基于质量守恒边界条件的螺旋槽旋转密封性能分析

针对车辆传动系统旋转轴转速与工作压力(pv值)不断提高,传统雷诺边界条件不能准确预测螺旋槽旋转密封流体润滑特性的问题。基于Elrod空化算法,求解质量守恒边界条件的稳态Reynolds方程,应用贴体坐标变换生成规则计算网格,采用有限体积法进行数值离散,迭代方法采用Gauss-Seidel松弛迭代,分析螺旋槽结构参数对旋转密封性能的影响。结果表明:相比于雷诺边界条件,在高pv值工况下质量守恒边界条件预测的密封泄漏量与试验结果更接近;槽数、槽深比与螺旋角等螺旋槽结构参数对旋转密封性能影响显著,选择合适的结构参数能改善旋转密封的开启性、稳定性、经济性与密封性;旋转密封螺旋槽的结构优选值范围如下:槽数为10~12,周向槽台比为0.5~0.7,径向槽台比为0.5~0.6,槽深比为1.4~1.5,螺旋角为27o^30o。

基于质量守恒边界条件的应力偶流体润滑动载轴承特性

基于应力偶流体理论和改进的Elrod空穴算法对动载轴承的润滑性能进行数值摸拟。求解质量守恒边界条件的动载Reynolds方程,结果表明:与Reynolds边界条件下的结果相比,采用质量守恒边界条件得到的平均进油流量与平均端泄流量更加接近,更符合实际情况。数值求解基于质量守恒边界条件下,应力偶流体润滑的动载Reynolds方程,比较牛顿流体和应力偶流体对轴承的最大油膜压力、最小油膜厚度和端泄流量的不同影响。结果表明:应力偶流体使得动载轴承的最大油膜压力减小,最小油膜厚度明显增大,端泄流量减小,提高了动载轴承的承载能力。

基于质量守恒边界条件的液压缸织构表面空化模型

传统的雷诺边界条件没有考虑到微凹坑织构中存在的空化现象,较难准确预测织构化表面的润滑特性。本文以液压缸缸筒-活塞摩擦副为研究对象,基于质量守恒的边界条件,建立均匀分布的微凹坑织构表面油膜压力与变密度两者之间的空化数学解析模型,采用中差分模型和迎风算法进行数值离散,得到摩擦副中油膜的压力分布以及空化生成的位置。FLUENT仿真结果验证了该空化模型的有效性。

基于质量守恒边界条件的船舶艉轴承润滑性能分析

以船舶艉轴承为研究对象,基于质量守恒边界条件,编制相应的润滑仿真程序,研究艉轴承的润滑性能,探讨轴承润滑性能随轴承运行参数(如转速、轴承宽度、外载荷及空穴压力等)变化的规律。研究表明:质量守恒边界条件相比于雷诺边界条件,更加接近实际情况;空穴压力的增大并不总是有损轴承的承载力;随着空穴压力和轴承宽度的增大,偏心率和最大油膜压力都减小;随着外载荷的增加,油膜压力和空穴区域大小逐渐增大,呈现出很强的非线性趋势;随着转速的增大,油膜压力峰值减小;空穴区域随转速增大而增大,其位置会向最大轴承间隙处移动。

质量守恒边界下挤压油膜阻尼器动力特性分析

气穴对油膜动力特性影响较大。研究了质量守恒边界对挤压油膜阻尼器的特性影响,基于雷诺方程和Elrod算法改进了质量守恒边界条件的统一方程,通过有限差分法求解并获取质量守恒边界条件下油膜的分布特性。研究结果表明:气穴的存在使油膜相位略有超前,当油膜负压区达到气穴压力时不再降低,而是保持为气穴压力;质量守恒边界与阻尼器的实际工作状态最为接近,它不仅提供了油膜的破裂条件,而且在油膜形成处也满足质量流量连续条件,能较好地将阻尼器在运转过程中的动力特性以及油膜承载力反映出来。研究结果对提高预测油膜特性精度具有重要意义。

质量守恒润滑模型的快速数值计算方法

为了准确地预测流体动压润滑的油膜压力分布,流体润滑模型的数值计算需要采用质量守恒的空穴边界条件,然而,采用质量守恒的空穴边界条件将会导致求解流体润滑模型的计算时间显著增加。为高效精确地求解流体动压润滑问题,结合Fischer-Burmsister-Newton-Schur(FBNS)方法和网格细化(Grid refinement)策略,提出一种快速收敛的计算流体压力分布的数值仿真方法。该方法采用FBNS方法,将流体润滑模型的离散方程组转化为无约束方程组,以便使用牛顿迭代法求解;然后采用网格细化策略,将润滑模型在粗网格上的计算结果作为细网格上的初始值,从而加快油膜压力计算的收敛速度。采用所提出的快速收敛的数值方法对不同算例进行计算,结果表明,相比传统方法,该方法能够使含油机械系统润滑问题的数值计算变得更精确和更高效。

