2021年, 第46卷, 第9期　
刊出日期：2022-07-04

  

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试验研究
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  基于热弹流体动力混合润滑的船舶柴油机主轴承摩擦研究

  魏立队, 曹辰, 张登攀, 李精明

  润滑与密封. 2021, 46(9): 1-8. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.001

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  基于柔性机体和柔性曲轴模型，运用JFO边界条件下的扩展Reynolds方程和Greenwood/Tripp微峰接触理论，计入温度对摩擦润滑的影响，建立船舶柴油机机体和曲轴耦合下的主轴承的热弹流体动力混合润滑模型，并与不同计算模型进行对比和验证。结果表明：在热弹流体动力混合润滑模型下，单轴承座模型的计算结果偏于保守，整机体模型较为合理；在全柔性整机体模型下，THD模型过于理想，计入定值温度影响的EHD模型较TEHD模型的摩擦功耗偏大，说明温度对油膜的影响对主轴承的摩擦特性有重要作用。同时，通过与ALLMAIER方法对比验证，表明TEHD计算模型更具可靠性。因此，对于大型船舶柴油机而言，全柔性、计入表面接触和温度对油膜及摩擦副影响的热弹流体动力混合润滑模型是适宜的选择。
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  油润滑微孔SiC表面极限PV值特性试验

  白少先, 陈俊杰, 王菁

  润滑与密封. 2021, 46(9): 9-14. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.002

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  为提高摩擦副材料极限PV值以避免启停等极端条件下润滑表面的剧烈磨损失效，提高零件的可靠性和使用寿命，开展油润滑微孔SiC表面极限PV值试验研究。考虑空化效应影响，分别对光滑表面、圆孔表面和椭圆微孔表面进行润滑状态分析，获得微孔试件表面的压力分布；对摩擦因数、温度和表面磨损形貌进行试验测量，获得不同载荷工况下微孔表面磨损失效的临界转速和极限PV值的变化规律。结果表明：微孔表面呈现出提高SiC摩擦副极限PV值的趋势，平均极限PV值最大提高70%以上，其中椭圆微孔最大可使摩擦副的极限PV值提高2倍以上；微孔表面的极限PV值随载荷工况的变化呈现明显的波动和不确定性。边界润滑条件下，表面微孔可能出现减摩效果，也可能出现增摩现象，试验中圆形微孔可使摩擦副的极限PV值下降超过60%。
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  基于叶轮转子系统下的干气密封轴向振动分析

  张伟政, 姜娥, 林智, 丁雪兴

  润滑与密封. 2021, 46(9): 15-20. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.003

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  为探究基于叶轮转子系统下干气密封轴向振动特性，基于干气密封结构特性，建立叶轮转子-轴承-干气密封系统轴向振动模型，采用待定系数法进行求解，推导得出静环轴向振动幅值表达式；建立叶轮转子-轴承-干气密封系统几何模型，运用ANSYS Workbench软件进行模拟仿真计算，分析气膜刚度和激振力对轴向振动的影响。结果表明：气膜刚度对动、静环振动幅值的影响不大；动、静环振动频率相同、振动幅值相同，说明动、静环的追随性高，其间隙稳定，从而保证干气密封的稳定运行；动、静环位振动幅值与激振力成正比关系，说明激振力严重影响干气密封的稳定性，为提高干气密封的稳定性，应平衡好叶轮的轴向激振力。
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  双唇Y形拉杆密封的密封性能研究

  张付英, 初宏怡, 贺佘燕

  润滑与密封. 2021, 46(9): 21-25,39. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.004

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  建立双唇Y形拉杆封的混合润滑模型，并进行流体力学、接触力学、变形力学分析。利用MatLab软件实现对模型的求解，得到密封区域的流量、膜厚和接触压力分布，并分析不同密封件粗糙度对轴向往复双唇Y形密封圈的摩擦力矩、泄漏量的影响。结果表明：在双唇Y形往复密封中，两唇在密封过程中均处于混合润滑状态，且第一内唇处的膜厚大于第二内唇处；第二内唇静态接触压力近似于对称分布，且第二内唇最大接触压力大于第一内唇最大接触压力，表明第二内唇作为密封的第二道防线可以保证良好的密封效果；密封件粗糙度是影响矩形密封性能的重要因素，随表面粗糙度的增加，直线往复密封的摩擦力和泄漏量增大，存在一个临界粗糙度使泄漏方向改变。
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  阻尼环车轮对钢轨波磨的影响

  杨普淼, 张银仙, 许岩, 杨布雷, 陈光雄

  润滑与密封. 2021, 46(9): 26-31. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.005

