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%.

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。

透平式能量回收一体机水润滑轴承四自由度动力特性

为研究水润滑轴承转子系统运行时转子受载不平衡导致轴颈产生倾斜的问题,针对透平式能量回收一体机转子系统以轴承在中间支撑、载荷在两端的结构特点,提出了一种通过联立转子动力学方程与雷诺方程并基于有限差分法求解滑动轴承四自由度非线性轴心轨迹的数值计算方法.采用四阶龙格库塔法迭代求解转子运动方程,系统分析了加载在轴两端的周期性载荷对转子轴心轨迹的影响.研究结果表明,叶轮受到水力激振力产生力矩,使主轴发生倾斜,主轴两端的轴心轨迹振幅明显大于中间位置;水力激振力相位差可影响转子系统的稳定性,当激振力相位差为0°时,轴颈不发生倾斜;随着水力激振力相位差增大,轴颈倾斜角度增大,轴两端的轴心轨迹振幅增大,转子系统运行稳定性变差;在主轴两端安装叶轮时应保持叶片相位角相同,可提高转子稳定性.研究成果可为高速水润滑轴承转子系统的设计提供理论指导.

沟槽结构对水润滑轴承润滑特性影响机制

为了研究沟槽结构对船用水润滑轴承润滑特性的影响机制,采用有限元法,通过对简化后的椭圆形沟槽的二维模型进行流体动力学CFD分析,从迹线以及涡流等方面分析沟槽结构参数对沟槽内部流体特征的影响,得到不同状态下沟槽内部的压力轮廓,并分析沟槽结构参数对水润滑轴承摩擦因数的影响和轴承的润滑机制。结果表明:沟槽的大小影响轴承间隙内流体的流通面积,沟槽的结构特征影响沟槽内的流体黏度。研究结果可为水润滑轴承优化设计提供参考。

横向振动状态下水润滑轴承摩擦动力学特性

低速重载等极端工况下摩擦诱导异常振动会极大地影响舰船推进轴系中水润滑轴承的稳定运转。针对水润滑轴承开展考虑横向振动的摩擦动力学性能研究,建立受横向振动效应影响的水润滑轴承混合润滑和流体动压润滑模型,分析2种状态下轴承的振动特性;通过将轴颈平衡位置下的坐标代入轴承横向振动模型中,得到轴颈的扰动量,研究不同激励幅值对轴承摩擦力的影响规律,探明弹性变形条件下水润滑轴承的摩擦诱导振动机制。结果表明:当轴承出现接触,横向振动对轴承的摩擦力影响较显著,将导致轴承摩擦力呈现非线性变化。研究结果为评估横向振动对摩擦力的影响程度、揭示轴承摩擦振动机制提供支撑。

改性尼龙水润滑轴承摩擦学性能试验研究

针对舰艇推进系统用水润滑轴承低噪声设计需求,研制改性尼龙(PA)的轴承材料及轴承样机,利用多功能摩擦磨损试验机对改性PA材料样品进行摩擦学性能试验,并与丁腈橡胶和赛龙SXL材料的摩擦学性能进行对比;在水润滑轴承试验台上开展PA轴承样机转速特性试验和载荷特性试验,获取不同比压和转速下摩擦因数和振动特性数据。研究结果表明:与丁腈橡胶和赛龙SXL材料相比,改性PA材料具有摩擦因数小、磨损率低的优点;低转速下,水润滑轴承摩擦因数随转速增大而减小,随比压增大而增大,转速增加至100 r/min后,摩擦因数变化趋势逐渐减缓;在工作转速范围内改性PA材料水润滑轴承无异常摩擦振动和噪声。研究结果为舰艇低噪声水润滑艉轴承设计提供参考。

水润滑轴承加载装置动态磁热耦合机理研究

针对水润滑轴承动态试验研究中电磁加载装置发热以及电磁力不稳定等现象,为了给轴承研究提供准确载荷,对电磁加载装置动态下的磁热耦合机理进行研究。首先建立了电磁加载装置能量损耗数学模型,对能量损耗进行理论分析;其次,构建了电磁加载装置物理模型,进行磁热耦合仿真分析,得到了磁感应强度、铜损耗以及铁损耗的变化规律;最后,进行电磁加载装置能量损耗试验。研究结果表明:动态下电磁力不稳定的主要原因是加载装置存在能量损耗,且以铜损耗与铁损耗为主;能量损耗与轴转速、加载装置激励电流以及初始温度有关,在激励电流1~3 A、转速0~1800 r/min以及温度22~50℃工况下,电磁力试验值与仿真值最大误差为4.7%。

