可倾瓦推力轴承瞬态热效应的实验研究

:通过实验 ,研究了可倾瓦推力轴承在空载快速启动及慢速启动过程中油膜温度的瞬态变化规律 ,探讨了加载时载荷变化、转速变化及转速变化率等因素对推力轴承油膜温度的影响。实验时 ,在瓦块进油、出油边及油膜与瓦块接触面上布置了若干根铜 -康铜热电偶 ,并选用了英国施伦伯杰公司的 IMP分布式数据转换器与一台主频为16 6 MHz的计算机组成了动态温度、油膜厚度数据采集系统。实验表明 :油膜温度变化速度并不如现有的关于数值计算的文献报导的迅速。转速或载荷增大时 ,油膜温度上升 ,油膜厚度减小 ,但是转速变化对油膜瞬态温度的影响要比载荷的影响大。值得注意的是 ,在一定载荷下 ,转速增加时 ,油膜温度首先上升 ,到达峰值后逐渐下降。     

运转参数对可倾瓦轴承油膜特性的影响

为了确定汽轮机运行时运转参数对汽轮机可倾瓦轴承油膜特性的影响,以四瓦可倾瓦轴承为例,采用Pro/E建模,选用湍流SST三维模型,考虑到瓦块间隙及瓦块相互之间的影响,采用ANSYS模拟出进口油压、进口油温、偏心距、轴颈转速对四瓦可倾瓦轴承油膜特性的影响。结果表明:进口油压对油膜特性影响较小,进油温度、轴颈偏心距、轴颈转速对汽轮机可倾瓦油膜特性影响较大,故在运行中应严格监控这3个参数。     

基于流热固耦合的止推轴承仿真与实验研究

在考虑止推轴承、止推盘和油膜之间流固热多物理场耦合的情况下,建立了止推轴承的模型。考虑瓦块和止推盘受力、受热形变的影响,模拟出了转速在2 000r/min、4 000r/min、6 000r/min和8 000r/min时不同轴向载荷下的平均油膜厚度曲线。通过比较模拟曲线与实际测量曲线[1],得出在低转速下,模拟出的平均油膜厚度与实验所得相当吻合,并得到了油膜的压力分布图、厚度分布图和瓦块的温度云图,为推力轴承的设计以及旋转机械轴位移故障的准确诊断提供理论依据。     

高速高压圆弧齿轮泵滑动轴承油膜特性研究

以用于补偿高速高压圆弧齿轮泵不平衡径向力的滑动轴承为研究对象，在对其进行理论建模和分析的基础上，利用计算流体动力学软件Fluent分析相同工况下不同初始油膜厚度、进油口直径、进油口角度、轴向封油边宽度、油腔深度等结构参数对滑动轴承油膜特性的影响，并在此基础上对轴承结构参数进行了优化，最后通过实验进行验证。研究结果表明：初始油膜厚度和进油口角度对轴承温升影响显著，初始油膜厚度或进油口角度的增加使滑动轴承温升明显减小；轴向封油边的增加使轴承承载面增大，轴承承载力和温升也随之增大；进油口直径取1.7 mm和静压槽深度取1 mm时，使轴承温升达到最低；在负载压力15 MPa、转速6000 r/min工况下，与安装未优化滑动轴承的齿轮泵相比，安装优化后滑动轴承的齿轮泵温度降低5℃。     

瓦面凹槽结构参数对可倾瓦推力轴承润滑性能的影响

为了研究瓦面凹槽对可倾瓦推力轴承润滑性能改善的优势,在瓦块进油边设计一种圆弧槽结构,建立考虑槽结构的可倾瓦推力轴承热动力润滑模型,分析不同槽深和槽半径对轴承性能的影响规律。结果表明:在瓦块进油边开槽可以改善轴承润滑性能,与不开槽相比,油膜厚度和瓦块的进油流量增加,油膜温度降低;当槽深达到一定值后,油膜温升增大;推力轴承润滑性能随着槽半径增加而变差,轴承各性能参数随槽深的增加表现出极值特性;最优开槽参数为(1.2～1.5,1),该参数下轴承最小油膜厚度比无槽轴承的增加约10%,最大油膜温度降低约3℃。     