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  提出采用阻尼环车轮来抑制地铁钢轨波磨现象的发生和延长轮轨使用寿命。基于小半径曲线轮对饱和蠕滑力引起摩擦自激振动产生波磨理论，使用有限元软件ABAQUS建立阻尼环、导向轮对、钢轨、轨枕三维有限元模型。采用复特征值方法研究有无阻尼环、阻尼环阻尼系数(β)、阻尼环安装位置以及单侧阻尼环宽度D对钢轨波磨的影响。结果表明：阻尼环车轮能有效抑制波磨产生；随着β的数量级增加，阻尼环抑制波磨能力加强，当β=1×10^-3时，能完全抑制波磨；阻尼环安装位置对波磨抑制能力没有明显影响；阻尼环安装在轴侧时，其宽度变化对波磨抑制能力没有明显影响，而阻尼环安装在外侧时，随阻尼环宽度的增加其对波磨抑制能力呈先增大后减小的趋势，即存在最优宽度，使得阻尼环车轮的波磨抑制能力最佳。
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  碳靶电流对磁控溅射GLC/Ti薄膜结构及摩擦学性能的影响

  谷守旭, 李迎春, 邱明, 庞晓旭, 范恒华

  润滑与密封. 2021, 46(9): 32-39. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.006

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  为改善掺杂Ti的GLC/Ti薄膜的摩擦学性能，采用非平衡磁控溅射技术在不同C靶电流下制备了类石墨碳基薄膜。利用扫描电子显微镜(SEM)、拉曼光谱仪(Raman)对薄膜结构进行表征；采用纳米压痕仪测量薄膜的硬度及弹性模量；利用HSR-2M型高速往复试验机测试薄膜在干摩擦条件下的摩擦磨损性能，并用白光干涉仪观察磨痕表面形貌。结果表明：随着C靶电流的增大，薄膜的柱状生长趋势日趋明显，其致密性降低，sp²键含量减小，石墨化程度和结合力降低，而硬度和弹性模量略增；随着C靶电流的增大，摩擦因数和磨损率均增大。因此，适当降低C靶电流可以提高磁控溅射GLC/Ti薄膜干摩擦条件下的减摩耐磨性能。
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  纳米ZrO₂增强CoCrW基复合材料的制备及高温摩擦学性能研究

  钱钰, 李赛, 崔功军, 卞灿星

  润滑与密封. 2021, 46(9): 40-46. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.007

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  采用粉末冶金技术制备纳米级ZrO₂陶瓷颗粒增强的CoCrW基复合材料，使用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪等分析复合材料的微观形貌和物相组成，通过球-盘式高温摩擦试验机，研究复合材料与Si₃N₄球配副在室温至1 000 ℃下的摩擦学性能。结果表明：ZrO₂陶瓷颗粒显著提高了复合材料的硬度；复合材料摩擦因数随温度的升高先小幅下降然后升高，并随温度的进一步升高而减小，磨损率随着温度的升高先增大后下降并趋于稳定，其中含ZrO₂复合材料在高温下具有更低的摩擦因数和磨损率，表明ZrO₂陶瓷颗粒显著提高了复合材料的高温耐磨性能。在低温下ZrO₂陶瓷颗粒增强CoCrW基复合材料表现出不同程度的磨粒磨损和塑性变形，高温下的磨损机制为氧化磨损。
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  考虑渐进磨损效应的指尖密封流-固耦合性能分析

  王莉娜, 孙恒超, 孙伟, 周雪茜, 崔寓淏, 孙立臣, 孟冬辉

  润滑与密封. 2021, 46(9): 47-53. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.008

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  转子的高速转动会造成指尖密封的渐进磨损，进而会对指尖密封的泄漏性能产生影响。考虑渐进磨损效应对指尖密封的影响，建立指尖密封流-固耦合动态性能分析有限元模型，研究指尖密封泄漏性能随服役时间增长的变化规律。结果表明：随着服役时间的增长，指尖密封的接触压力、指尖靴(径向)尺寸以及指尖密封的泄漏率均呈现出非线性变化趋势，且随服役时间的增长，考虑渐进磨损效应与否的指尖密封动态性能间的差异会随之增大。通过指尖密封泄漏性能试验，验证了所构建的考虑渐进磨损效应的指尖密封流-固耦合动态性能分析模型，并根据指尖密封的泄漏性能随服役时间增长的变化规律拟合寿命评估数学模型，经外推后可实现对指尖密封寿命的预测。
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  平行滑块表面矩形-半球型复合织构润滑性能研究

