考虑热效应作用的浮环轴承润滑特性研究

针对高速工况下浮环轴承润滑特性的理论预测和实验结果存在偏差的问题,在充分考虑热效应影响的基础上建立涡轮增压器径向浮环轴承的热流体动力润滑模型。该模型的理论计算结果和试验结果基本一致,验证其正确性。研究浮环内外层油膜间隙、浮环厚度和浮环宽度等浮环结构参数对浮环轴承润滑特性的影响。结果表明:在其他参数一定时,外层油膜间隙变大时,环速比和流量将变大,将带走更多的热量,轴承温升降低;内层油膜间隙变大,环速比将变小,但流量增大,轴承温升下降;浮环厚度变大,环速比将下降,但浮环厚度对内外膜温升几乎没有影响;浮环外接触表面宽度越大,环速比下降,温升将变大。     

浮环弹性变形对浮环动静压轴承润滑特性的影响

浮环轴承在高速工况下运行时,浮环表面在油膜压力作用下会发生弹性变形,影响轴承润滑性能。针对带有深浅腔的浮环动静压轴承,采用有限元法和有限差分法耦合求解油膜Reynolds方程、能量方程和温黏关系式,采用变形矩阵法求解弹性变形方程,计算浮环弹性变形分布;在浮环平衡的基础上,分析浮环变形对环速比、油膜承载力、端泄流量等润滑特性参数的影响。结果表明：浮环弹性变形分布与油膜压力分布呈现一致性,转速越高,偏心越大,变形越明显;考虑浮环弹性变形,浮环达到平衡状态时,内膜偏心率增加,环速比减小,轴承承载力与摩擦力矩均有所增加;由于浮环变形对内、外膜间隙及流动液阻的不同影响,使得内膜端泄流量增加,外膜端泄流量减少。     

表面粗糙度对浮环轴承润滑静特性的影响

为研究粗糙度对浮环轴承静特性的影响,基于雷诺方程并结合随机粗糙模型建立粗糙形状的浮环轴承模型,采用有限差分法对模型进行求解,得到浮环轴承润滑过程中的油膜厚度和油膜压力分布。结果表明:油膜承载力随粗糙度的增大而增大,内层油膜承载力大于外层油膜承载力;端泄流量随粗糙度的增大而减小,内层油膜端泄流量大于外层油膜端泄流量;摩擦功耗随粗糙度的增大而增大,内层油膜摩擦功耗小于外层油膜摩擦功耗。     

浮环轴承贫油润滑温度预测模型研究

综合考虑供油量和润滑油温黏效应对浮环轴承润滑特性的影响,同时结合稳态下贫油润滑的油膜力模型,建立浮环轴承贫油润滑温度预测模型。以入口润滑油流量为可变参数,利用数值计算方法分析供油量对轴承内外油膜温度的影响,并在浮环轴承试验台上对出油口油温度进行测量。仿真结果与试验结果具有较好的一致性,验证了浮环轴承贫油润滑温度预测模型的准确性。研究结果表明:浮环轴承油膜温度随转速的增大而升高,随供油量的增大而下降;内油膜温升明显高于外油膜温升,浮环温度亦随供油量的减小而升高,浮环温度基本介于内外油膜温度之间。     

热效应影响下浮环轴承润滑静特性研究

建立计入热效应的浮环轴承流体动压润滑模型,利用数值差分法联立求解雷诺方程,进而求解浮环轴承端泄流量;通过与实验数据的对比,验证所建模型的正确性;考虑浮环受热膨胀变形的影响,研究供油温度对摩擦功耗、温升、浮动环转速、端泄流量等浮环轴承润滑静特性参数的影响。结果表明:提高润滑油供油温度会明显提升浮动环旋转速度,增大轴承内间隙的供油量,减小内外油膜摩擦功耗和端泄温升;端泄温升随轴颈转速的升高而增大,温升随轴颈转速变化的幅度在采用较低温度的润滑油时表现得更为剧烈。     

