航天器驱动机构轴系摩擦力矩建模与分析研究

基于接触力学、摩擦学及角接触轴承拟静力学理论,建立了固体润滑角接触轴承摩擦力矩理论计算模型,并在航天器驱动机构的边界条件下,研究了航天器驱动机构轴系摩擦力矩与预紧力之间的关系,从理论上分析了轴系预紧力对轴系摩擦力矩的影响并进行了试验验证。研究表明,固体润滑角接触轴承摩擦力矩随着轴向载荷的增大而增大,当轴系拧紧力矩达到临界值后,摩擦力矩随着拧紧力矩的增大而增大;且理论分析值和试验值的趋势一致,数值接近;说明基于拟静力学建立的摩擦力矩计算模型能较好地实现低速下的固体润滑轴承和轴系摩擦力矩预测。     

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。     

单向推力球轴承在某大型离心分离机中的应用

对单向推力球轴承在某新开发大型离心分离机中的应用进行了讨论。根据经典理论对轴承的摩擦功率损失进行了计算，对照循环润滑方式带走的功率损失，分析了功率损失的原因。同时，对进一步的结构改进提出了建议。     

轴承结构参数对曲轴主轴承润滑性能的影响

针对曲轴主轴承润滑性能的影响因素研究,建立考虑轴颈直径、轴承宽径比和轴承间隙3种轴承结构参数的曲轴主轴承热弹性流体动力润滑模型,分析不同轴承结构参数下的主轴承最大油膜压力、最小油膜厚度、最高轴承温度和最大摩擦功率损失。计算结果表明：轴承结构参数对主轴承润滑性能有很大影响;当轴颈直径和轴承宽径比变大时,主轴承最大油膜压力会出现减小的情况,最小油膜厚度变大、最高轴承温度升高和摩擦功率损失增加;内燃机主轴承的轴承间隙会随着轴颈直径和轴承宽径比的不同而有不同影响,且轴承间隙对主轴承最高温度和最大摩擦功率损失的影响较为显著。     

内燃机主轴承摩擦功率损失的影响因素

研究了影响主轴承摩擦功率损失的影响因素,包括轴承表面粗糙度、润滑油温度、曲轴转速、轴颈间隙和供油提前角,同时分析各影响因素对内燃机主轴承的影响。分析所用物理模型为直列六缸内燃机,其数学模型主要依据有限差分法与欧拉法求解雷诺方程,润滑油膜接触通过在时域内压力平衡迭代计算。对内燃机曲轴主轴承摩擦功率损失影响因素进行了探讨,计算结果表明,在内燃机零部件设计阶段应充分考虑轴承间隙以及表面粗糙度对摩擦功率损失的影响。     

摩擦激励下螺旋桨推进轴系弯扭耦合振动研究

螺旋桨推进轴系中水润滑轴承-轴颈摩擦诱导异常振动、噪声是制约舰艇隐身性能的重要因素,研究其成因机制和影响规律对于识别和有效控制异常振动、噪声具有重要价值。为此,从非线性摩擦和轴系整体动力学耦合的角度对螺旋桨推进轴系摩擦诱导振动问题进行分析。采用速度依赖型的Stribeck摩擦模型描述轴承-轴颈的动摩擦特性,考虑非线性摩擦-扭转振动-横向振动的耦合作用,在此基础上利用Hamilton原理和有限元法建立连续轴系的非线性动力学方程。运用Newmark-β法和Newton-Raphson迭代相结合的方式求解并获取系统非线性动力学响应,分析动摩擦特性及弯-扭耦合作用对轴系摩擦诱导振动的影响规律。结果表明,相较于纯扭转系统,弯-扭耦合系统更容易产生摩擦自激振动。除轴承-轴颈摩擦特性外,不稳定的弯曲模态同样为耦合系统摩擦自激振动的重要成因。     

轮缘推进电机推力轴承水润滑性能分析

轮缘推进电机采用海水润滑,由于海水黏度低,难以建立有效的动压润滑效应。同时随着轮缘推进器的推进功率不断提升,其传递的推力也显著升高。这些问题以及需求对轮缘推进器推力轴承的润滑性能提出了新的挑战。提出一种满足轮缘推进电机推进需求的推力轴承设计方案,结合流体动力润滑理论,建立水润滑推力轴承流体动力学模型,基于有限单元法计算了推力轴承的压力分布和最大温度分布,以及雷诺数和摩擦功耗的变化规律。结果表明：该轮缘推进电机推力轴承的压力集中分布在轴瓦中间部分,并随轴瓦倾角和膜厚而变化;温度分布随转速基本保持不变;高速情况下雷诺数大幅降低;摩擦功耗随转速持续增加。     

