纤维材质对UHMWPE水润滑轴承复合材料摩擦学性能的影响

超高分子量聚乙烯(Ultra-high molecular weight polyethylene, UHMWPE)在水润滑轴承领域具有巨大的发展潜力,然而单一的UHMWPE难以满足水润滑轴承的耐磨性需求,尤其是在低速重载工况下.通过纤维改性的方法可以提高其摩擦学性能,但是纤维材质的不同特性对于复合材料摩擦学性能的影响存在差异.通过热压模具分别制备剑麻纤维(Sisal fiber,SF)、碳纤维(Carbon fiber,CF)和聚酯纤维(Polyester fiber,PETF)与UHMWPE混合的定向纤维复合材料,并与纯UHMWPE做对照试验.利用R-tec往复摩擦试验机模拟不同载荷(5和10 N)和不同速度(20、40和60 mm/s)下铜球与不同复合材料的摩擦过程,通过邵氏硬度和极限抗弯强度试验对复合材料力学性能进行表征测试,采用接触角测试复合材料的浸润性,试验结束后用扫描电子显微镜观察表面磨损形貌.结果表明:纤维的力学性能,尤其是硬度和抗弯强度是影响定向纤维复合材料摩擦学性能的关键因素,所添加纤维在复合材料中强有力的支撑作用使摩擦学性能显著提高,纤维的耐磨性和浸润性是次要因素.试验工况下,CF/UHMWPE摩擦系数最低,且在低速重载(载荷10 N,速度20 mm/s)时的摩擦系数与纯UHMWPE相比降低了36.92%;添加耐磨性强的PETF纤维后,复合材料磨损体积与纯UHMWPE相比降低了30.56%.

嵌入式水润滑轴承水膜压力无线传感监测方法

现有测试水润滑轴承特性重要表征参数水膜压力的诸多方法中,由于传感器距离真实测点较远或对轴系创伤较大等原因,导致准确的水膜压力实证数据难以获取,制约了轴承进一步研究与发展。针对上述难题,提出将薄膜传感器嵌入到轴承轴瓦中,而压力数据通过无线传感传输的全新监测方法。首先,建立轴瓦开槽轴承的物理模型,通过对沟槽附近轴瓦变形的有限元分析确定开槽位置、结构与数量;建立轴承流体域和固体域物理模型,对水膜压力分布进行仿真分析;然后,提出薄膜传感器标定方法对其准确标定;最后,进行多工况轴承水膜压力测试试验并与仿真结果和现有方法进行对比分析。研究结果表明,通过在轴承轴瓦开槽嵌入薄膜传感器并进行数据无线传输的方法可行,水膜压力实测数据与仿真结果偏差低于10%,比现有方法实测数据更精确。水膜压力沿轴向递减,轴承内部存在部分润滑膜,处于混合润滑状态。

水润滑轴承衬套装配间隙对轴系振动的影响

水润滑尾轴承通常安装在美人架和尾轴管中,轴承衬套的安装间隙大小直接影响到轴承刚度,从而对轴系振动产生影响,极大程度影响到舰船隐身性能。通过试验验证过盈配合和间隙配合2种安装结构的轴承在静载条件下的摩擦特性与振动特性。结果表明,2种安装间隙下的水润滑轴承的摩擦扭矩的变化趋势一致,均随载荷的增大而增大,随转速的升高而减小,间隙配合轴承的扭矩大于相同工况条件下过盈配合轴承的扭矩;在振动性能上,间隙配合轴承的振动幅值大于过盈配合的轴承,且相比于过盈配合轴承有更大机率出现高频特征频率。在相同工况条件下,过盈配合的轴承的摩擦特性和振动特性均优于间隙配合的轴承。

矩形沟槽结构参数对水润滑轴承润滑性能的影响

为了研究矩形沟槽结构参数对水润滑轴承弹流润滑性能的影响,建立水润滑轴承流固耦合(FSI)分析模型,采用有限元法,通过比对轴承周向水膜压力、最大水膜压力、摩擦系数、承载力、偏位角和轴承最大径向变形等参数,阐述了矩形沟槽结构参数对轴承润滑性能的变化规律。结果表明,沟槽宽度或深度越大的轴承,其承载性能越差。通过合理调整沟槽的宽深比,可以有效地改善轴承的润滑状态。在相同流水槽总断面积下,沟槽宽深比过大或过小均不是轴承弹流润滑的最好状态,沟槽宽度对轴承承载性能的影响要高于沟槽深度对轴承的影响。

