变工况下高速轴承表面沟槽润滑增效设计

针对滚动轴承在高速高压气帘影响下供油不足的问题，提出了基于表面沟槽结构的轴承润滑增效方法。首先，建立了考虑轴承真实结构、组件内部运动的轴承润滑仿真模型，利用沟槽的引流作用增强润滑油轴向流动能力，进而提升轴承润滑效率；其次，考虑轴承变工况服役特点，研究了供油量、转速、沟槽尺寸、喷嘴直径等因素对轴承润滑性能的影响规律，结合正交设计获得了影响沟槽润滑增效的多因素敏感性排序，基于参数归一化方法构建了适用于变工况的最优沟槽宽度预测公式。搭建了高速轴承润滑实验台，对比分析了不同宽度沟槽在轴承变工况下的润滑增效作用，结果表明，当轴承转速超过6 000 r/min时，所提方法获得的最优沟槽结构使得轴承接触区润滑油流量提升5倍以上，显著提升了轴承的润滑效率。     

高速球轴承喷油润滑流场特性研究

为了揭示高速运行条件下轴承腔内油气两相的分布情况,提升高速轴承的喷油润滑效果,考虑滚动体自转及公转运动,通过定义旋转坐标系描述轴承各组件运动关系,构建轴承腔内油气两相流动精确分析模型;在此基础上,采用流体体积函数(VOF)模型及压力耦合方程组的半隐式(SIMPLE)算法对轴承腔内油气流动进行求解,得到油气两相在轴承腔内的分布状态;通过探讨不同工况下润滑油在轴承腔内的宏观运动规律,从压力分布、润滑介质分布特性等角度评估了喷油润滑条件下高速轴承的润滑性能。结果表明:受轴承内部气流影响,润滑油脱离喷嘴后逐渐发生偏移,运行转速越高,偏移越大,导致高速时润滑油难以直接到达滚球与内外圈接触区附近;当转速升高时,运动部件上的润滑油逐渐减少,成为制约喷油润滑效果的关键因素。     

微沟槽形貌对水润滑轴承混合润滑特性影响的研究

建立了计入轴承内表面微沟槽形貌的水润滑轴承混合润滑(Mixed-EHDL)数值计算模型,着重研究了不同运行工况下,半椭圆形、矩形、等腰三角形、左三角形、右三角形等多种微沟槽形貌对水润滑轴承混合润滑特性的影响.研究表明:在所有微沟槽形貌中,混合润滑性能与承载性能优劣排序依次为右三角形、等腰三角形、左三角形、半椭圆形、矩形;在弹流润滑阶段,微沟槽形貌对水润滑轴承摩擦系数几乎无影响,而在混合润滑阶段,不同微沟槽形貌下接触载荷以及摩擦系数之间的差异随转速的增加呈现出先增大后减小最后趋于统一的规律性;在承载区,由于沟槽内水膜增压能力以及抽吸作用的不同引起了水润滑轴承混合润滑性能的差异,其中右三角形表现最优,而矩形最差.     

基于正交设计法的柴油机主轴承润滑性能优化

为对主轴承结构参数和润滑油参数进行优化匹配,根据动载滑动轴承弹性流体动力润滑模型,结合AVL Excite软件对CA4D32柴油机主轴承进行多体动力学与弹性流体动力学耦合仿真.精确选取标定工况下影响各主轴承润滑性能的轴承宽度、供油压力、供油温度、润滑油类型、径向间隙、轴瓦油槽方向、轴颈油孔位置等关键因素,以最小油膜厚度为优化目标,基于正交设计法,确定各主轴承润滑性能最优参数组合,并对该参数组合进行仿真验证.结果表明:各主轴承最小油膜厚度增大9.1%～32.1%,一个循环内最小油膜厚度明显增大且其波动趋于平缓;各主轴承总摩擦功率损失显著降低.     