增压器浮环轴承润滑和散热性能的影响因素研究

在以往对增压器浮环轴承润滑性能的研究中,大都忽略了转轴-浮环-轴承座之间的传热,这与实际的浮环润滑摩擦状况相去甚远,且没有研究浮环轴承的散热性能。考虑转轴-浮环-轴承座之间的热传递,建立转轴-浮环-轴承座热量传递模型,基于Reynolds方程和浮环平衡方程,建立浮环轴承润滑模型,同时对浮环轴承润滑性能和散热性能进行分析,研究浮环厚度、外层间隙、内圆宽度和外圆宽度对浮环轴承润滑和散热性能的影响规律。结果表明:减少浮环厚度可以明显改善浮环的润滑和散热性能;浮环外层间隙增加可以降低浮环温度,改善浮环轴承的散热性能;内圆宽度增加,环速比、内膜温度、浮环摩擦功耗和轴承座散热量增加;外圆宽度增加,环速比减小,轴承座散热量增加;黏压效应对浮环轴承润滑和散热性能的影响很小。     

浮环轴承稳态热流体动力润滑分析

环速比是影响浮环轴承静动特性的关键运行参数,大量试验数据表明浮环轴承环速比与工作转速的呈强烈的非线性关系,而理论对环速比的预测还存在较大偏差,针对该问题,建立了浮环轴承的稳态热流体动力润滑润滑模型,计算了典型工况下轴承的动静特性参数,研究了等温、导热和绝热情况下环速比、温升、功耗和偏心率等关键参数随转速的变化规律,分析了浮环材料对环速比的影响,探讨了传统环速比解析计算公式的适用范围.研究发现：等温模型在大部分转速范围内均严重高估了环速比,而基于导热模型的计算结果与试验结果吻合良好,随着转速的升高,理论和试验结果均显示环速比先急速上升后逐渐下降,在中高转速下内外膜的黏度差异和热变形是环速比快速下降的两个重要因素,同时,使用高热膨胀系数材料的浮环会导致环速比进一步降低.因此,热效应是浮环轴承设计过程中必须要考虑的因素.     

热效应和弹性变形耦合条件下浮环轴承润滑静特性

当浮环轴承转子系统高速旋转时,油膜温升和浮环弹性变形是不可避免的。为研究油膜温升和浮环弹性变形对浮环轴承润滑静特性的影响,建立浮环轴承热流体动力润滑模型,利用数值差分法联立求解雷诺方程、能量方程、Rolelands黏温方程、浮环弹性变形方程和内外油膜膜厚方程,将油膜压力场、温度场和浮环弹性变形进行耦合分析,得到热效应和浮环弹性变形耦合影响下的油膜温升和浮环弹性变形量。结果表明:浮环轴承内外油膜温升和浮环弹性变形量随着偏心率的增加都逐渐增大;浮环弹性变形降低了内油膜温升,增加了外油膜温升;油膜温升降低了浮环弹性变形量;在耦合条件下内外油膜承载力、端泄流量和摩擦功耗均降低。     

油孔数目对浮环轴承润滑静特性的影响

以浮环轴承为研究对象，基于多相流理论建立其润滑有限元模型，推导摩擦功耗、内外油膜与所接触的固体元件的温升的解析表达式；利用FLUENT求解器与其自定义函数接口（UDF）对模型进行仿真计算；综合考虑试验条件的局限性，拓展在仿真计算中的轴颈角速度范围，进一步分析宽域润滑工况下浮动环均布的油孔数目对摩擦功耗、温升、浮动环转速、端泄流量等润滑静特性参数的影响。结果表明：浮动环油孔数目的增加会在一定程度上增大轴承内间隙润滑油的注入量；浮动环油孔数目越多，端泄温升越小，内外间隙变形越小，浮动环转速越快；浮动环油孔数目对内外油膜的摩擦功耗和油膜变化率的影响较小，对浮动环转速和内外油膜的端泄流量的影响较大。该研究为浮环轴承的设计和静特性分析提供了可靠的实验依据。     

考虑热效应的涡轮增压器浮环轴承动态特性研究

以流体润滑为基础,考虑热效应对油膜黏度的影响,研究涡轮增压器浮环轴承的动态特性,利用DyRoBesBeperf软件建立涡轮增压器浮环轴承的参数化模型,在环速比一定时分析浮环轴承内外油膜压力的分布,以及偏心率、油膜的刚度、阻尼随转速的变化规律。研究表明:在浮环轴承结构参数及载荷一定的情况下,随转子转速的增加,其偏心率下降,Sommerfeld数和功耗均增大,且内油膜的Sommerfeld数、功耗大于外油膜的Sommerfeld数及功耗,因此内油膜承载力大于外油膜承载力;因偏心率随转速的增大而减小,因此油膜等效刚度和等效阻尼下降。     

