭飞

      摘要:作动器往复密封在服役过程中必然会产生磨损,对密封性能造成影响。采取实验与仿真相结合的方法,针对密封界面混合润滑状态,通过流固耦合方法对作动器往复密封的密封性能进行分析;基于Rhee磨损理论建立密封圈磨损公式,分析密封唇口在往复运动过程中轮廓的磨损情况;进而模拟密封圈应力、接触压力及泄漏率随磨损时间的变化趋势。考虑密封圈尺寸公差对密封性能的影响,利用响应面法拟合泄漏率与结构尺寸之间的关系式,得到未磨损条件下的泄漏率分布及可靠度,在此基础上考虑磨损对可靠度的影响,建立考虑随机效应的可靠性退化模型,得到磨损后密封可靠性退化趋势及服役寿命。研究结果显示:VL封结构尺寸对泄漏率的影响敏感度由大到小依次为高度、宽度、空气侧倾角、油侧倾角、直径;直接以泄漏率为评价指标,可对VL封服役过程中的密封可靠性进行预测。

    • 闭合场-磁控溅射制备Ti掺杂MoS2复合薄膜及其摩擦学性能研究
      王伟奇,陈欣仪,赵旋,林鑫,田广科,郭月霞,王锐东,令晓明

      摘要:采用闭合场-磁控溅射沉积技术,通过调节沉积过程中钛靶的溅射电流,分别在单晶Si(100)和304不锈钢基底上制备不同含量Ti掺杂MoS2复合薄膜。利用场发射扫描电子显微镜、X射线光电子能谱仪和透射电子显微镜表征薄膜的形貌、微观结构及元素含量;利用纳米压痕仪、球-盘摩擦试验机系统考察薄膜的力学性能和在大气环境下的摩擦学性能及其与薄膜中Ti元素含量之间的关系。结果表明:随着溅射电流增加,薄膜中Ti元素含量增加、MoS2晶粒的生长尺寸变小,使MoS2由尺寸较大的层状结构向短程有序、长程无序的无定型非晶结构转变。尤其在钛靶电流为1.0 A条件下制备的Ti元素原子分数为18.55%的Ti/MoS2复合薄膜表现出较好的致密性和硬度,同时Ti元素相比于MoS2可以在摩擦界面处优先与O结合,使薄膜中MoS2抗氧化性能提升,从而改善了薄膜的摩擦学性能。

    • 硅油基磁流体润滑轴承液膜静态特性分析
      闵文斌,郝梁,周剑锋

      摘要:采用磁流体作为润滑介质可优化滑动轴承的性能,实现可控的动压润滑。为提高磁流体的油膜特性,对性能较优的硅油基磁流体进行油膜静态特性研究。针对硅油基磁流体润滑的滑动轴承,考虑空化效应,采用数值分析方法研究不同工况下润滑膜的静态特性。结果表明:转速对油膜承载力的提升有限,摩擦力随着转速的提升而增大;偏心率对油膜压力及油膜承载力的提升效果显著,最高压力区域随着偏心率的增大逐渐向最小油膜厚度方向移动,摩擦力随偏心率增大而略微减小;磁场强度的增加可以提高油膜承载力,但增幅取决于转速与偏心率,最大增幅随偏心率的增大而增大以及随转速的增大而减小。研究结果可为磁流体轴承的设计提供一定参考。