水润滑轴承用聚合物复合材料的摩擦学研究进展

聚合物复合材料因其优异的自润滑、高化学稳定性和减振降噪等特性而备受关注。以水作为工作介质的水润滑轴承具有环境友好、维护成本低及结构设计简单等特点,已被广泛应用于船舶、水电和化工等领域。首先总结了水润滑轴承用聚合物复合材料特性,归纳了聚合物复合材料在水润滑条件下的摩擦学性能及磨损机制,介绍了提高聚合物复合材料摩擦学性能的常规方法,并进一步探讨了材料内部结构、摩擦界面微观结构与材料宏观摩擦学特性的内在关联。指出促进水润滑聚合物-金属配副摩擦界面原位生长固体润滑特性转移膜,可弥补水膜润滑能力不足、显著提高配副的摩擦学性能,深入研究水润滑状态下复合材料的微观摩擦磨损机制,对于理解水润滑配副的摩擦学机理有重要的意义。

基于电涡流传感器的水润滑轴承磨损监测系统

为了实时监测轴承磨损状态,保证舰船航行安全,设计一种基于电涡流传感器的水润滑轴承磨损监测系统。将电涡流传感器固定安装在导流罩上,静态获取尾轴停止时的下沉位移测量磨损量,动态测量尾轴转动时输出的正弦信号,通过软件法求解瞬时转速。对系统主要硬件进行设计和选型,确保其满足磨损监测的需要,同时对软件的工作流程和主要功能模块进行设计,完成监测系统的研发。经过试验测试验证,该系统各项功能符合预期目标,能够有效监测水润滑轴承磨损状态。研究成果对水润滑轴承的使用和维修具有指导意义和应用价值。

进水温度对水润滑轴承润滑特性的影响

为研究进水温度变化对水润滑轴承润滑特性的影响,采用有限差分法建立水润滑轴承弹流润滑模型,分析不同进水温度和载荷条件下水润滑轴承润滑特性的差异,并且通过试验验证摩擦因数的变化规律。研究发现:随着进水温度升高,轴承的水膜压力下降,但在水膜压力峰区域最大水膜压力升高、最小水膜厚度减小、偏心率增大,表明进水温度升高对润滑性能有着负面影响;在相同的载荷和转速下,轴承摩擦因数随着进水温度升高而下降,且高载荷下进水温度对摩擦因数的影响更大。通过试验发现进水温度越高对摩擦因数变化的影响越大,不同进水温度下载荷越低,载荷的变化对摩擦因数变化量的影响越大。

水润滑轴承超长时间磨损后特性变化研究

对水润滑轴承超长时间磨损后的特性变化进行研究,分析转速、载荷、运行时间对高分子复合材料水润滑轴承摩擦性能的影响规律。通过跑合、低速启停、低速连续运行、高速启停、高速连续运行等项目,累计运行时间达到600 h,分析超长运行时间对高分子复合材料水润滑轴承摩擦因数和磨损量的影响。研究发现:高分子复合材料水润滑轴承的摩擦因数随着运行时间的推移逐渐减小并趋于稳定;在初始试验阶段,水润滑轴承的磨损量逐渐增大,随着试验时长的延长,水润滑轴承的摩擦副得以充分磨合,磨损速率逐渐趋于稳定;超长磨损时间会引起高分子复合材料水润滑轴承摩擦因数的波动,并且会导致轴承磨损量逐渐增加,但在稳定磨损阶段,摩擦因数和磨损量趋于稳定。

水润滑轴承磨损寿命预测校正试验载荷的磁力模拟研究

为给屏蔽电机核主泵水润滑半尺寸轴承磨损寿命试验提供载荷环境,研制了一套轴向载荷磁力模拟装置,并研究该装置单独的磁力特性和磁液耦合下接口特性或服役性能。以磨损质量为寿命评估的关键参数,构建了核主泵水润滑轴承磨损寿命预测-校正试验方案,分析了该试验方案载荷需求。采用独立公理的设计思想,得到了静态加载和动态激振功能独立的电磁加载系统结构方案。对该方案单独的磁力特性进行仿真分析和试验验证,采用转子-轴承-加载装置系统动力学模型分析磁液复合特性。研究结果表明:该装置单独工作时可实现静态加载10t、脉冲以及谐波动态激振功能,供电电流相同时磁液复合作用下装置的磁力服役值小于非复合下的磁力值,磁液耦合效应应该作为电磁加载装置设计的重要考虑因素。

