计入热变形影响的内燃机主轴承热流体动力润滑分析

根据动载滑动轴承热流体动力润滑理论,结合热变形矩阵法,提出一种考虑热变形因素影响时的内燃机主轴承热流体动力润滑分析方法,阐述该方法的基本理论和控制方程,探讨热变形因素对主轴承工作时的轴心轨迹、润滑油流量、最大油膜压力和最小油膜厚度等状态参量的影响情况.结合一主轴承实例进行数值仿真分析,仿真分析结果发现,计入热变形影响因素后,同未考虑热变形影响时分析得到的结果相比,轴心运动轨迹发生了很大变化,平均润滑油流量和一个载荷周期内的最大油膜压力均明显增加,一个载荷周期内的最小油膜厚度明显减小,润滑油平均温升则稍有减小.内燃机主轴承在工作时受各种热源因素的影响会产生热变形,在主轴承设计以及内燃机润滑系统供油量设计过程中考虑这种变形因素的影响是很有必要的.     

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.     

导轴承性能热流体动力分析

建立了导轴承性能热流体动力分析的数学模型,应用有限元法对表示油膜压力的Reynolds方程及表示油膜温度的Energy方程和表示温度和粘度关系的粘温方程进行了联立求解,获得了多瓦导轴承的瓦块压力分布,温度分布及其它轴承静态和动态参数.并根据这些参数对多瓦导轴承的性能作了分析,其结果对该轴承设计具有一定的指导作用,并对运行过程具有预测作用.     

多瓦可倾瓦径向滑动轴承热弹流润滑分析

考虑轴瓦弹性变形,建立多瓦可倾瓦径向滑动轴承热弹流润滑(TEHD)分析的数学模型,对比分析多瓦可倾瓦径向滑动轴承热流体动力润滑(THD)与TEHD模型的润滑性能差异,分析轴瓦弹性变形对轴承润滑性能的影响.结果表明,轴瓦弹性变形导致最小油膜厚度减小、流体动压力的梯度下降,但对瓦面温度的影响较小;THD模型高估了轴承的承载能力,在高速重载的场合,这种误差可能导致轴承润滑失效.因此,在滑动轴承设计中有必要考虑轴瓦弹性变形对轴承润滑性能的影响.     

径向可倾瓦轴承的热弹流润滑分析

用Newton-Raphson法一次性求出了所有瓦块的压力分布和轴心的位置,用步进扫描法对轴承进行了三维温度场分析,用20节点有限元法构造了瓦块的压力变形矩阵和热变形矩阵。     

基于质量守恒边界条件和微凸峰接触的动载轴承热弹性流体动力润滑特性

基于质量守恒边界条件和Greenwood/Tripp微凸峰接触理论,建立动载滑动轴承的热弹性流体动力混合润滑模型,该润滑模型能够同时预测油膜、空穴、接触的共生现象。计算结果表明, 计入温度影响后,轴瓦变形增加,微凸峰接触加重,最小油膜厚度降低,摩擦功耗增大;润滑油和轴瓦温度瞬时、局部增高明显,尤其在轴承端面。计入温度影响后,润滑油进/出口流量增加,表明轴承对温度具有一定的自适性。研究结果表明,在关键动载轴承的设计中基于质量守恒条件,同时计入接触和温度影响,是非常重要的。     

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。     

柴油机滑动轴承热流体动力润滑仿真研究

根据径向滑动轴承热流体动力润滑理论,基于JFO理论提出的质量守恒边界条件,建立同时包含油膜完整区和空 穴压力变化的单缸柴油机滑动轴承热流体动力润滑模型,采用有限差分法求解模型方程,仿真分析滑动轴承的油膜厚度、油膜压力、润滑油流量和温度等参数对润滑性能的影响,分析内燃机滑动轴承润滑特性,为轴承润滑可靠性设计提供一定的理论依据.     

凹槽缺陷对径向轴承润滑影响的模拟研究

径向轴承在运行过程中由于磨损、疲劳裂纹、烧蚀、开有油槽等,可能会出现沟槽缺陷而影响轴承的润滑状态。基于Reynolds方程对表面有沟槽的径向轴承进行理论建模并进行数值模拟,得到表面有凹槽缺陷的径向轴承在润滑过程中油膜厚度、压力的分布,研究不同形状、周向宽度、深度和周向间距的凹槽对轴承润滑状态的影响。研究结果表明,矩形凹槽对轴承润滑的影响最大;凹槽参数对轴承润滑的影响在润滑油入口区和出口区各不相同,在润滑油入口区,随着凹槽周向宽度、周向间距的增加,承载力减小、摩擦因数增大;在润滑油出口区,随着凹槽周向宽度、周向间距的增加,承载力增大、摩擦因数减小;在润滑油出口区,凹槽深度对轴承润滑影响不大,而在润滑油入口区,凹槽深度增加将导致承载力减小、摩擦因数增大。     