舰船尾轴承变形对其阻尼特性的影响研究

舰船推进轴系受多个载荷的作用，导致船体、螺旋桨轴和尾轴承发生变形，并在尾轴承中心线与螺旋桨轴颈中心线之间形成一个变形角。研究了变形夹角对轴承油膜动态阻尼参数的影响关系，用数值计算的方法计算得到了轴承油膜阻尼参数与变形角之间的变化关系。结果表明：轴承中线与轴颈轴线之间的变形夹角对轴承润滑阻尼参数的影响关系为强的非线性关系；变形角对轴承阻尼特性影响较大，随着变形角的增大，油膜阻尼Dxx和Dyy会增大，而阻尼Dyz和Dxy会减小；轴颈中线与轴承中线之间夹角对油膜阻尼参数的影响局限在一定的弯曲变形范围内，当变形继续增大时，螺旋桨轴与尾轴承发生刚性接触，此时轴与轴承的刚性接触摩擦作用增大，阻尼作用急剧改变。     

表面形貌对内燃机主轴承润滑性能的影响

基于Patir和Cheng的平均流量方程和流量因子,计入表面形貌和弹性变形等因素,以流体润滑理论为基础,建立内燃机主轴承的润滑分析计算模型;研究主轴颈和轴瓦表面形貌对主轴承最小油膜厚度、最大油膜压力、摩擦损失总功和粗糙接触压力等润滑特性的影响。结果表明,轴颈和轴瓦表面粗糙度值大小和纹理方向对主轴承润滑性能具有显著影响,随着粗糙度值的增加,最小油膜厚度增加,油膜压力减小,粗糙接触压力增加,摩擦损失总功增大;相较横向纹理和各向同性,纵向纹理有利于提高最小油膜厚度,降低粗糙接触压力和摩擦损失总功;当粗糙度值不变时,随着内燃机转速和爆发压力的增加,粗糙接触压力增加,粗糙摩擦损失功率增加,导致磨损加剧效率降低。     

船舶艉管轴承润滑流场数值分析

针对水润滑船舶艉管轴承建立了三维几何模型,对轴承内部流场进行了数值分析。分析了水润滑船舶艉管轴承内部流场的压力分布、温度分布、速度分布、湍流能量分布。计算结果表明,轴承内部周向凹槽可以减缓轴承轴向压力降低,轴向凹槽可以增强轴承内部冷却效果,使压力场均匀化,沟槽面可以使层流边界层区域增大,使转捩为湍流的雷诺数增大,降低轴承压力损失。在研究的10种轴承中,组合槽轴承没有出现负压区,空穴效应小,内部湍流能量下降最快,对船舶轴系的激振力最小,可以提高船舶轴系运行稳定性。     

悬链线型线轴瓦对连杆大头轴承润滑特性的影响

针对柴油机连杆大头轴承润滑不良和摩擦磨损的问题,结合轴承型线的设计理论,建立了悬链型线的数学表达式。运用AVL POWER UNIT搭建连杆柔性多体动力学模型,研究了连杆大头轴承的悬链线型线对其润滑特性的影响。结果表明:当连杆大头轴承采用悬链线型线轴瓦时,随着型线径向变化量的逐步增加,峰值油膜压力先减小后增大,最小油膜厚度先增大后减小,总摩擦功耗先减小后增大。当采用径向变化量为方案4(变化量6 μm)的悬链线型线轴瓦时,最小油膜厚度增加了0.22 μm,峰值油膜压力减少了10.92 MPa,总摩擦功耗减少了0.28 kW,有利于减小轴承的摩擦磨损功耗和改善连杆大头轴承的总体润滑性能。通过曲线拟合分析得到了最小油膜厚度、峰值油膜压力和总摩擦功耗这3个评价参数的函数关系,为连杆大头轴承润滑特性的优化设计提供参考依据。     

以超临界二氧化碳为介质的径向箔片轴承静特性分析

以超临界二氧化碳(S-CO2)布雷顿循环所用压缩机中的径向箔片气体轴承为研究对象,考虑S-CO2在近临界区的实际物性,运用有限差分法数值求解变密度变黏度湍流雷诺方程,耦合弹性箔片变形方程,计算以S-CO2为润滑介质的径向气体轴承的气膜压力分布规律,并分析近临界区S-CO2物性变化对轴承承载力、摩擦力矩的影响.计算结果表...     

内燃机活塞裙部配缸间隙对裙部润滑影响的研究

本文建立的数学模型主要是结合动力学方程及缸套 -活塞裙部间的流体动力润滑方程 ,采用数值分析方法来研究活塞的二阶运动 ,并从减小活塞裙部摩擦功耗和减小活塞横向运动的角度 ,对活塞与缸套的最佳油膜间隙进行了确定 ,使得活塞裙部与缸套的间隙更为合理     

基于FLUENT的径向滑动轴承紊流润滑特性研究*

为研究计入黏温效应的径向滑动轴承紊流润滑特性,以某汽轮发电机径向滑动轴承为研究对象,基于FLUENT两相流模型建立计入黏温效应的高速、大功率、重载滑动轴承紊流润滑状态下的仿真分析模型;采用Creo软件建立三维油膜模型并导入ICEM软件划分结构化网格,通过编写的黏温方程UDF程序来定义润滑油黏度属性;基于建立的FULENT模型研究定黏度与变黏度条件下偏心率和雷诺数对轴承紊流润滑特性的影响,并将仿真结果与广泛应用的Ng-Pan紊流润滑理论结果进行对比,验证仿真结果的正确性。研究结果表明：考虑黏温效应后,轴承最大油膜压力、最大油膜温度显著降低,承载力、摩擦力有所减小,而摩擦因数、端泄流量有所增加。     