动载工况下滑动轴承油膜边界历史迁移问题

通过对Elrod算法进行改进,得到基于质量守恒边界条件的不可压缩流体空穴算法,能用统一方程来描述动载滑动轴承完整油膜区和空穴区的润滑工况,并在此基础上开发了相应的计算手段。该算法通过引入一个中间变量ξ和一个开关函数g,不同区域给ξ赋予不同的物理意义,将完整油膜区的雷诺方程和空穴区的润滑方程统一为通用方程,可自动跟踪动态边界,使质量守恒边界条件能更为简便而精确地应用于轴承计算实际。通过与现有试验结果的比较分析发现,采用不可压缩流体空穴算法的理论计算结果能比较好地描述动载工况下油膜空穴的历史迁移过程,与试验数据能很好对应。同时研究发现,润滑油膜可以承受一定负压,空穴压力大小的选取对理论分析有相当影响。

径向直线槽端面密封空化特性数值模拟

基于质量守恒边界条件,建立了径向直线槽端面密封空化特性的数值模型.控制方程为考虑惯性的定常不可压缩Reynolds方程,利用有限控制体积法对其进行离散,采用分块加权方法计算膜厚突变处流量,迭代方法为Gauss-Siedel松弛迭代,并对空化特性影响因素进行了分析.结果表明:不同工况下,油膜破裂位置均在膜厚突然增大处,密封坝阻碍空化的产生;空穴区域随着转速的增大而增大,随着槽深的增大而减小;空化区域在径向由静压决定,周向由动压决定,二者对空化的影响相互独立.

空化模型对径向直线槽端面密封性能分析的影响

基于Reynolds模型和质量守恒边界条件(JFO模型),建立了径向直线槽端面密封空化特性的数值模型.控制方程为考虑惯性的定常不可压缩Reynolds方程,利用有限控制体积法对其进行离散,采用分块加权方法计算膜厚突变处流量,迭代方法为Gauss-Siedel松弛迭代,并对两种模型下的密封性能进行了对比分析.结果表明:采用Reynolds模型极大地低估空化区的面积,并使得开启力、摩擦转矩和泄漏量等参数的计算结果不够准确.在径向直线槽端面密封性能的计算中宜采用质量守恒边界条件.

滑动轴承油膜空穴压力理论确定研究

采用基于质量守恒边界条件的不可压缩流体空穴算法对稳态工况下滑动轴承进行理论计算,并将计算结果与已有实验结果比较,发现空穴压力的取值对计算结果有影响。通过分析比较,发现其中蕴涵的规律,得到理论倒推确定空穴压力值的方法,为今后理论确定空穴压力提供了研究方向。

考虑磨损和紊流的径向滑动轴承混合润滑分析

基于平均流量方程和Ng-Pan紊流模型,采用质量守恒边界条件,建立了考虑磨损和紊流的径向滑动轴承混合润滑模型,使用有限差分法对模型进行求解。在外载荷恒定的条件下,分析紊流和磨损对油膜压力、油膜厚度、轴心位置和摩擦力的影响。结果表明:磨损显著改变了油膜压力和油膜厚度分布,导致轴承偏心率增大,偏位角减小,并对轴承Stribeck曲线有重要的影响;在高转速工况下,紊流使得轴承最大油膜压力和偏心率减小,最小油膜厚度、空化区、偏位角和摩擦系数增大;磨损和紊流对轴承润滑性能均有重大的影响,二者共同作用决定轴承的润滑性能。

基于Elrod空化算法的Y形槽液膜密封性能分析

基于质量守恒边界条件建立Y形槽液膜密封性能分析数学模型,采用有限差分法对广义Reynolds方程进行离散,通过SOR迭代方法对离散方程进行求解,得到液膜承载能力、液膜刚度、摩擦扭矩以及泄漏量等性能参数,并探讨Y形槽液膜密封结构参数对密封性能的影响。结果表明:槽数、周向槽台比和径向槽宽比等结构参数对密封性能有显著影响,液膜承载能力和液膜刚度随着这些结构参数的增大均呈现先增大后减小的趋势,摩擦扭矩随着这些结构参数的增大而增大;泄漏量随着槽数的增加先增大后趋于平稳,随着周向槽台比的增大先增大后减小,随着径向槽宽比的增大而减小;在文中计算条件下,槽数取12~14,槽深取30~35μm,螺旋角取12°~16°,周向槽台比取0.7~1.1,径向槽宽比取0.8~1.0时,Y形槽液膜密封具有较好的稳定性和密封性能。

