机械密封实际运行过程中工况的瞬时变化将对其系统稳定性产生严重影响。目前,学者对非接触式机械密封的研究多集中于稳态及动态特性方面,鲜有涉及非定常工况下的瞬态动力学分析。鉴于此,本文以上游泵送机械密封为对象,采用理论研究、数值模拟和试验研究相结合的方法对密封在瞬态启动、变工况、扰动环境下的瞬态行为开展研究,具体工作及结论如下所述。首先,建立密封环端面间隙液膜三维模型,对瞬态启动过程润滑特性进行研究,耦合求解含接触因子的平均雷诺方程、动力学方程及微凸体接触方程,揭示启动过程中的液膜密封性能参数及摩擦状态转变规律,并进行结构优化以提高润滑状态转变的能力;其次,应用SOR迭代求解液膜压力,进一步耦合求解基于质量守恒的空化边界条件雷诺方程与瞬态动力学方程,探讨工况连续变化对密封瞬态特性的影响;随后,研究运行过程中受不同工况扰动下密封的稳定性及端面冲击状况,确立密封系统的时间历程图、相轨图及接触冲击力的变化规律;最后,研制机械密封试验装置,研究操作工况瞬时变化过程中密封性能参数的瞬态变化规律及不同槽型参数对其影响。研究结果表明:压力瞬时变化过程中挤压项对密封参数求解结果的影响更为显著,相比于转速瞬变,压力瞬时变化更易引发静环轴向速度震荡。润滑状态转变的临界时刻呈现明显的静环速度突变;端面进入流体润滑状态的瞬时液膜厚度和泄漏量显著增加。较小的启动频率可在低转速下进入流体润滑状态,较高的外压或较低的内压均有利于润滑状态的转变。为提高启动过程液膜密封的润滑特性,建议取螺旋角16~24°,槽深5~7μm,槽数20~24,槽坝比2/3~5/6。发生端面冲击时膜厚振动频率显著大于全液膜状态下所受扰动情况。转速由5000rpm降速至500rpm后,动静环端面有多次较大的接触冲击力。压力升高易导致端面冲击,且压力扰动越大,冲力响应越显著。启动过程中,槽数为24的密封环在2.5s时有较大的膜厚突变,在12s后有阶跃性增加;槽数为12时,试验所测膜厚突变时刻发生在3s,同样在15s有明显的阶跃。外径压力降低相比于压力增高,端面膜压变化更趋于平缓,整个过程降低的幅值也明显较小。