织构化活塞环/缸套的瞬态热流体动力润滑分析

考虑温升对活塞环/缸套流体动力润滑的影响,联立广义Reynolds方程、膜厚方程、载荷方程、能量方程及热传导方程,建立织构化活塞环/缸套的瞬态热流体动力润滑模型;采用多重网格法和逐列扫描法进行求解,探究织构参数对热流体润滑的影响。结果表明:摩擦引起的温度升高使得最小油膜厚度和最大油膜压力变化趋势及大小均发生显著的变化,这表明在对该摩擦副进行动力润滑分析时必须考虑温升的影响;织构面密度和深度对最小油膜厚度、最大油膜压力及最大油膜温度随曲柄转角的变化趋势没有明显的影响,但对它们的值的大小产生不可忽略的影响,其中在做功冲程,小织构面密度和织构深度对应较小的最小油膜厚度和最大油膜温度,较大的最小油膜厚度。研究表明:在一定范围内,小的织构面密度和织构深度具有更优的燃油经济性,反之则具有更优的润滑可靠性。     

轴颈倾斜轴承的热流体动力润滑分析

考虑温度对轴颈倾斜轴承润滑的影响,通过解三维能量方程与固体热传导方程,计算轴颈、轴承和润滑油的温度分布,进而对轴颈倾斜轴承进行了热流体动力润滑分析。结果表明:轴承中央截面偏心率较大时,轴颈倾斜角对轴承润滑间隙中油膜温度、最大油膜压力、端泄流量和保持轴承稳定工作的力矩的影响较显著;轴颈倾斜角对油膜层面上的油膜最高温度、温度分布和压力分布的影响较大,油膜厚度较小的区域,油膜压力增大,摩擦生热多,油膜温度上升。     

Effects of Thermal Boundary Conditions on Plain Journal Bearing Thermohydrodynamic Lubrication

The thermal boundary conditions (TBCs) play an important role in determining the temperature field of plain journal bearings. Well-chosen TBCs are beneficial in obtaining reliable results corresponding to actual operating conditions. In this article, a thermohydrodynamic (THD) model of plain journal bearings is proposed by taking mass-conserving cavitation into account. The three-dimensional energy equation and heat conduction equations in the solids are solved simultaneously. A comprehensive analysis is provided to examine the influence of the TBCs on the THD solution of plain journal bearings.     

计及轴颈轴向运动的径向滑动轴承润滑分析

以轴-径向滑动轴承系统为研究对象,综合考虑轴颈轴向运动和倾斜,建立了倾斜轴颈的轴承的流体动力润滑模型,采用有限差分法求解Reynolds方程,分析了不同的轴颈倾角、转速、偏心率和轴承间隙下的轴颈轴向运动对倾斜轴颈的轴承润滑性能的影响规律。结果表明：轴颈轴向运动对倾斜轴颈滑动轴承润滑特性影响显著,且影响程度与轴颈倾角和转速有直接的关系,倾角越大,对轴承润滑性能的影响越大,转速越低,对轴承润滑性能的影响越显著;轴承间隙越小,对轴承润滑性能的影响越大。     

空穴效应对倾斜轴颈轴承润滑性能影响的研究

为更准确地分析倾斜轴颈轴承的润滑性能,基于控制体积质量守恒原理,综合考虑宏观空穴和微凸体间空穴的影响,建立包括空穴区域在内的统一润滑控制方程,分析了宏观空穴和微凸体间空穴对润滑性能的影响。研究结果表明,空穴现象对最大油膜压力影响不大;宏观空穴现象使得轴承润滑油进口低压区域面积增大,形成较大的空穴区域,同时油膜出口边界滞后;微凸体间空穴使进口空穴边界和出口空穴边界均略微提前;在空穴区域,润滑介质密度低,空穴程度较大;微凸体间空穴对全润滑区域的润滑介质密度分布影响较大,特别是在空穴边界附近;宏观空穴对端泄流量、油膜力矩和油膜承载力有较大的影响,微凸体间空穴的影响可以忽略。     

