织构滑移表面对滑块轴承摩擦学性能的影响

为了揭示表面织构对轴承摩擦学性能的影响以指导轴承微织构的优化设计,采用速度滑移边界表征表面织构宏、微观相互作用的综合效果,并将其施加到有微织构的轴承表面,研究了织构的分布位置、面积等宏观参数对滑块轴承摩擦阻力和承载能力的影响规律.分析结果表明:表面织构可以降低轴承的摩擦阻力,且织构面积越大减阻效果越显著;低速时减阻能力与织构分布位置无关,高速时织构越靠近出口减阻效果越好;表面织构的分布位置对轴承承载能力的影响显著且复杂,特别是无量纲织构区域的起始点和终止点的位置;轴承表面完全织构化将显著降低承载能力;表面织构位于进口时可以提高承载能力,位于出口时将会降低承载能力.上述结果说明合理的表面织构设计可以有效提高轴承的摩擦学性能.     

涡轮增压器织构化浮环轴承润滑数值模拟

为研究表面微织构对涡轮增压器浮环轴承在极端工况下润滑过程的影响,基于浮环轴承基本工作原理,以VT50半浮动轴承为研究对象,建立未织构、内织构和外织构3类浮环轴承内间隙三维润滑油膜模型,利用Fluent模拟获取润滑油速度及压力等信息。经研究获得以下结论：表面微凹腔的设置能够增强油膜承载能力,从而提高浮环轴承的工作平稳性,织构后最大平均油膜压力相对于未织构方案可提高1.92%;相对于外织构形式的动压作用,内织构形式通过挤压作用而在织构区域获得更高的油膜压力,前者油膜压力峰值可比后者高26.7%;在轴向润滑油出口区域附近设计微凹腔内织构是改善浮环轴承润滑性能的有效措施,可以防止轴承倾斜失效。     

织构化动压滑动轴承非线性油膜力解析模型

针对有限差分法(FDM)解析Reynolds方程迭代次数多的缺点,提出了一种基于Sommerfeld油膜边界,通过分离变量法求解表面织构动压轴承油膜力的解析模型。分析了长径比、偏心率和织构参数对非线性油膜力的影响,对比了本文的解析模型与短轴承模型、FDM和计算流体动力学(CFD)的计算结果。研究结果表明:长径比和偏心率分别为0. 25～0. 80和0. 10～0. 95的织构化轴承油膜压力和油膜力分别为近似抛物线分布和近似指数分布。长径比为0. 25的本文模型同短轴轴承模型油膜压力分布具有很好的一致性;而长径比为0. 80的本文模型与CFD计算结果,在0°～60°和130°～180°油膜域内也具有很好的一致性。本文模型能够准确地描述表面织构动压轴承油膜力的变化,同时该方法的正确性也得到了验证。     

三油楔固定瓦滑动轴承启动过程的性能

以三油楔固定瓦滑动轴承为研究对象,采用有限差分法数值求解Reynolds方程,研究了轴承启动过程、轴颈中心的运动轨迹以及轴承的动特性和稳定性在该过程中的变化规律。根据启动过程角速度不断提高,轴承对应的量纲一承载力不断减小的特点,得出承载力和轴承宽径比对轴承轴颈轨迹、动特性和稳定性影响的一系列曲线。结果表明:在启动过程,随着转动角速度的提高,轴承稳定性降低;减小宽径比有利于轴承稳定性的提高。     

微织构对径向滑动轴承承载能力的影响机理

为了揭示表面微织构对径向滑动轴承承载能力的影响规律及机理,以指导滑动轴承微织构的优化设计,在考虑空化效应和紊流影响的前提下,采用基于N-S方程的CFD技术建立了三维织构化滑动轴承的仿真分析模型,分析了微织构分布位置、形状和尺寸对轴承承载能力的影响,并从微织构对油膜压力的影响这一层面,探讨了微织构对滑动轴承承载能力的影响机理.分析表明:微织构的存在一方面具有增加油膜厚度、降低织构区油膜压力的负面作用,另一方面也具有推迟油膜破裂、扩大油膜承载区的积极作用,这两方面的共同作用形成了微织构对滑动轴承承载能力的影响机制;微织构对轴承承载能力的双重作用,导致只有在轴承主要承载区附近布置微织构方可提升承载能力,且当微织构布置于有利于提升滑动轴承性能的位置时,存在一个最优的织构轴向分布率、密度、宽度和深度,使得滑动轴承的承载能力最大.     

