仿生学在机械密封技术中的应用和展望.pdf

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1、第38卷第6期化工机械651仿生学在机械密封技术中的应用和展望+马方波”宋鹏云高杰(昆明理工大学)摘要综述了仿生学和生物非光滑表面理论在工程上的应用和研究进展。明确提出可将仿生非光滑表面理论和方法应用于机械密封的设计、研究和应用中，并进行了可行性分析。关键词机械密封仿生学非光滑表面中图分类号TQ050．1文献标识码A文章编号0254-6094(2011)06-065l—04机械密封是流体机械和动力机械中的重要零部件，它对整台机器设备、整套装置甚至整个生产过程的安全性都有很大的影响，是机械设备防漏、节能及控制环境污染的重要基础部件。近年来，端面改型密封成为密封设计和研究中比较热门的方向

2、。如何设计出合适的密封端面结构、优化机械密封的综合性能，是从事机械密封工作人员必须考虑的重要问题。笔者试图从仿生学中生物非光滑表面的理念出发，分析仿生学思想和方法应用于机械密封设计的可行性，为机械密封的设计、研究和应用提供了一些新的思路。1仿生学及其工程应用自然界中的生物历经了近四十亿年漫长的适者生存的选择和用进废退的进化过程，每种生物都具有奇异的特性与功能，因此生存在复杂多变的自然环境中。仿生学⋯自20世纪60年代建立以来，人们从生物进化的机理中受到很多启发，提出了许多用于解决复杂优化问题的新方法。仿生的思想和方法已经在生物医学、石油勘探、人工关节以及机械设计等领域得到广泛地应用，

3、许多新的结构、功能和特性都是从仿生学中获得灵感的。现阶段，对仿生学的研究主要集中在两个方面，一是具有仿生结构的智能新材料的研究，二是模仿生物某种特定功能的工程应用研究。智能材料旧-是指当感知环境(包括内环境和外环境)刺激后能采取一定智能响应措施的材料。智能材料的构想来源于仿生，其目标就是研制出一种材料，使之成为具有类似于生物体所具有的各种功能的活的材料。而对生物某种特定功能的模仿则表现在对生物体某种特定能力的模仿和对生物体某种特殊结构的模仿上¨1。仿生机械”。是指在设计过程中模仿了某种生物的特殊能力的机械，如仿生抓取机械、仿生移动机械、仿生飞行机械以及仿生游动机械等。2生物非光滑表面

4、理论及其工程应用对牛物非光滑体表结构的模仿，更多地是从微观方面学习生物的某些特殊构造，以适应复杂的环境。非光滑表面∞。是指在光滑表面上存在或至少是某一方向上存在引起非光滑效应的宏观区域表面，它是存在于系统中影响切向阻力的各种因素。依据生物用进废退学说，某种生物反复经受刺激作用的部位就可能出现凸起、凹坑、沟槽或鳞片状等非光滑的结构，并最终进化成形态各异的非光滑表面。生物非光滑表面普遍存在于自然界中，无论是陆地、海洋还是天空中的生物，其表面的不同形态往往都是为适应不同的生活环境进化而来的。自20世纪50年代以来，许多学者开展了对生物体表非光滑表面的研究，结果表明，生物体表存在着多种形态的

5、几何非光滑结构，结构单元的形状有凸包形、凹坑形、波纹形以及鳞片形等。同一动物体表不同部位呈现的几何非光滑形态不完全相同。}昆明理工大学2010年学生课外学术科技创新基金资助项目(2010YBll8)。··马方波，男，1984年7月生，硕士研究生。云南省昆明市，650224。652化工机械2011矩仿生非光滑表面适用于具有相对运动的接触界面，其具有非光滑效应，即减阻、防粘和耐磨特性。仿生学中生物非光滑表面技术已经在石油开采、矿山机械、农业机械及日常家居等领域得到了极为广泛地应用。如水生动物非光滑表面脱附与减阻技术已成功应用于游泳运动员的泳衣上，土壤动物凸包型非光滑表面减粘降阻的特性也得

6、到了应用，蜣螂头部非光滑表面形貌具有良好的减粘降阻特性，据此，研制出了非光滑推土板和仿生非光滑犁壁，并取得了良好的实验效果。1995年RenLQ等”1研究了具有仿生非光滑表面的推土机叶片的减阻性能。推土机叶片的非光滑表面，是依据D最佳理论，采用模拟蟑螂头部的表面形态设计、制造的。试验研究结果表明，推土机非光滑叶片与传统(光滑)叶片相比，阻力减小的平均值为13．02％，而最佳叶片的减阻值可达18．09％。2003年李秀华等”1模仿贝壳结构对陶瓷进行新的设计，变陶瓷的整体结构为层状结构，从而改善其韧性。赵建民等一1从贝壳珍珠层的微结构出发，简述了仿珍珠叠层复合材料研究进展。2003年，R

7、enLQ等⋯根据蟑螂、蚂蚁等土壤动物身体的某些部位的几何非光滑结构而不粘附土壤的机理，设计了非光滑表面的推土机刀片，并进行了实验研究，结果表明，在相同的试验条件下，非光滑表面的刀片比光滑表面的刀片对土壤的吸附力小，因而其抗粘性也就小。2007年，RenLQ等””研究了几种典型植物叶子表面的非光滑形态和它们的抗粘附效应。结果表明，表皮细胞的和上表皮蜡的密度分布形态直接影响其疏水性和抗粘附作用，均匀分布空穴的表面表现出最佳的抗粘性能，而均匀分布格子单元的表面具