泵水润滑轴承-转子系统的动力学特性研究

针对当前泵水润滑轴承-转子系统模态分析与稳定性等动力学特性研究相对薄弱等问题,以设计的某高压多级泵为例,通过合理简化,建立研究该泵轴承-转子系统动力学特性的三维实体模型与数学模型;利用ANSYS进行的考虑惯性效应、不同角速度的多载荷模态分析生成了刚性支承坎贝尔图,计算得到了考虑陀螺效应的前4阶固有频率、3 000 r/min载荷下的正进动涡动转速(即临界转速);分析得出了系统在工作转速与非工作转速下的轴系不平衡响应曲线;恒定转速下突加激励时转子系统的瞬态特性分析表明,虽然突加激励力后转子系统会出现较大振动,但随后振幅逐渐减小并趋于稳定,说明该水润滑轴承-转子系统是稳定的刚性系统。

水润滑轴承研究进展

在船舶的推进系统中,以水替代矿物油作为工作介质的水润滑轴承具有节能环保、结构简单、维修方便等优点,已成为各国竞相研究的热点。概述水润滑轴承的研究现状,包括理论研究、结构设计、材料研究等,并总结各种水润滑轴承材料的性能特点;介绍赛龙、飞龙、尼龙和超高分子量聚乙烯几种新型水润滑轴承材料的优缺点;分析水润滑轴承目前存在的主要问题以及需要进一步研究的重点和目标。

水润滑轴承振动噪声分析及实验研究

建立低速重载条件下水润滑轴承有限元模型,应用Abaqus/Explicit模块分析不同摩擦系数、载荷、转速对水润滑轴承瞬态特性的影响规律,确定轴承的振动频率和振动加速度有效值,并进行实验验证.结果表明:摩擦系数越大,系统的振动幅值越高,振动噪声的分布越大,系统的稳定性越低,在一定范围内,随着载荷的增加,轴承系统的振动增大;转速对水润滑轴承振动频率的影响较小,但系统的振动加速度随着速度的增大而增大.有限元分析与实验结果基本吻合,为研究水润滑轴承的振动噪声机理提供理论依据.

非接触式电磁加载水润滑轴承监测系统

在水润滑轴承试验研究中,传统机械或液压等接触式加载方式存在振动、噪声、发热与摩擦磨损等问题,另外,监测系统特别是软件功能还不完善,影响轴系稳定运行与测试结果准确性。针对上述问题,设计了非接触式电磁加载装置(电磁加载力大小及角度均可调节),并基于LabVIEW开发了水润滑轴承监测系统;应用该系统对水润滑橡胶轴承进行水膜压力测试试验,并将试验结果与仿真结果进行对比,结果表明,系统运行稳定,测试数据可靠,实用效果良好。

CFD辅助船舶艉部水润滑轴承设计的研究

船舶艉轴系统多采用水润滑。利用CFD分析了水润滑下低速重载轴向半开槽轴承和轴向全开槽轴承在相同偏心率下轴承凹槽结构对轴承内部温度和承载能力的影响。结果表明:全开槽轴承温度较低,说明轴向凹槽对于轴承的冷却起着决定性的影响;下半部分光滑的半开槽轴承比全开槽轴承的负载能力大,半开槽轴承有一个连续的压力分布,允许水力膜产生连续的动压力,使得轴承的负载能力较高。通过利用CFD对水润滑轴承进行数值模拟,比较2种不同开槽轴承的润滑状态和水动力特性,为水润滑轴承的设计和选型提供了有参考价值的各种参数。

海水淡化高压泵水润滑轴承液膜压力分布

针对海水淡化高压多级泵水润滑轴承的可靠性论证研究和探究其液膜动力传递机理,并分析液膜压力分布及其影响因素,文中采用有限差分法数值求解二维定常雷诺方程将方程离散化处理,并且采用超松弛迭代法求解离散的线性方程组以达到加速收敛的目的,通过Matlab编程求得海水淡化泵水润滑轴承沿周向的水膜压力先增后减并呈现出非线性,而沿轴向则呈抛物线分布,并通过对轴承宽径比和偏心率参数方案的选择对比,研究其影响水润滑轴承的压力分布,结果显示水膜压力随轴承宽径比和偏心率的增大而增大.验证结果表明前期设计的水润滑轴承,能够保证水润滑轴承所起的安全润滑和支撑作用.

