表面织构凹槽对径向滑动轴承润滑性能的影响

以有限宽径向滑动轴承为研究对象,将轴承承载力最大化和摩擦因数最小化作为优化目标,在轴承表面轴向方向分别设计加工矩形和斜向抛物线凹槽织构,以最大程度地提高轴承的承载力,减小摩擦因数。将凹槽几何参数(凹槽数目N、凹槽相对深度H_d、偏斜角度α、织构率T)作为变量,求解不同变量下的Reynolds方程得到油膜承载力。数值结果表明,具有凹槽织构的轴承承载力大于未织构轴承,摩擦因数小于未织构轴承;随着凹槽相对深度Hd、织构率T的增加,轴承承载力增加,摩擦因数减小;抛物线凹槽织构率T在40%~50%时,承载力取得最优值。     

表面织构对水润滑轴承混合润滑性能的影响

为分析表面织构对水润滑轴承混合润滑性能的影响,基于平均Reynolds方程及JFO空化边界条件建立带有表面织构的水润滑轴承混合润滑模型并数值求解,获得不同织构参数下水润滑轴承的Stribeck曲线。研究结果表明:表面织构是否能改善润滑性能与其深径比及面密度参数密切相关,织构的引入并不一定能降低水润滑轴承的摩擦因数;表面织构的面密度和深径比存在最优值,能使水润滑轴承获得最大的膜厚比与最小的摩擦因数,并在较低的转速下由混合润滑状态进入流体动压润滑状态。     

凹槽型织构对钻头滑动轴承表面摩擦学性能影响分析

基于雷诺方程建立表面织构化滑动轴承润滑理论模型,探究不同织构参数(分布角度、深度、面积比、偏斜角度、长度)对钻头滑动轴承承载力和摩擦因数的影响规律.在油膜收敛和最小油膜厚度附近区域布置织构,有利于增加轴承表面润滑性能,而织构布置在油膜发散处反而会减小轴承承载力,增大摩擦因数.织构的最佳织构深度与轴承的工况相关,不同偏心率条件下最优织构深度不同,轴承所承载的载荷越大,凹槽型织构化轴承的最佳织构深度越深;摩擦因数随织构面积比的增加先增大后减小,当面积比为18％时,摩擦因数最小.织构深度对织构偏斜角度的影响较小,轴承摩擦因数随偏斜角度的增加逐渐减小;织构长度为轴承宽度的1/2时,轴承润滑效果最佳.     

基于正交实验法的水润滑轴承结构参数优化设计

建立了8直槽水润滑轴承的数值模型，以偏心率、半径间隙、沟槽数量为影响因素，以摩擦因数、承载力为目标函数，进行正交试验，对水润滑轴承进行优化设计分析，结果表明：增大偏心率、减小轴承间隙、减少沟槽数量有助于降低摩擦因数与提高承载力。     

具有椭圆抛物面织构的滑动轴承性能研究

考虑椭圆抛物面织构,研究其对滑动轴承性能的影响。以径向滑动轴承为研究对象,建立具有椭圆抛物面织构的滑动轴承雷诺方程。采用有限差分对方程进行离散,结合超松弛迭代法进行求解,得到滑动轴承的性能参数值,并与光滑滑动轴承进行对比。结果表明:单一凹/凸表面织构下,随着织构几何参数的变化,承载力和摩擦因数存在相同的变化趋势,与光滑滑动轴承相比,轴承的性能没有得到有效的提升。考虑凹凸复合表面织构,研究其对滑动轴承性能的影响。结果表明,存在最优织构几何参数使得滑动轴承承载力增大,摩擦因数降低,滑动轴承的性能得到有效的提升。     

表面织构对径向滑动轴承静态特性的影响

利用p-θ质量守恒算法研究表面织构对径向滑动轴承静态特性的影响,建立椭球形织构模型,分别讨论特殊椭球形织构半径、数目、深度和分布位置等对滑动轴承承载力、摩擦力和摩擦因数的影响。结果表明:与光滑表面轴承相比,在轴瓦表面合理分布部分织构能提升轴承润滑性能,使轴承承载力增大、摩擦力和摩擦因数减小;全织构对轴承润滑性能有消极影响,使轴承承载力和摩擦力减小,摩擦因数增大。织构半径、数目、深度等参数对滑动轴承润滑性能都有重要影响;织构周向分布在180°～360°比分布在0°～180°更有益于提升轴承性能;在较高偏心率下,织构对轴承润滑性能的提升不明显。     