考虑界面滑移和惯性力效应的水润滑轴承润滑性能分析

针对界面滑移和惯性力效应对水润滑轴承润滑性能的影响展开研究。推导综合考虑界面滑移和惯性力效应的修正雷诺方程,采用有限差分法求解研究轴承润滑机制,给出界面滑移和惯性力效应对水膜压力、承载力和摩擦因数的影响规律。针对某实际轴承分别采用提出的模型和有限元法进行润滑性能计算,二者结果吻合较好。研究结果表明:界面滑移和惯性力效应不改变润滑性能参数随偏心率变化趋势,界面滑移降低了润滑性能参数的数值大小,最大降幅5%左右,惯性力效应则略微增大其数值,最大增幅小于1%;相比于界面滑移,惯性力对润滑性能的影响较小,几乎可以忽略。研究结果对水润滑轴承的设计与计算具有一定的指导意义。

偏载下大长径比水润滑轴承分布式动特性参数识别方法

为了解决偏载下大长径比水润滑轴承分布式动特性参数识别问题,建立水润滑轴承的两支点分布式动力学模型,提出水润滑轴承分布式动特性参数的识别方法,并验证该动特性识别方法的可靠性。通过仿真试验,引入加载和位移信号扰动对轴承分布式动特性参数识别的精度进行分析,开展偏载水润滑轴承分布式动特动特性试验。结果表明:随着激振力振幅扰动的增加,刚度和阻尼系数的识别误差线性增加;激振力相位扰动对刚度系数的影响较小,对阻尼系数的影响较大;随着位移幅值扰动的增加,刚度和阻尼系数的识别误差增加;位移信号的相位扰动对刚度系数的影响较小,对阻尼系数的影响较大;若要求刚度和阻尼的识别误差小于10%,则激振力和位移信号的扰动幅值应小于10%;若要求刚度和阻尼的识别误差小于20%,则这2个信号的扰动相位扰动偏差应小于1°。

超高压海水泵水润滑轴承承载与散热仿真分析

水润滑滑动轴承是高压海水泵关键配对副,由于水介质的弱润滑性,轴承副存在严重的摩擦发热,进而引发热卡滞等问题。考虑轴承接触表面沟槽不同构形,建立了轴承的承载与散热模型,研究沟槽数量和形状对润滑支撑和散热的影响。仿真表明:四沟槽轴承的最大温升为39.14℃,八沟槽轴承的最大温升为24.77℃,两者相差36.7%,随着沟槽数量的增加,轴承散热性能得到优化;随着沟槽数量增加,轴承内表面的最大接触应力和变形量也随之增加,相较于四沟槽轴承,八沟槽轴承的最大接触应力增加了5%,最大变形量上升了12%。因此,综合考虑沟槽结构对轴承整体支撑性能和散热作用的影响,设计双向六沟槽螺旋结构,实现海水泵轴承副内循环冷却。

橡胶材料在水润滑轴承中的应用现状及展望

分析橡胶材料在水润滑轴承中的作用机理,介绍天然橡胶、丁腈橡胶、橡胶合金材料和聚氨酯在水润滑轴承中的应用现状,指出对橡胶材料的研究是开发高性能水润滑轴承的重要方向,振动和噪声是水润滑轴承亟需解决的关键问题,今后还需对橡胶材料的亲水性、耐磨性、界面活化技术和制造工艺等进行深入研究。

薄膜传感器嵌入式水润滑轴承流固耦合仿真

水润滑轴承在使用中具有空间密闭性特征,现有水膜压力、轴瓦变形等轴承性能参数监测中,由于传感器难以靠近测点,或采用轴/轴承打孔安装方式,又对轴系结构造成较大损伤,致使准确的轴承性能数据难以获取。针对上述问题,提出了一种薄膜传感器嵌入式水润滑轴承,可在对轴瓦损伤降至最低的前提下使传感器直接靠近测点,实现对轴承运行状态的实时监测与调控。首先设计了嵌入式水润滑轴承结构,然后建立了水润滑轴承理论数学模型,最后通过ANSYS软件建立轴承三维仿真模型并进行流固耦合分析,研究了水膜压力、轴瓦变形分布规律。研究结果表明:受开槽位置的影响,开槽处水膜压力分布产生波动,轴瓦最大变形增长了3.67%;最大水膜压力随供水压力、轴转速的增大而增大,轴瓦变形也随之增加。

无机粒子增强PTFE水润滑轴承材料的耐磨性研究

在低速重载条件下水润滑轴承通常会出现严重的摩擦磨损。为增强轴承材料的耐磨性能,采用冷压烧结法制备了碳化硅、氮化硼、氮化硅3种无机粒子填充改性的聚四氟乙烯(PTFE)水润滑轴承材料,并对其力学性能和摩擦磨损性能进行测试和表征。结果表明,在PTFE基体中加入3种无机粒子均可以提高复合材料的硬度,无机粒子的加入提高了PTFE基体的承载力,在试验工况下PTFE复合材料的摩擦系数与磨损量均有不同程度的降低,其中填充5%质量分数碳化硅的PTFE水润滑轴承复合材料磨损量降低99.44%,表现出最佳的耐磨性。当前工作为PTFE材料在水润滑轴承材料的应用提供了数据支撑。

