Different Magnetic Models in the Design of Hydrodynamic Journal Bearings Lubricated with Non-Newtonian Ferrofluid

This work is concerned with theoretical study of hydrodynamic journal bearings lubricated with ferrofluids exhibiting non-Newtonian behavior. Based on the momentum and continuity equations for ferrofluid under an applied magnetic field, a modified Reynolds equation has been obtained. Assuming linear behavior for the magnetic material of the ferrofluid, the magnetic force was calculated. The Reynolds equation has been derived to be able to apply to any magnetic field distribution model. Using different magnetic field models, the equation has been solved numerically by the finite-difference technique with appropriate iterative technique and pressure distributions have been obtained. The boundary shape of the load-carrying active regions (positive-pressure regions) and cavitation regions (zero-pressure regions) could be then determined. The solution renders the bearing performance characteristics, namely: load-carrying capacity, attitude angle of the journal center, frictional force at the journal surface, friction coefficient and bearing side leakage. The results indicated that the flow-behavior index has a large effect on the bearing performance. When the bearing operates at high eccentricity ratios, the increase of flow-behavior index gives higher load capacity, lower attitude angle, higher frictional force, lower friction coefficient and higher side leakage. At low eccentricity ratios where the magnetic effects are significant, the effect of the flow-behavior index depends mainly on the magnetic field distribution model used.     

Effect of Using Current-Carrying-Wire Models in the Design of Hydrodynamic Journal Bearings Lubricated with Ferrofluid

Based on the momentum and continuity equations for ferrofluid under an applied magnetic field, a modified Reynolds equation has been obtained. Assuming linear behavior for the magnetic material of the ferrofluid, the magnetic force was calculated. The magnetic pressure resulting from the magnetic force was incorporated into the Reynolds equation and it was not separately treated. The derived Reynolds equation can be applied for any magnetic field distribution model. Using different magnetic field models, the equation has been solved numerically by the finite difference technique with an appropriate iterative technique and pressure distributions have been obtained. The boundary shapes of the load-carrying active regions and cavitation regions could be then determined. The solution gives the bearing performance characteristics, namely; load-carrying capacity, attitude angle of the journal center, friction coefficient and bearing side leakage. The displaced current-carrying infinitely long wire gives a field distribution with a gradient in the circumferential direction. Two novel field models are introduced. The concentric finite current-carrying-wire model gives an axially symmetric magnetic field with a gradient in the axial direction. Axial and circumferential gradients are obtained using displaced finite wire model. The effect of these magnetic models and their design parameters on the overall bearing performance characteristics has been studied. The results concluded that the magnetic lubrication provides a higher load capacity and a reduced friction coefficient, compared with a conventional lubricated bearing. The other bearing characteristics depends on the applied field model. An axially symmetric applied field, with its sealing magnetic force, leads to a decrease in the side leakage, such that the bearing may operate without side leakage by appropriate design of the field.     

轴受载变形产生的轴颈倾斜对滑动轴承润滑影响的研究

针对轴-轴承系统,建立了轴受旋转载荷作用时变形导致的轴颈倾斜对滑动轴承润滑性能影响的分析方法,并在研制的滑动轴承试验装置上进行了专项验证试验。试验结果表明,提出的基本方程、公式和分析方法可以满足研究要求。计算了轴受载变形导致轴颈倾斜情况下,轴承的油膜压力、端泄流量和轴颈摩擦因数等。结果显示,轴颈倾斜时,轴承油膜压力分布和油膜厚度分布有明显变化,最大油膜压力明显增加,最小油膜厚度减小很多,端泄流量略有增加,轴颈摩擦因数变化不大。     

Frequency Characteristics of Stiffness and Damping Effect of a Ferrofluid Bearing

Damping characteristics and frequency characteristics of a ferrofluid bearing spindle were measured using a high-frequency vibration base driven by a piezo actuator. They show that ferrofluid bearing spindles have effective damping. In this experiment, the damping effect became larger with higher spindle rotational speed.     

轴线偏斜对多瓦径向滑动轴承热润滑性能的影响

分析轴线偏斜对多瓦可倾瓦径向滑动轴承热流体动力润滑性能的影响。计及轴线偏斜与瓦块自由度,推导可倾瓦径向滑动轴承的油膜厚度方程,建立数学模型,计算单自由度、双自由度2种瓦块支承的径向滑动轴承在不同偏斜程度时的最小油膜厚度、压力和三维温度分布,并分析偏斜对这2种轴承热流体动力润滑性能的影响。结果表明,轴线偏斜对单自由度瓦径向滑动轴承有较大影响,会使单自由度瓦块的可倾瓦径向滑动轴承的油膜压力在轴向分布不对称,导致瓦块支承处产生不平衡的力矩,而对双自由度瓦径向滑动轴承的润滑性能几乎没有影响。     

