考虑界面滑移及局部紊流的船用艉轴承润滑特性研究

船用艉轴承常用高分子材料作为工作表面,润滑油在其与高分子材料的界面处具有极限剪应力,因此在高剪切工况下易发生界面滑移。同时,大型重载艉轴承偏心率较大,最大膜厚往往远大于最小膜厚,膜厚较大的区域可能发生局部紊流。为研究界面滑移和紊流对轴承性能的影响,本文提出一种考虑界面滑移和紊流的轴承分析模型,建立数值仿真流程,在此基础上分析界面滑移、局部紊流及两因素的耦合对轴承性能的影响。分析结果表明:界面滑移会降低轴承承载能力,减小最小膜厚,同时减小摩擦力;局部紊流则会提高液膜承载能力,增大其最小液膜厚度及摩擦系数;综合考虑两因素影响时,低速下界面滑移的影响占主导,随着转速升高,局部紊流对液膜厚度及摩擦系数的增大作用逐渐增强,逐步抵消界面滑移引起的液膜厚度及摩擦系数的减小。

径向滑动轴承区域性流态模型研究

轴承流态有单一流态和层紊流共存2种流态处理方式,相应算法结果有差别,对于重载和低黏介质的液膜这种差别较大。以重载油轴承和水润滑轴承为例,研究流态的区域性和计算方法。基于流态局域观点研究局部稳定性并探索算法构造,该算法不采用传统雷诺数概念和准则,而是寻求含服役状态参数的广义雷诺判据。基于该观点和相应算法,得到重载和低黏介质下的典型区域特征,即最小膜厚为中心的某一区域为层流区,其余为紊流区;所构造算法及含服役状态参数的广义雷诺判据中的待定参数可由现有模型估算或通过新实验获取,该判据的退化形式即为雷诺数判据;以某核电重载轴承为例,对全层流、全紊流、区域性流态三种模型下的性能数据进行特征分析,从数据特征角度对区域性思想及算法进行验证。

径向滑动轴承变形与润滑耦合设计的双间隙协调法

以重载油轴承和水润滑轴承为背景研究瓦面变形的区域性和润滑计算方法,对变形区用双间隙函数来表征,相应变形和润滑算法与无变形函数假设下的结果基本一致。针对热粘弹算法复杂、工程应用困难的问题,提出并构造了一种计入瓦块变形的轴承双间隙表征方法,该方法依据瓦体变形大小将轴承间隙划分为变形区和非变形区的两段圆弧,并以最小膜厚为等效目标构造轴承的等效双间隙,进而达到运用经典润滑理论及成熟计算方法解决重载轴承瓦体变形与润滑的耦合设计问题的目的。以某大型(直径800mm)重载(135t)轴承为案例进行多方法计算结果对比分析,表明双间隙协调法较一般流体润滑模型最小油膜厚度和最大油膜压力的计算精度大为提高。由于双间隙方法有效建立了瓦体变形-间隙-膜厚的映射关系,进一步探讨了通过控制瓦体变形来控制轴承间隙和膜厚的问题,为重载轴承、水润滑轴承优化设计和承载能力提升提供了新的思路。

用于快速分离血浆的阶梯型螺旋微流道

为解决传统血液处理方法如离心和过滤等存在处理时间、分离纯度、堵塞性等方面限制的问题,设计一种高通量惯性微流控芯片,该芯片由阶梯型螺旋流道组成,可用于高浓度血浆分离.首先,采用COMSOL Multiphysics软件的层流和粒子追踪模块仿真研究阶梯型螺旋流道中粒子的聚焦特性.然后,通过实验研究了不同流量下聚苯乙烯粒子在流道中的惯性聚焦行为.最后,基于粒子聚焦实验结果,选择了一种优化结构的阶梯型螺旋流道,以用于不同浓度血液中血浆的分离应用.实验发现,在最优流量1.5 mL/min时,血细胞容积为0.9%和2.25%的血样中血细胞移除率分别达到(99.72±0.13)%和(99.44±0.17)%.当血细胞容积高达4.5%和9.0%时,该阶梯型螺旋流道仍然具有(97.02±0.56)%和(92.92±1.53)%的血细胞移除率.实验结果表明,阶梯型螺旋流道可以从高浓度血样中高效分离血浆.