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。     

四瓦可倾瓦轴承瓦块摆动特性

以第四代核电机组高温气冷堆氦风机导轴承为对象,系统研究四瓦可倾瓦轴承的瓦块摆动特性。理论推导得出量纲一瓦块摆角取决于轴承结构参数、预负荷和偏心率,但是与轴承间隙比、轴颈转速和润滑油黏度无关。数值分析表明:瓦块摆角特性由瓦块与载荷周向相对位置、预负荷和偏心率决定。轴承结构参数确定时,与载荷正对瓦块的摆角曲线的形状取决于预负荷,预负荷小于0.5时其摆角随偏心率增大先增加后减小,预负荷大于0.5时摆角则随偏心率的增大而逐渐减小;与载荷侧对瓦块的摆角在预负荷较小时随偏心率增大一直增大或减小,预负荷较大时则随偏心率的增大先保持不变然后减小。瓦块摆角对最小油膜厚度影响很大,瓦块摆角可能为负值,从而使最小油膜厚度较固定瓦时的最小油膜厚度偏大。研究结果为氦风机安全运行分析提供了依据。     

流固耦合作用下可倾轴承瓦块颤振失稳研究

以某试验台可倾轴承为对象,考虑瓦块与轴颈之间的运动耦合关系,建立可倾轴承油膜-瓦块流固耦合动力学模型。采用Newmark-β法求解可倾瓦块动态响应,得到升速过程中瓦块摆角及位移的波形、频谱。研究发现,在一定条件下,可倾轴承上瓦块会失去稳定位置,绕其支点作摆动及径向移动,导致瓦块颤振。随着转速升高,颤振幅度增大,一定转速后出现频率锁定现象,增加预载荷可以抑制瓦块颤振。计算和试验观测到的瓦块颤振特征相似。针对某台660 MW机组发生的不稳定振动故障进行了分析,发现颤振导致瓦背制动弹簧断裂,加剧了瓦块颤振,引发大幅振动,进而导致进油边乌金损坏、柱销及柱销孔磨损。通过增加预载荷及更换弹簧,解决了该机组不稳定振动问题。     

航空螺旋锥齿轮断油润滑状态研究

对航空螺旋锥齿轮断油工况进行分析,根据断油工况计算润滑油的初始啮合温度并建立螺旋锥齿轮断油润滑分析数学模型;通过编程得到断油情况下不同载荷、不同速度的接触区油膜厚度、压力和温度分布情况;分析油箱油量、断油时间、齿轮转速3个主要因素对断油润滑状态特别是中心油膜温度的影响。结果表明:航空螺旋锥齿轮在断油情况下,啮合产生的热量使油箱润滑油温度提高,在数值计算时需要对初始温度进行修正;随着油箱内润滑油量的增加,接触区润滑油温度降低;随着断油时间和齿轮转速的增加,润滑油温度逐渐升高,但升高速度逐渐减慢;齿轮转速和断油时间对接触区温度的影响大于润滑油量的影响。     

载荷及转速变化对低速重载轴承润滑性能的影响

为研究不同载荷、转速条件下,低速重载轴承的润滑性能,即油膜厚度、油膜压力及油膜流速的变化情况,利用Abaqus软件建立轴承流固耦合模型,得到油膜厚度在剖面中呈矩形分布,滚动体与内圈之间的油膜厚度小于与外圈之间的油膜厚度。接触区入口处的油膜压力逐渐增大,内滚道接触处的油膜压力大于相应的外滚道油膜压力。流固交面的油膜速度大于自由表面的油膜速度且接触区域的油膜速度最大。随着转速的增加,油膜厚度和油膜压力增加;随着载荷的增加,油膜厚度降低,油膜压力增加。     