高速角接触轴承油气润滑两相流动特性数值研究

针对油气润滑高速角接触球轴承腔内润滑冷却问题,提出了角接触球轴承油气两相润滑高精度数值计算模型。采用两相流模型和多重坐标系方法模拟轴承腔内两相流动特性;研究轴承运行工况及保持架几何参数对轴承腔内流场分布与换热效率的影响。结果表明:球形兜孔保持架轴承腔内的平均温度低于柱形兜孔保持架轴承,与实验结果相符。同时,过大或过小的兜孔间隙均会造成轴承腔内平均温度升高,因此合适的保持架兜孔结构与几何参数对于提高滚动轴承润滑性能至关重要。单个油气入口时,轴承腔内的润滑油分布并不均匀,在油气入口附近油相体积分数达到最大值;随着与入口位置距离的增加,油相体积分数逐渐降低。     

径向滑动轴承表面缺陷对润滑状态影响的模拟研究

基于Reynolds方程对表面有缺陷的径向滑动轴承进行理论建模并开展数值模拟,获得表面有缺陷的轴承润滑过程中油膜厚度、压力分布。研究不同尺度和不同分布形式的缺陷对径向滑动轴承润滑状态的影响。结果表明,缺陷的周向位置对润滑状态的影响最大。缺陷位于滑油出口范围之前,轴承的承载力减小,摩擦因数增大;缺陷位于滑油出口之后,可形成附加楔形效应,使承载力增大,摩擦因数降低。缺陷宽度增加则会扩大以上因素的影响程度。缺陷的轴向位置对轴承润滑状态影响不大,但当缺陷在滑油出口之前且靠近轴承边缘时会明显降低承载力。     

强化研磨喷射压力对轴承套圈硬度影响的研究

文章针对强化研磨加工过程中喷射压力对轴承套圈表面硬度的影响进行了初步研究,通过保持喷头直径、工件转数、喷嘴与套圈表面距离、加工时间等加工参数不变,改变喷射压力的大小,测量不同喷射压力下套圈的硬度值并进行对比实验.实验结果表明,通过强化研磨加工轴承套圈,可以有效地提高套圈的硬度,从而达到强化的目的.     

考虑润滑碰撞的精密轴承保持架动态特性

保持架作为轴承中的浮动组件,在套圈引导和滚动体撞击作用下随机运动,其动态特性直接影响精密轴承的服役性能。为了准确分析保持架的动态特性,考虑轴承保持架和滚动体之间真实润滑状态和碰撞过程建立了滚动体和保持架润滑碰撞模型及精确的保持架动力学模型,分析了轴承预紧力、径向载荷、内圈转速及引导-兜孔间隙比对精密轴承保持架动态特性的影响规律。实验结果表明,相比于传统的保持架兜孔-滚动体干摩擦模型,考虑润滑的保持架动态特性分析与实验现象更吻合。相同转速下,增大预紧力或径向载荷可以降低保持架打滑率,相比径向载荷,预紧力对保持架打滑的影响更大。保持架在低速和高速下呈现不同的打滑形式,低速下外载荷对保持架打滑影响不大;高速下外载荷对保持架打滑影响较大。相同预紧时保持架打滑率随轴承内圈转速增加而增加,中预紧时转速对保持架打滑影响最小。随着引导间隙-兜孔间隙比的增加,保持架打滑率降低。研究工作可为精密轴承保持架的设计提供一定的依据。     

宽裕润滑参数下滚动轴承润滑特性研究

滚动轴承是精密机床、特种车辆等重大装备的关键支撑零部件,其润滑性能直接决定了轴承的稳定服役性能,进而影响到重大装备的工作性能指标.基于理论仿真及实验研究,开展了油气润滑滚动轴承宽域润滑参数下的运行特性研究.结合多相流动分析技术,研究了高速角接触球轴承内部油气的流动状态,揭示了轴承内部油气流动基本规律.在此基础上,设计了滚动轴承润滑性能试验验证平台,实验分析了不同润滑参数对轴承温度的影响规律,获取了特定转速下温升最小的轴承润滑参数,证实了滚动轴承不同润滑参数对其服役性能的影响程度.研究工作对于滚动轴承宽域润滑状态下的服役性能分析提供基础依据.     

喷射润滑高速轴承内部油气两相流动研究

针对喷射润滑高速轴承内部产生的油气两相流动状态,基于VOF方法和滑移网格技术建立了油气两相流三维瞬态仿真模型,研究了轴承内部的两相流流场,揭示了润滑油喷入轴承后的油气混合过程,明确了轴承内部的油气比例和分布状态.建立了轴承结构-转速-供油量与轴承内部实际油液体积分数之间的联系,分析结果显示油液体积分数随转速的升高而降低,随供油量的增大而增加,并呈非线性关系,轴承内部油气分布不均匀,为高速滚动轴承的温度场分析提供了更为接近实际的边界条件.     

