A parametric study on bubbly lubrication of high-speed journal bearings

The influence of aerated oil on high-speed journal bearings is examined by classical thermohydrodynamic lubrication theory coupled with analytical models for viscosity and density of the air–oil mixture in the fluid-film bearing. Convection to the walls, mixing with supply oil and recirculating oil, and some degree of journal misalignment are considered. The parameters considered for the study of bubbly lubrication are oil aeration level, air bubble size, shaft misalignment and shaft speed. The results show that air bubbles can more clearly bring on increasing load capacity under high-speed operation of a plain journal bearing than under previous normal speed operation. Moreover, the load capacity may be increased more by oil aeration under the conditions of shaft misalignment and increasing speed.     

轴变形产生的轴颈倾斜对滑动轴承润滑影响的试验研究

针对各种机械装置使用最普遍、最基本的轴-滑动轴承摩擦副系统,设计研制了专用试验装置,对轴受载荷作用产生弯曲变形,导致轴颈在轴承孔中倾斜时滑动轴承的润滑性能进行了试验研究。结果表明,在轴-滑动轴承摩擦副系统中,轴受载荷作用产生变形将导致轴颈在轴承孔中倾斜;轴变形导致轴颈倾斜时,滑动轴承的油膜压力、油膜厚度和温度的分布状况及数值发生了明显变化。轴受载越大,其变形产生的轴颈倾斜越严重,对滑动轴承润滑性能的影响越明显;轴承半径间隙与轴承宽度比值越小,轴变形产生的轴颈倾斜对轴承油膜压力、油膜厚度和温度的数值及分布的影响越大。因此,滑动轴承设计中应该考虑轴受载荷作用产生的变形导致轴颈倾斜的影响,对于重要的机械设备,尤其应当考虑这种影响。     

非道路两缸柴油机轴承热弹性流体动力润滑特性研究

基于热弹性流体动力润滑理论和多体动力学理论,针对自主研发的非道路2D25卧式两缸柴油机,采用AVL Excite Power Unit软件建立曲轴轴承的多体动力学模型,探讨柔性整机体模型下轴瓦与轴承座的弹性变形、润滑油的黏温及黏压特性、轴瓦及轴颈的表面粗糙度及热效应等因素,建立轴承的润滑模型并计算不同工况下各轴承的载荷、油膜厚度、油膜压力和摩擦功耗。研究结果表明:随着转速的升高,主轴承的总摩擦功耗增加,轴瓦的热负荷增大;高转速下,第一主轴承(MB1)和第三主轴承(MB3)存在轴颈倾斜不对中,出现偏磨现象,导致第二缸爆发时主轴颈振动加剧;连杆轴承油膜压力分布均匀性较好,轴瓦热负荷低,在高转速下润滑效果更佳。     

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。     

高速电主轴轴承油气润滑系统的研究

高速电主轴轴承高速旋转时，轴承内部将产生大量摩擦热，从而影响轴承刚度性能及高速性能，轴承润滑可以减少热量的产生，降低温升。油气润滑系统相对于其它润滑系统更适应于高速主轴轴承的润滑要求。对油气润滑的工作原理及其优越性等方面进行了分析。     

考虑不同加速工况的滑动轴承的启停性能分析*

滑动轴承的摩擦磨损主要发生在启停阶段。为了研究启停工况下的滑动轴承的摩擦学性能,建立一种面向径向滑动轴承的混合润滑数值分析模型。采用质量守恒边界条件的雷诺方程求解流体压力,采用Greenwood和Tripp接触模型预测固体表面接触,而通过Johnson载荷分配概念将润滑模型和接触模型联系起来,从而实现对滑动轴承在启停工况下从混合润滑过渡到动压润滑的摩擦学行为分析。利用该模型,研究轴承系统在启停阶段从边界润滑、混合润滑到动压润滑演化过程中的摩擦学性能;以径向滑动轴承系统为例,结合不同的轴承转速变化函数,分析轴承加速对轴承启停性能的影响;同时研究工作工况、润滑油温度、轴承的结构参数对轴承启停性能的影响。结果表明：轴承启动加速度在合理范围内越大越好,能使轴承更快进入动压润滑;较高的转速、较低的润滑油温度和较大的径向轴承间隙能使轴承拥有更好的启停性能。     

混合流态下径向滑动轴承的静态特性研究

以无限宽径向滑动轴承为研究对象,考虑油膜中同时存在层流和紊流两种流态,基于层流、紊流润滑理论,联立求解雷诺方程、能量方程和温黏方程,分析油膜中流态变化,得到压力分布、承载力、摩擦力和最高温度等特性参数。结果表明:随着转速的升高和偏心率的增大,油膜内流体从完全层流转变为完全紊流要经过一个复杂的流态变化过程;与单一层流流态相比,混合流态下油膜承载力和摩擦力较大,温升较高,黏度变化较大,这表明流态的改变和热效应对轴承特性有着不可忽略的影响,在计算轴承特性时,应准确判断油膜中流态,并考虑热效应的影响。     

