楔形织构对流体动压润滑性能的影响

采用基于N-S方程的CFD方法对流体动压润滑状态下的表面织构进行数值模拟,分析了不同几何参数下楔形结构对表面织构动压性能的影响。结果表明:几何参数对织构的动压性能有着显著影响,对称及楔形收敛织构的动压性能随深度比的增大呈先增大后减小趋势,随面积率的增大而增大;而相反的楔形结构使织构表现出相反的动压性能,因此当深度比增大到一定程度后,楔形发散织构表现出较楔形收敛织构更优的动压性能。此外通过正交模拟得出,相同工况下,对织构动压性能影响的主次因素依次为表面形状>面积率>截面形状>深度比,对负压幅值影响的主次因素依次为深度比>截面形状>表面形状>面积率,为织构的设计优化提供参考。

表面织构对动压润滑的局部效应影响研究

在面接触副表面织构的研究中,需设置足够的节点密度以准确描述微织构的几何特征,当织构的几何尺度远小于面接触计算域时,节点数量过多给润滑全域的计算带来困难。为此提出了一种选取织构微单元近似求解的方法,在有限的节点数量下研究了微织构的局部润滑效应,算例表明:与无织构表面相比,凸起织构表面使膜厚减小,承载量增大10.8%;凹陷织构表面使膜厚增大,承载量减小18.5%。承载量随凹陷深度的增加而减小,随凸起高度的增加而增大,凹陷几何形状对承载量的影响不显著。在面积比相同条件下,圆形、方形复合织构和圆形凸起与圆形凹陷复合织构的承载量可大于单一织构的承载量。

磁流体动压润滑非接触式机械密封中的磁场分析

为研究磁流体润滑非接触式机械密封的磁场特性,运用Ansoft Maxwell数值模拟磁流体膜和密封环组成的密封系统的磁场强度和磁感应强度,分析磁流体膜厚和电流强度对磁场强度和磁感应强度的影响,用最小二乘法拟合磁流体膜的磁感应强度和电流强度的关系式。结果表明:磁感线在密封系统中形成了完整的“O”形回路,磁流体膜中的磁场强度最大,磁感线在磁流体膜中分布均匀,且垂直穿过磁流体膜;当电流强度恒定时,磁流体膜中的磁感应强度和磁场强度沿厚度方向可视为常数;随着电流强度的增加,磁流体膜的磁感应强度和磁场强度均增加。

有机无灰减摩剂对流体动压润滑减摩性能影响机制

有机无灰减摩剂能减低流体动压润滑摩擦因数,对提升流体动压润滑性能提供了新思路。采用单油酸甘油酯、油酸、季戊四醇四异硬脂酸酯、司盘80作为有机无灰减摩剂,以质量分数5%与PAO 5基础油进行调和,制备4种不同润滑油样,采用流体动压润滑试验机对比其摩擦学性能。试验结果表明,有机无灰减摩剂在边界润滑和混合润滑中均具有一定减摩效果,在流体动压润滑下减摩效果更明显。其中,含质量分数5%季戊四醇四异硬脂酸酯的油样具有最佳的减摩作用,其在流体动压润滑状态下可使基础油的摩擦因数降低19.6%。分子动力学模拟结果显示,有机无灰减摩剂在摩擦表面产生滑移现象,减少了分子间碳链的相互缠绕,进而降低流体动压润滑下的摩擦因数。

压裂泵滑动轴承流体动压润滑性能研究

压裂泵的十字头滑履与导板间隙、供油流量和油压等关键参数,目前主要通过工程经验进行调节,缺乏科学依据,易致导板磨损和烧瓦,严重影响压裂泵服役寿命。针对以上问题,建立3500HP压裂泵的轴瓦、轴承间隙及润滑油组成的流体力学系统,利用计算流体力学软件Fluent进行滑动轴承的流场分析,考察润滑油黏度、轴瓦间隙、润滑流量、润滑油压对压裂泵用滑动轴承的影响。结果表明:随着滑履与导板间隙的减小,导板的形变与应力会增大,最优导板间隙为0.5 mm左右;增大供油流量会使导板的形变与应力降低,供油流量最好不低于2.2 L/min;增大供油黏度会使导板的形变与应力变大,在0.2~0.4 Pa·s范围内供油黏度越小越好;随着供油油压的增大,导板的形变与应力增加显著,当油压大于4 MPa时,导板的应变与应力呈现指数级增大,当供油油压为3 MPa时,导板的形变与应力达到最小值。