径向不对中微织构气体箔片轴承静态特性分析

为进一步探究表面形貌对气体箔片轴承的影响,采用数值分析方法分析不对中情况下表面粗糙度和表面微织构对径向气体箔片轴承静特性的影响。利用超松弛迭代(SOR)和有限差分法对气体箔片轴承的Reynolds控制方程进行求解,通过模拟仿真分析不同微织构形状、深度、数量、占比以及表面粗糙度下轴承的静特性。研究结果表明：不同形状微织构对气体箔片轴承性能影响不同,椭圆形微织构提高轴承静特性的效果较好;微织构深度、数量和占比存在一组相对最优值,可在提升轴承承载力的同时降低摩擦力矩;与无微织构轴承相比,具有特定参数微织构的径向气体箔片轴承承载力提高了36.32%,摩擦力矩降低了1.66%。     

基于Reynolds边界有限宽径向轴承实用计算方法

提出了一种基于Reynolds边界有限宽径向轴承的实用计算方法。该方法是将Fuller用电模拟方法得到的离散性端泄系数首次用函数表示,并采用无限宽径向轴承按Reynolds边界条件得到的解析解答。在此基础上建立了有限宽轴承承载量系数公式,它避开了文献中轴承承载量系数的数值计困难。结果表明:利用本文中已建立了轴承承载量系数公式及文献中摩擦因数的公式,能更方便得到有限宽轴承摩擦因数的变化规律性;本文的求解方法、求解过程简单、方便并且具有实用精度;计算得到的端泄系数、承载量系数及摩擦因数与相应文献报道的结果十分逼近。     

螺旋槽动压径向气体轴承承载特性研究

为研究螺旋槽动压径向气体轴承承载特性,运用SolidWorks软件建立其物理模型。基于气体润滑基本方程Navier-Stokes方程,推导出可压缩非定常雷诺方程式。应用CFD技术和流体动力学Fluent软件对气体润滑基本方程Navier-Stokes方程直接求解,得到轴承在不同转速条件下的压力分布,以及轴承承载能力随螺旋槽动压径向轴承结构参数和运行参数的变化规律。结果表明;螺旋槽气体动压轴承在偏心方向气膜厚度最小,压力相对其他区域较大,随着转速的提高,轴承的动压效应更加显著,使得最大压力值逐渐增大;随着槽长、槽深比、槽数等结构参数的增加,以及偏心率、转速等运行参数的增加,轴承承载能力增大;而随着半径间隙的增大承载力减小。研究结果为螺旋槽动压径向气体轴承的设计及优化提供理论依据。     

基于正交试验的核主泵水导轴承润滑特性分析

为了更加准确地分析核主泵水导轴承性能,提高轴系设计的可靠性及其泵机组的安全稳定性,基于有限差分方法求解Reynolds方程,建立水导轴承的流体动力润滑仿真模型。采用正交试验方法完成以偏心率、半径间隙、长径比和转速为优化参数,以轴承承载力、功率损耗、最大液膜压力和最小液膜厚度为轴承性能指标的试验设计。通过极差分析得到各参数对水导轴承各性能影响的主次顺序和一组最优参数组合。结果表明:影响轴承承载力和功率损耗最显著的因素是转速,影响最小液膜厚度和最大液膜压力最显著的因素是偏心率。在满足多目标性能最优的条件下,综合分析该核主泵水导轴承最优设计参数组合为偏心率取0.6、半径间隙取0.3 mm、长径比取1和转速取1500 r/min。     

复合材料水润滑艉轴承结构设计研究

基于ANSYS CFX流固耦合数值计算方法,对水润滑复合材料艉轴承的润滑性能及结构设计开展研究,阐述了不同水槽结构、间隙比、长径比、直径等对轴承承载力以及水膜压力、轴承变形量、最小水膜厚度、轴承摩擦因数的影响规律。并利用水润滑轴承试验台研究了不同水槽结构对轴承启动摩擦转矩、转变速度以及摩擦因数的影响。研究表明,轴承摩擦因数、水膜最大压强、轴承最大变形随水槽数增多而增大;轴承承载力、最小水膜厚度随间隙比增大而减小,随长径比增大而增大。总结了直径为100~500 mm、长径比为2~3、间隙比为0.1%~0.2%的水润滑艉轴承承载力的变化规律,为水润滑艉轴承设计提供一定的理论依据。     