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。     

长周期变转速下入口油温对高速轻载涡轮增压器转子振动特性影响

高速轻载涡轮增压器转子系统的入口油温在长周期变转速运行条件下会产生动态变化,从而改变转子系统振动特性甚至导致非线性振动事故。以某型汽油机用高速轻载涡轮增压器转子为研究对象,分析浮环轴承内油膜最小厚度与偏心率随入口油温参数的变化规律,构建涡轮增压器转子-浮环轴承系统动力学有限元模型,采用Newmark积分法分析转子系统的非线性瞬态响应,结合涡轮增压器升速实验,得到不同入口油温下转子系统三维振动瀑布图与Colormap频谱图,探究入口油温对转子系统振动响应特性的影响。结果表明:随着入口油温从50℃增至130℃时,内油膜最小厚度会减少,环速比与偏心率会增加,内油膜振荡幅值逐渐降低,但出现内油膜振荡与外油膜涡动的轴颈转速点会提前约30%,且外油膜涡动幅值会逐步增加。综合内外油膜涡动与振动幅值,入口油温约为90℃时转子振动情况较好。结论可为设计具有智能抗振性能的高速轻载涡轮增压器转子系统的运行参数提供理论参考。     

计入轴变形导致轴颈倾斜的径向滑动轴承流体动力润滑分析

分析讨论了轴 轴承摩擦副系统中,当轴受载变形导致轴颈倾斜时,径向滑动轴承的流体动力润滑特性。推 导了轴颈倾斜时的轴承油膜厚度表达式,计算了不同轴载荷情况下,轴承油膜压力、端泄流量和轴颈摩擦系数。计 算结果表明,轴颈倾斜时,轴承油膜压力分布、最大油膜压力、油膜厚度分布和最小油膜厚度等都有明显的变化。因 此,进行计入轴变形导致轴颈倾斜的径向滑动轴承润滑分析研究是非常必要的。     

Journal bearing performance under starved lubrication

The hydrodynamic performance of a journal bearing under starved lubrication conditions is studied theoretically and experimentally. When lubricant is supplied to a journal bearing from an oil groove at an insufficient oil flow rate, the hydrodynamic oil film cannot cover the full width of the bearing at the inlet of the convergent bearing clearance, and the covered width increases gradually with the decrease in film thickness in the circumferential direction. This phenomenon affects the static and dynamic performance of the journal bearing. The oil film boundary in the bearing clearance is calculated numerically for a constant load and a constant speed under the assumption of laminar, iso-viscous lubrication. Measurements are in good agreement with predictions. Some more calculations of journal centre loci are given.     

Wall slip and hydrodynamics of two-dimensional journal bearing

In the present paper, based on the limiting shear stress model, a multi-linearity finite element algorithm and quadratic programming technique are used to study the influence of wall slip on the hydrodynamic lubrication performance of a two-dimensional journal bearing (finite length journal bearing). It is found that if the lubricated surfaces are designed as homogeneous slip surfaces, the hydrodynamic force will be decreased. If the shaft surface (rotation) is a slippery surface with very low limiting shear stress, almost no fluid load support can be generated. If the sleeve surface is designed as the homogeneous slip surface, a low fluid load support together with a small friction drag can be obtained. However, if the sleeve surface is designed as an optimized slip surface with a slip zone in the inlet region, a high load support and low friction coefficient can be obtained. Optimization of the shape and the size of the slip zone can give the journal bearing many advanced properties.     

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。     

基于有限元的盾构机主轴承腔内润滑特性研究

盾构机主轴承具有尺寸大、承受载荷高且转速慢的特点,研究其主轴承腔内润滑状况,对于保证盾构机主轴承的可靠性至关重要。运用三维建模软件及流体仿真软件对盾构机主轴承进行建模及腔内流体域仿真,研究主要润滑参数包括进油口位置分布、进油口的选择、润滑油黏度对腔内润滑状态的影响,以及腔内润滑状态与温度的关系。结果表明：进油口位置分布对润滑状态有着较大影响,非对称进油口分布对这种极低速旋转及重载的盾构机主轴承更有利;为改善润滑状态,进油口应分主进油口和副进油口,保持主进油口常开,副进油口的打开视工况而定;润滑油黏度对润滑状态及温度都有较大影响,存在最佳黏度区间使得温度保持较低水平且润滑状态良好;对应位置润滑油体积分数与温度成反比关系。     

计及轴颈倾斜的径向滑动轴承流体动力润滑分析

分析了稳定状态下轴受载变形导致轴颈倾斜时，径向滑动轴承流体动力润滑特性；推导了轴受载变形导致轴颈倾斜时的轴承油膜厚度达式；计算了不同轴颈倾斜角、轴颈倾斜方位和轴承偏心率等情况下的轴油膜压力、油膜反力(承载量)、端泄流量、轴颈摩擦系数和保持轴承稳定作的力矩。结果表明，轴受载变形导致轴颈倾斜时，无论是轴承油膜压力布和最大油膜压力、油膜厚度分布和最小油膜厚度，还是轴承承载量、端流量和保持轴承稳定工作的力矩等摩擦学性能，都有明显的变化。     