车辆行星轮轴向滑动支承沟槽型织构润滑特性分析

在车辆旋转轴向滑动支承表面加工不同槽型微米级的沟槽,包括椭圆形槽、圆弧槽、三角形槽、梯形槽和矩形槽,利用流体流经浅槽表面产生流体动压力来减小摩擦。在考虑空化和流体惯性影响下,通过数值求解基于质量守恒边界条件的不可压缩定常Reynolds方程,分析不同槽型的结构参数(槽数、槽宽比、径向宽度)和工况参数(转速、槽深比)对润滑性能的影响。结果表明:研究的5种槽型的承载力由大到小依次为三角形、圆弧形、梯形、椭圆形和矩形;增加槽宽比、槽深比、径向宽度有利于降低润滑油温升,而增加槽深比则有利于降低空化率;研究的5种槽型中,矩形槽的润滑油温升最低且润滑流量最大,梯形槽的空化率较小。

基于混合遗传算法的径向滑动轴承表面织构优化

在内燃机曲轴系统的径向滑动轴承表面设计了球形凹坑织构,以改善润滑性能;为了获得最大的轴承承载力和最小的摩擦因数,提出了基于序列二次规划算法和遗传算法的混合进化优化方法,构建了径向滑动轴承球形凹坑织构的优化模型,对凹坑织构的分布位置和结构参数进行了全局寻优,得到了给定工况下最优的织构角度和最大深度;为了求解径向滑动轴承的承载力和摩擦因数,考虑曲轴和轴承表面粗糙度对油膜流动的影响,采用质量守恒的JFO空穴算法处理油膜的破裂和再形成行为,基于平均Reynolds方程和Greenwood-Tripp微凸体接触方程构建了球形凹坑织构径向滑动轴承的混合润滑模型,分析了球形凹坑织构的分布位置和结构参数(数量、面积率和最大深度)对径向滑动轴承承载力和摩擦因数的影响。分析结果表明:径向滑动轴承的承载力和摩擦因数是凹坑面积率的单调函数;存在最优的凹坑织构角度和最大深度使得径向滑动轴承的承载力最大与摩擦因数最小;当偏心率由0.3增加到0.7时,轴承承载力的提升量由13.38%下降到0.62%,摩擦因数的降低量由0.73%逐渐下降至负数,因此,当偏心率较小时,球形凹坑织构能够有效降低径向滑动轴承的摩擦因数,增大承载力,当偏心率较大时,球形凹坑织构无益于轴承摩擦因数的降低。

表面织构对曲轴轴承润滑性能的影响

考虑凹槽与凹坑织构之间的协同润滑效应,在曲轴轴承表面设计了抛物线凹槽-球形凹坑复合织构,以改善轴承的润滑性能;为了分析抛物线凹槽-球形凹坑复合织构对曲轴轴承润滑性能的影响,基于平均Reynolds方程和Greenwood-Tripp微凸体接触方程构建了曲轴轴承的混合润滑模型,并采用质量守恒的边界条件处理油膜的破裂和再形成行为,分析了凹槽织构、凹坑织构与凹槽-凹坑复合织构的摩擦学性能,研究了凹槽-凹坑复合织构的分布位置和结构参数对轴承承载力和摩擦力的影响。分析结果表明:凹槽-凹坑复合织构具有高于凹槽织构的承载力和低于凹坑织构的摩擦力;存在最优的凹槽宽度为1.3mm,凹槽面积率为0.7,凹槽最大深度为25μm,凹坑数量为6,凹坑面积率为0.7,凹坑最大深度为20μm,使得轴承量纲为1的承载力最大;存在最优的凹槽宽度为2.6mm,凹槽面积率为0.7,凹槽最大深度为30μm,凹坑数量为15,凹坑面积率为0.7,凹坑最大深度为35μm,使得轴承量纲为1的摩擦力最小;当凹槽-凹坑复合织构的分布位置、结构参数取最优值时,相对于无织构轴承而言,轴承的承载力提高了4.1%,摩擦力减小了19.6%。