多瓦可倾瓦径向滑动轴承热润滑性能分析

考虑变黏度、密度的情况,建立多瓦可倾瓦径向滑动轴承的数学模型,用有限差分法求解其热流体动力润滑(THD)模型,分别计算12块瓦可倾瓦径向滑动轴承的最小油膜、压力分布和三维温度场分布,分析不同载荷、不同转速、不同润滑油黏度等对轴承各瓦的热润滑性能影响。结果显示,建立的模型及其计算程序能计算分析多瓦可倾瓦径向滑动轴承的热润滑问题。润滑油黏度和转子转速对多瓦可倾瓦径向滑动轴承的热润滑性能有较大的影响;瓦块绕支点的倾斜以及瓦块所处的角度位置会影响部分瓦块的热润滑性能,出现与普通圆形径向滑动轴承不一致的润滑性能变化。     

Thermal Behavior of a Worn Tilting Pad Journal Bearing: Thermohydrodynamic Analysis and Pad Temperature Measurement

Abstract

Tilting pad journal bearing (TPJBs) have been widely used in rotating machinery such as compressors and turbines due to their superior stability compared to that of conventional fixed geometry bearings. As the adoption of TPJBs increases, various failure mechanisms related to TPJBs have been reported and pad wear is a frequently reported one. Pad wear causes geometry changes of the bearing, which can sometimes result in entire system failure. Therefore, it is important to detect the problem in the early stage to prevent unexpected system shut down. The objective of the current research is to investigate the influence of pad wear on the pad temperature, which is one of the widely used condition monitoring methods of TPJBs. For the theoretical investigation, thermohydrodynamic (THD) analysis was conducted by solving the generalized Reynolds equation and 3D energy equation. The developed THD model was validated by comparing the results with test data available in the literature. The results of the analysis showed that the temperature of the loaded pad increases and that of the unloaded pad decreases when wear occurred on loaded pads. In addition, the minimum film thickness also decreases with the wear depth. The validation test conducted with a test rig which mimics axial turbine where a test rotor was supported by two TPJBs. The test bearing consists of five pads with diameter of 60 mm and a resistance temperature detector (RTD) was installed in the pad for temperature monitoring. The test was performed by replacing the two loaded pads with the worn pad. The test result for TPJB with wear depth of 30 μm showed that the temperatures of the loaded pads were 8°C higher and that of the unloaded pad was 2.5°C lower than that of the normal TPJB. Additionally, the predicted pad temperature shows good agreement with the measured pad temperatures.     

卧式水电机组用径向滑动轴承热弹流特性分析

研究轴颈挠度和瓦块表面热弹变形对卧式水电机组径向滑动轴承静态润滑性能的影响。推导考虑轴颈挠度和轴瓦热弹变形后的油膜厚度表达式;用中心差分法结合ANSYS软件联立求解雷诺方程、能量方程、固体热传导方程、密度方程、黏度方程和轴瓦热弹变形等,得到径向滑动轴承的热弹流润滑(TEHD)特性,并与不计入轴颈挠度及轴瓦热弹变形的油膜动压润滑特性进行比较。结果表明:在考虑轴颈挠度和轴瓦瓦面热弹变形的影响后,油膜压力、温度、厚度沿着轴承宽度中心线的对称特性消失;油膜压力峰值增大,峰值点位置由轴向中心区偏移至出口区;油膜温度峰值增大,最高温度发生在出口区;润滑区内的最小油膜厚度大幅度减小,油膜最小厚度处于出口侧边界附近;轴承润滑流量减小,损耗略有增大;轴承稳态运行时,轴颈偏位角基本一致。     

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。     

海水润滑赛龙轴承热弹流润滑理论分析

利用Reynolds方程,对海水润滑条件下赛龙轴承在考虑热效应时的弹流润滑问题进行数值模拟,讨论载荷、转速和轴承轴径大小对海水润滑膜压力及膜厚的影响。结果表明:热效应对于水膜压力影响很小,而考虑热效应时的膜厚会有所减小;随载荷的增大,压力峰值有所增大,膜厚随载荷的增大有明显的减小;随转速的增大压力峰值减小,而膜厚随转速的增大而有明显的增大;轴径的大小对于水膜压力和膜厚的大小影响不明显。     

圆轴承流体润滑热效应模型及其应用

提出了对轴向解析、周向有限元压力分布的有限宽圆轴承模型进行流体动力润滑热效应分析的方法。该方法采用绝热边界条件，能量方程无需与雷诺方程迭代求解，即可确定出油膜沿周向方向的平均温度场和粘度场分布；基于变分不等方程理论，雷诺方程采用一维直接解法求解。应用提出的方法计算了流体润滑热效应对进油槽位于水平方向两侧的圆轴承承载系数、偏位角和压力分布的影响，与工程上的标准数据计算结果吻合，方法简单适用，节约计算量。