在工业生产中，尤其是石油化工领域，机械密封已得到了广泛应用。机械密封的基本性能主要包括端面摩擦特性(即抵御摩擦磨损的能力)和密封特性(即泄漏率指标)。工程上，一般是在控制泄漏率不超标的前提下，尽量改善端面摩擦特性，以延长机械密封的使用寿命。由于诸多因素的影响，机械密封的使用寿命长短各异，这使得采用机械密封防漏的机器设备存在着潜在的危险。不能准确预测泄漏率和机械密封寿命，往往导致过早更换新的密封件，或延误维修时机，引起易燃、易爆、有害介质大量泄漏而引发事故。国内外学者对机械密封的密封特性和摩擦特性作了大量的理论和试验研究，提出了相关的泄漏率计算模型，极大地完善了机械密封理论，并对工程实践起着重要的指导作用。但这些研究都是基于端面表面形貌不变、摩擦工况恒定条件进行的，所建立的机械密封泄漏模型都未能考虑运转过程中机械密封接触端面表面形貌变化(或只考虑初始表面粗糙度和波度)对泄漏损失的影响，更未考虑泄漏损失与时间的关系。实际上，机械密封在不同工作条件下或在同一条件下的整个使用过程中，摩擦副表面形貌和密封间隙的几何形状都是不断变化的，要想采用传统方法准确计算机械密封的泄漏率是非常困难的。　　 本课题旨在引入分形几何理论、用具有尺寸独立性的分形参数表征摩擦磨损过程中机械密封摩擦副表面的形貌及其变化，按照机械密封基础理论探讨、密封端面形貌研究、泄漏预测模型建立、摩擦磨损加速试验方法研究、摩擦磨损和密封特性试验研究及工程应用这一技术路线，对机械密封泄漏预测理论进行了研究和探讨。　　 运用Navier-Stokes方程，建立了机械密封泄漏率与密封端面间隙关系式，分析了机械密封端面表面形貌与密封特性和摩擦特性之间的规律。研究表明，运转过程中机械密封端面表面形貌及其变化对密封特性和端面摩擦特性有着重大影响。指出正确表征密封端面形貌及其变化，是机械密封泄漏预测技术研究的关键。　　 利用Weierstrass-Mandetbrot函数，对密封端面的分形特征进行了分析。在讨论尺码法、盒维数法、功率谱法、变差法、结构函数法、轮廓均方根法、协方差法和小波变换法等几种分形维数计算方法的基础上，指出结构函数法比其他几种方法具有更高的精度和确定性。采用AF-LI型轮廓测量仪，对密封端面表面轮廓曲线进行了测量。由基于测量数据而获得的轮廓曲线的结构函数与测量尺度的双对数关系，可以判定机械密封端面表面轮廓具有分形特性。　　 基于Majumdar-Bhushan分形模型，将机械密封动、静环端面的接触简化为一等效粗糙表面与-理想刚性光滑表面的接触，把机械密封端面外径处环状截面上的空隙作为接触表面微泄漏通道截面，并采用分形参数对其进行了表征，建立了基于分形理论的时间相关的泄漏预测模型。探讨了密封端面间隙随着端面形貌变化的规律，以及机械密封泄漏率与介质压力、介质粘度、端面比载荷、密封环材料性能、密封端面形貌变化和时间的关系。　　 依据相似理论，探讨了机械密封摩擦磨损加速试验方法。通过5组机械密封动、静环在HDM-2型摩擦磨损试验机上的摩擦磨损试验，获得了时间相关的密封端面分形维数关系式。在摩擦磨损试验初期，由于分形维数较小，表面比较粗糙，端面接触面积小，接触应力大，磨损量大；随着摩擦过程的持续进行，分形维数逐渐增大并到达一极大值，接触面积也相应增大，接触应力减小，磨损量减小。由于磨损量小，分形维数缓慢变小，并在相当一段长时间处于较为稳定的数值上。当分形维数减小到一定值时，由于端面过于粗糙，导致摩擦磨损加重，端面分形维数迅速降低。　　 在自行设计的机械密封试验装置上，对GY--70型机械密封进行了密封特性试验。在运行初期，机械密封泄漏率很大。但随着运行时间的推移，摩擦端面逐渐跑合，泄漏率减小。此后，随着摩擦过程的持续进行，端面在相当长一段时间内处于较为稳定的摩擦状态，泄漏率基本保持不变。在端面比载荷相同的情况下，泄漏率随介质压力的增大而增大。试验得到的泄漏率和理论预测值随时间的变化趋势基本一致，试验值小于理论预测结果，但处于同一数量级。结果表明，运用本文提出的机械密封泄漏预测分形模型可较为准确地预测一定工况条件下任一工作时刻机械密封的泄漏率。　　 运用故障树法对机械密封泄漏失效原因进行了分析，指出在正常工况下，密封端面形貌差是机械密封泄漏失效的主要原因。某石化企业在役泵用机械密封泄漏率和工作寿命的预测结果验证了基于分形理论的机械密封泄漏预测模型的正确性。　　 机械密封泄漏预测理论及其应用技术的研究，不仅揭示了机械密封运行过程中摩擦副表面形貌对泄漏损失的影响、表面形貌变化规律以及泄漏率随时间的变化关系，而且有助于即时了解机械密封的泄漏状况，做出是否继续使用或维修的决定，以保证设备的安全可靠性和低成本运行。研究结果为机械密封装置的设计、制造、使用和维修提供了依据。