考虑扰动频率的可倾瓦轴承动力学建模及数值模拟

可倾瓦轴承瓦块的摆动性增加了系统的自由度,对轴承油膜动力系数计算有很大影响,而目前的研究在计算流体动压润滑可倾瓦轴承油膜动力系数时未考虑轴颈与瓦块扰动频率的影响。针对这一问题,对考虑扰动频率的可倾瓦轴承动力学建模及动力系数计算方法进行研究,提出考虑扰动频率的可倾瓦轴承频率-缩减(Frequecy-Reduced)动力学模型,详细推导考虑扰动频率的可倾瓦轴承频率-缩减油膜动力系数矩阵形式。采用Newton-Raphson迭代法计算给定载荷和转速工况下的轴承的静平衡位置,利用有限元数值方法求解油膜刚度系数与阻尼系数。结果表明,瓦块和轴颈的扰动频率对可倾瓦动压轴承动态刚度和阻尼影响较大,随着扰动频率增大,阻尼系数的直接项增大,阻尼系数的交叉项变化不大;刚度系数的直接项数值减小,交叉项变化不大。     

油孔数量对浮环轴承润滑特性的影响

不同油孔数量会改变浮环轴承油膜润滑特性,从而影响转子的振动特性及稳定性。基于流动连续性方程与轴承润滑理论,推导浮环轴承油膜控制方程,揭示油孔数量与浮环轴承润滑特性之间的关系。以某型汽油机用涡轮增压器浮环轴承为例,构建浮环轴承有限元模型,基于计算流体力学方法分析油膜润滑特性,研究不同油孔数量对浮环轴承最大压力、油膜承载力及动力学特性系数的影响。结果表明：浮环油孔数量从2增长到8,内外油膜最大压力、外油膜承载力及油膜动力学特性系数下降,内油膜承载力上升;内油膜承载力在油孔数量为2时随着转速的上升而逐渐下降,在油孔数量为4时无明显变化,在油孔数量为6、8时随着转速的上升而上升;随着转速的上升,油孔对承载力的影响逐渐上升,而对最大压力及动力学特性系数的影响逐渐减小。     

挤压油膜阻尼器动特性系数的数值解法

在分析含挤压油膜阻尼器转子系统的稳定性和动态响应时,需用到八个油膜动力特性系数。当前常用的动力特性系数的解析表达式是基于长、短轴承近似理论简化得到的,其优点是有明确的解析式且计算量小,缺点是精度较差。基于有限元法计算挤压油膜阻尼器动力特性系数:使用泰勒级数将瞬态雷诺方程的分解,采用伽辽金法将分解后的方程进行变分,然后运用有限元方法求解阻尼器的八个油膜动力特性系数。以某转子-油膜阻尼器系统为对象,分别研究了有限元法数值解和短轴承理论模型近似解对转子动力学特性的影响,并与实验值进行比较,研究结果表明:采用有限元法数值解模拟阻尼器动态特性,较短轴承理论近似解更接近于实验值。     

ISG型混合动力系统滑动轴承液体动力润滑性能探讨

建立了包括滑动轴承、机电耦合轴和发动机缸体在内的混合动力系统轴系数学模型,依此模型对混合动力系统轴承液体动力润滑性能进行分析,分别计算了一个工作周期内不同混合动力工况和不同电机功率情况下滑动轴承的偏心率和油膜压力.计算结果的分析表明,混合动力工况改变和电机功率的增大不会明显影响混合动力系统轴承的偏心率和油膜压力;根据机电耦合轴电机端轴承的油膜压力和偏心率可以优化电机轴承以及电机的选型和设计.     

磨床用液体静压轴承径向承载特性分析

以磨床用液体静压轴承为例,利用计算流体动力学软件CFX,对动静压轴承的油膜进行稳态分析,得到油膜上的压力场分布,通过流固耦合技术把油膜压力添加到磨床主轴,对静压轴承进行结构静力分析,得到了轴承的径向承载力随偏心距的分布,通过换算求导得到油膜的刚度随着偏心率的分布。研究结果为静压轴承及磨床的转子动力学及静压轴承的优化提供理论依据。     

考虑轴颈与轴瓦耦合运动的可倾瓦轴承完整动力学模型的研究

从单块瓦与轴颈组成的子系统在整体坐标系和局部坐标系中的几何关系入手,建立考虑轴颈与瓦块耦合运动的可倾瓦轴承的完整动力学模型。在局部坐标系中,采用二维有限元方法求解油膜力和动力特性系数,通过坐标变换叠加到整体坐标系中从而得到可倾瓦轴承动力特性系数的解析表达式,结合Newton-Raphson迭代法计算给定载荷工况下的轴承的静平衡位置。通过2个计算实例证明提出方法的正确性,同时通过与传统折合动力学模型计算结果的比较,证明可倾瓦非本质稳定的结论。     

