粗糙度和轴向运动对艉轴承混合润滑性能的影响

针对大型船舶航行过程中出现船体变形时艉轴承的磨损状态异常这一问题,本文探究磨损表面粗糙度变化和轴向运动对于艉轴承混合润滑性能的影响,建立了耦合轴向运动和表面粗糙度的混合润滑模型,通过数值模拟得到轴承润滑特征的分布,分析轴向运动和粗糙度对轴承混合润滑特性的影响,并对该润滑模型进行验证。计算结果表明:在轴向运动和轴颈倾斜耦合作用下,油膜厚度沿轴向方向非线性减小,油膜压力和接触压力在局部出现峰值,轴瓦在局部出现较大变形;轴向速度增加会加强动压润滑效应,轴向运动对润滑特性的影响程度随着倾角的增大而增加;粗糙度越大承载能力越强,同时接触情况越严重,会加速轴承的局部磨损。

混合润滑状态下非高斯表面法向接触刚度研究

为了揭示混合润滑状态下表面形貌特征对接触特性的影响,针对微凸体高度非高斯分布粗糙表面在法向静载荷作用下的固-液接触问题展开研究。固-液接触结合面包括微凸体的固体接触和润滑介质的流体接触。对于固体接触部分,基于弹塑性固体力学对非高斯等效粗糙表面接触展开接触特性分析,建立了考虑微凸体弹塑性变形的非高斯粗糙表面法向接触刚度计算模型;对于流体接触部分,提出了一种考虑微凸体峰度/偏度分布影响的密闭油坑接触模型。通过仿真分析,揭示了法向压力、非高斯表面粗糙度参数及润滑油黏度系数对混合润滑固-液结合面法向接触刚度的影响规律,并对比分析了无润滑介质的固-固结合面和存在润滑介质时的固-液结合面法向接触刚度。研究表明:固-液和固-固结合面法向接触刚度均随着法向载荷的增大呈非线性增大,且固-液结合面相对固-固结合面的接触刚度略大;润滑介质黏度越大,接触刚度越大;非高斯分布的峰度和偏度对混合润滑结合面接触刚度具有显著影响,相对于零偏度分布的高斯分布表面,呈负偏度分布的非高斯表面通常具有较大的接触刚度;在轻载时,峰度对接触刚度的影响不容忽视。因此,通过改变接触表面峰度/偏度、增大法向载荷、提高润滑介质黏度,可有效改善混合润滑状态固-液结合面法向接触刚度。

低速柴油机主轴承热弹流混合润滑与磨损耦合特性研究

为探究低速机主轴承在重载工况下润滑性能及其与磨损的相互作用机制,基于微凸体微观接触及疲劳损伤机理构建轴承材料磨损模型,并结合混合热弹流润滑理论,建立主轴承混合热弹流润滑与磨损耦合分析模型,据此探究发火时刻特定承载下的主轴承磨损分布与演变规律,以及磨损对油膜压力、油膜厚度及粗糙接触压力等润滑特性参数的影响,获取载荷、半径间隙、微凸体摩擦系数和转速等参数对主轴承磨损特性的影响规律。研究表明:随着磨损时间增加,磨损区域从承载区中心沿轴承周向增大,接触压力减小,最小油膜厚度增大;半径间隙及微凸体摩擦系数增大、转速降低都会加剧主轴承磨损。

基于热混合润滑的钢/橡胶接触表面水润滑增强调控

目的增强钢/橡胶摩擦副的润滑性能,为提高混合润滑状态下水润滑轴承的性能提供参考。方法建立水润滑条件下钢/橡胶摩擦副的热混合润滑模型,讨论热效应对润滑性能的影响,并在此基础上进一步研究表面粗糙度、水基润滑剂黏度和供水压力对水润滑增强调控的作用。结果与等温解相比,热效应使Stribeck曲线发生了右移,摩擦因数和载荷比增大,膜厚比降低。最高水膜温度随着转速的增加而升高,热效应对混合润滑性能的影响显著。减小摩擦副表面粗糙度,Stribeck曲线向左移动。在相同转速下,载荷比随着表面粗糙度的减小而降低,膜厚比反之。表面粗糙度越大,水膜温度越高,最高温度位于出口区,且钢的表面温度低于水膜和橡胶的表面温度。当水基润滑剂的黏度增大时,膜厚比增大,载荷比和最高水膜温度降低,Stribeck曲线发生左移。增加供水压力可以改善水膜压力分布,使水膜承载区增大、压力减小,粗糙峰接触压力和承载区减小,导致载荷比减小、膜厚比增加,Stribeck曲线向左偏移,水膜最高温度降低。当接触区由边界润滑向混合润滑过渡时,水膜最高温度出现拐点,且水膜最高温度拐点随着供水压力的增加而左移。结论热效应会降低摩擦副的混合润滑性能,因此在混合润滑中不能忽略。考虑热效应时,通过减小表面粗糙度,或增加水基润滑剂黏度和供水压力,均有利于增强钢/橡胶接触表面水润滑的混合润滑性能。