不对中径向滑动轴承微凹槽织构数值分析

为研究凹槽位置、深度、倾斜角和面积率等因素对不对中径向滑动轴承摩擦学性能的影响,基于Reynolds方程建立滑动轴承的摩擦润滑数学模型,采用有限差分法迭代求解不同凹槽微织构参数影响下的油膜压力,计算不同织构参数下轴承的承载力、摩擦力和端泄流量等。计算结果表明:凹槽微织构分布在升压区且轴向占比约50%时轴承承载力较高;相比于光滑轴承,微织构轴承的摩擦力更低,且凹槽的轴向占比和深度越大摩擦力越小;微织构对轴承的承载力具有削弱和增强的双重可能,存在最优的凹槽周向和轴向占比、深度和倾斜角使得轴承在较小摩擦力下具有更高的承载力;凹槽微织构的面积率与轴承承载力和摩擦力呈线性相关;轴承的不对中程度越小时,在光滑轴瓦表面加工合适参数的微织构时越有利于提高轴承的摩擦学性能。     

螺旋槽-波锥坝组合型非接触式机械密封性能分析

针对液体润滑非接触式机械密封在低黏环境下承载性能不足的问题,提出一种新型螺旋槽-波锥坝动静压组合型机械密封结构,采用MATLAB软件利用有限差分法求解考虑质量守恒空化边界的雷诺方程,并将组合槽与螺旋槽、波锥坝的密封性能进行比较,进一步分析不同结构参数与工况参数对组合槽性能参数的影响规律。结果表明:新槽型波数与螺旋槽数重合时组合密封在径向出现2个压力峰值,相较于单一槽型结构拥有更好的承载能力与较小的摩擦扭矩;液膜力与泄漏量随波锥比或径向宽度比的增加而增大,外径压力和转速越大,组合槽的承载性能提升越显著,但外径压力的升高会造成较大的径向泄漏。组合槽结合了波锥槽的静压承载与螺旋槽的动压承载综合优势,将有效提升液体润滑非接触式机械密封在低黏环境下的润滑性能。     

Thermohydrodynamic Analysis and Thermal Management of Spherical Spiral Groove Gas Bearings

A thermohydrodynamic model of spherical spiral groove bearings is presented by considering the effect of bearing temperature change on the material property of lubricant, gas flow characteristics in the grooves, and thermal energy transported in the entire bearing system. A gas mixing model in the grooves is introduced as the boundary condition to solve the bearing temperature distribution simultaneously with the heat conduction at the shaft and the housing. The bearing and rotor expansion caused by temperature increases, which is considerable compared to bearing clearance, is also examined. Prediction results show that the thermal expansion determined by actual bearing clearance has a crucial influence on the bearing load capacity. Manufacturing bearings with proper materials has significant effects on controlling thermal expansion effects on the bearing performance. The load capacity, which corresponds to the lubricant gas pressure, and gas suck flow rate have the same variation tendencies as the variation in groove depth and spiral angle. These similar tendencies have an opposite influence on the temperature and result in the temperature increase not being affected by the variation in grooves. However, varying the groove characteristics has a similar effect in carrying away the thermal energy as the variation in heat transfer coefficient, which could significantly control the temperature increase at the same time.     

Direct Observation of Cavitation Phenomenon and Hydrodynamic Lubrication Analysis of Textured Surfaces

When a textured ring rotates relatively against the other texture-free ring in a parallel thrust bearing, cavitation of liquid lubricant may occur in the divergent zones of the dimples or grooves on the textured surface due to local pressure drops. The Reynolds and Jakobsson–Floberg–Olsson (JFO) models are two widely used cavitation models in hydrodynamic lubrication theory, where the former lacks mass conservation while the latter enforces it. In order to investigate the applicability of the two models to the hydrodynamic lubrication analysis of parallel thrust bearings with surface textures, comparison between experiment and simulation results has been carried out on parallel thrust bearings in terms of cavitation zone morphology in a groove, friction coefficient, and bearing clearance. The results have shown that the observed cavitation morphology in steady state is more similar to the prediction from the JFO model than that from the Reynolds model.     

液体润滑分段螺旋槽端面密封性能分析

为探讨螺旋槽衍生槽型液体润滑端面密封性能,以中间开槽密封为研究对象,建立考虑质量守恒JFO空化边界条件的雷诺方程,采用有限差分法进行数值求解,对螺旋槽、二段槽以及三段槽的性能进行对比分析,探讨结构参数和操作参数对其泵送能力、动压承载能力以及空化情况的影响,计算域中槽区边界处的膜厚值采用调和平均处理。结果表明:在所给参数范围内,3种槽型的泵送率几乎均为正值,即均可实现上游泵送;三段槽的流体膜承载力受转速影响的程度明显小于另2种槽型;相同条件下三段槽更不易诱发空化,其次为二段槽;相比于螺旋槽和二段槽,三段槽受结构参数和操作参数的影响更小,具有更稳定的流体膜承载力及上游泵送性能。     