    • PEEK填充PTFE摩擦学性能的分子动力学模拟分析
      王妍,汤赫男,赵晶,王世杰,张潜

      摘要:采用分子动力学的模拟研究方法,建立不同质量比的聚醚醚酮(PEEK)填充聚四氟乙烯(PTFE)复合材料的无定型模型(PEEK质量分数分别为5%、10%、15%、20%),对模型进行几何优化和动力学优化,并构建PEEK/PTFE复合材料与Fe摩擦副对摩模型。模拟分析结果显示:质量分数10% PEEK填充的PEEK/PTFE复合材料的耐磨特性最佳,其磨损率与PTFE材料相比降低了26.44%,且减摩特性保持良好。通过分析摩擦界面处的结合能可以得出,在纯PTFE基材中加入PEEK可有效降低摩擦界面处的结合能,降低PTFE与对偶面的相互作用,从而降低磨损。通过分析摩擦界面处的原子含量、径向分布函数以及自由体积分数可以得出,质量分数为10%的PEEK/PTFE复合材料的PEEK和PTFE分子链分布更加均匀;然而PEEK质量分数过高时,晶胞内易出现不均匀变形和应力集中现象,使得PTFE分子在摩擦过程中更易出现脱落现象,耐磨性降低。研究结果从原子尺度揭示了PEEK对PTFE材料摩擦学性能的作用机制,从微观视域揭示了PEEK填充PTFE的增强机制,为研发新型PTFE基复合材料提供理论参考。

    • 不同法向载荷与滑动速度下铁路货车制动梁磨耗套材料磨损行为与模型研究
      刘松民,窦随权,丁颖,丁昊昊,王文健

      摘要:铁路货车制动梁磨耗套在使用过程中容易产生严重磨损,进而影响制动性能与行车安全。为研究制动梁磨耗套材质的磨损行为,利用销盘摩擦磨损试验机对磨耗套材质进行不同法向载荷与滑动速度下的摩擦磨损试验,分析磨耗套材质的摩擦学行为。结果表明:当载荷由100 N增大到350 N时,摩擦因数呈现减小趋势,磨损质量与磨损长度增长,轮廓曲线起伏变大且最大磨痕深度增加,损伤加重;当载荷相同,滑动速度不同情况下,摩擦因数、磨损质量与磨损长度变化不大。采用MATLAB对试验数据进行拟合优化,得到磨损模型,并利用ANSYS进行磨损仿真分析。仿真与试验结果误差在6%以内,验证所得磨损模型的合理性。建立的磨损模型为磨耗套使用寿命仿真预测提供理论与技术支撑。

    • 压电陶瓷可控机械密封多场耦合模型与调控性能分析
      尹佳乐,孟祥铠,赵文静,江锦波,彭旭东

      摘要:提出一种基于压电陶瓷的可控机械密封结构,基于有限元软件分析施加电压和压电陶瓷数量对密封静环端面的变形规律;考虑密封动静环与润滑液膜间的热力耦合作用,建立可控机械密封的流固热耦合模型,研究施加电压和压电陶瓷数量对密封调控性能的影响。结果表明:施加电压的压电陶瓷使静环端面产生了径向锥度和周向波度变形,变形量随电压的增大而增加;静环端面变形在增大液膜承载力的同时减小了端面接触力;压电陶瓷数量的增多减小了周向波度变形,增大了径向锥度变形,使静环端面变形趋于周向均匀化;增大压电陶瓷电压可实现密封端面润滑状态的转变,使密封端面摩擦温升降低,使泄漏率控制在允许范围之内。

    • 偏心凸轮-挺柱副摩擦性能试验研究
      李常腾,李书义,李超,刘明海

      摘要:凸轮-挺柱副是配气机构中气门开/闭的关键部件,其摩擦特性直接影响内燃机运行平稳性和燃油效率。为探索不同工况下凸轮-挺柱副的摩擦状态,利用自主搭建凸轮-挺柱副润滑测量试验机,研究不同旋转速度、润滑油黏度、载荷和供油量工况下凸轮-挺柱副摩擦因数的变化规律。结果表明:一个周期内,摩擦因数呈现先升后降的倒“V”型变化趋势,在180°位置摩擦因数出现最大值;随偏心凸轮转速升高,摩擦因数在0°位置增加而180°位置则会降低,但平均摩擦因数呈现下降趋势;随着润滑油黏度增加,摩擦因数出现先降低后增加的趋势,PAO10基础油摩擦因数最低;增大初始载荷则会降低摩擦因数周期内的变化幅度;微量供油条件下润滑油的回填受到供油量影响,试验工况下接触区润滑状态最佳的供油量为5 μL。