表面织构流体动压润滑性能的研究进展

表面织构技术是指通过一定的加工技术在摩擦副表面加工制备出具有一定尺寸、形状和排列的微观结构的技术,是改善摩擦副摩擦学性能的有效手段.合理的表面织构设计可以显著改善机械零件表面的摩擦学性能,流体润滑条件下的表面织构优化设计是目前国内外研究的重点.文中在分析当前表面织构技术发展现状的基础上,较详细地论述了表面织构的形态特征及作用机制,讨论了表面织构形状和方向、表面织构分布、表面织构参数、表面粗糙度、速度和载荷等因素对织构化表面流体动压润滑性能的影响,总结了表面织构流体润滑理论的研究现状,并指出了当前表面织构化存在的问题和发展方向.

多圆弧与三角形复合织构表面的动压润滑性能

合理的表面织构能有效地改善摩擦副的动压润滑性能.建立了由多圆弧及三角形复合构成的织构表面的几何模型及流体力学控制方程;应用基于N-S方程的CFD软件FLUENT,对该复合织构表面的动压润滑性能进行数值分析.结果表明,复合织构表面的压力分布更加合理,举升力明显大于两种单一织构表面产生的举升力之和,即复合织构表面动压润滑效果更好.

基于CFD活塞环表面凹腔微造型动压润滑性能研究

采用基于N-S方程的CFD方法,将缸套-活塞环摩擦副简化为平面滑动摩擦副,忽略次要因素建立三维表面凹腔微造型动压润滑模型,分析凹腔面积占有率、凹腔深度、凹腔半径变化分别对举升力的影响。研究表明:平面滑动摩擦副表面凹腔微造型可以产生动压润滑效应;当面积占有率为12%～20%,凹腔深度为5～10μm,凹腔半径为90～120μm时动压润滑性能较好。

表面凹槽对流体动压润滑油膜厚度的影响

利用自行研发的面接触光干涉油膜厚度测量系统,对表面凹槽滑块的流体动压润滑油膜厚度进行了试验测量,试验中以静止的微型凹槽滑块平面和旋转的光学透明圆盘平面构成润滑副,且两润滑平面始终保持平行;在固定的载荷(速度)条件下,对油膜厚度-速度(载荷)曲线进行测量.结果表明:凹槽的宽度,深度,方向和位置等因素对油膜厚度有着重要影响.同时采用经典Reynolds方程对油膜厚度进行了理论计算,结果表明理论值在某些条件下并不能解释试验结果.

三用阀阀芯微造型的动压润滑性能

以煤矿三用阀中的安全阀阀芯的密封面为研究对象,通过在阀芯表面开设微造型以改善其润滑及抗磨损性能。建立阀芯微造型的数学模型,采用基于N-S方程的计算流体力学方法对微造型区域进行流场分析。通过得到不同结构参数及速度参数下的阀芯表面压力分布曲线及阀芯承载力曲线,探究在阀芯表面开设微造型对改善其动压润滑性能的影响效果。分析结果表明:在水压三用阀阀芯表面开设的微造型能产生良好的动压润滑效果;动压润滑性能随壁面间隙的增大,先略有下降然后再逐渐增强;随微造型深度的加深,先提高而后再逐渐下降;而不断增大微造型半径及壁面移动速度均能使动压润滑性能不断提升。

不同织构表面的动压润滑性能研究

采用基于N-S方程的CFD方法,研究矩形、斜面台阶形、圆弧形、三角形、多圆弧形以及正弦形织构表面的动压润滑性能。研究表明,在一定润滑条件下,不同类型的织构表面的动压润滑性能存在一定差异,在较低雷诺数下,斜面台阶形织构表面动压润滑性能较差,其他五种类型比较接近,在较高雷诺数下,多圆弧形织构表面动压润滑性能好于其他类型。