轴承腔中均匀流体/壁面油膜分层流动分析

航空发动机轴承腔精确的润滑与换热设计依赖于对其内油气两相润滑介质流动与换热本质的认识。针对轴承腔内复杂的油气两相润滑介质流动状态,建立轴承腔均匀流体/壁面油膜分层流动分析模型,开展腔内油气两相润滑介质流动特性研究,探讨转子转速和润滑油供油量对均匀流体和壁面油膜两相介质压力、速度以及温度分布的影响。分析模型中,气相介质(含油滴)的等效物理特征参数通过离散油滴和气相介质的组分比例关系确定,各固体壁面与流体介质的对流换热系数根据其各自的传热特性确定。研究结果表明,均匀流体与壁面油膜两相介质的压力随着润滑油供油量的增加而增大,受转子转速的影响较为复杂;均匀流体与壁面油膜两相介质的速度随着转子转速的增高而增大,受润滑油供油量影响较小;均匀流体的温度随着润滑油供油量的增加而减小,受转子转速的影响较小;与均匀流体温度不同,壁面油膜的温度随着转子转速的增加而增大,随着润滑油供油量的增加而减小。建立了轴承腔试验台系统,开展了轴承腔油气两相流动状态下的压力和温度测试,压力和温度试验结果与理论计算结果均具有较好的吻合性,验证了提出的理论分析方法的可靠性。     

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。     

Refined simulation of friction power loss in crank shaft slider bearings considering wear in the mixed lubrication regime

Friction reduction is a fundamental factor in decreasing fuel consumption of internal combustion engines. During the design stage of the engine the simulation of friction in the crank mechanism plays a vital role to develop optimum solutions. Due to the interaction of oil and elastic structures with rough surfaces in slider bearings, complex simulation models have to be used for representing the relevant physical behavior. The following article is focused on crank shaft slider bearings of large engines.The article describes a procedure evaluated by measurements showing how to model wear profiles of slider bearings to reach a high quality friction forecast. A fundamental influencing factor of bearing friction is given by the mixed lubrication regime and it is considered in the simulation model as part of asperity contact friction and hydrodynamic friction. Further effects result from the compliance in radial and width directions of the bearing structure and the wear of the bearing surface. Furthermore, the specific operating conditions of the slider bearing such as load, temperature, shaft speed and oil characteristics are essential and have to be taken into account.The objective of this investigation is to propose the wear profile of the bearing surface for the simulation model to be treated iteratively, where simulation results for the amount of mixed lubrication are successively assessed. For this purpose an iterative procedure is introduced and validated by measurements on a slider bearing test rig.The applied simulation method is based on elastic multi-body systems; the lubrication film contact is calculated based on Reynolds differential equation via the pressure balance calculated iteratively in the time domain. The model accounting for the mixed lubrication regime is based on the theory of Greenwood and Tripp.     

紊流润滑滑动轴承壁面压力脉动效应研究

壁面压力脉动是紊流润滑滑动轴承随机振动的主要激励源之一,建立紊流激励特性和轴承结构动力学响应之间的关联,对高转速、低黏度润滑滑动轴承的状态监测和故障诊断具有重要意义。为研究紊流润滑滑动轴承的壁面压力脉动效应,考虑流体油膜中存在逆压力梯度的影响,选用Rozenberg模型和广义Corcos模型表征壁面压力脉动的自功率谱和互功率谱,采用波数域模态叠加法求解滑动轴承紊流壁面压力脉动模型,分析滑动轴承在不同工况参数下壁面压力脉动的激励特性以及结构的响应特性。结果表明：低波数区域紊流脉动压力是轴承结构高频随机振动的主要因素;随着润滑油黏度的降低,高频范围内的轴承模态响应幅值增大,共振峰值附近产生较宽的频带和较高的振幅;随着轴颈转速和径向载荷的升高,紊流压力梯度增大,高频范围内的轴承模态响应幅值也随之增大。     

水润滑动静压轴承三维压力及温度场分布理论研究

以4腔、毛细节流形式下的深腔动静压轴承为研究对象,采用有限差分数值方法求解了广义雷诺方程,该过程考虑了紊流、粘度和密度随压力及温度变化的影响。研究得到了在水介质润滑下的动静压轴承三维压力分布、温度场分布及动特性系数。结果表明在高速高压水润滑条件下的动静压轴承表现出了与粘度较大的油润滑条件下不同的液腔压力分布、温度分布等特性。水润滑轴承第3和第4个液腔压力较大,第1个液腔主要用来增加其稳定性,而同等条件下的油润滑轴承第2和第3个油腔压力较大,第4个液腔增加其稳定性。相比油润滑轴承,水润滑轴承温升较高,因此对于低粘度介质润滑下的轴承性能研究需要考虑温升影响。