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。     

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。     

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。     

浮环弹性变形对浮环轴承润滑特性的影响

采用有限差分法联立求解内、外油膜的Reynolds方程、膜厚方程和浮环弹性变形方程,到在不同转速和偏心率下浮环的弹性变形量,研究浮环弹性变形对浮环轴承润滑特性的影响。结果表明:随着转速和偏心率的增加,浮环弹性变形量逐渐增加;浮环弹性变形降低了内油膜的承载力、端泄流量和摩擦功耗,增加了外油膜的承载力、端泄流量,但对外油膜摩擦功耗影响较小。     

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。     

船舶可倾瓦推力轴承工况参数对润滑特性的影响

为研究船舶工况参数对可倾瓦推力轴承稳态和瞬态润滑特性的影响,利用Matlab建立船舶可倾瓦推力轴承热弹流体动压润滑计算模型,考虑轴瓦的热弹性变形,联立黏温方程、能量方程、油膜刚度和阻尼系数方程求解模型,研究热弹性变形以及不同载荷和转速情况下船舶可倾瓦推力轴承的润滑特性。结果表明：考虑热弹性变形时,最小油膜厚度增大,最大油膜压力和最高油膜温度降低;在正常运行工况条件下,轴瓦的热弹性变形有利于改善推力轴承的润滑性能,轴承设计时应考虑材料的抗压性和耐热性;在转速不变时随着载荷的增大,最小油膜厚度降低,最大油膜压力、温度、油膜刚度和阻尼均增加,需要特别注意重载工况下轴承的动压润滑状况;在载荷相同的情况下,随着转速的提高,油膜厚度和油膜温度增大,油膜压力变化不明显,油膜刚度和阻尼随转速增大而降低,在转速较低时下降较为明显。研究结果为优化轴承设计、提高轴承运行的可靠性和稳定性提供参考。     

浮环轴向长度对高速轻载涡轮增压器转子系统振动特性影响研究

浮环轴承内外轴向长度结构参数会影响油膜压力分布与偏心率,产生显著分频振动而引发高速轻载涡轮增压器转子非线性振动故障。基于流体润滑理论和浮环力矩平衡方程,推导了含浮环轴承的涡轮增压器转子系统动力学方程,揭示浮环轴承轴向长度与转子系统振动响应之间的关系。以某型汽油机用涡轮增压器转子系统为例,分析浮环内、外轴向长度对轴承油膜压力、偏心率等动力特性的影响,构建转子系统动力学有限元模型,通过三维振动瀑布图研究不同浮环轴向长度下转子系统频域瞬态振动响应,结果表明：浮环内轴向长度从2.6增加到4.6 mm,导致浮环转速升高,最大内油膜压力减小,轴颈偏心率降低,分频幅值增加且出现分频的轴颈转速由142 kr/min降至76 kr/min,更易产生明显的非线性涡动现象;浮环外轴向长度从3.6增加到6.15 mm,使浮环转速降低,最大外油膜压力变小,浮环偏心率及轴颈相对浮环的偏心率减小,低转速下分频幅值减少且出现分频的轴颈转速由10 kr/min升至22 kr/min,可抑制转子系统过早发生非线性涡动,为浮环轴承结构参数设计与试验提供理论支撑。     

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。     

计入气穴影响的径推浮环轴承静特性研究

给出了控制径向推力联合浮环动静压轴承内、外层油膜的气油两相流变密度、变粘度无量纲非定常Reynolds方程及压力边界条件和深腔流量平衡方程,对不同偏心率下含气率为0和0.1的径向、推力部分内外油膜进行了有限元计算,得到压力分布及各静态特性曲线.结果表明,小偏心率时深腔气穴对轴承性能影响较为明显,使径向油膜压力峰值下降20%以上,轴向油膜压力峰值下降10%以上,并使浮环轴承径向、轴向部分的承载力、摩擦功耗减小,流量增大.随着偏心率的增大及转速的提高,气穴的影响程度减小.     

滑动轴承动压特性的影响因素研究

以某发动机惰齿轮轴承为研究对象,采用一维动力学方法进行多工况计算,针对油孔布置、载荷方向、载荷大小、轴承转速4种因素,分析滑动轴承润滑油流量、最小油膜厚度、偏位角、最大油膜压力4个动压特性参数的变化规律。结果表明：油孔布置和载荷方向主要对润滑油流量有明显影响,而对其他3个动压特性参数影响较小;油孔数量越多,油孔在圆周方向上越靠近油膜厚度最大处,则润滑油流量越大;油孔分布越均匀,因载荷方向改变引起的流量波动越小;载荷大小和轴承转速对4个动压特性参数都有明显影响;随载荷增加,最大油膜压力大致呈线性增加,而其他3种动压特性的变化速率降低;随转速增大,最大油膜压力减小的速率逐渐降低,而其他3种动压特性大致呈线性增加。     