  胡宇, 王优强, 菅光霄, 左名玉, 房玉鑫, 莫君

  润滑与密封. 2021, 46(9): 54-60,74. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.009

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  研究仿生硅藻的多级孔结构——矩形与半球型结合的复合型织构对平行滑块润滑性能的影响。通过建立矩形-半球型的复合型织构单个单元模型，采用双向流固耦合的方法，分析两滑动表面在不同面积率和织构深度条件下的摩擦润滑性能。结果表明：织构表面摩擦因数随着面积率的增大而减小，承载力随着面积率的增大先增大后减小，在考虑摩擦性能与承载力的条件下，矩形-半球型复合型织构的面积率应控制在25%～36%之间；在确定合适的面积率的条件下，还应考虑不同的织构深度所产生的旋涡的影响。
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  变运行参数的磁性液体密封中磁液温度特性分析

  李望旭, 李正贵, 袁久越, 颜招强

  润滑与密封. 2021, 46(9): 61-67. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.010

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  磁性液体工作温度高于汽化温度时不仅会导致磁性液体的表面活性物质受损，还会引起磁性液体汽化。为探讨磁性液体密封中磁液的温度特性，基于数值计算和试验验证相结合的方法，研究磁性液体旋转密封的转速、轴径和温度的关系，并分析磁性液体工作温度高于汽化温度时的相变过程。结果表明：磁性液体旋转密封的温度最大值出现在与轴表面相接触的位置，最小值出现在与极齿底部相接触的位置；随转速和轴径的增大，磁液温度最大值均升高，当两工况轴径与转速乘积相等时，磁性液体的温升值相同；当磁性液体温度高于其汽化温度时，与外界相通靠近轴表面附近的磁性液体最先发生相变，相变面积呈现抛物线形状向内扩散，且相同工作温度下，磁性液体的相变体积分数随轴径增大而降低。
开发应用
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  考虑高温蠕变的螺栓和法兰材料的选配

  章兰珠, 毕乐文

  润滑与密封. 2021, 46(9): 68-74. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.011

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  螺栓和法兰材料的选择是影响螺栓法兰接头密封性能的重要因素，特别是在高温条件下服役，螺栓法兰发生蠕变的情况下。分别选择法兰蠕变速率大于螺栓蠕变速率以及小于螺栓蠕变速率的两组配合方式，通过传热分析、热-结构耦合分析以及高温蠕变分析，对比研究其密封性能。结果表明：螺栓蠕变和法兰蠕变都会引起螺栓应力重新分配，随着时间延长螺栓蠕变的累积会导致螺栓截面应力越来越均匀；但法兰蠕变的累积会降低法兰刚度，致使偏转角增大进而导致螺栓内外侧受力相差越来越大；法兰蠕变速率越大，法兰整体刚度下降越快，法兰服役周期越短，因此选择高温服役的螺栓法兰接头材料时，选取的法兰材料蠕变速率不能太大，且抗蠕变性能要比螺栓材料强。
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  制动初速度对制动盘峰值温度和温差的影响

  孙梦洁, 杨俊英, 符蓉, 高飞

  润滑与密封. 2021, 46(9): 75-81. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.012

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  为改进制动盘的使用寿命，研究车辆速度改变时制动盘峰值温度、最大温差以及单位时间温度增量在不同制动时刻的瞬时温差。利用ADINA软件，针对盘形制动，基于热-机耦合模型模拟计算制动压力0.5 MPa、制动初速度140、160和180 km/h工况下制动盘温度场的变化。结果表明：随制动初速度的增加，盘面峰值温度和最大温差增加，3种速度条件下盘面峰值温度分别为151、167、200 ℃，最大温差分别为85、91和112 ℃；盘面温差主要缘于摩擦弧的分布形态，制动初速度的增加放大了摩擦弧的作用；制动初速度对制动盘单位时间温度增量的影响主要体现在制动初始阶段，在制动后期，温度的变化主要由冷却条件和热传导所控制；盘轴向最大温差依赖于盘的导热性能，对制动初速度不敏感。
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  高参数上游泵送机械密封性能计算与分析研究

  王朝亚, 唐大全, 赵春林, 严如奇, 丁雪兴

  润滑与密封. 2021, 46(9): 82-90. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.013

