高速干摩擦机械密封的工作条件苛刻,密封性能要求高,其设计一直是机械密封设计的难点。本文针对密封端面性能及其影响因素,结合分形理论系统进行研究,以期得到用以指导高速干摩擦机械密封的设计、制造和维护的理论依据。建立补偿环组件数值分析模型,分析了膜片发生接触前后波纹管有效直径和刚度的变化,得到了干摩擦机械密封的准确闭合力。研究结果表明当膜片发生接触时其有效直径会向内径侧偏移,其偏移量受膜片数目和接触点位置的影响。综合考虑气膜反压、端面变形、端面温度以及补偿环闭合力对密封端面性能的影响,建立密封端面数值分析模型,得到了影响干摩擦机械密封性能的性能参数,pbV值、摩擦功耗、端面温度、磨损率和泄漏率。基于分形理论分析密封端面承载特性,依次计算了密封端面的承载特性参数,如弹性接触面积、塑性接触面积、弹性接触载荷和塑性接触载荷等。结果分析表明,密封端面发生接触时,微凸体主要发生弹性变形,塑性变形所占比例极小,真实接触面积仅占名义接触面积的一半左右。综合分析讨论了操作参数、结构参数和材料参数对密封端面性能的影响。分析结果表明,在设计工况条件下高速干摩擦氦气机械密封较优的结构参数为端面高度1.7～1.9mm,端面宽度1.4～1.6mm,载荷系数0.5～0.7,最适宜的材料参数是线膨胀系数为6.5×10-6～7×10-6/K,摩擦系数为0.7～1.3。研制并搭建高速干摩擦机械密封试验台,实验测定密封端面的摩擦功耗、端面温度、磨损率和泄漏率,实验结果与数值分析结果对比,表明本文对密封端面性能的理论分析是可靠的。本文结合分形理论对高速干摩擦波纹管氦气机械密封进行数值分析和实验研究,拓展了分形理论在机械密封领域的应用,为高速干摩擦机械密封的设计和开发提供了一条新的思路和方法。