    • 耦合轴颈轴向运动的粗糙表面径向滑动轴承热流体动力润滑分析
      刘济海,孙军

      摘要:在实际轴-轴承系统中,受多种因素作用的影响,轴颈在轴承中不可避免地存在沿轴线方向的运动和倾斜,影响径向滑动轴承的润滑性能。计及轴颈的轴向运动,对粗糙表面倾斜轴颈径向滑动轴承的热流体动力润滑性能进行研究,主要分析讨论热效应、表面粗糙度、偏心率和转速等对计及轴颈轴向运动的倾斜轴颈径向滑动轴承润滑性能的影响情况。其中,采用基于平均流量润滑模型建立的广义Reynolds方程进行润滑分析,采用能量方程和固体热传导方程计算润滑油和轴承温度,采用润滑油黏温方程确定润滑油黏度。结果表明,轴颈轴向运动对轴承润滑性能的影响与轴颈倾角、热效应、表面粗糙度、偏心率和转速有关;随着轴颈轴向速度的增加,热效应对轴承润滑性能的影响减小,表面粗糙度对轴承主要润滑性能的影响略有增大;轴承轴颈倾角和偏心率越大、转速越低,轴颈轴向运动对径向滑动轴承润滑性能的影响越明显。

    • 考虑温度分布和初弹力影响的活塞环-缸套试验台研究
      宋振,刘晓日,宋旭,陈袁

      摘要:为探究活塞环初弹力作用下不同缸套温度对活塞环摩擦性能的影响,设计考虑缸套温度分布的活塞环初弹力摩擦性能试验台,其缸体-缸套组件基于浮动缸套方法设计,通过供油盖从顶部供润滑油,使用活塞环夹具安装活塞环,在缸套外壁安装3个环形电加热器对缸套进行预加热。当活塞环未加载荷仅在初弹力情况下,仅改变缸套温度分布,研究不同缸套温度分布对活塞环-缸套系统摩擦性能的影响。结果表明:随着缸套温度的升高,活塞环-缸套摩擦副摩擦力和摩擦功耗呈现先减小后增加的趋势,对于研究的活塞环-缸套摩擦副,在缸套温度为60~70 ℃时,摩擦力和摩擦功耗最小。因此存在合适的缸套温度,使得活塞环-缸套摩擦副的摩擦性能最优。

    • 表面粗糙度对滚珠式三叉杆万向联轴器弹流润滑性能的影响
      宋雨萌,温梓琪,王泽胜,司明清,杨福芹

      摘要:为揭示表面粗糙度对滚珠式三叉杆万向联轴器润滑性能的影响机制,利用高斯随机粗糙表面来表征摩擦副实际接触表面,建立考虑表面粗糙度的等效点接触弹流润滑模型,采用有限差分法和多重网格技术求解Reynolds方程得到油膜压力和接触区弹性变形;通过ANSYS软件建立次表面应力有限元求解模型,分析表面粗糙度参数和表面纹理方向对联轴器弹流润滑性能的影响。结果表明:随着表面粗糙度均方根的增大,接触区内的油膜压力和膜厚波动幅值增大,同时次表面高应力区域逐渐向上表面移动接近接触表面层;随着波长因子的增大,接触区内的油膜压力呈现明显的纹理方向分布,次表面应力出现明显的波动;相较于横向表面纹理方向,纵向表面纹理方向对联轴器润滑性能的影响较大。