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。     

圆锥电磁轴承耦合特性研究

分析了圆锥电磁轴承的几何耦合效应以及电流耦合效应,推导了圆锥电磁轴承特有的力矩耦合特性,给出了圆锥电磁轴承动力学特性的计算方法。在此基础上,计算了轴承锥角、宽径比以及极角比对圆锥电磁轴承静特性基础解的影响。结果表明,圆锥电磁轴承静态力与轴承宽径比成线性关系,但轴承力矩与宽径比之间是非线性的;圆锥电磁轴承极角比越大,磁极面积越小,轴承静态力以及力矩都会减小。     

表面微织构对滑动轴承支撑主轴稳定性的影响

针对主轴表面微织构对轴承转子系统稳定性的影响问题,利用CFD仿真的方法,对一种轴承的动静特性进行了研究,使用APDL建立了该环槽轴承的模型。对仿真结果与实验进行了对比,验证了该模型下CFD仿真计算方法的正确性,并系统研究了深隙比、深宽比及径宽比等织构参数对轴承静动特性的影响。结果表明:添加表面微织构将会使轴承的承载力下降,但同时能够有效降低轴承的温升;在特定的织构参数下,微织构可明显改善轴承的动特性参数;相比于无织构的系统,有微织构的转子系统对数衰减率提高的幅度可达45.5%;对于滑动轴承支撑的主轴,在润滑表面添加合理参数的微织构后,能够有效提高转子系统的稳定性。     

牙轮钻头滑动轴承仿生鲨鱼皮织构化表面润滑性能

牙轮钻头在超深井和大水平井的使用受到广泛关注,由于地层环境复杂化,为了使牙轮钻头有更高的稳定工作性。通过对合金材料表面织构化处理减摩效果的研究,结合鲨鱼皮减阻润滑的优势,针对牙轮钻头薄弱环节滑动轴承摩擦结合面进行了仿生鲨鱼皮织构化处理,基于所选取仿生织构的形貌参数构建滑动轴承流动润滑理论模型,采用有限差分法求解,获取润滑油的油压分布、承载能力及滑动轴承摩擦力,并探究阶跃冲击载荷下滑动轴承动压油膜的响应情况。结果表明：牙轮钻头滑动轴承流体润滑状态下,深径比大于0.3且面积率大于0.25的仿生表面织构对油膜承载力有增强效果;仿生表面织构在较低油膜压力下对油膜摩擦力影响突出,油膜摩擦力提高了14.12%;偏心率越大仿生表面织构对油膜承载力的提升效果越好,在偏心率为0.8时承载力提高效果达到200.45%;同时仿生织构的对滑动轴承流体润滑的轴向稳定性有提升效果。牙轮钻头滑动轴承仿生织构化处理有效地改善了滑动轴承润滑性能。可见,合适的织构尺寸能进一步提高滑动轴承处于流体润滑的适用工况范围,提高牙轮钻头的使用寿命。     

面接触纹理微单元对油膜承载能力的影响

为了从理论上深入分析表面纹理对油膜润滑特性的影响,考虑润滑油膜空化的负压效应,建立了含表面纹理平行面接触油膜润滑的计算模型,应用数值差分方法计算分析了凹槽纹理形式和沟槽纹理形式对润滑油膜平均压力的影响规律,给出了各种纹理微单元最佳油膜承载力的尺寸优化参数。结果表明:选择圆孔凹槽、方孔凹槽和方形沟槽等纹理微单元有利于增强油膜承载效果;选择最佳深度和最佳面积比变化范围较大的球面凹槽和斜面沟槽纹理微单元更有利于加工控制。     

动静压柔性铰链可倾瓦轴承的阶跃载荷动态响应

针对动静压柔性铰链可倾瓦轴承在受到阶跃载荷时主轴出现跳动而影响其回转精度的问题,提出了兼顾跳动幅值与稳定时间的分析方法和轴承优化设计方案。该方法基于轴心轨迹引入最大过冲量和过渡过程时间两个概念,用以描述主轴受到阶跃载荷时径向跳动的剧烈情况,研究轴承结构参数的确定方法。该方法首先建立轴承瓦块的压力分布模型、瓦块的力矩平衡方程和轴颈的运动方程,然后结合有限差分法和欧拉方法获取轴心轨迹,最后依据结构参数对两个参量的影响大小进行参数确定。仿真实验结果表明:增大预载荷或减小轴承半径间隙,能减小轴心最大过冲量并缩短过渡过程时间;减小静压油腔面积或油腔宽长比能减小最大过冲量;过渡过程时间随转速的提高呈现出先增加后减少的特点;在研究范围内,最大过冲量随着转速提高而增大;适当增大预载荷系数或减小半径间隙,能够提高主轴的回转精度。     

新型弹性箔片动压气体止推轴承的理论研究

对新开发的弹性箔片动压气体止推轴承进行了理论分析,采用等温气体模型,导出求解该轴承静态特性的弹性流体动力润滑方程,利用有限元方法对方程进行求解,得到了该轴承在流固耦合下的压力分布和间隙分布,以及结构参数对轴承性能的影响.数值计算结果表明:节距比和瓦块张角存在最佳取值,节距比取0.5,瓦块张角为70°~90°时,可得到理论上的最大无量纲承载力;弹性模量越大,无量纲承载力随着间隙比和轴承数的增加而增大的趋势就越明显;选择合适的结构和材料,可以得到较高的承载力,这将进一步扩大该轴承的应用范围.     