磁流体润滑滑动轴承的研制和性能研究

研制了磁流体润滑滑动轴承 ,建立了磁流体滑动轴承试验装置。对磁流体滑动轴承和传统滑动轴承进行了对比试验研究。通过大量试验的测试结果分析比较 ,发现磁流体滑动轴承能形成良好的全油膜润滑 ,产生的摩擦力比传统滑动轴承要小得多 ,因此推断出磁流体滑动轴承的承载能力和抗磨损能力大于同等条件下的传统滑动轴承。     

考虑轴颈偏斜的双层径向波箔轴承静特性分析

考虑了轴颈偏斜的影响,建立了双层径向波箔轴承的理论模型。用有限差分法对控制方程进行求解得出静特性参数,分析了轴承数、偏心率、轴承柔性、长径比和轴颈偏斜对双层波箔轴承静特性的影响。结果表明,双层波箔轴承比单层波箔轴承具有更大的承载能力,比刚性表面动压轴承对轴颈偏斜具有更好的适应性。     

倾斜轴颈重载轴承润滑性能分析及试验

针对重载及安装导致的轴颈倾斜问题,推导径向滑动轴承油膜厚度方程,建立计入轴颈倾斜的流体润滑模型。以某重载轴承为例分析倾斜轴颈轴承的润滑性能。结果表明,轴颈倾斜会导致油膜压力发生轴向偏布,峰值偏离轴向中分面,且倾角越大偏离越严重;近轴端面油膜厚度远小于远轴端面,倾角较大时两端面油膜厚度差值大于最小油膜厚度值,可能导致轴颈与轴承碰磨甚至烧瓦,因此在轴承设计时必须予以考虑。动平衡机上进行的现场试验验证了理论分析的正确性。     

基于CFD的磁流体轴承润滑膜特性分析

磁流体轴承具有转速高、密封性好、承载力强等优点,符合高速铁路中的应用需求。提出一种磁流体轴承结构,并运用CFD方法对轴承润滑区的承载性能以及热效应问题进行了仿真计算,在此基础上进一步分析了偏心率对轴承承载力及温升的影响规律,为之后磁流体轴承的进一步设计提供帮助。     

油气两相流对滑动轴承静特性影响的实验研究

在改装后的ＭＰＶ－１５００滑动轴承试验机上实验研究了油气两相流对滑动轴承承载能力及摩擦力的影响。通过对实验数据的整理发现，油气两相流对滑动轴承摩擦力影响极小，而对承载能力有一定的降低作用，但随载荷的增大，这种降低作用趋于消失。     

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。     

轴线偏斜对可倾瓦推力轴承润滑性能的影响

轴偏斜是实际运行推力滑动轴承中普遍存在的现象,轴心线的偏斜是造成推力轴承失效的主要因为之一.建立可倾瓦推力滑动轴承弹性流体动压润滑的计算模型,计算5组不同轴偏斜角下的轴承润滑性能,并将其与未偏斜时的润滑性能作对比.结果表明,轴偏斜造成每块瓦的油膜厚度、压力分布、瓦面温度均不相同,其中对油膜厚度、压力分布影响很大,对瓦面温度分布影响较小;在全膜润滑状态下,微小的偏斜角变化会造成最小油膜厚度和最大压力明显的变化,但瓦面最高温度变化很小.     

基于摩擦学特性和轴倾斜的轴-轴承系统动力学问题探讨

以弹性轴的多柔体动力学理论为基础,通过ADAMS软件进行动力学仿真,解决了考虑轴承摩擦学特性和轴受载变形倾斜时弹性轴-轴承系统在正弦激励力作用下的动力学求解问题。得到的主要结论是:考虑轴倾斜时一阶固有频率略有下降,二阶固有频率略有上升;二阶共振时振动幅度增大;最小油膜厚度减小,最大油膜压力上升。传统的避开共振频率的设计方法仍然是减小最大倾斜角发生的有效方法。     

径向不对中微织构气体箔片轴承静态特性分析

为进一步探究表面形貌对气体箔片轴承的影响,采用数值分析方法分析不对中情况下表面粗糙度和表面微织构对径向气体箔片轴承静特性的影响。利用超松弛迭代(SOR)和有限差分法对气体箔片轴承的Reynolds控制方程进行求解,通过模拟仿真分析不同微织构形状、深度、数量、占比以及表面粗糙度下轴承的静特性。研究结果表明：不同形状微织构对气体箔片轴承性能影响不同,椭圆形微织构提高轴承静特性的效果较好;微织构深度、数量和占比存在一组相对最优值,可在提升轴承承载力的同时降低摩擦力矩;与无微织构轴承相比,具有特定参数微织构的径向气体箔片轴承承载力提高了36.32%,摩擦力矩降低了1.66%。     