    • 改性生物炭作为聚α-烯烃添加剂的摩擦学性能研究
      侯献军,张龙翔,王友恒,喻齐凡,江华

      摘要:将在不同温度下热解的棉花秆粉末进行球磨处理与碱化改性后得到纳米生物炭材料,并采用拉曼光谱、傅里叶红外光谱、X射线光电子能谱(XPS)对其进行表征。将纳米生物炭粉末加入聚α-烯烃-6(PAO6)中制备纳米生物炭润滑油,通过粒度分析和自然沉降观测表征其分散稳定性,并考察其润湿性能和摩擦学性能。结果表明:改性处理能提高生物炭含氧官能团的数量从而提升纳米润滑油的润湿性;加入700 ℃处理的生物炭制成的质量分数0.2%的纳米润滑油性能最佳,与PAO6相比,摩擦因数下降21.2%,磨损量下降43.0%。基于生物炭纳米润滑油理化特性,结合磨损表面XPS分析与形貌分析,将NBC能够改善PAO6摩擦学特性归因于:NBC作为一种薄片状的类二维材料,其中还包括部分极小的颗粒状物质,使其同时发挥层间材料的剪切效应与颗粒材料的填补修复效应;此外,纳米生物炭的添加也可以通过提升润湿性改善局部细缝的摩擦特性,并促进含Fe3O4摩擦膜的形成。

    • 航空发动机可调静叶调节机构WC-Co强化层摩擦学性能研究
      徐峰,曹传军,赵玉鑫,何可,邢璐,张执南

      摘要:航空发动机可调静叶(VSV)调节结构为影响航空发动机正常工作以及飞行安全的重要结构,在VSV调节角度的过程中,转轴-衬套的磨损是影响角度调节精度的重要因素。为提高VSV系统转轴-衬套摩擦副的抗磨损性能,利用大气等离子喷涂技术在转轴表面制备WC-Co抗磨损涂层,采用自主研发的转轴-衬套摩擦磨损试验机针对转轴-衬套进行模拟工况磨损性能评价。结果表明:在模拟工况下,转轴-衬套摩擦副的摩擦力矩与载荷关系最为密切,随载荷增大,摩擦力矩增大。对磨损后的表面进行表面成分分析及微观形貌观察可以得出:温度升高摩擦副发生黏着磨损现象,导致磨损加剧,引起颗粒断裂;在相同温度条件下,载荷增大导致接触应力增大,接触面被磨损;而磨损系数随温度升高呈先减后增的趋势。研究结果为VSV系统转轴-衬套设计提供参考依据。

    • 涡轮泵用不同槽型流体动压型机械密封运行特性对比研究
      任宝杰,姜绪强,李铭,郝木明,涂霆,刘馥瑜

      摘要:针对火箭发动机低温介质涡轮泵端面密封的泄漏突增问题,基于工程经验提出激光脸(槽深3、5 μm)和螺旋槽3种槽型结构,并与原使用的雷列槽进行端面流场与密封性能对比分析,同时对4种槽型结构进行密封动态追随性比较分析。结果发现:低温介质下雷列槽端面密封流体动压较弱,影响端面开启的主要因素为流体介质静压力;在转速和压力增大的条件下雷列槽存在负动态刚度系数,角向的稳定性较差,存在泄漏风险;激光脸泄漏量较低且处于混合润滑状态,不会因密封端面脱开而引起密封动态不稳定;槽深5 μm与槽深3 μm激光脸相比有更大的开启力与较低的相变率,综合性能更优;螺旋槽结构动压效应较强,其开启力随转速和压力的线性变化都保障了密封环的追随性;螺旋槽结构具有较强变工况适应性,但泄漏量水平始终较高。

    • 流量控制阀K形金属密封圈结构参数优化
      何东升,郑家乐,栾京生,郑严,罗杰,蔡午阳

      摘要:流量控制阀K形金属密封圈结构参数较多,且不同结构参数对密封性能影响程度存在较大差异。以密封面接触压力、密封面有效接触长度及最大Mises应力为约束条件,采用正交试验设计研究影响K形金属密封圈密封性能结构参数之间的主次关系,确定了唇部长度、悬臂内张角与悬臂厚度3个因素作为响应曲面法的设计变量;通过正交试验和回归分析得到接触压力、最大等效应力及有效接触长度与设计参数关系的二次回归方程,并基于响应面法对密封结构进行优化分析。优化后K形金属密封圈的接触压力增加了8.09%,有效接触长度增加了14.73%,最大等效应力减少了13.44%,表明优化后K形金属密封圈密封面接触压力分布更加均匀,有效提高了金属密封圈的密封性能。

