变截面弹性体密封圈是一种具有特殊润滑边界的旋转轴密封圈,密封圈具有普通弹性密封占用空间小、成本低、密封性能可靠等优点。由于润滑边界的变化,在轴旋转时润滑剂更易进入密封面形成流动压润滑油膜,从而大大改善密封圈与轴之间的润滑状况,使变截面密封圈相比其它弹性体密封更适合应用于高压、高速的工作场合。国内对变截面流体动压密封圈的密封机理研究还处于起步阶段,密封性能与密封圈参数之间的关系还有待进一步研究,迫切的需要对其旋转密封机理进行深入的研究,为密封圈的设计和使用提供理论依据。论文采用理论研究、数值模拟以及实验验证相结合的研究方法,针对变截面密封的密封机理展开研究。论文的主要研究内容及研究成果如下:(1)对变截面密封圈的静密封接触特性进行了研究。建立了密封圈与轴及密封腔的三维接触模型,通过有限元接触分析,获得了密封面与轴之间在不同工况条件、结构参数下的接触应力分布和密封圈应力状态。由于弹性体在预压缩下具有自紧作用,密封面接触应力总是高于密封压力,能够实现密封。接触计算结果表明:沿密封面轴向润滑边界侧接触应力最大,周向上波谷处接触应力大于波峰处接触应力。润滑边曲线波数对变截面密封圈整体的静密封性能影响不大。增加波幅会加大密封面波谷处的接触应力,使密封面上波峰、波谷处的接触应力差值增大。此外,密封圈压缩率、橡胶材料硬度以及密封圈内侧切口尺寸也对密封面接触应力的分布和大小有影响。(2)建立了变截面密封圈“软弹流”润滑问题的数值分析模型,实现了润滑方程与弹性变形的数值迭代求解,得到了密封面油膜压力与厚度的三维分布。计算结果表明:密封面与轴之间非全膜润滑,密封面外侧边界的润滑状况最差。沿密封面轴向波谷处油膜压力梯度最大,周向上从波峰到波谷,油膜厚度逐渐减小,在轴向上油膜厚度中间高两侧低。(3)对密封圈工况参数和结构参数对密封面油膜压力和厚度分布的影响进行了分析。提高密封圈压缩率、增大润滑曲线波幅会加大密封面波谷处沿轴向的压力梯度,降低密封面波谷处的油膜厚度。由于密封圈存在内侧切口,在密封压力侧,压力不仅作用于密封圈端面,同时作用于内侧切口,由于端面及切口表面面积不同,角度不同,所以不同密封压力作用下,密封压力对密封性能的影响是不同的。(4)对密封面摩擦力进行了分析计算。变截面密封圈密封面与轴之间摩擦力主要由流体摩擦力和部分区域在干摩擦或边界润滑状态下所产生的摩擦力两部分组成。密封压力和压缩率的增加,会导致摩擦力的增大;转速增加会使密封面流体润滑摩擦力急剧上升,从而使总的摩擦力升高。增大润滑边界曲线波幅,也会使摩擦力升高,选择合适的波数会有利于降低表面的摩擦力。(5)在油膜压力和厚度分布的基础上,对密封面内流体的流速进行了分析,获得了密封面流体润滑的临界转速。只有当轴转速大于临界转速时,润滑剂才能顺利进入到密封面波谷处以下的区域,使密封面处于持续的润滑状态。提高压缩率、增加润滑曲线波幅、降低密封压力都可以起到降低密封面流体润滑临界转速的作用。(6)在对变截面密封圈密封特性研究的基础上,提出了组合波形变截面密封结构,并对组合波形密封结构进行了密封特性研究。研究结果表明,在密封面波谷接触宽度相等的条件下,提高周向比可以降低密封面的摩擦力,增加密封面的平均油膜厚度;减小周向比可以降低密封面的流体润滑临界转速,扩大密封圈的转速应用范围。通过改变波形曲线波峰、波谷的周向比,组合波数和波幅可以提高密封圈的使用性能。本文的研究内容和取得的成果可以为变截面密封圈的设计、应用和进一步的研究提供重要的理论支撑。