油孔数量对浮环轴承润滑特性的影响

不同油孔数量会改变浮环轴承油膜润滑特性,从而影响转子的振动特性及稳定性。基于流动连续性方程与轴承润滑理论,推导浮环轴承油膜控制方程,揭示油孔数量与浮环轴承润滑特性之间的关系。以某型汽油机用涡轮增压器浮环轴承为例,构建浮环轴承有限元模型,基于计算流体力学方法分析油膜润滑特性,研究不同油孔数量对浮环轴承最大压力、油膜承载力及动力学特性系数的影响。结果表明：浮环油孔数量从2增长到8,内外油膜最大压力、外油膜承载力及油膜动力学特性系数下降,内油膜承载力上升;内油膜承载力在油孔数量为2时随着转速的上升而逐渐下降,在油孔数量为4时无明显变化,在油孔数量为6、8时随着转速的上升而上升;随着转速的上升,油孔对承载力的影响逐渐上升,而对最大压力及动力学特性系数的影响逐渐减小。     

浮环轴承内油膜变偏心率与恒偏心率润滑特性对比分析*

目前对浮环轴承油膜特性的研究,主要基于偏心率对油膜压力及最小油膜厚度的影响,未能反映真实的油膜边界运动。利用计算流体力学的方法,实现浮环与轴颈之间的内油膜边界运动;建立轴颈-浮环之间内油膜润滑部位的流体域模型,研究多相流变偏心率下浮环轴承的油膜特性。结果表明：考虑变偏心率下的仿真计算结果更能反映真实的油膜润滑特性;最大油膜压力在恒定偏心率与变偏心率下均随着转速的升高而增大,最小油膜厚度在恒定偏心率下随着转速的增加保持不变,在变偏心率下随着转速的增加而减小;最大油膜压力与最小油膜厚度在变偏心率影响下变化更明显,为浮环轴承的优化设计提供了理论依据。     

浮环轴承轴颈与浮环同步进动之油膜特性研究

以直接积分方法研究了同步进动状态下浮环轴承系统中轴承的内、外层油膜力特性。基于浮环轴承油膜压力场控制方程,推导了轴承内、外层油膜力的解析表达式,进而分析了平衡状态下轴颈几何中心的动态轨迹以及油膜力的变化规律。计算结果显示,轴颈与浮环同步进动时,轴颈、浮环与定子中心位置相对稳定,轴颈的直径、间隙和转速等因素对浮环轴承系统的油膜特性和稳定性有直接的影响。     

内螺纹织构深度对涡轮增压器浮环轴承油膜动态特性的影响*

浮环轴承内螺纹织构深度会改变织构区域油膜厚度，导致浮环轴承油膜动态特性变化，从而影响涡轮增压器转子-轴承系统运行稳定性以及工作寿命。基于流体润滑理论，推导含表面织构的浮环轴承油膜控制方程，揭示内螺纹织构深度与浮环轴承油膜特性之间的关系。以某型涡轮增压器浮环轴承为例，分析内螺纹织构深度对轴承油膜最大压力、油膜承载力、刚度、阻尼等的影响。建立浮环轴承双油膜润滑分析流体动力学模型，利用CFD方法对油膜动态特性进行分析，研究织构深度从6 μm增至12 μm时的油膜特性。结果表明：在轴颈转速1×103~2.1×105 r/min范围内，随着织构深度的增加，油膜最大压力、内外油膜承载力、刚度阻尼系数呈现先增大后减小的趋势；在转速超过1×105 r/min后，织构对油膜动态特性系数提升更明显；与无织构轴承相比，织构深度为8 μm时，油膜承载力、刚度阻尼等动态特性提升最大。研究表明，在合适的织构深度下，织构可以改善油膜特性，提升轴承的运转稳定性，延长工作寿命。     

紊流状态下高速动静压浮环轴承静特性研究

高速动静压浮环轴承雷诺数增大,油膜工作在紊流状态下.采用Ng-pan紊流润滑理论建立了浮环动静压轴承的数学模型,对轴承的静特性进行了有限元仿真并与层流状态下的计算结果进行了比较.结果表明除流量外,紊流计算结果普遍高于层流计算结果,应用紊流模型分析高速浮环轴承特性更为准确.     