混合润滑状态下织构对结合面接触刚度的影响

针对润滑条件下包含织构形貌的结合面接触特性提出一种基于分形接触理论的结合面接触刚度模型。首先,结合三维W-M函数建立圆形凹坑织构数学表达式,对带有织构的粗糙表面进行表征;其次,基于赫兹理论和分形理论得出单微凸体不同变形阶段的接触载荷和刚度;在此基础上,结合织构密度表达式和面积分布函数得出整个结合面的接触载荷和刚度;然后根据固体弹性接触部分接触刚度所得的等效厚度来分析结合面液体接触刚度;最后,运用数学仿真软件对固、液两部分耦合得出的理论模型进行验证。结果表明,混合润滑状态下的固、液两部分接触刚度均受到分形参数的影响,且随着织构密度的增大而减小,但其增速会随着织构密度的增大而变缓。

低速工况下水润滑轴承材料的混合润滑性能

材料对水润滑轴承润滑性能影响较大,为合理选取轴承材料,建立了考虑不同材料的水润滑轴承混合润滑模型,研究了NBR,PTFE和Thordon的润滑性能。结果表明:Thordon的摩擦系数最小,膜厚比最大,从混合润滑变为流体润滑所需的转速最低;混合润滑阶段,两接触副表面接触摩擦严重,不同材料的摩擦系数及温升差别较大;流体润滑阶段,各材料间的摩擦系数及温升差别较小;低速工况下,表面粗糙度越大,不同材料间的摩擦系数和温升差别越大;表面粗糙度形貌参数越大,各材料的摩擦系数越大,水膜越薄,最高水膜温度越高;相同工况下,表面粗糙度及其形貌参数对Thordon的影响最小,对NBR的影响最大。

旋转轴唇形密封混合润滑理论模型和试验验证

基于旋转轴唇形密封的反向泵送机理,采用流量因子统计学方法同时考虑密封唇表面粗糙峰接触的影响进行唇封性能的理论分析,建立唇封的混合润滑模型,模型耦合考虑流体力学分析,粗糙峰接触力学分析以及变形分析。求解雷诺方程得出油膜压力和切应力,利用GREENWOOD-WILLIAMSON接触模型计算粗糙峰与轴之间的接触压力,采用影响系数法进行变形分析。基于所建立的混合润滑模型,结合一种典型的唇封结构,对评价唇封性能的泵送率和摩擦扭矩进行数值计算,并通过自主研制的台架试验验证了唇封混合润滑模型的正确性。由于表面粗糙峰是导致旋转轴唇形密封产生泵送效果的原因,利用验证的理论模型对粗糙度对泵送率、摩擦扭矩和接触面积的影响进行分析。

船舶柴油机主轴承热弹性流体动力混合润滑分析

基于质量守恒边界条件的广义Reynolds方程和Greenwood/Tripp接触理论,计入温度、压力对润滑油黏度、密度和轴瓦变形的影响,对船用柴油机主轴承的混合润滑进行了数值分析.其中Reynolds方程用有限体积法求解,油膜能量方程、轴瓦热传导方程和轴颈温度方程等用有限差分法求解,轴瓦变形用有限元法求解.结果表明:周期内发生混合润滑的时刻较为普遍,微凸峰接触影响不可忽略;端泄能量散失占到总能量散失的80%,油膜出口温度作为监控轴承润滑的重要参数比较适宜;引入填充比,结合轴颈中心轨迹和油膜压力梯度变化,能够更加准确地预测轴承的穴蚀发生;8个轴承基本满足设计要求,但4#轴承、7#轴承需要进一步优化.