基于N-S方程的微造型表面动压润滑性能的分析研究

根据微造型的几何模型特点,基于N-S方程研究了微造型表面的动压润滑性能,并与基于雷诺方程求解的微造型表面的动压润滑性能进行了比较。结果表明:合适的微造型可以产生动压效果;通过比较N-S方程和雷诺方程求解动压润滑的差异,发现惯性力将对微造型的动压效果产生显著的影响,在微造型表面惯性力的影响是不可以忽略的;微造型的几何参数对润滑性能存在着很大的影响。

人字槽径向气体动压润滑轴承特性分析

建立人字槽径向气体动压润滑轴承的数学模型,采用局部积分有限差分法在不连续求解域内推导出气体润滑Reynolds方程的差分形式,通过求解获得轴承间隙内的气膜厚度、气膜压力、轴承承载力等状态特性,并分析径向间隙、螺旋角、槽深比、槽宽比和槽数等轴承几何结构参数以及转速等工况条件变化对轴承承载能力的影响规律。结果表明:人字槽轴承的压力在圆周方向呈锯齿形分布,人字形压力带环抱在轴颈上,使轴承在各个方向上均能承载,从而提高了轴承的抗振性和平稳性;增大偏心率,减小气膜间隙,增大螺旋角,减小槽深,增加槽宽比,适当增加槽数,均可提高轴承承载力;人字槽结构能够更好地实现气体动压润滑轴承动压效应,提高了轴承的承载能力和稳定性能。

止推轴承流体动压润滑失效分析

指出了经典润滑理论无法预测实际止推轴承所存在的润滑失效现象。给出了润滑失效分析的基本理论。讨论了温度引起的润滑失效机理、热流体本构方程和临界膜厚，给出了润滑失效分析理论与试验及其他理论的对比。在此基础上对国内的部分止推轴承和三峡水电站机组止推轴承的设计方案进行了润滑失效分析。

放电沉积凸貌微织构表面动压润滑性能仿真研究

目的提出一种表面凸貌微织构的快速制造方法,并对其表面动压润滑性能及减摩机制进行研究。方法利用高低压复合放电沉积加工技术实现气体介质中金属或半导体材料表面凸貌微织构的制备。高压脉冲电压实现两极间介质的电离度,低压直流放电实现电极材料蚀除,并沉积在工件表现形成微织构。通过控制工具电极直径,可获得直径410μm、高12μm尺度的凸貌微织构。利用FLUENT软件,对该方法所获的凸貌微织构表面动压润滑性能进行仿真,研究了不同高度、直径、面积比下,表面微织构对润滑性能的影响规律。结果织构面积比和动压润滑性能成正比关系:随着面积比增大,织构上表面平均压力增大。油膜上表面平均压力在高度为7μm、直径为500μm、面积比为60%、对摩速度0.5m/s时,达到最大值1.21×10^4Pa。动压润滑性能随单个凸貌微织构高度的增加,先增大后减小,并在7μm时达到最大。织构直径对润滑性能影响明显,仿真结果表明,在一定条件下,加大织构直径可提高油膜上表面平均压力。结论凸貌微织构采用增材制造方法,减小了传统去除材料的织构制造方法导致的对材料强度的影响。该方法工艺简单,成本低,不需辅助其他加工条件。表面凸貌微织构的存在使两接触表面的间距减小,形成收敛楔,从而形成动压,使润滑膜产生动压承载力,改善了摩擦学性能。对凸貌微织构的结构参数(面积比、微织构高度、直径)进行仿真分析,获得了织构结构参数对动压润滑特性的影响规律,为后续研究提供了理论支持。

Reynolds方程在纹理表面动压润滑计算中的有效性评价

从理论上阐述了纹理表面动压润滑计算中决定Reynolds方程有效性的两个关键因素为油膜厚度与纹理特征长度的比值h/L和缩减的雷诺数re;只有当h/L和re同时趋近于零时Reynolds方程才能够获得准确的结果,并由此在h/L-Re平面上标注了Reynolds方程的适用范围.继而以二维矩形沟槽为实例,采用数值方法计算了h/L和re对Reynolds方程误差的影响规律;分析了Reynolds方程在不同条件下的失效机制;分析了矩形沟槽纹理表面Reynolds方程有效性的评价标准:当缩减的雷诺数re小于0.20,并且h/L小于0.015时能够保证Reynolds方程的误差在10%以下.

