随着现代工业的迅猛发展,对旋转轴端用动密封的要求越来越高。干气密封作为一种非触接式密封,因所具有的低泄漏率、高可靠性、适用介质广等特点而备受青睐。然而工程师们在实际工作中发现,由于受到加工制造水平、装配过程误差及工作工况等因素的影响,干气密封系统动环与静环端面间在启动、停止以及运行期间都有可能会出现接触摩擦的情况。与此同时,接触摩擦的发生将伴随着动环与静环端面间的振动、磨损、噪声、温升等现象,整个密封系统将可能会因此而发生失稳,甚至失效。这其中的摩擦振动是在摩擦磨损过程中产生的最为普遍的现象,蕴含着许多反映系统摩擦学特征和摩擦状态的信息。因此,对干气密封系统动环与静环端面间进行干摩擦状态下的摩擦振动研究具有至关重要的意义。本文主要针对干气密封系统动环与静环端面间滑动接触时的摩擦振动进行研究。从摩擦界面的微观接触力学出发,重新定义了微凸体的接触变形方式及在载荷作用下微凸体根部的基底长度,并结合分形理论,分别构建了摩擦振动系统的法向接触刚度分形模型和切向接触刚度分形模型,然后将干气密封端面摩擦系统简化为两自由度模型,并结合摩擦系统特性参数,建立两自由度干气密封滑动摩擦界面摩擦振动系统模型。与此同时,搭建了干气密封摩擦振动实验测试平台,开展动环与静环端面间摩擦振动信号的实验测试。最后通过理论模型计算和实验测试两个方面对干气密封系统动环与静环端面间的摩擦振动进行深入研究。对非协调弹性体在切向力作用下初始滑动问题进行研究,利用分形参数表征摩擦界面形貌特性。根据重新建立的微凸体接触变形方式及概率理论,分别构建干气密封滑动摩擦界面法向接触刚度分形模型和切向接触刚度分形模型。通过与相关实验数据和模型的对比,验证了本文模型的合理性与正确性。对影响法向接触刚度和切向接触刚度的关键因素进行数值分析,研究结果表明:法向接触刚度随着分形维数、真实接触面积的增大而增大;当接触面积一定时,法向接触刚度随着特征尺度、摩擦系数的增大逐渐减小;相比于分形维数、特征尺度对法向接触刚度的影响,摩擦系数的影响相对较小。切向接触刚度随着分形维数、真实接触面积、材料特性系数的增大而增大;切向接触刚度随着特征尺度、摩擦系数的增大逐渐减小;相比于分形维数、特征尺度、材料特性系数对切向接触刚度的影响,摩擦系数的影响相对较小。上述模型所得到的无量纲法向接触刚度和切向接触刚度为本文研究并建立两自由度干气密封滑动摩擦界面摩擦振动系统模型提供了理论基础。对干气密封系统动环与静环端面间在干摩擦状态下的微观形貌与受力进行分析,基于分形理论并结合已经给出的无量纲法向接触刚度和切向接触刚度,建立了包含分形参数的干气密封端面间法向位移激励及两自由度滑动摩擦界面摩擦振动系统模型。利用数值对摩擦振动系统模型的影响因素进行分析,研究结果表明:法向振动位移和速度随着分形维数与转速的增大,先增大后减小;法向振动位移和速度随着特征尺度与摩擦系数的增大而增大;法向振动以准周期的高频微幅振动规律变化,相比于特征尺度,分形维数对法向振动的影响更加显著,而摩擦系数对法向振动来说不是一个敏感因素;切向振动位移和速度随着摩擦系数的增大而增大,而且以周期性的高频微幅振动规律变化;同时,摩擦系数对系统切向振动的影响比对法向振动的影响更加明显。上述研究结果为进一步深入探讨干气密封滑动摩擦界面高频微幅摩擦振动规律奠定了基础。为了验证本文建立的两自由度干气密封滑动摩擦界面摩擦振动系统模型,搭建了干气密封摩擦振动实验测试平台。选用加速度传感器对动环与静环端面间的摩擦振动信号进行实验测试,并利用谐波小波包变换对所得到的摩擦振动信号进行处理和分析。根据不同工况,分别利用本文建立的理论模型计算得出摩擦振动参量和课题组搭建的实验测试平台测试出摩擦振动参量,并对比分析表明:当载荷一定时,理论模型计算振幅与实验测试振幅均随着转速的增加而增大。当转速一定时,理论模型计算振幅与实验测试振幅均随着载荷的增加而增大。在相同工况下,理论模型计算振幅较接近实验测试振幅,且理论模型计算振幅大于实验测试振幅。尽管理论模型计算振幅与实验测试振幅有一定程度的偏差(特别是在法向),但两者变化规律和趋势基本相似,且摩擦振动振幅是在同一量级上。这说明本文给出的干气密封两自由度摩擦振动系统模型具有一定的合理性和正确性。