连杆大头轴承润滑多目标优化设计

针对柴油机连杆大头轴承润滑不良和摩擦磨损的问题，运用AVL POWER UNIT搭建连杆组柔性多体动力学模型，以连杆大头轴承间隙、轴承宽度和供油压力为设计变量，通过最优拉丁超立方试验设计方法构建输入矩阵，在Isight中建立RBF径向基神经网络代理模型，以最小油膜厚度、峰值油膜压力和平均粗糙接触有效压力为优化目标，采用NSGA-Ⅱ遗传算法进行多目标参数寻优，获得连杆大头轴承的最佳结构参数组合。相较于原始方案，优化方案的最小油膜厚度增加了0.60μm，峰值油膜压力减小了6.69MPa，平均粗糙接触有效压力减小了2.34MPa，综合润滑性能有所提升，可为连杆大头轴承优化设计提供理论参考。     

轧辊磨床异形结构轴承偏位角的计算

某轧辊磨床磨头轴承的异形结构导致偏位角将直接影响压力油膜起始点的坐标和压力油膜的求解域，进而影响轴承动压区的压力分布，因此在计算轴承承载力时，必须首先求解偏位角。采用准二维问题求解轴承动压区轴向中间截面上的压力分布，利用“节点压力求和”法计算得到偏位角，并与数值积分法的结果进行比较；求解全油膜的压力分布及油膜的起始和终止角，为该动静压轴承的承载能力设计计算提供了基础数据。结果表明，“节点压力求和”法简化了计算过程，且与数值积分法得到的收敛动压轴承偏位角相差很小。     

PM流量控制器节流液体静压轴承静动态特性分析

将PM流量控制器用于无周向回油槽四腔向心静压轴承,建立了PM流量控制器静压轴承数学模型,重点研究分析了轴承结构参数及PM流量控制器参数对静压轴承特性的影响。研究结果表明:轴承轴流封油边系数越小、周流封油边系数越大,轴承油膜刚度和承载力越大,初始油膜间隙增大,油膜刚度减小;润滑油动力粘度较大且初始油膜间隙较小时,油膜刚度和承载力较大;液阻比越小,比流量越大,油膜刚度越大;供油压力越大,油膜刚度、承载力和流量越大。同时基于线性化下液体静压轴承系统的传递函数,利用Matlab Simulink软件在时域和频域内分别研究了静压轴承系统的动态特性。研究结果表明:在阶跃载荷作用下,随着供油压力和比流量的提高,过渡过程时间越短,静压轴承系统的动态特性越好;在正弦载荷作用下,提高供油压力、比流量都会使轴心偏移量的稳态幅值减小,油膜动刚度增大,且供油压力较比流量对系统频率特性的影响显著。     

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。     

小孔节流深浅腔动静压轴承承载特性解析研究

小孔节流深浅腔动静压轴承是一种采用小孔节流器实现节流作用及浅腔实现二次节流作用的动静压混合轴承。针对现有理论不能解析研究油腔结构参数及工作参数对承载特性影响规律的不足,以及计算流体力学数值仿真软件计算时周期长,而不便于工程设计人员应用的缺点,基于油腔压强分段线性化的思想,建立分析小孔节流深浅腔动静压轴承的油腔压强、承载能力、静刚度、进油流量及温升等承载特性的解析方法。进而以该方法研究动静压轴承的供油压强、主轴转速、进油孔径、浅腔深度、初始油膜厚度等参数对轴承承载特性的影响规律。研究发现,在其他结构参数及工作参数一定的条件下,浅腔深度为初始油膜厚度的2～3倍时,轴承刚度接近最大、温升接近最低。通过油腔压强的解析值与试验值的比较,证实了该方法的有效性和研究结果的正确性。     

The investigation of oil film thickness in heavily-loaded contact

An experimental study of the shape and thickness of the oil film during rolling in a thrust ball bearing has been carried out by the interference method.The experimental results showed good agreement with theory. Oil film thickness was affected mainly by the rolling velocity, viscosity of oil and maximum Hertzian stress. The groove radius had no effect on the film thickness. With increase of rolling velocity the film thickness increases and then reduces sharply owing to temperature rise and the non-Newtonian properties of the lubricant. A qualitative similarity was derived from the experimentally observed dimensionless shapes of the film and of the dimensionless theoretical shapes of the oil film for the lubricant in the non-Newtonian state. The flat “squashed” contact area diminished and disappeared with rise in velocity, which agreed with theoretical predictions.Good agreement was found between the theoretical and the experimental values of the oil film thickness and the friction coefficients for a ball sliding on a plane. Values of relaxation time for oil agree with values observed by the vibration method.The interference method is proposed to estimate the relation of the relaxation time for lubricants to the pressure and temperature up to maximum Hertzian pressures of 14,000 kg/cm². Experimental studies by the interference method and the solution of the non-isothermal hydrodynamic contact problem for liquids both in the Newtonian and non-Newtonian state provide a method of calculation of the friction coefficient.     