考虑混合润滑的飞机燃油泵径向滑动轴承静特性分析

针对飞机燃油泵径向滑动轴承润滑油黏度极低、润滑油膜形成难、表面易磨损等问题,通过综合考虑紊流、热效应、质量守恒、温黏效应及混合润滑边界等因素,建立轴承的热流体动力学润滑分析模型,采用有限元方法联立求解雷诺方程、能量方程、接触方程得到轴承的静态特性,研究轴承间隙比、宽径比、转速、载荷、进油温度等对轴承静态润滑性能如油膜厚度和油膜压力的影响规律。结果表明：由于航空煤油动力黏度低,造成轴承的浮起转速高（大于5 500 r/min）,极限承载力低（小于37 N）、油膜厚度过低;降低进油温度、适当减小间隙,增加轴瓦宽度有利于增加油膜厚度,提高轴承可靠性。研究结果对飞机燃油泵径向滑动轴承设计与运行维护具有一定的工程借鉴价值。     

基于热流固耦合理论斜-平面曲轴止推片润滑性能分析

利用数值分析方法,建立斜-平面曲轴止推片单向热流固耦合模型,分析不同油膜厚度对斜-平面曲轴止推片润滑能力、温度场及变形的影响规律。结果表明:油膜的压力场、温度场、壁面切应力的峰值随油膜厚度的增加而降低,随转速的增加而上升;空穴现象亦有同样的规律,但主要发生在与油沟接触的平面区域上;轴瓦出口湍泄量及摩擦因数随油膜厚的增大而增加,随转速的升高而增加;转速越高摩擦功耗越大,而油膜厚度越大摩擦功耗越小;止推片温度场随油膜厚度及转速的变化规律与润滑油膜的温度场相同;止推片变形主要受温度影响,油膜厚度越小、转速越大变形越大。     

新型动静压差速转台无负压条件下油膜温升特性

新型动静压转台运转过程中,静压腔外槽区可能出现负压使得动压油楔供油不足,影响油膜温升特性分析的准确性。为准确研究转台油膜的温升特性,通过FLUENT计算不同供油压力条件下,不同油膜厚度在静压腔外槽区不产生负压时对应的最大转速,并利用MATLAB拟合出相应的最大转速-膜厚曲线,得出随着油膜厚度和供油压力的增大,油膜在静压腔外槽区不产生负压时所能达到的最大转速均逐渐增大的结论。在保证对动压螺旋油楔供油条件下,研究转速、供油压力和油膜厚度对油膜温升特性的影响。结果表明:转速对油膜温升的影响较明显,随着转速的升高油膜温度逐渐升高;随着油膜厚度和供油压力的增大,油膜温度逐渐减小,而且油膜厚度和供油压力越大,低转速时油膜温升越不明显。     

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。     

润滑油水侵对动压可倾瓦推力轴承润滑性能的影响*

针对核主泵、船用轴系等特定工况下推力轴承润滑油的进水问题,以46润滑油和68润滑油为例研究润滑油水侵对推力轴承润滑性能的影响。通过黏度测试获得润滑油中水分质量分数为0、0.5%、1.0%时的运动黏度,采用黏温曲线对润滑油含水前后的动力黏度进行表征。将润滑油的黏温关系代入推力轴承的润滑计算当中,获得不同含水量下轴承的最小油膜厚度、温升、流量及功耗等静态特性参数,并分析含水量对推力轴承起飞转速的影响。研究结果表明：润滑油含水后对最小油膜厚度和功耗影响较大,对温升和流量影响较小;随着润滑油含水量的增加最小油膜厚度和功耗均降低,而温升增大,流量减小;使用2种润滑油在不含水和水分质量分数为0.5%时的起飞转速都在50 r/min以下,水分质量分数为1.0%时起飞转速都在50 r/min以上,表明随着含水量的增加起飞转速增大。     