    • 液固两相流对高压活动弯头的冲蚀磨损研究
      闫冲冲,华剑

      摘要:为探究水力压裂作业中各因素对活动弯头的冲蚀磨损规律,基于液固两相流理论,利用FLUENT软件研究压裂液流速、颗粒质量流量、颗粒直径、安装角度、公称直径、连接长度、曲率半径对活动弯头冲蚀速率的影响。结果表明:活动弯头易冲蚀区域主要集中在弯头外侧,其最大冲蚀速率和平均冲蚀速率随流速、颗粒质量流量、颗粒直径的增大而增大,随安装角度、公称直径的增大整体上逐渐减小,安装角度位于90°~180°时,最大冲蚀速率和平均冲蚀速率较小且变化平缓;随曲率半径的增大,最大冲蚀速率整体上先减小后增大,平均冲蚀速率逐渐减小;连接长度对最大冲蚀速率和平均冲蚀速率的影响较小。研究表明,压裂液流速是导致冲蚀速率增加的主要因素,通过合理调整压裂液流速可以大大降低活动弯头的冲蚀磨损。该研究结果可为活动弯头的现场使用、冲蚀防护、结构改进及优化提供参考。

    • 扩压式自泵送流体动静压型机械密封自清洁特性研究
      施建,孙见君

      摘要:传统的流体楔入式机械密封需增设外部流体阻塞系统来降低杂质颗粒对密封性能影响。针对一种具有自清洁特性的新型扩压式自泵送机械密封,采用FLUENT中的DPM模型研究不同离散相参数、螺旋槽结构参数和工况参数对颗粒在动压槽内的运动规律和排出特性的影响。研究结果表明:含固工况下的端面液膜开启力和泄漏量较纯流体状态下更大,泄漏量最大增加6.1%;在低颗粒体积分数下,排屑率逐渐上升,在体积分数7%时达到最大,随后排屑率快速降低;随着颗粒直径增加,排屑率整体呈下降趋势,且颗粒直径越大,排屑率下降得越快;螺旋槽结构参数主要改变了螺旋槽内压力梯度分布幅值和分布范围,在低转速下,颗粒受压差梯度力影响更加显著;高转速和低介质压力工况能够显著提高端面排屑效率,排屑率最高能达到92.3%。

    • 轴向喷气对断油高速滚动轴承油膜运动特性影响
      于清成,袁同燕,张祎凡,汪旭,朱建阳

      摘要:高速轴承断油后轴承腔内的油膜运动特性直接影响着轴承的抗断油能力。为进一步提升现有轴承的抗断油能力,采用VOF和多重参考系模型相结合的方法,系统研究喷气位置、喷气流量以及喷气角度变化对断油轴承腔内流体流动和温度场的影响。结果表明:在研究的喷气流量范围内,喷气流量变化对断油后轴承腔内油膜运动影响较小,而喷气位置和喷气角度对断油后轴承腔内的油膜运动特性具有重要影响,喷气位置在保持架上侧和喷气角度为0°时,可以延缓轴承腔内润滑油的流失,使滑油分布更均匀,从而使其具有更好的润滑冷却性能。

    • 计入剪切速率与含气率的润滑油黏温特性研究
      田天赐,贾军庆,师素双,张浩,黄天一,师占群

      摘要:为探究剪切速率对油液黏温特性的影响,利用TADHR-2旋转式流变仪测试含气与不含气2种状态下润滑油的黏度;采用动态测量法利用倒置荧光显微镜连续拍摄含气油液,运用视觉方法对原始图片进行二值化并计算了油气两相油的含气率。通过Levenberg-Marquardt优化算法对试验数据进行拟合并建立计入剪切速率与含气率的黏温模型。研究表明:润滑油的黏度变化与温度、剪切速率和含气率有关,润滑油黏度的剪切变稀现象随温度的升高而逐渐减弱;低温时,含气油的黏度高于纯油且随含气率的增加而增加;中高温时,含气油的黏度在低剪切速率下高于纯油且随着含气率的增加而增加,而在高剪切速率下低于纯油且随含气率的增加而减小。