基于高效深切磨床轴承主轴系统的有限元分析

针对实验室研制的高效深切磨床动静压轴承主轴系统,首先利用计算流体力学软件CFX,对动静压轴承的油膜进行稳态分析,得到油膜上的压力分布。通过在不同的小位移和速度扰动的情况下轴承油膜承载力的变化规律,依此来确定轴承油膜的刚度和阻尼系数。在ANSYS中,采用Ma-trix27单元来模拟动静压轴承油膜的刚度和阻尼作用,并对主轴进行模态分析。结果表明,在微小的位移扰动和速度扰动的情况下,油膜的弹性力和阻尼力近似为线性的,主轴模态有限元计算结果与实测结果基本一致,证明了该分析方法的正确性。     

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。     

大功率柴油机曲轴平衡率对主轴承润滑特性的影响

基于弹性流体动力润滑、轴承动力学及平衡率计算理论,计入轴颈与轴瓦表面粗糙度、曲轴与轴承座弹性变形的影响,针对某大功率柴油机的曲轴系统,建立12缸V150柴油机主轴承的润滑分析计算模型,对12平衡重曲轴在不同平衡率下各主轴承的润滑性能进行分析,考虑轴承宽度、轴承间隙和供油压力等参数对平衡性较好的曲轴进行优化。结果表明:随平衡率的增加,最小油膜厚度先增加后减小,最大油膜压力和平均摩擦损失总功先减小后增大,平衡率80%的曲轴润滑性能较好,但主轴承MB5、MB6、MB7的最小油膜厚度均小于1μm;对其优化后各主轴承润滑性能均满足要求,且润滑性最差的主轴承MB7的最小油膜厚度增加19.7%,最大油膜压力减小11.8%。     

滑动轴承动力学温度及压力分布规律研究

从系统动力学的角度出发分析了滑动轴承在运动状态下的内部温度变化规律和压力分布规律,建立了滑动轴承内部在系统动力学下的温度场模型和动态油膜压力分布模型,并对模型进行了数值仿真.仿真结果表明:滑动轴承在系统动力学状态下,其内部的温度分布规律是沿轴承套中心轴线方向,往外温度升高较快;动态油膜压力的大小与转子的位移有关,并且油膜压力在动力学状态下呈不对称分布,与轴承的摩擦磨损有着紧密的关系.这些工作对于进一步掌握滑动轴承内部在系统动力学下的温度和压力分布规律有一定的借鉴意义,为滑动轴承内部的动态摩擦磨损的研究提供了理论研究支撑.     

SOLUTION FOR PRESSURE DISTRIBUTION IN SQUEEZE FILM DAMPER WITH ELECTROHYDRAULIC ACTIVE CONTROL

Aiming at the problems existed in the squeeze film damper of the rotating machinery utilizing traditional passive dynamic pressure film bearing, a project of dynamic pressure and static pressure hybrid oil film bearing with piezoelectric crystal electrohydraulic active control supply orifice hole is proposed. For this kind of hybrid film bearing, the π film assumption can not hold true. In order to solve the pressure distribution, a new kind of solving method is proposed.     

液体静压转台倾斜油膜承载特性解析

针对CFD数值仿真计算过程中建模周期长、计算效率低的缺点,基于各封油边当量油膜厚度思想采用解析法来研究液体静压转台倾斜承载特性,推导了倾斜油膜承载力、弯矩和刚度的计算公式,提高了计算效率。利用CFD软件Fluent对油膜进行了数值仿真,结果表明倾斜油膜承载力误差保持在6%以内,弯矩误差保持在8%以内,验证了解析公式的可靠性。利用所提出的解析方法研究了倾斜位移率、供油压力、节流孔径和转速对油膜基本性能参数的影响规律。     

可倾瓦推力轴承惰转过程的最小膜厚预测方法

为建立可倾瓦推力轴承惰转过程中最小油膜厚度的预测方法,依据核主泵推力轴承的实际工作情况,基于雷诺方程的自编程序,分别进行热态和冷态下主、副轴瓦润滑性能参数的计算与数值模拟分析,提出可倾瓦推力轴承的最小油膜厚度的理论拟合公式,并对最小膜厚的计算值和拟合值进行对比和分析。结果表明：随着转速降低,主轴瓦的最小膜厚单调减小,副轴瓦的最小膜厚先增加后减小;主、副轴瓦最小膜厚的计算值可以和拟合值较好地对应,验证了理论拟合公式的可靠性。提出的理论拟合公式可以通过额定转速下的最小膜厚计算结果预测多种工作条件下的最小油膜厚度,为主泵惰转的安全性提供重要参考。     

轴瓦弹性变形对固定瓦-可倾瓦组合径向滑动轴承润滑特性的影响

采用一种新型耦合算法,将有限差分法和3D有限元法综合应用于求解油膜压力和轴瓦弹性变形过程中。与其他算法相比,该算法更为科学、合理,同时具有收敛快、精度高的特点。通过对固定瓦-可倾瓦组合径向滑动轴承的研究,分析轴瓦弹性变形对油膜厚度、油膜压力、油膜承载力、摩擦阻力及轴承端泄量等润滑性能的影响。研究结果表明,在大偏心率的情况下,轴瓦弹性变形对轴承润滑性能影响较大。