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  以螺旋槽上游泵送机械密封为研究对象，用有限差分法离散Reynolds方程，基于轴向力平衡条件作为迭代收敛准则，采用逐次超松弛迭代(SOR)法在Mathematica软件中编程求解液膜压力分布，以及相关密封特性参数，并分析不同工况参数与结构参数对密封特性的影响。研究结果表明：泵送率随进口压力的增加呈非线性减小，随转速、槽深、槽长坝长比的增加呈非线性增大；液膜摩擦因数随着转速的增加近似以线性方式增大，随进口压力、槽深、槽长坝长比的增加呈非线性减小；随着螺旋角的增大泵送率先增大后减小，而液膜摩擦因数表现出与泵送率相反的趋势，说明螺旋角存在最优值；相比于结构参数对密封特性的影响，工况参数的影响较大。
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  基于MPS法的齿轮啮合区不同浸油程度下搅油损失仿真分析

  王交龙, 王斌, 吕红明, 宁斌

  润滑与密封. 2021, 46(9): 91-98,127. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.014

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  为探究异构减速箱齿轮啮合区浸油程度对搅油损失的影响规律，采用移动粒子半隐式法(MPS)对8种异构减速箱搅油模型以及基于不同转向、齿轮啮合区不同浸油程度条件的搅油模型进行模拟仿真。结果表明：啮合区浸油程度与油液波动、速度以及搅油损失成正相关，顺时针比逆时针转向下齿轮啮合区搅油量更大，转向与浸油程度的变化均引起啮合区油量变化从而导致齿轮啮合损失变化；浸油程度变化也会致使齿轮阻力损失变化，表明搅油总损失的大小主要受参数变化的影响，且齿轮啮合损失和阻力损失各自所占比重随参数而改变，需对单一或多变量具体分析。
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  极齿关键参数对磁流体密封热特性影响的试验研究

  程杰, 李正贵, 李望旭, 龚佳成

  润滑与密封. 2021, 46(9): 99-104. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.015

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  为探讨磁流体密封极齿参数对磁流体热特性的影响，利用传热学理论构建磁流体密封装置的传热计算模型，研究不同转速下密封间隙、极齿宽度、极齿槽宽度和极齿高度与磁流体温度的关系。在磁流体密封实验台上研究密封间隙、极齿宽度、极齿槽宽度和极齿高度对磁流体温度的影响，并利用模型计算结果对试验结果进行了验证。试验结果表明：随着密封间隙和极齿高度的增加，磁流体温度逐渐减小，呈负指数变化趋势；随着极齿宽度的增加，磁流体温度线性增加；随着极齿槽宽度的增加，磁流体的温度基本不变；密封间隙对磁流体温度影响最大，其次是极齿宽度和极齿高度，极齿槽宽度对磁流体温度基本没有影响。研究表明，在一定范围内适当增加密封间隙和极齿高度，适当减小极齿宽度，可以在一定程度上减小磁流体的发热量，提高磁流体密封装置寿命。
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  密度及成分变化对粉末冶金摩擦行为的影响

  丁少鹏, 徐嘉, 史正良, 杨欧翔, 邓丽颖, 柳鹏

  润滑与密封. 2021, 46(9): 105-112. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.016

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  铁基粉末冶金材料的摩擦行为与组织形态、成分构成等密切相关。针对压缩机粉末冶金零件，展开油润滑条件下密度与成分变化对摩擦磨损行为的影响分析，通过环-环摩擦实验测试不同试件摩擦因数变化，并进行基体组织构成、端面微观磨损形貌的检测。结果表明：密度与成分变化对粉末冶金摩擦行为影响显著，密度变化对摩擦因数的影响随载荷大小呈不同变化规律，随密度增加，在200 N工况下，试件摩擦因数逐渐增加，而在400 N工况下，呈逐渐减小趋势，当载荷增大到600 N，密度变化对摩擦影响逐渐减弱，不同密度的试样的摩擦因数差异较小；碳含量和铜含量的提高均有利于减小摩擦因数，但碳成分变化起到主要作用；碳含量与铜含量共同提升可获得最佳减摩效果，效果显著优于单独提升碳或铜含量，摩擦因数最优可减小27.0%。
技术探讨
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  基于热力耦合的镶嵌式机械密封端面变形分析

  李彦启, 刘启东, 刘合荣, 刘明涛

  润滑与密封. 2021, 46(9): 113-119. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.017

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  以镶嵌式机械密封为研究对象，通过受力分析和热传导方程，将热、力两个物理场进行耦合求解，建立机械密封动环组件热力耦合仿真模型。基于热力耦合模型计算不同应力情况下端面变形量和不同过盈量下的结合面接触应力、端面变形量，并分析动环厚度对端面温度场、应力分布以及端面变形量的影响。结果表明，热应力对端面变形的影响大于结构应力，故不能忽略热应力对机械密封组件的影响；动环过盈量增大使得端面变形量和结合面接触应力逐渐增大，动环厚度的增大使得最大温度呈下降趋势，最高温度出现在动环内径处，端面间隙由收敛型转变为发散型。因此，在对机械密封结构进行设计时，采用较小的过盈量和动环厚度，可以减少动环端面的变形量。
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  水基纳米液压液抗磨减摩特性的分子动力学模拟