    • 考虑温度影响的非对称蓄能弹簧密封圈密封性能研究
      覃洲扬,王雅静,冯镇军,徐明朗,聂雪阳,周震寰,孙家斌

      摘要:针对一类非对称蓄能弹簧密封圈,利用有限元方法分析不同温度下密封圈圈长、内外唇长差值和竖向间隙对密封性能的影响,并结合正交试验法对密封圈结构进行优化设计。研究结果表明:随着温度的升高,线接触压力和有效密封长度逐渐增加,峰值接触压力逐渐降低;随着圈长的增加,线接触压力单调增加,有效密封长度单调减小,而峰值接触压力表现出先增加后减小的非线性变化趋势;随着内外唇长差值的增加,线接触压力、有效密封长度和峰值接触压力均存在极值点;在给定温度下,主要设计参数对线接触压力和有效密封长度的影响程度依次为密封圈圈长、内外唇长差值和竖向间隙,对峰值接触压力的影响最为显著的设计参数是内外唇长差值,其次是竖向间隙。

    • 超高转速机械密封热力耦合变形分析
      谢星,王永乐,丁思云,李香,梁彦兵,彭骞

      摘要:针对超高转速机械密封热力耦合变形问题,建立机械密封环三维结构模型,根据实际运行工况与经验计算公式确定密封环热载荷与力载荷边界条件。采用有限元方法,开展常温与高温工况下密封环温度与变形场计算,分析不同转速与冷却水压力下密封环端面最高温度与最大轴向变形量变化。结果表明:常温工况下,密封环温度分布受端面摩擦热影响,密封端面最高温度为220 ℃,密封环变形量较小,且端面最高温度和轴向变形量随着转速的增大而增大;高温工况下,密封环温度分布受端面摩擦热和高温介质传热影响,密封端面最高温度为746 ℃,密封环变形量大,且端面最高温度随着转速的增大而增大,最大轴向变形量随着转速的增大而减小;内静环端面最大轴向变形量随冷却水压力的增加呈先减小后增大。

    • 户内高压开关设备操动机构润滑脂选用研究
      邓先钦,黄雄健,周谷亮,丁敏,杨杰,徐鹏,周群,庄亮

      摘要:高压开关是电力系统中最为重要的开关设备,其操动机构的润滑是影响开关运行的重要因素。通过分析操动机构典型零部件的机械结构特性、工况、摩擦种类以及其润滑需求,提出适合的润滑脂品种。利用模型和机器学习对提出的润滑脂的极压性能和寿命进行预测,利用S-N曲线近似估计和可靠性计算方法对该润滑脂润滑下操动机构的磨损量进行预测,验证了提出的润滑脂满足操动机构的润滑和寿命需求。

    • 新型L形密封圈密封性能有限元分析
      李涛,薛志武

      摘要:综合考虑橡胶材料、介质等多种因素对新型密封圈的密封性能影响,利用ABAQUS软件对新型L形密封圈进行有限元仿真分析,得到接触界面的接触压力分布。基于FFT的方法,将重构后的表面形貌特征与接触压力建立函数关系,采用栅格模型搜寻泄漏通道,依托平行平板模型进行流体力学分析,求解泄漏率。研究在2.6 MPa的流体压力下,不同厚度的密封圈的应力应变和密封面接触压力分布。结果表明:随着密封圈厚度和介质压力增大,体积泄漏率呈上升趋势,泄漏通道接触面积逐步扩大。研究结果对新型橡胶密封圈的寿命预测和失效分析具有指导意义。

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