开槽对嵌入式水润滑轴承轴瓦变形的影响机理分析

通过在水润滑轴承橡胶轴瓦嵌入微传感器的方法,可实现传感器最大程度接近测点,获得准确的轴承特性数据,对轴承研究具有重要意义。然而,微传感器嵌入要在轴瓦开槽,槽的结构对轴瓦变形会产生影响,其机理需深入研究。根据实际情况,提出了三种开槽结构,分别为长方体结构(结构1)、前槽面弧度面结构(结构2)、前后槽面弧度面结构(结构3)。采用Ansys软件建立热-流-固耦合模型,在不同供水温度、轴转速工况下,分析对比了不同开槽结构对橡胶轴瓦变形的影响机理,结果表明:随着供水温度的升高开槽处最大变形量降低,随着轴转速升高开槽处最大变形量先增大再减小最后趋于稳定,相比之下结构3在开槽表面长度和开槽深度上轴瓦最大变形量最小。

刚柔异相水润滑轴承复合材料优化设计研究

针对传统水润滑轴承内衬材料结构单一导致的力学性能受限问题,研究一种刚柔异相复合仿生材料。该材料的基体为柔性材料,中间镶嵌刚性纤维,将其作为水润滑轴承内衬材料,以获得更好的力学性能。由于复合仿生材料具有结构对称性,因此采用有限元分析软件Abaqus对整个结构中一个体积单元进行仿真计算。对比分析无纤维和有纤维的体积单元的承载性能,以及同一个纤维结构下,不同纤维螺旋角度和纤维半径对材料承载性能的影响,得到最佳的刚柔两相比例。研究结果表明,柔性基体对于纤维结构具有支撑保护作用,纤维螺旋角度大小和纤维半径需要根据材料的性能要求进行选择。为了体积单元的力学性能表现最好,需要选择最优体积单元刚柔两相比例。同一载荷条件下,纤维螺旋角度30°、纤维半径0.6 mm的体积单元力学性能最优。研究结果表明,刚柔异相的纤维结构复合材料相较于传统的水润滑轴承材料具有更优秀的力学性能。

无轴轮缘推进器水润滑轴承的结构设计与仿真分析

目前,水下无轴轮缘推进器的水润滑轴承是直接对船舶艉轴承进行缩短然后应用的。船舶艉轴承的长径比远大于无轴轮缘推进器,加之水润滑轴承沟槽结构复杂,会造成润滑性能降低。针对这一问题,设计了一种适用于无轴轮缘推进器的水润滑轴承,在结构上采用半开槽结合承载区开设小沟槽,形成混合沟槽。基于润滑理论,使用ANSYS Fluent软件仿真,分析开槽结构和小沟槽的不同组合方式对水膜压力与承载力的影响,进而得出润滑性能最佳的水润滑轴承结构。结果表明,半开槽结构结合承载区开设矩形小沟槽能够有效提升水润滑轴承的润滑性能,改善使用传统船舶艉轴承结构的无轴轮缘推进器润滑性能降低问题。

橡塑双层复合材料水润滑轴承流固耦合分析

橡塑双层复合材料水润滑轴承综合了橡胶阻尼性好和塑料摩擦性能好的特点,是一种极具发展潜力的新型水润滑轴承,然而其润滑承载机制尚不明确。采用流固耦合仿真方法研究该种轴承在不同载荷、轴瓦厚度和弹性模量下的轴瓦变形分布特点和规律。结果表明:轴瓦变形主要发生在橡胶层,橡胶层轴瓦变形影响塑料层轴瓦的形状,并使其整体发生移动;随载荷增大,轴瓦变形量增大,轴瓦刚度系数减小;随塑料层轴瓦厚度增大,轴瓦总变形量近似线性减小,轴瓦刚度系数增大;而塑料层轴瓦弹性模量的变化对轴瓦总变形和刚度系数影响相对较小。

间隙对水润滑轴承冷却性能影响研究

采用ICEM和Fluent软件,通过计算得到不同水膜间隙的水润滑轴承水膜CFD模型,探讨其对水润滑冷却性能的影响。研究发现,在相同结构的轴承中,轴承间隙越大,轴承最小水膜厚度越小,水膜压力越大,水膜最高温度越大。在进行水润滑轴承结构时,要充分注意到轴承的空隙,避免出现温度升高的情况。