活塞销轴承混合润滑特性研究

基于弹流润滑理论、平均流量模型及微凸峰接触理论,对发动机活塞销轴承的混合润滑进行了研究。首先,将活塞销孔轴承与活塞销及连杆小头轴承作为一个系统,利用四阶的龙格库塔方法求解了活塞销在流体润滑状态下的转动速度。结果表明:采用此方法得到的活塞销转动速度变化规律与采用谱分析方法所得到的结果十分接近。其次,数值求解了考虑弹性变形时油膜压力分布和微凸峰接触压力的分布,考察了不同发动机转速对活塞销轴承最小膜厚比和摩擦力大小的影响。结果表明:活塞销轴承从发动机工作循环压缩冲程后半段到排气冲程的前半段时间内,处于混合润滑状态;随着发动机从低转速到高转速的过程中,活塞销轴承所受的摩擦力开始逐渐减小,当发动机的转速增加到某一临界转速后,活塞销轴承所受的摩擦力反而明显增加;在考虑活塞销轴承的弹性变形之后,接触压力的分布沿轴向发生了变化,且呈现中间小两边大的形态,与实际发动机活塞销轴承的破坏规律相符。

粗糙度纹理对有限长线接触混合润滑影响

采用统一Reynolds方程建立有限长线接触混合润滑模型,研究横向、纵向和二维规则表面粗糙度的波长、幅值及工况变化对润滑影响.结果表明:波长、幅值与工况对三种表面粗糙度接触副的润滑影响类似;随着载荷增大,平均膜厚降低,摩擦系数、接触载荷比与接触面积比均增大;随着转速升高,平均膜厚增大,摩擦系数、接触载荷比与面积比均降低,其中摩擦系数随转速进一步增大而小幅升高.在润滑状态转换区域润滑特征参数变化显著,而其他润滑区域变化平缓.沿卷吸速度方向的压力与膜厚波动分布存在相位差,垂直方向则同相位;相同的工况和粗糙度参数时,纵向粗糙度分布更有利于接触润滑.

纳米级混合润滑研究

混合润滑是机械中广泛存在的润滑状态。从试验方面研究了由接触、边界润滑和薄膜润滑组成的点接触区混合润滑状态的特性,提出使用动态接触率来描述混合润滑状态,并研究了各种参数对动态接触率的影响。结果表明,在混合润滑状态下,动态接触率与接触中心平均膜厚成指数函数关系。速度和粘度的增大会减小动态接触率,载荷的增加则会增大接触率,极性添加剂分子的使用会减小实际粗糙峰之间的接触,从而降低动态接触率。另外,低速下,综合粗糙度小的摩擦副表面的接触率要大于粗糙度大的表面的接触率;随着卷吸速度的提高,粗糙度小的表面的动态接触率小于粗糙度大的表面的动态接触率。

基于机体与曲轴耦合下的船舶柴油机主轴承热弹性流体动力混合润滑特性

运用CMS模态综合法建立柔性曲轴和柔性整机体模型,基于Greenwood/Tripp微凸峰接触理论和质量守恒边界条件的广义Reynolds方程,建立了二者耦合下的船用柴油机主轴承的热弹性流体动力混合润滑模型,并经试验间接验证。同时计算表明:周期内发生混合润滑为常态,完全液动润滑为瞬态;只有空穴、轴颈向心/离心运动、油膜压力突变同时存在时空穴才极有可能发生;因端泄能量散失占总能量散失的80%多,油膜出口温度可作为监控轴承润滑的重要参数;8个轴承基本满足润滑设计要求,但有2个轴承工况相对较差,亟须优化。

基于混合润滑理论的航空作动器密封性能分析

针对航空作动器不同压力、温度以及作动速度的工作环境,以Trelleborg公司Turcon VL密封为代表,利用混合润滑理论对其性能进行分析,揭示机载工况对航空作动器密封性能的影响规律。建立了基于混合润滑理论的宏观与微观多场耦合模型,包括:考虑空化及流动因子的Reynolds方程油膜模型、Greenwood-Williamson(G-W)的微观接触模型以及Fourier的传热模型。通过有限体积法求解,分析不同压力下宏观接触压力、微观接触压力以及油膜压力分布特点。研究结果表明:随流体压力增大,泄漏量与摩擦力都近似线性增大;在25℃时无泄漏,而温度升高至135℃时产生少许泄漏;随作动速度增大,摩擦力减小但泄漏量增大。