考虑稀薄气体有效黏度的微轴承弹流润滑研究

气体稀薄效应和轴瓦弹性变形对微流体设备中气体微型轴承润滑特性影响显著。根据Veijola提出的稀薄气体有效黏度模型,采用有限元法建立柔度矩阵计算轴瓦表面弹性变形量,并推导考虑有效黏度与弹性变形影响的修正Reynolds方程。通过联立求解超薄气膜润滑修正Reynolds方程、稀薄气体有效黏度方程和三维轴瓦弹性方程,分析轴瓦弹性模量、气体有效黏度、轴承结构参数以及扰动频率对其静动态特性的影响。结果表明：气体稀薄效应显著降低了微型轴承的承载能力;微型轴承的承载力随偏心率和轴承数的增加而增大;增加轴瓦柔性可提高微型轴承的承载能力和摩擦因数,而考虑气体有效黏度的弹性微型轴承承载力和摩擦因数较小;相比刚性表面微气体滑动轴承,轴瓦弹性模量的减小显著增加了动态刚度系数且降低了微型轴承的直接阻尼系数,而考虑稀薄效应引起的气体有效黏度效应降低了轴承直接刚度的同时增加了直接阻尼系数。     

螺旋槽上游泵送机械密封摩擦系数的解析分析

上游泵送机械密封是一种具有环保、长寿命、低能耗的高新密封技术,其应用前景将十分广阔。端面液膜特性是决定上游泵送机械密封工作寿命和密封性能好坏的关键因素。主要依据流体雷诺方程和Muijderman无限窄槽理论,再用端面槽型因子对其进行修正,推导了螺旋槽上游泵送机械密封端面间液膜的径向压力分布、泄漏率、承载力、摩擦力、摩擦系数等液膜特性参数的计算公式,并重点分析了操作参数与槽型参数对端面摩擦系数的影响。研究表明,摩擦系数随转速和粘度增加而增加,随压力增加而减小。槽深H'=2.5、槽数Ng=10~18、槽宽比B=0.6~0.8、槽长比l=0.6~0.7时,密封环端面间摩擦系数较小,液膜特性较好,这时端面间间隙对摩擦系数几乎没有影响。此研究结果可为上游泵送机械密封的正确使用和设计提供依据。     

Combined effects of surface roughness and viscosity variation due to additives on long journal bearing

Abstract

The combined effects of surface roughness and viscosity variation due to additives on long journal bearing are analytically studied. The variation in viscosity along the film thickness is considered. The presence of solid particles in the lubricant is an increased effective viscosity, which increases the load carrying capacity and decreases the frictional coefficient, whereas the viscosity variation tends to decrease both the load carrying capacity and coefficient of friction for non-micropolar fluid case. The modified Reynolds type equation for surface roughness has been derived on the basis of Eringen’s micropolar fluid theory. The generalised stochastic random variable with non-zero mean, variance and skewness is assumed to mathematically model the surface roughness on the bearing surface. Numerical results were obtained for the fluid film pressure, load carrying capacity and the coefficient of friction. It is observed that the combined effect is to increase the load carrying capacity and to decrease the coefficient of friction, which improves the performance of the bearing.     

多叶动压气体滑动轴承静态特性的有限差分算法

多叶动压气体滑动轴承因其结构简单、摩擦阻力低、旋转精度高和无环境污染等优点,在高速离心分离机、空气压缩机和透平膨胀机等旋转机械中应用广泛。为探究多叶动压气体滑动轴承的静态性能,通过数学变换将三叶动压轴承的气体润滑Reynolds方程转化为标准偏微分方程形式,利用有限差分法和超松弛迭代法进行数值求解,研究气膜厚度和气膜压力分布、承载力、摩擦因数和质量流量等静态性能,随偏心率、预负荷系数、轴承数、长径比及瓦块分布位置的变化规律。结果表明：三叶轴承的承载力和轴颈表面摩擦因数随偏心率和长径比的增加而增加,而偏位角和质量流量随偏心率和预负荷系数的增加则呈现出相反的变化趋势;随着轴承数和预负荷系数的增大,承载力和摩擦因数显著提高,偏位角和质量流量则逐渐减小;瓦块分布位置对三叶动压气体滑动轴承的静态性能影响显著,其中瓦上承载方式的承载力、偏位角和质量流量明显高于瓦间承载方式。