以提高最小膜厚为目标的船用水润滑轴承结构优化

最小液膜厚度是判断轴承润滑状态的关键指标,提高最小膜厚有助于建立流体润滑状态、改善摩擦特性、保障轴系安全可靠运行。船用水润滑高分子轴承液膜极薄,常处于混合润滑状态,由于衬层弹性变形的作用,其最小名义膜厚常位于轴向端面。为改善轴承润滑特性,特别是为提高最小膜厚、减小摩擦,本文提出一种轴承设计方法,即增大轴向端面处的直径,也即将轴向端面设计为渐扩形,针对该端面渐扩型轴承建立混合润滑模型,并分别就轴颈倾斜、轴颈无倾斜两种情况分析渐扩形结构参数对轴承性能的影响。分析结果表明,适宜的端面渐扩形结构可显著提高最小膜厚,减少粗糙峰接触摩擦。在此基础上,总结出了可供广泛使用的端面渐扩形参数,以便于工程应用。

轴颈倾斜下船用复合衬层艉轴承混合润滑特性分析及结构优化

船用艉轴承支撑着悬伸于船外的螺旋桨轴,由于螺旋桨的重力作用,其轴颈中心线不再平行于轴承孔中心线,而是在竖直平面内发生倾斜。轴颈倾斜使轴承膜厚及压力沿轴向不再均匀分布,显著降低轴承承载能力,使之处于混合润滑状态,且易导致碰磨、严重磨损甚至轴瓦烧焦等问题,严重危害轴系服役安全。为提高轴颈倾斜下水润滑艉轴承的性能,改善压力分布,提出了一种采用复合衬层的轴承设计方法,以高分子材料作为承载表面,在高分子承载层与金属外壳之间加入橡胶层,橡胶层为等厚或非等厚结构。在此基础上建立了复合衬层水润滑轴承的混合润滑模型,分析了单一衬层结构、等厚复合衬层结构及非等厚复合衬层结构下的轴承性能。结果表明,对于处于混合润滑状态的水润滑轴承,复合衬层改善了压力分布、降低了摩擦因数和混合润滑状态过渡到流体动力润滑状态时的转速,而非等厚复合衬层对润滑性能具有更显著的改善作用。总结得到非等厚复合衬层轴承最优橡胶层厚的拟合公式,并给出了公式的适用范围,公式形式简洁,便于应用于轴承设计计算。相关工作为船用轴承优化设计和承载能力提升提供了新思路。

船舶推进轴系弯—纵耦合效应的非线性振动特性

[目的]大型船舶的推进轴系一般具有轴系长、跨度大、细长比小等特点,其弯曲变形与纵向变形之间易存在弹性耦合效应,从而引起轴系异常振动,影响轴系的安全稳定运行。为了研究轴系弯—纵耦合的非线性振动特性,[方法]利用变分原理推导轴系发生弯—纵耦合时的非线性振动方程,采用有限元法(FEM)、打靶法等数值方法,以及多尺度法等近似解析方法对非线性方程进行求解,并对比分析弯—纵耦合效应对轴系非线性振动特性的影响。[结果]计算结果表明:弯—纵耦合效应将导致轴系响应中出现多频响应、跳跃现象、能量迁移等复杂的振动现象,同时将增加轴系弯曲方向和纵向方向的固有频率。[结论]研究成果可为大型船舶推进轴系的工程设计提供参考。

格子玻尔兹曼方法在微观流场分析中的应用

为了探究大型重载水轴承微观流场的状态,采用无网格的粒子法—格子玻尔兹曼方法建立水润滑轴承微凸体的微观界面简化模型,探究轴承表面相邻的微凸体间的流体运动状态,分析流体的流线分布、压力分布以及在微凸体内形成的涡。研究结果表明该方法对于研究水润滑轴承微观流场的流体特性是可行的,为水润滑轴承动态特性计算和微观机理的探究提供了新的研究思路,为水润滑轴承微观界面进行深入研究提供一定的参考。

考虑表面粗糙度与轴瓦变形的水润滑轴承动力特性系数计算

本文在传统轴承动力学分析模型的基础上考虑了水润滑轴承轴瓦的刚度、阻尼和轴承质量以及可能存在的接触刚度、阻尼,推导了考虑表面粗糙度和轴瓦变形的扰动压力雷诺方程,对比了混合润滑模型与动力润滑模型、弹流润滑模型的轴承动力特性系数并分析其差异,研究了倾角、粗糙度等参数综合作用下水润滑轴承动力特性系数的变化规律。结果表明,最小膜厚比大于某一阈值时粗糙度增加可提高水膜动力特性系数,轴瓦变形会使动力特性系数减小,同时也会扩大使水膜刚度、阻尼获得增幅的粗糙度范围,但削弱了粗糙度对承载方向刚度、阻尼的增幅效果。此外,在承受载荷一定的条件下,粗糙轴承的动力特性系数在倾角较大时明显小于光滑轴承的对应值。