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。     

气穴对涡轮增压器浮环轴承油膜力的影响

气穴是高速油膜润滑轴承中不可避免的现象,气穴现象影响浮环轴承油膜承载力及稳定性。通过Fluent 软件中的混合物（Mixture）多相流模型,分析气穴对浮环轴承内、外油膜压力分布以及含气率和供油压力对油膜承载力的影响。结果表明：气穴导致油膜压力峰值下降,对内油膜的影响大于外油膜;气穴会导致润滑油膜承载力下降,含气率越大,其承载力越低;在含气率不变时,供油压力对承载力有一定影响;油膜气穴主要集中分布在负压区,油膜压力值越小气穴现象越明显,气穴是导致油膜破裂的主要原因之一。     

计入气穴影响的径推联合动静压浮环轴承稳定性研究

研究了计入气穴影响的径推联合动静压浮环轴承的动态性能和稳定性.给出了控制径推联合浮环动静压轴承内、外膜的气油两相流变密度、变黏度无量纲动态Reynolds方程及压力边界条件和深腔流量平衡方程;用有限元法对不同转速、不同偏心率下含气率为0和0.1的内外油膜进行了有限元计算,得到各部分的刚度系数和阻尼系数;计算了该径推浮环轴承的稳定性参数.结果表明:气穴使得径向、推力内外层油膜的刚度系数和阻尼系数均有所下降,随着偏心率的增大及转速的提高,气穴的影响程度减小;气穴使得轴承的无量纲临界转子质量降低,因此在供油压力急剧变化时必须考虑气穴的影响.     

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。     

表面粗糙度对不对中滑动轴承润滑特性的影响

以活塞式航空发动机滑动轴承为研究对象,综合考虑轴颈倾斜和轴瓦表面形貌等因素对轴承润滑特性的影响,建立滑动轴承润滑分析模型;以高斯随机表面、分形曲面、非高斯随机表面分别模拟轴瓦表面的粗糙程度,分析轴颈不对中和表面粗糙度耦合作用下油膜压力、端泄流量、承载力和轴承力矩等参数随偏心率和转速的变化规律。研究结果表明:考虑轴瓦表面形貌后轴承最大油膜压力变大,最小油膜厚度有小幅度减小;随着偏心率和转速增加,最大油膜压力、端泄流量、轴承承载力、工作力矩均增加;随着偏心率增加,考虑表面形貌时(高斯表面、分形表面、非高斯表面)的轴承油膜压力、承载力、工作力矩均变大;随着转速的增加,考虑表面形貌时的轴承润滑特性均变大,尤其是高斯表面,润滑特性变化较明显。     

基于小孔节流的液体动静压球轴承动态特性分析

以小孔节流方式的液体动静压球轴承为研究对象,建立球轴承的润滑数学模型,推导出层流状态下的Reynolds方程,引入流量守恒原理并结合小孔节流器的流量计算得到油腔和封油边压力分布;采用微扰法推导出扰动压力控制方程,通过有限差分法和松弛迭代法求解扰动压力控制方程得到轴承的刚度和阻尼系数。运用数值分析研究供油压力、转速及油膜间隙等参数对轴承动态特性系数的影响。结果表明,随着油膜间隙减小,供油压力的增大,刚度和阻尼系数会随之增大;随着转速增大,直接刚度变化趋势较小,直接阻尼降低趋势较明显;当油膜间隙为20μm时,轴承刚度和阻尼系数达到最大;转速的提高对于刚度影响较小,而阻尼系数则会明显降低。     

计入温黏效应的高速径向动压轴承特性分析

以高速径向动压轴承为研究对象,分析温黏效应对油膜静、动态特性的影响;通过联立求解二维雷诺方程、能量方程和温黏方程,得到油膜压力分布、温度分布和黏度分布,进而求出承载力、摩擦力等静特性系数和刚度系数、阻尼系数。计算结果表明,油膜温度由入口处沿周向上升,在破裂边前达到最大,温度沿轴向变化不大;计入温黏效应,油膜偏位角增大,承载力、摩擦力和侧泄量均减小,且随着转速升高和偏心率增大,变化趋势愈加明显;计入温黏效应,油膜动特性系数明显减小,且转速越高、偏心率越大影响越显著。     

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。     

考虑轴颈倾斜与空泡运动的径向滑动轴承油气润滑分析

由于重载作用及制造误差而导致的轴颈倾斜现象会改变轴承不同截面处的偏心率及油膜厚度,滑动轴承高速运转时,油膜间隙中会不可避免地混入微小气泡,因此探究轴颈发生倾斜时油气两相流对径向滑动轴承润滑特性的影响很有必要。将考虑空泡运动的、修正后的Rayleigh-Plesset (mRPS)方程与雷诺方程共同联立,通过编写相应算法求解耦合后的方程,分析含气率、气泡参数以及轴颈倾斜程度对滑动轴承静特性参数的影响。结果表明：在不同转速下,随着含气率的增加,最大油膜压力、承载力、端泄流量、摩擦力等静特性参数呈下降趋势;气泡参数对润滑性能的影响与偏心率有关,增大气泡的表面膨胀黏度与减小初始气泡半径对轴承润滑会产生相同的效果;轴颈倾斜会改变油膜压力分布及数值大小,同时使空化区域发生倾斜;随着轴颈倾斜程度的增加,滑动轴承静特性参数逐渐增大,且在大偏心率大倾斜度时更为显著;适当改变气泡参数与油液含气率会在一定程度上削弱由轴颈倾斜带来的影响。