Mathematical model and experiment validation of fluid torque by shear stress under influence of fluid temperature in hydro-viscous clutch

The current design of hydro-viscous clutch（HVC） in tracked vehicle fan transmission mainly focuses on high-speed and high power. However, the fluid torque under the influence of fluid temperature can not be predicted accurately by conventional mathematical model or experimental research. In order to validate the fluid torque of HVC by taking the viscosity-temperature characteristic of fluid into account, the test rig is designed. The outlet oil temperature is measured and fitted with different rotation speed, oil film thickness, oil flow rate, and inlet oil temperature. Meanwhile, the film torque can be obtained. Based on Navier-Stokes equations and the continuity equation, the mathematical model of fluid torque is proposed in cylindrical coordinate. Iterative method is employed to solve the equations. The radial and tangential speed distribution, radial pressure distribution and theoretical flow rate are determined and analyzed. The models of equivalent radius and fluid torque of friction pairs are introduced. The experimental and theoretical results indicate that tangential speed distribution is mainly determined by the relative rotating speed between the friction plate and the separator disc. However, the radial speed distribution and pressure distribution are dominated by pressure difference at the lower rotating speed. The oil film fills the clearance and the film torque increases with increasing rotating speed. However, when the speed reaches a certain value, the centrifugal force will play an important role on the fluid distribution. The pressure is negative at the outer radius when inlet flow rate is less than theoretical flow, so the film starts to shrink which decreases the film torque sharply. The theoretical fluid torque has good agreement with the experimental data. This research proposes a new fluid torque mathematical model which may predict the film torque under the influence of temperature more accurately.     

变黏度静压滑动轴承高速时油膜动态润滑特性

静压滑动轴承转台直径大（D=4.5 m）,高转速运行时产生线速度值很大,其内部润滑油膜受压及剪切发热导致油膜变薄进而影响到机床加工精度和运行可靠性。针对新型Q1-205双矩形腔静压推力轴承,采用动网格技术探索变黏度条件静压轴承高速时的油膜动态润滑特性。建立该静压轴承的流量、承载力、油膜温升等理论模型,自定义用于控制边界层网格运动及变黏度的UDF程序,选取外载荷12 t,转速为80~200 r/min（线速度18~48 m/s）高速下的工况条件参数进行动态润滑特性数值模拟,并进行相同工况参数下的试验验证,揭示出高速时油膜厚度变化对油膜温度、油腔压力、封油边处流量的影响规律。研究发现,该型号轴承在承载12 t时,随着膜厚的减小,油膜剪切发热严重,温升加剧,且高速下受润滑油黏度变化影响造成压力损失严重,研究数据为工程上静压轴承可靠运行提供理论依据。     

变转速旋转压缩机供油特性分析

应用CFD技术建立了变转速旋转压缩机供油系统的分析模型,研究其泵油机理,分析比较了不同运转工况下各出油孔的供油状况。结果表明,对于本文研究的试验样机,在4个计算工况下的供油是充分的。但在中间制冷工况时,如转速为450r/min时,温升会达到近40℃,当转速低至300r/min时,螺旋油槽不出油。     

Simultaneous monitoring of oil film thickness and temperature in fluid film bearings

This paper reports on the application of an eddy current sensor with an active compensation for changes in sensor temperature to simultaneous monitoring oil film thickness and temperature in a tilting pad thrust bearing. Sensor design, calibration procedure, sensitivity and accuracy are described. Test equipment along with sensor mounting is also presented. Tests were run at different rotational speeds and bearing loads as well as different supplied oil flow rates to evaluate sensor performance in various operating conditions. During the tests film thickness and temperature were simultaneously measured. Temperatures were compared with data from thermocouples installed in the pads and thermistors mounted in the collar. Tests have shown that the sensor can successfully be used to reliably monitor the conditions within the bearing.