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。     

海水润滑滑靴副的仿生凹坑表面动压润滑性能仿真研究

为探寻仿生非光滑表面在高压海水轴向柱塞泵滑靴副上的应用效果,将不同形状凹坑布置在斜盘表面,采用CFD方法对非光滑表面滑靴副全水动压润滑模型进行数值模拟,通过分析水膜上表面的压力分布、凹坑纵截面的速度分布,探寻仿生凹坑的动压润滑机理及凹坑几何参数对承载特性的影响规律。研究结果表明:水膜上表面最大正静压位于凹坑前缘,最小负静压位于凹坑中心;最大动压位于凹坑上方,且随凹坑分布圆半径的增大而明显增大;总压承载力主要来自于动压的贡献,4种凹坑承载力由大到小依次为F球F圆柱F柱锥F圆锥;承载力随凹坑面积率的增大而增大,摩擦系数随凹坑面积率的增大而减小,且深径比越大,这种增大或减小的趋势越明显。     

应力偶对滑动轴承热流体动力学特性的影响

研究了应力偶对有限长滑动轴承热流体动力特性的影响。推出了基于应力偶流体模型的油膜能量方程 ,并与应力偶流体的 Reynolds方程、轴瓦热传导方程一起联立数值求解 ,得到油膜的压力分布 ,油膜及轴瓦的温度分布 ,比较了 Newton流体和应力偶流体对轴承压力分布、温度分布及轴承承载力所产生的不同影响。结果表明 :应力偶流体在明显增大油膜压力的同时 ,也使轴承最大温度略有升高     

气体动压径向轴承气膜压力分布数值模拟

以动压径向气体轴承为研究对象,采用有限差分法(FEM)离散求解非线性的、稳态的可压缩雷诺方程,用MATLAB软件编写了计算程序,用逐次超松弛迭代法(SOR)进行数值求解,得出空气轴承的气膜压力和气膜厚度分布。在此基础上,分别以气体轴承的半径间隙、工作转速、宽径比、偏心率等参数为影响因子,研究气体轴承的最大气膜压力随影响因子的变化关系。     

滑移楔流体动力学及其表面滑移特性优化

研究了具有滑移楔的滑块轴承的流体动压承载力．根据界面所受剪力的分布情况，优化固体表面滑移特性，表面滑移特性是几何位置的函数．提出了研究二维界面滑移问题的滑移本构方程的分段线性化方法，研究了有限长滑块轴承具有任意界面极限剪应力的二维界面滑移问题及其流体动力学效应．发现滑移楔的流体动力学效应要大于传统的几何收敛楔，甚至当几何间隙为平行间隙或发散间隙时，滑移楔仍然会产生很大的流体动压力．滑移楔可以产生的最大流体动压力是几何收敛楔能够产生的最大流体动压力的两倍以上，最大的达到2．5倍．界面滑移使得界面摩擦阻力减小．     

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。     

压力面侧小翼结构对凹槽叶顶冷却传热性能的影响

采用数值计算方法对带压力侧小翼凹槽叶顶附近的流动、传热和冷却特性进行了研究,计算获得了无气膜孔、单排气膜孔和双排气膜孔3种孔分布条件下叶顶区域的流场结构、传热系数和气膜冷却有效度,并与常规凹槽叶顶和无压力侧肩壁凹槽叶顶的冷却传热性能进行了比较。结果表明:与常规和无压力侧肩壁凹槽叶顶相比,带压力侧小翼凹槽叶顶具有更优的气动、传热和冷却性能;带压力侧小翼凹槽叶顶的总压损失与无压力侧肩壁凹槽叶顶的相近,比常规凹槽叶顶的低约10%;在3种孔分布条件下,带压力侧小翼凹槽叶顶的平均传热系数均最小,平均气膜冷却有效度最大。气膜孔分布影响了带压力侧小翼凹槽叶顶冷却流的作用范围,带压力侧小翼凹槽叶顶中弧线处的冷却流覆盖了凹槽底部吸力面侧区域,小翼处的冷却流能较好地冷却小翼和凹槽底部压力面侧区域。该结果可为增强凹槽叶顶的冷却传热性能提供参考。     

椭圆形截面织构的最优参数设计模型

为建立流体润滑状态下表面织构的最优参数设计模型,采用求解表面织构润滑计算模型的方法研究织构参数和工况参数对摩擦因数的影响规律.研究结果表明:最优织构直径越大,其对应的最优织构深度也越大;深径比参数不能作为织构尺寸参数对摩擦因数影响的唯一表征,即织构直径和深度2个参数应分别进行研究,但当深径比在0.005～0.01之间时,不论织构直径和深度如何,其对应的摩擦因数均较小;最优织构面积比与织构尺寸参数及工况参数无关;载荷越大,速度越小,对应的最优织构深度越小,而最优织构直径越大.在仿真结果的基础上,建立椭圆形截面织构的最优参数设计模型,并对模型进行试验验证和应用分析.