油膜轴承与油膜轴承油

油膜轴承是一种流体动力润滑的滑动轴承 ,当轴承载荷、轧辊转速、轴承间隙、润滑油的粘度这四要素匹配得当时 ,可实现流体动压润滑。随着冶金工业的发展 ,针对轧机油膜轴承的工况 ,油膜轴承油应运而生。本文对油膜轴承、油膜轴承油及其相互关系进行讨论介绍     

不同表面形式沟槽对集装箱列车气动阻力特性的影响研究

针对铁路单层集装箱表面结构单一、气动阻力特性差等问题，本文设计了适用于集装箱的三角形、梯形、弧形和矩形表面形式沟槽结构.利用ANSYS Fluent软件，采用基于Realized k-ε湍流模型和SIMPLE算法，对比了4种不同表面形式沟槽的集装箱列车模型的气动阻力，结果表明：明线情况下，弧形沟槽结构集装箱列车气动阻力最小；不同表面形式沟槽结构的集装箱列车所受的气动阻力差异主要来自于集装箱；集装箱的压差阻力贡献了主要的气动阻力，弧形沟槽结构集装箱压差阻力最小，而摩擦阻力最大.     

表面粗糙度对低速水润滑滑动轴承混合润滑性能的影响

针对船用滑动轴承在低速水润滑工况下液膜承载能力不足导致的局部固体接触碰磨问题,研究了表面粗糙度对水润滑滑动轴承混合润滑性能的影响。假设轴颈和轴承表面粗糙峰服从高斯分布,以粗糙峰高度综合标准差表征表面粗糙度,联立平均雷诺流体润滑方程和GreenwoodTripp(GT)固体表面接触方程,对比分析了全膜润滑和混合润滑下的液膜厚度和压力分布,针对几种典型转速研究了表面粗糙度对轴承的液膜承载力及其最大压力、粗糙峰接触承载力及其最大压力、偏心率和最小名义膜厚的影响。数值计算结果表明:在低速水润滑工况下,混合润滑模型的最大液膜压力比全膜润滑模型降低一个数量级以上,粗糙峰接触压力的产生使得最小名义膜厚增加;随着表面粗糙度的增加,液膜承载力、偏心率、最大液膜压力和最大粗糙峰接触压力呈减小趋势,粗糙峰接触承载力和最小名义膜厚呈增加趋势;在混合润滑下转速对最小名义膜厚和偏心率的变化曲线没有影响。该研究可对低速水润滑滑动轴承优化及可靠性设计提供一定的参考。     

难溶气体对水润滑轴承特性影响分析

水润滑轴承相比传统油润滑轴承,凭借其独特的优势,在各类高速精密旋转机械中均有重要应用.在实际工况中,润滑水中不可避免的混入一定量的难溶气体,参与整个润滑过程.运用计算流体力学CFD软件Fluent,基于气液两相流理论,对考虑湍流及气穴效应的高速水润滑轴承特性进行求解分析,研究难溶气体的含量对轴承间隙气相分布、压力峰值、轴承性能等特性的影响.结果表明:在高速水润滑轴承间隙中,气相基本分布于发散楔中,且最大气体体积分数存在于轴表面;在较小偏心情况下,一定量的难溶气体使轴承间隙内气相分布发生偏移,轴承承载力有所降低,但是对压力峰值和摩擦功耗并无明显影响;随着轴承偏心的增加,影响逐渐消失.     

超声法测量圆柱滚子轴承润滑油膜厚度

针对实际工况下圆柱滚子轴承接触区润滑油膜薄而窄难以测量的问题,利用基于等效弹簧模型的超声测量原理进行研究,设计并搭建了专用圆柱滚子弹流润滑油膜厚度测量实验台,对超声测量圆柱滚子轴承润滑油膜厚度进行实验研究。通过该实验台来模拟圆柱滚子在实际工况下的运行状态,高频测量探头安装在5自由度微动平台上以便调整合适的测量位置;在轴承保持架上贴一个反光片作为每个工况下开始测量的触发信号,保证每次测量同一个滚子;使用温度传感器实时测量实验轴承温度,考虑温度对润滑油的影响。实验所能测量的最大转速取决于重复频率,重复频率不足会导致较大的测量误差;超声探头聚焦直径区域内的平均效应导致无法测量比聚焦区域更小的油膜分布信息。在最高转速600r/min、最大载荷16kN的范围内成功测量到了圆柱滚子轴承在实际工况下0.2~1.2μm的膜厚。实验结果表明:最小膜厚会随转速的升高而增大,随载荷的增大而减小,与理论计算结果拟合程度较高,证明了该方法在实际工况下测量圆柱滚子轴承油膜厚度的有效性和准确性。     