高转速行星齿轮止推垫圈流体动压润滑特性

以直齿行星排的行星轮止推垫圈为对象,为了减小其与行星齿轮之间因轴向力而导致的磨损,通过对止推垫圈加工径向沟槽的方法,对其进行流体动压润滑设计,使止推垫圈与行星轮间有相对运动时产生流体动压承载力,从而使两者之间实现非接触而减小磨损.因结构的对称性,允许正反向旋转且加工容易而选择径向直线矩形槽.建立了定常雷诺方程的模型,应用有限体积法对其进行离散求解.分析了槽数、槽宽比、槽深和径向宽度等结构参数对垫圈流体动压力承载性能、润滑油流量和温升的影响规律.考虑到工程应用,着重对较少油槽数量(2～12)情况下的润滑特性进行了分析.结果表明:槽数约为20时,油膜具备最大的承载力;油槽数量介于10～60时具备较大的承载力;槽区角度与周期槽角度之比约为0.5时具有最佳承载力,径向宽度越大则承载力越大;槽数越多、槽深越大、径向宽度越大,流量越大,反之减小;槽宽比增大能使流量减小;降低润滑油温升的措施为增加垫圈槽数、增大径向宽度,使槽深处于10～40μm.

正弦波粗糙度对织构表面动压润滑的影响

为研究动压润滑状态下粗糙度对织构的影响,建立正弦波粗糙度对织构化表面影响的动压润滑理论模型,并采用有限差分法对模型进行求解,分析正弦波粗糙度幅值、波长和分布方式对织构滑移表面油膜压力分布、承载力和摩擦因数的影响。数值计算结果表明:垂直分布粗糙度对表面综合性能的提高优于平行分布粗糙度,有利于提高表面的承载能力及降低摩擦因数;粗糙度波长及幅值对动压性能的影响则与织构深度和粗糙度的分布方式有很大关系。

流体动压润滑推力轴承动特性的研究

文中讨论了推力轴承动特性研究中的几个问题．首先给出单推力瓦动特性系数的定义，接着利用坐标变换原理，提出推力轴承动特性系数的求解方法，最后给出一种加快计算速度的方法，从而使推力轴承动特性系数的计算既具有理论上的严谨性又不失实用性．对固定瓦推力轴承的动特性进行了研究，结果表明推力盘的静态倾斜对推力轴承的动特性产生显著的影响．文中的工作可以进一步推广至可倾瓦推力轴承动特性的研究，并可用于推力轴承一转子系统耦合动力学分析．

不同类型织构的动压润滑性能评价方法及实验验证

基于雷诺方程建立牛顿流体润滑条件下单一织构表面动压润滑理论模型,求解不同类型织构表面动压润滑性能,计算织构表面偏态和峰值,从偏态和峰值角度分析织构类型对动压润滑性能的影响;开展压裂泵模拟工况下柱塞-密封橡胶摩擦副单元摩擦学实验,研究不同织构类型对柱塞密封副摩擦磨损性能的影响。实验结果验证基于偏态和峰值分析织构类型对动压润滑性能影响的合理性。仿真结果表明,相同条件下,对于不同类型表面织构,表面偏态越小、峰值越大,其动压润滑性能越好;研究的3种织构中,圆形织构表面动压润滑性能最优,其次分别为椭圆织构表面和条形织构表面。与仿真结果类似,实验研究表明,圆形织构润滑减磨性能最优,其次为椭圆织构、条形织构。