正交优化开启船舶液压密封新篇：大幅降低海洋起重机密封摩擦与泄漏

在船舶液压系统中，密封性能至关重要。研究人员针对海洋起重机液压组合密封展开研究，运用正交设计法优化其性能。结果表明，优化后组合密封摩擦降至 90.63%，泄漏率降至 87.43%。这对提升船舶液压系统可靠性意义重大。

　　在船舶与海洋工程的广阔领域中，液压系统就像船舶的 “动力心脏”，发挥着关键作用。无论是波涛汹涌的海浪中进行发电作业的设备，还是船舶上的重型机械，都离不开液压系统的高效运作。然而，海洋环境堪称 “严苛的试炼场”，高盐雾、强压力、腐蚀性介质以及动态载荷等恶劣条件，时刻考验着液压系统的密封性能。传统的单密封和唇形密封在这样的环境下显得 “力不从心”，它们容易磨损，使用寿命有限，难以满足现代船舶对长寿命和高稳定性的需求。为了解决这些棘手的问题，研究人员踏上了探索之路，致力于优化密封系统，提升其在复杂海洋环境中的性能。
在这项研究中，研究人员聚焦于海洋起重机中广泛使用的组合密封（VL seal）。组合密封通常由聚四氟乙烯（PTFE）元件和橡胶元件组成，它巧妙地结合了 PTFE 的低摩擦、抗磨损特性以及橡胶的高弹性特性，在液压系统中应用广泛。研究人员通过一系列深入的研究，得出了一系列具有重要价值的结论。通过正交设计优化组合密封的 11 个参数后，密封结构得到显著优化。与原始密封相比，优化后的密封摩擦降低至 90.63%，泄漏率降低至 87.43% ，在摩擦和泄漏方面的密封性能都得到了大幅提升，成功实现了最初的研究目标。这些结论对于提升船舶和海洋设备的可靠性、耐压性意义重大，能够有效减少液压油泄漏对海洋环境造成的损害。该研究成果发表在《Applied Ocean Research》上。
为开展此项研究，研究人员运用了多种关键技术方法。首先是正交设计方法，通过精心挑选 11 个可能影响密封性能的因素，并设置 5 个水平，利用 L₅₀(5¹¹) 正交表设计实验，大幅减少实验次数的同时，全面分析各因素对实验结果的影响。其次，采用弹性流体动力润滑（EHL）模型进行模拟，该模型结合宏观有限元分析（FEA）和微观计算，考虑密封区域的混合润滑状态，从而准确获取密封的摩擦和泄漏性能数据。最后，搭建实验装置对模拟结果进行验证，确保研究结果的准确性。
研究人员首先对 VL 密封进行优化正交设计。通过详细分析 VL 密封的结构，确定了 11 个影响密封性能的参数，包括 L 环厚度（h₁）、唇厚（h₂）、O 环直径（d）等结构参数，O 环硬度（H）、L 环弹性模量（E）等材料参数以及 L 环内径（d₁）、O 环内径（d₂）等拟合参数。基于原始产品测量得到初始尺寸，对参数进行等距偏移，确定各因素水平。随后，利用正交表进行 50 组实验设计，为后续分析奠定基础。
在对组合密封进行建模时，研究人员分为宏观分析和微观计算两部分。宏观分析在 FEA 软件中进行，采用二维轴对称模型和 Mooney-Rivlin 模型描述橡胶 O 环的应力 - 应变关系，通过特定的网格划分和加载方式，获取密封安装时的应力和应变分布。微观计算则基于混合润滑理论，通过建立界面流体模型、接触机制和变形方程，考虑粗糙度、空化等因素，计算密封的摩擦和泄漏。将模拟结果与实验数据对比，误差小于 5.3%，验证了模型的准确性。
对正交设计结果进行深入分析。通过计算不同参数组合下密封的摩擦和泄漏数据，并进行归一化处理构建评价指标。范围分析发现，L 环厚度、唇厚、O 环直径和 L 环内径这四个因素对摩擦和泄漏影响显著；F 检测和显著性分析进一步证实了这些因素的重要性，同时发现空气侧唇角度对综合性能有一定影响。通过分析确定了各因素的最优水平，得到优化后的 VL 密封结构。与原始结构相比，优化后的密封在摩擦和泄漏性能上有显著提升，总摩擦降至 90.63%，泄漏降至 87.43%，验证了优化方法的可靠性。
在研究结论和讨论部分，研究人员指出，在所选的 11 个因素中，L 环厚度、唇厚、O 环直径和 L 环内径对摩擦和泄漏影响重大，但由于它们对摩擦和泄漏的影响存在相互制约关系，对综合性能影响较小。而空气侧唇角度在综合考虑摩擦和泄漏时，对密封性能起着更为重要的作用。通过正交设计优化密封参数，成功获得了性能更优的密封结构。该研究成果意义非凡，正交优化方法大幅减少了实验工作量，为未来组合密封的精密设计提供了重要依据。同时，对密封结构优化设计的研究有助于通过多目标参数优化设计出长寿命、高稳定性的密封，提升船舶和海洋设备在复杂海洋环境中的可靠性和耐压性，减少液压油泄漏对海洋环境的损害，并且该方法还可应用于其他海洋设备的密封设计，为海洋工程领域的密封技术发展开辟了新的道路。