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.

改性UHMWPE水润滑轴承材料摩擦磨损性能研究

以超高分子量聚乙烯为基体,用纳米二硫化钼和氟橡胶对其进行改性,制备一种新型复合UHMWPE水润滑轴承材料。在轴系试验台SSB-100上,研究复合UHMWPE材料在不同转速下的摩擦磨损性能,并分析其磨损形貌。结果表明,采用纳米二硫化钼改性UHMWPE时并不能有效改善其摩擦性能;采用氟橡胶改性时UHMWPE复合材料的摩擦因数呈现整体下降、局部波动的趋势,并在氟橡胶质量分数为20%时摩擦因数最低;二硫化钼和氟橡胶协同改性UHMWPE材料的摩擦因数随着二硫化钼和氟橡胶含量的升高而逐渐下降,其中纳米二硫化钼质量分数为8%、氟橡胶质量分数为16%的材料摩擦性能和磨损性能都达到最优。

橡胶衬层硬度和厚度对水润滑轴承系统跳动量的影响

根据舰船推进装置对水润滑轴承系统的运行精度要求,通过建立水润滑橡胶轴承系统有限元接触模型,研究不同橡胶硬度、厚度对直槽和螺旋槽水润滑橡胶轴承系统跳动量的影响规律,提出水润滑轴承系统跳动量控制方法。研究结果表明,水润滑橡胶轴承系统跳动量随橡胶硬度增大而减小,随橡胶厚度增大而增大。当橡胶硬度在85～95Shore A时,轴承系统主轴跳动量较小。在保证沟槽尺寸的前提下,尽量设计成较薄的橡胶厚度。相比直槽结构,螺旋槽水润滑橡胶轴承系统跳动量更小。因此,科学合理地设计水润滑橡胶轴承橡胶衬层材料硬度和几何结构,能显著减小轴承系统的跳动量,提高运行精度。

海水淡化泵水润滑轴承试验测试与分析

为了研究不同转速下水润滑轴承动压润滑效果和系统稳定性,依据海水淡化泵的结构特点,设计了水润滑轴承试验台.基于试验对水润滑轴承周向压力分布及轴心轨迹进行监测分析,同时采用刚体求解方法对轴心涡动轨迹进行数值模拟计算,并将试验结果与数值模拟结果进行对比验证.结果表明:低转速时,楔形间隙内润滑介质水较少,水膜压力分布不连续且压力值较低,各监测点的压力曲线不稳定;随着转速的增大,润滑介质水增多,流体动压润滑效果增强,水膜承载效果增强,压力分布与压力曲线开始趋于稳定,表明整个轴承-转子系统开始趋于稳定;同时,随着转速的增大,液膜厚度增大,轴颈涡动振幅增大,涡动中心明显上移,试验实测结果与CFD模拟计算结果一致,验证了采用数值模拟来研究轴承-转子系统动力学特性有一定的借鉴和参考价值.

水润滑轴承-转子系统的瞬态响应特性

阶跃、脉冲等非周期载荷具有幅值突变、变化剧烈的特点,当它们作用于滑动轴承主轴时,轴心位置可能会发生突变,造成轴承润滑状况的突然变化.海水淡化泵机组在启动、停机和转速变化时,可能会承受不同的瞬变载荷,为研究该泵水润滑轴承在瞬变载荷作用下的润滑情况及动特性的变化,使用Pro/E三维造型软件建立水润滑轴承-转子系统的流固耦合模型,应用计算流体动力学(CFD)技术和流固耦合(FSI)方法,分别对水润滑轴承-转子系统施加阶跃载荷、矩形载荷和三角脉冲载荷,分析不同时刻下转子的弹性变形对水润滑轴承周向压力分布、水膜承载力以及轴心位置的影响.结果表明:在瞬变载荷作用时,轴心位置、水膜承载力和最大水膜压力都有较大的变化并呈现一定的振荡过程;由于脉冲载荷作用时间有限,随着其消失,轴心位置仍收敛于原来的平衡位置,而阶跃载荷则使轴心位置收敛于新的平衡位置.