  张素梅, 刘轩羽, 温小萍, 郭培红, 李平

  润滑与密封. 2021, 46(9): 120-127. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.018

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  为探究纳米颗粒对于水基纳米液压液抗磨减摩特性的影响机制，以水基Cu纳米液压液为例，构建纳米流体在平板间做剪切流动的动力学模型，采用Lennard-Jones势函数、嵌入原子势(EAM)、MCY建立原子间势能模型，研究不同压力、不同纳米颗粒含量、不同剪切速度下水基纳米液压液的抗磨减摩特性和承载能力。结果表明：水基纳米液压液的承载能力随着纳米颗粒数量的增加而增大；在一定范围内，摩擦力会随着纳米颗粒含量的增大而减小，但过大的纳米颗粒含量将导致摩擦加剧。借助分子动力学模拟的方法，探索在剪切作用下纳米颗粒的运动状态，结果发现纳米颗粒绕不同坐标轴的角速度分量存在较大的差异，表明纳米颗粒在模拟区域的上下金属壁面之间起到类似滚珠轴承中“滚珠”的作用。
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  一种基于概率-证据理论的滑动轴承可靠性优化设计

  赵军, 陶友瑞

  润滑与密封. 2021, 46(9): 128-133. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.019

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  针对传统的滑动轴承优化设计中，忽略了不确定因素对滑动轴承的影响，提出一种新的滑动轴承可靠性优化设计方法。在该优化中，由于部分参数存在认知不确定性，利用概率论和证据理论表示不确定参数的分布。将概率论、证据理论和一次二阶矩法相结合，构建基于概率-证据理论的滑动轴承可靠性优化设计模型，并采用遗传算法对滑动轴承进行优化设计。算例结果表明，采用新方法优化后滑动轴承的承载能力明显提高了60%，摩擦因数减小10%，发热量降低6.9%。虽然可靠性优化设计方法相对于确定性优化设计方法降低了轴承的部分最优设计参数，但是滑动轴承的润滑可靠性显著提高，能够降低润滑失效带来的轴承故障，具有较高的工程实用性。
综述与分析
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  阀门密封性能的研究进展

  于龙杰, 钱锦远, 金志江

  润滑与密封. 2021, 46(9): 134-142,153. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.020

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  对近年来阀门密封性能的理论研究、数值模拟以及实验研究进行总结，主要侧重密封机制研究。总结的密封性能主要研究内容包括：从阀门密封的接触机制方面分析密封比压、微通道泄漏率以及热固耦合；从长期运行下阀门密封损伤角度分析阀门密封的汽蚀、冲蚀、磨损、腐蚀等损伤。对阀门密封性能研究的发展方向进行展望：完善阀门密封接触理论以及泄漏预测理论；强化高参数工况下阀门密封的热固耦合计算；基于多种方法开展密封损伤因素的耦合研究；推动高性能密封材料的研发。
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  往复密封摩擦力测试技术探讨

  殷图源, 魏大盛, 索双富

  润滑与密封. 2021, 46(9): 143-153. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.021

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  密封工作参数一般包含摩擦力、液膜膜厚、接触应力、泄漏率物理量等，其中摩擦力测试对密封结构改进及往复密封技术的理论研究有很大的参考价值。综述密封摩擦力测试装置的研究进展，针对密封摩擦力测试装置存在的问题，提出改进建议；对不同密封摩擦力测试方案的特点、摩擦力测试装置的测试误差进行了分析，并针对性地提出了改善测试精度的方案。
企业论坛
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  蓄能电站调速器润滑油破乳化度超标分析及处理

  柳艳红, 张娜, 黄译锋, 刘俊

  润滑与密封. 2021, 46(9): 161-164. https://doi.org/10.3969/j.issn.0254-0150.2021.09.023

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  针对蓄能电站水轮发电机调速器润滑油在日常检测中破乳化度不合格的问题，对油品相关指标进行检测分析。通过漆膜倾向指数指标的关联性分析，推断油品破乳化指标不合格的原因是其氧化变质产物所致。采用静电滤油机对破乳化度不合格的调速器在用油进行过滤净化，发现过滤后油品的破乳化指标达到标准要求，同时漆膜倾向指数指标也处于正常范围内，这进一步验证了油品破乳化指标不合格是由于其氧化变质产物所致。