具有不对中故障的转子-滑动轴承系统动力学特性研究

在深入分析多跨度双转子模型建立方法及联轴器模型的基础上,综合考虑离心、碰摩等故障,建立双跨度转子-联轴器平行偏角综合不对中模型。采用变步长四阶-五阶Runge-Kutta法求解不对中故障双跨转子-滑动轴承系统的非线性动力学模型,通过Poincare截面图、轴心轨迹图、波形图和频谱图,直观地显示了系统在某些参数域中的运动状态,通过分岔图和三维谱图分析,揭示了转子系统周期、倍周期、拟周期等分岔行为以及同频振动、幅值跳动、拟周期运动、混沌等非线性动力学现象。研究结果表明,该类系统在运行过程中转子的运动范围增大且运动更加混乱,甚至严重的综合不对中故障导致转子系统进入混沌运动的状态;不对中故障对转子系统的整体振动影响较明显,不对中故障较严重时,整个系统振动形式更加复杂,并且仿真分析结果与实验结果能够较好的吻合。研究结果为转子-滑动轴承系统故障诊断、动态设计和安全运行提供了理论参考。     

曲轴变形对轴颈中心轨迹影响的研究

研究了因变形而引起的曲轴倾斜对轴颈轴心轨迹的影响。通过曲轴倾斜角与外力之间的关系,把轴颈倾斜角引进了其轴心轨迹的计算中,研究了轴颈倾斜角对轴颈中心轨迹的影响。研究表明：曲轴变形会造成轴颈中心轨迹发散;随着外垂向力的增加,轴颈中心轨迹会逐渐发散。     

轴承表面弹性变形对倾斜轴颈轴承润滑性能的影响

采用平均Reynolds方程,在考虑润滑油粘压效应、轴承表面粗糙度的前提下,分析了轴承表面受载变形对倾斜轴颈轴承润滑性能的影响,并计算分析了不同表面粗糙度和表面方向参数下,考虑和不考虑轴承表面变形时的轴承润滑性能。结果表明,在分析倾斜轴颈轴承的润滑性能时,必须考虑轴承表面变形;在偏心率和轴颈倾斜角较大时,计及轴承表面变形以后,考虑轴承表面形貌参数对轴承润滑性能分析结果的影响不明显。     

计及表面形貌的倾斜轴颈轴承弹性流体动力润滑分析

研究中采用平均Reynolds方程进行轴承的动力润滑分析,采用变形矩阵方法计算轴承表面变形.结果表明,偏心率较大时,润滑油黏压效应对倾斜轴颈轴承润滑性能有较大影响,特别是当倾斜角较大时,影响更为显著.不考虑轴承表面变形情况下,当偏心率较大且轴颈倾斜角也较大时,表面粗糙度对倾斜轴颈轴承润滑性能产生影响;表面形貌方向参数在最小油膜厚度与表面综合粗糙度的比值较小时对倾斜轴颈轴承润滑性能产生显著影响.计入轴承表面变形影响时,轴承表面粗糙度以及表面形貌方向参数对倾斜轴颈轴承润滑性能影响很小.轴颈不倾斜时,轴承表面变形对轴承润滑性能的影响很小;轴颈倾斜时,轴承表面变形的影响比较显著,偏心率越大,轴承表面变形对倾斜轴颈轴承润滑性能的影响越大.     

计入润滑油粘压效应和表面形貌的倾斜轴颈轴承润滑分析

提出了轴颈倾斜情况下的轴承油膜厚度方程。采用平均Reynolds方程，分析了倾斜轴颈轴承的润滑性能。通过不考虑和考虑润滑油粘压效应的轴承润滑性能对比，验证了分析倾斜轴颈轴承润滑性能时计入润滑油粘压效应的重要性；通过光滑轴承与粗糙轴承润滑性能的对比，验证了分析倾斜轴颈轴承润滑性能时考虑表面粗糙度影响的必要性。计算了不同偏心率、轴颈倾斜角、表面粗糙度、表面方向参数下的轴承润滑性能，结果表明，表面粗糙度在最小油膜厚度较小时对倾斜轴颈轴承润滑性能产生影响，而表面方向参数在最小油膜厚度与综合粗糙度的比值较小时会对倾斜轴颈轴承润滑性能产生显著影响。     

考虑惯性力的水基磁流体润滑滑动轴承热弹流润滑分析

基于考虑惯性力的雷诺方程,对水基磁流体润滑滑动轴承进行热弹流润滑分析,并与未考虑惯性力的热弹流数值解进行比较。结果表明:水基磁流体在考虑惯性力时,入口区压力和膜厚相应增大,压力峰相应减小;随着载荷的增大,水基磁流体润滑膜的膜厚和入口区压力减小,压力峰增大;随着速度的增大,水基磁流体膜厚和入口区压力增大,而压力峰减小。