基于多体动力学的发动机主轴承润滑特性Kriging建模

基于多体动力学(MBD)和弹性流体动力学(EHD)对某汽油发动机主轴承的润滑特性进行研究,利用实验设计(DOE)方法分析了半径间隙、轴承宽度、机油粘度和供油压力等设计变量对主轴承润滑性能,如最小油膜厚度(MOFT)、峰值油膜压力(POFP)、液动摩擦损失(FRIC)和机油端泄流量(Flow)等的影响,并利用Kriging方法建立准确表征主轴承润滑特性的简化模型。结果表明,Kriging可以在较少采样点的情况下建立较准确的主轴承模型。Kriging方法建立的简化模型计算和原始轴承仿真模型相比计算时间大大减少,可用于对轴承的设计优化。     

The Effect of Lubricant Viscosity and Composition on Engine Friction and Bearing Wear

This paper investigates the effect of lubricant composition on engine friction and connecting-rod bearing wear. Special attention has been given to polymer-thickened (VI improved) oils since these oils are characterized by shear-dependent viscosity and a simultaneous occurrence of viscous and elastic properties. The variables investigated in this study included lubricant viscosity, polymer type, and concentration.

Two sets of engine studies were conducted, one to determine engine friction, the other to measure connecting-rod bearing wear, using irradiated bearings. For Newtonian fluids, the engine friction and wear response can be predicted from classical lubrication theory—that is, (a) friction decreases with increaing viscosity until a viscosity is reached where friction is a minimum; beyond this viscosity, further increases in viscosity result in increased friction. (b) Bearing wear decreases with increasing viscosity, but as a step function, not linearly, and the transition viscosity (of the step) corresponds to the viscosity which gives a minimum engine friction.

The addition of polymeric VI improvers (non-Newtonian fluids) to mineral oil base stocks reduces engine friction and lowers bearing wear—the amount of friction and wear reduction depending on the polymer type and concentration. This paper demonstrates that polymer-thickened oils actually give better bearing wear performance than their comparable mineral oil counterparts despite the fact that they have a lower apparent viscosity at high rates of shear. In addition, it appears that temporary viscosity loss is not the sale cause of the reduced engine friction of polymer-thickened oils.     

大功率密度柴油机主轴承混合润滑分析

针对某型柴油机功率提升后主轴承润滑性能出现恶化的现象,计及表面形貌和弹性变形等因素影响,建立12V150柴油机主轴承润滑分析模型。运用弹性流体润滑、轴承动力学及Greenwood-Tripp微凸峰接触理论,分析功率提升后的主轴承润滑性能,提出需要改进的参数。分析表明:主轴承润滑性能变差的原因主要是功率提升后,曲轴和主轴承承受载荷加剧,油膜压力增加,引起轴颈弯曲或倾斜,导致主轴最小油膜度减小。研究曲轴平衡率、轴承宽度和润滑油黏度等参数对主轴承润滑性能的影响,提出了将曲轴平衡率由70%增大至90%,轴承宽度由46 mm增大至48 mm,并合理增加润滑油黏度的改进方案。结果表明:曲轴平衡率能有效地减小主轴颈倾斜角度,而轴承宽度和润滑油黏度对轴颈倾斜几乎没有影响;改进后主轴承最小油膜厚度提升了16.08%,峰值粗糙接触压力减小了37.11%,平均摩擦损失总功减小了13.08%。     

尺寸误差对转子系统摩擦功率的影响

针对滑动轴承转子系统存在的尺寸误差,建立了非线性油膜力模型,着重研究了滑动轴承与轴颈直径误差及其交互作用对系统动力学特性、承载能力和稳定性的影响,并利用稳定性临界转速对应的偏心率,定量分析了偏心率对滑动轴承转子系统摩擦功率损失的影响。图形曲线分析表明,各种尺寸变化对系统会产生不同程度的影响,摩擦功率随着偏心率的增大而减小,当偏心率在0.6948附近时摩擦功率达到最小。研究结果为减小系统功耗、合理设计系统参数提供了可靠的依据。     

考虑润滑油黏温效应的动压滑动轴承性能分析

滑动轴承的相关研究很多都基于等黏度的情况下,这与轴承的实际工作情况有较大的出入。使用计算流体力学FLUENT通过编写的黏温方程UDF程序进行动压滑动轴承润滑油黏度的计算,并考虑黏温效应对动压滑动轴承性能的影响,比较等黏度与变黏度情况下动压滑动轴承的油膜压力与承载力、油膜的轴向与周向温度分布。结果表明:在考虑黏温效应条件下,轴承的承载力、油膜压力、摩擦力均小于定黏度条件下,这是由于温度升高导致黏度降低,从而减小了油膜静压力和承载力;在轴承轴向方向上,从油膜中心位置向两端部,油膜温度逐渐升高;在轴承圆周方向上,从收敛区到发散区,油膜温度先升高后降低,油膜温度峰值出现在轴承发散区的端部位置。