高速角接触球轴承腔内气相流动与传热特性研究

针对高速运转滚动轴承腔内空气在接触区周围形成的高压区阻碍润滑介质进入,从而导致供油效率降低的问题,以B7008C角接触球轴承为研究对象,考虑轴承几何结构细节,建立了角接触球轴承腔内气相流动模型,采用旋转坐标系描述轴承各组件运动,分析滚动轴承在不同转速与保持架结构参数下的气相流动。用该模型分析了轴承腔内气相流场,揭示了轴承公转、钢球自旋、保持架结构等因素对轴承腔内气相流型与传热效率的影响规律。结果表明:随着公转转速升高,气流速度升高,轴承腔内压差增大;高速下钢球的自旋效应使轴承腔内气压升高,分布不均匀性加剧;保持架兜孔形状、兜孔结构等参数影响换热效率与压力场分布,随兜孔间隙增大,保持架对流换热系数升高。轴端贴近轴承内圈处是配置供油单元出口的理想位置。     

高速水润滑径向滑动轴承的壁面滑移设计

为了研究高速水润滑条件下具有不同边界滑移表面的径向滑动轴承的摩擦学特性,运用二元滑移理论建立了相应的数学模型。模型考虑了流体边界的滑移效应,对经典雷诺方程进行了修正,并将流量守恒边界条件应用于空化区。通过仿真对比不同滑移表面对轴承性能的影响,以大承载力和小摩擦阻力为设计目标,对轴承及滑移表面参数进行了优化设计。结果表明:对于偏心率较小、宽度较小和直径较大的轴承,滑移-非滑移间隔表面能显著地提高承载力,降低摩擦阻力和减小空化区面积;当滑移区域与非滑移区域的分界线在普通轴承压力峰值和最小膜厚位置之间时,承载力可达到最大值。     

高速动静压轴承支承主轴系统动特性测试研究

以自行设计的高速主轴水润滑动静压轴承为基础,采用不平衡质量法识别出转子系统支撑轴承的动特性系数,通过轴承性能测试实验得到了供水压力、主轴转速等运行参数对轴承-转子系统动特性的影响.结果表明:轴承-转子系统动特性系数随系统供水压力和主轴工作转速的增加而增大;在供水压力较低时,工作转速对轴承动特性影响较小;当供水压力升高到一定程度时,工作转速对轴承的动特性产生较大影响,此项研究对轴承-转子系统结构参数的改进以及不同工况下最佳运行参数的确定具有一定的指导意义.     

温度补偿对提高航天微电机转速稳定性能的影响

某型号的航天微电机在太空中高速运行工作时转速不稳定，尤其在润滑油量不足的情况下甚至停机；而当要结束工作，缓慢停机时转速却变得很稳定。有限元方法提供了一种寻找该问题原因的手段。本文从润滑性能引起电机结构温升的角度出发，基于SKF轴承摩擦力矩计算方法，使用MARC软件，计算了电机在运转和和停机状态下各部件的温度分布情况。分析结果显示，由于轴承内圈温度高于端盖，润滑油向端盖扩散，轴承系统润滑性能降低，引起电机转速不稳定。通过对不同位置施加温度补偿的计算，最终确定在支架端面施加8W的温度补偿，使得轴承内圈温度始终低于轴承端盖。实验证明，施加温度补偿是一种很有效的方法，使得电机转速稳定性能满足设计要求     

基于润滑可靠性的RV减速器曲柄轴承优化

RV减速器作为机器人结构的核心零件,其寿命可靠性问题受到曲柄轴承失效的制约.本文在考虑了曲柄轴承润滑可靠性的情况下,建立了RV减速器曲柄轴承的优化设计模型,采用遗传算法对曲柄轴承额定动载荷和润滑油膜厚度进行了多目标优化.首先根据几何结构和强度要求确定设计变量的取值范围,同时基于润滑数值模型求解的最小油膜厚度作为约束条件来保证润滑可靠性.最后采用遗传算法对模型进行优化得到Pareto最优解.优化后的RV减速器曲柄轴承的额定动载荷得到了较大的提升,同时其润滑的最小油膜厚度提高了26％以上.研究结果表明:该方法对于RV减速器曲柄轴承可靠性优化设计具有指导意义.