低液气比混合润滑下的动压密封性能分析

针对小液滴均匀分布在气相中的两相润滑状态下的密封工况,建立气液混合物理模型,推导气液两相混合流体的等效黏度,建立气液混合润滑动压密封端面间的气液混合润滑Reynolds方程。利用MATLAB软件编写有限元程序求解气液混合润滑Reynolds方程,得到动压密封端面间气液混合流体的压力分布及密封性能参数,并分析在操作工况一定时,液气比对密封性能的影响。分析结果表明:在相同的膜厚下,液滴增强了端面流体动压效应;动压密封在运转过程中,端面密封间隙、摩擦功耗和质量泄漏率随液气比的增加而增加,体积泄漏率随液气比的增加而减少,而刚度随液气比的增加先增加后降低,存在最大值。

考虑基体变形的混合润滑结合面接触特性

为研究混合润滑状态下粗糙表面基体变形对结合面接触特性的影响,建立了考虑基体变形的结合面接触刚度模型。首先,通过单微凸体-基体系统模型分别求解微凸体和基体的接触刚度,利用不动点迭代法获得微凸体真实变形量;其次,基于分形理论建立结合面固体接触刚度模型,通过固体接触刚度获得液体介质的接触刚度。根据仿真结果分析了基体变形、粗糙表面形貌以及润滑介质对结合面接触特性的影响规律。结果表明:当真实接触面积一定时,通过新模型计算的法向载荷小于忽略基体变形的模型;在接触前期,结合面的接触刚度主要由液体介质接触刚度主导,随着真实接触面积的增加,液体接触刚度占总刚度的比率越来越小,最后转变为固体的接触刚度主导结合面的接触刚度。该模型为研究混合润滑状态下结合面的接触特性提供了理论基础。

考虑轴挠曲的船舶艉轴承混合润滑分析

为准确描述船舶艉轴承的润滑状态,建立了船舶艉轴承考虑表面粗糙度的混合润滑模型,利用位移叠加法计算了轴在螺旋桨重力及油膜力、微凸体接触力共同作用下的挠曲,同时分析了定载荷下,艉轴挠曲、微凸体接触力、摩擦系数随转速的变化规律;采用轴承设计参数对该混合润滑模型进行了验证.计算结果表明,艉轴挠曲使润滑油膜压力的分布发生变化,也使得混合润滑状态覆盖的转速区域变大,并通过Streibeck曲线分析了挠曲对摩擦系数的影响.

考虑粗糙峰弹塑性变形和润滑油性质的有限长线接触副混合润滑模型

基于载荷分享机制和考虑粗糙表面接触变形的统计学模型,建立了耦合粗糙峰接触弹塑性变形与边界膜摩擦化学效应的有限长线接触热弹流混合润滑模型,通过与无限长线接触混合润滑模型的分析结果、有限长线接触光弹流润滑实验以及双圆盘实验结果的对比,验证了所建模型的可靠性,并探讨了表面粗糙度和润滑油性质对接触副润滑性能的影响.结果表明,降低表面粗糙度可以改善润滑状态,从而提高有限长线接触副的极限承载力.

RV减速器主支撑角接触球轴承混合润滑分析

针对RV减速器角接触球轴承承受预紧力、轴向力和径向力等联合外载荷作用的工况,分析得出了内、外圈滚道接触界面的接触区几何参数和接触载荷.在此基础上,综合考虑了角接触球轴承的接触区宏观几何、接触载荷、真实表面粗糙度、瞬态效应等因素,建立了角接触球轴承混合润滑数学模型,分析了在不同工况下角接触轴承的润滑状况及表面以下应力分布.结果表明:随着载荷的不断增加,钢球与内圈沟道之间的油膜厚度会不断减少,导致干接触面积迅速扩大,接触点表面以下最大应力增大;转速的增加会使油膜变厚,干接触面积缩小.该结果对角接触球轴承的实际工程应用具有重要借鉴意义.

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.

基于混合润滑数值模型的油封结构优化

利用基于流量因子统计学方法的油封混合润滑数值仿真模型,以反向泵送率和摩擦力矩为优化目标,按照正交设计法制定5个密封结构参数的25组数值实验规划,系统地研究密封结构参数对反向泵送率和摩擦力矩的影响规律。在正交实验中5个密封结构参数定义为5个控制因素,每个因素有5个水平。通过每个结构参数对优化目标影响程度的分析,确定各参数的影响程度顺序,并利用各参数最优值提出了5个参数的最佳组合。在此基础上对油封结构进行优化设计,并通过与现有产品的对比,验证优化设计的有效性。