考虑热弹性效应的内燃机曲轴主轴承润滑性能研究

建立某V型8缸内燃机曲轴主轴承的热弹性流体动力学(TEHD)仿真模型,并对各主轴承润滑状况进行分析.针对润滑状况较差的第3主轴承,分析油槽开设方案、相对间隙、轴承宽度和润滑油特性对其润滑状况的影响.结果表明,随着相对间隙的增大,主轴承最小油膜厚度先增大后减小,当间隙过小时,摩擦功耗较大,润滑油温度较高,油膜厚度小;当间隙过大时,泄漏的润滑油较多,油膜厚度减小,且冲击振动大.主轴承的宽径比要适当,轴承宽度过小,油膜厚度偏小,承载能力过低;轴承宽度过大,润滑面积增大,润滑油流量相对减小,摩擦产生热量增加.研究表明,该主轴承适宜在上瓦开设油槽,轴承间隙选为25μm,宽度选为30 mm较好.     

浮环轴承环速比的试验研究

在浮环转子轴承系统静、动力学分析中,环速比是影响功耗、温升及转子轴承系统的稳定性和可靠性的重要指标。以水作为润滑介质,在工作转速1 000~10 000 r/min,载荷为45、75 N工况下,实验测量浮环轴承浮环的转速和环速比,并研究浮环转速和环速比随主轴转速的变化趋势。实验结果表明:浮环轴承能有效减小轴颈与轴瓦之间的相对速度,环速比与工作转速之间呈非线性关系;在重载工况下环速比随着主轴转速的升高快速下降,有进一步优化设计的需要,以维持环速比稳定,而在轻载工况下环速比随着主轴转速的升高而上升,说明浮环轴承更适合于高速轻载的场合。     

浮环轴承结构参数对其动态特性的影响

基于摩擦学和流体动力润滑理论,对浮环轴承的偏心率及动态特性进行了研究。以浮环转速比为切入点推导出了浮环轴承润滑过程中偏心率与结构参数的变化关系,探讨了浮环轴承的动态特性与间隙比、浮环内外半径比的变化规律。结果表明,间隙比或浮环内外半径比的增加都将使浮环轴承总阻尼减小;而总刚度的绝对值随间隙比的增加而增大,随半径比的增加而减小。     

透平膨胀机组动静压径向推力联合浮环轴承推力部分静动态性能研究

给出了动静压径向推力联合浮环轴承推力部分内、外层油膜Reynolds方程和边界条件,通过有限元计算得到了不同间隙和转速下内、外层油膜的压力分布和静、动态特性参数。采用深腔作为节流腔,分析计算了该内置扁毛细管节流的相当节流比。该推力浮环轴承与透平膨胀机组原来使用的五瓦可倾瓦轴承相比,稳定工作时摩擦功耗降低约26%。     

基于质量守恒边界条件的浮环轴承贫油润滑特性理论分析

对浮环轴承贫油润滑机理进行了理论分析。在Elrod算法的基础上,采用有限差分法求解基于质量守恒边界条件(Jakobsson-Floberg-Olsson,JFO)的表征内外油膜压力分布的Reynolds方程,推导内外油膜承载力、流量和注入内油膜的压差注油量的表达式,建立贫油润滑状态下的内油膜压力分布模型。利用Matlab对浮环轴承润滑机理进行了仿真计算,分析静载荷和供油压力对浮动环与轴颈的静平衡位置、内外油膜端泄量与压差注油量的影响,进而讨论贫油润滑状态下轴颈的静平衡位置。结果表明较大的静载荷会产生较大的浮动环偏心率和轴颈偏心率以及内外油膜端泄量,但是压差注油量则会减小。在贫油润滑状态下,内油膜在收敛间隙中发生破裂,承载能力下降,提高供油压力可以明显地增大压差注油量,有效地避免内油膜贫油现象的出现。