高水基柱塞泵是煤矿综采装备的动力核心元件,主要为液压支架提供高压流体,被誉为综采装备的“心脏”。柱塞副作为柱塞泵的关键摩擦副,其密封组件不仅需要具备防腐耐磨特性,还要实现良好的润滑与密封等功能,其摩擦、磨损、润滑与密封性能直接决定着柱塞泵的容积效率与使用寿命,对综采装备液压传动系统的可靠性、安全性起着重要作用。受粘度低、腐蚀性强等物化性能影响,高水基柱塞副摩擦磨损、泄漏和腐蚀等问题更为突出。因此,研究密封结构的摩擦与泄漏特性,揭示往复密封运动过程的润滑与密封机理,对提高柱塞泵、尤其是高水基柱塞泵的往复密封可靠性具有十分重要的理论与应用价值。本论文以高水基柱塞泵为研究对象,采用理论计算、数值仿真与实验测试相结合的方法,对往复高水基柱塞副的润滑与密封性能进行研究,论文主要研究工作如下:基于IHL逆解法,结合表面粗糙度接触理论,建立了既考虑流体粘性又包含粗糙度接触的往复密封混合润滑模型。采用ANSYS有限元仿真软件对密封结构的形变与接触行为进行分析,得到密封元件的固体力学和接触力学特征;通过MATLAB程序语言对泄漏量与摩擦力等参数进行求解,得到了柱塞副往复密封的摩擦学特性。该模型利用IHL方法把偏微分方程转化为一元三次代数方程计算油膜流体压力的特点,有效避免了求解雷诺方程迭代计算耗时多、数值解收敛困难等问题。此外,通过对比往复密封摩擦力实验结果,相比传统IHL纯油膜剪切方法研究往复密封摩擦性能,该模型在油膜粘性摩擦力的基础上引入粗糙度接触摩擦力,具有更高的精度和良好的鲁棒性。为进一步考虑密封区流体与密封元件的流-固耦合作用,基于弹性半空间变形理论,通过在雷诺方程中引入平均流动因子和空化因子,建立了综合考虑表面粗糙度与流体空化效应的往复密封混合弹流润滑模型。分别采用有限体积法和基于一阶拉格朗日形函数的有限元素法对雷诺方程和弹性变形方程进行迭代求解,模拟流体压力与密封元件弹性变形的流-固耦合过程,得到密封区的油膜流体压力、油膜厚度与流场分布等特征,在此基础上计算往复密封的摩擦力与泄漏量等密封性能参数。该方法有效避免了传统混合弹流润滑模型建模过程中计算影响系数矩阵效率不高的问题。进一步通过对比摩擦力的计算值与实验值对构建的润滑模型进行验证,计算摩擦力与实验结果吻合较好,验证了该模型的合理性与可行性。利用上述高水基柱塞副的往复密封数值计算模型,定量分析了密封元件安装预压缩量、流体密封压力、柱塞运动速度和密封元件表面粗糙度等多种因素对高水基柱塞泵密封组件往复密封与润滑性能的影响。分析讨论了往复摩擦力、泄漏量、密封区的油膜厚度、油膜流体压力、粗糙度接触压力和流体速度场的分布规律,探明了密封结构及相关工况参数对高水基柱塞泵往复密封性能的影响机制,揭示了高水基柱塞副的润滑与密封机理。结果表明,提高柱塞速度可增强流体的动压效应从而使得摩擦力减小,而增大密封圈表面粗糙度可显著减弱流体的动压效应。当柱塞运动速度较小时,密封圈表面粗糙度对往复密封摩擦力的影响很小;当柱塞运动速度较大时,往复密封摩擦力随密封表面粗糙度的减小明显减小。此外,当密封表面较光滑时,提高柱塞速度可显著降低往复密封摩擦力;当密封表面粗糙度较大时,往复密封摩擦力随柱塞速度的增大无明显变化。通过分析密封区Poiseuille-Couette流动各组分的流量演变规律,给出了高水基柱塞副在往复行程无泄漏的柱塞速度和密封粗糙度的临界值。相比传统润滑油介质,高水基介质柱塞副在往复行程实现零泄漏的临界粗糙度远小于润滑油介质对应的临界粗糙度。研究结果对提高柱塞副往复密封可靠性,实现高水基柱塞泵的高速化具有重要意义。