滑动轴承表面形貌的分形模拟及对摩擦学性能的影响

运用分形理论对滑动轴承粗糙表面进行模拟,研究粗糙表面对其膜厚、压力以及承载力的影响。进一步模拟两向异性粗糙表面,比较轴承圆周及轴向方向上粗糙表面对轴承承载及摩擦性能的影响。结果表明:在一定载荷下,轴瓦表面分形维数越小,尺度系数越大,则轮廓幅值越大,表面轮廓越简单,越难形成润滑膜;表面轮廓幅值对润滑膜压力影响明显,幅值越大,润滑膜压力分布越不平滑,润滑性能越差;表面分形维数越小,特征粗糙度值越大,则承载力越低,摩擦力越大,且圆周方向上的分形维数以及特征粗糙度的影响要比轴线方向的影响大。     

基于分形几何理论的微气体轴承承载特性研究

为了研究微机电系统(MEMS)中气体轴承的流动特性,通过综合考虑分形粗糙表面与稀薄气体的耦合效应,推导出引入速度滑移边界的超薄气膜润滑雷诺方程,并使用有限差分法对其进行离散求解,数值分析了粗糙表面情况下不同参数对气膜压力分布、承载能力的影响,并与光滑表面的数值结果进行对比。结果表明:微尺度条件下,表面粗糙度与气体稀薄的耦合作用对压力的影响不可忽略,同时压力分布呈现一定的随机性;气膜厚度越小,表面粗糙度效应越显著,压力波动也愈强烈;台阶深度对光滑表面气膜压力几乎无影响;轴承间隙越小,转速越大,其承载力的相对变化幅度越显著。     

倾斜轴颈轴向运动对粗糙表面径向滑动轴承润滑性能的影响研究

通常对轴-径向滑动轴承进行润滑分析时,均忽略多种因素综合作用下轴颈沿轴承轴线方向的运动状况,与轴-轴承系统中轴承的实际工作状况存在较大差异。以轴-轴承系统为研究对象,综合考虑轴颈轴向运动、表面形貌和轴颈倾斜,基于平均Reynolds方程,建立了耦合轴颈轴向运动的粗糙表面径向滑动轴承润滑模型,主要探讨分析轴颈轴向运动对粗糙表面倾斜轴颈轴承润滑特性的影响。结果表明：倾斜轴颈轴向运动对粗糙表面径向滑动轴承润滑特性影响显著;与不考虑滑动表面粗糙度相比,考虑滑动表面粗糙度时轴颈轴向运动对轴承润滑特性的影响程度有所降低;轴颈轴向速度越小,滑动表面粗糙度对轴承最大油膜压力、承载力和稳定工作力矩影响越大;轴颈轴向速度越小,粗糙度模式对轴承润滑特性影响越显著。因此,对粗糙表面倾斜轴颈径向滑动轴承进行润滑分析考虑轴颈轴向运动的影响是非常必要的。     

表面粗糙度对硬盘超低飞高气膜静态特性的影响

硬盘(Hard disk drives,HDDs)是当前信息存储的主要器件,它的尺寸越来越小、容量越来越大,磁头的飞行高度越来越低.基于考虑气体稀薄效应修正Reynolds方程的线性流比(Linearized flow rate,LFR)模型,采用一种无网格法-最小二乘有限差分(Least squarefinite difference,LSFD)法,求解引入压力流因子和剪切流因子的量纲一雷诺方程,并且研究表面粗糙度对硬盘超低飞高(1～2 nm)气膜静态特性的影响.数值结果表明,表面粗糙度对超低飞高气膜压力分布和承载力的影响较大,而对压力中心的影响较小;飞行高度越低和/或表面粗糙度值越大,对压力分布及承载力的影响越明显;在粗糙度值相同的条件下,仅磁头粗糙且取横向粗糙度时,系统压力分布最高,气膜承载力最大;各种情况下,表面粗糙度对压力中心的变化影响不大,说明磁头飞行比较平稳,系统稳定性较好;另外,基于LFR模型研究表面粗糙度对硬盘气膜静态特性的影响,不仅数值结果精度高,并且具有很高的计算效率.     

粗糙表面形貌对滚动轴承油膜刚度的影响

针对滚动轴承表面为粗糙平面且影响轴承油膜刚度的问题,基于弹流润滑理论,引入表征粗糙表面形貌特性的表面粗糙度理论,建立了滚动轴承粗糙表面弹流润滑油膜刚度模型,并进行数值模拟,分析了滚动轴承的表面粗糙形貌对油膜刚度的影响,得到其变化规律。结果表明:随着粗糙度的幅值、波长的改变,油膜膜厚变化不大,但是压力变化十分明显;油膜刚度随粗糙度幅值和波长的变化呈非线性变化,油膜刚度的最大值出现在接触区中心附近,随着粗糙度幅值的增大主峰与第二峰逐渐融合;油膜刚度的变化频率和变化幅度随波长的增大而减小。     

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。     

表面波纹度对油水两相润滑轧机油膜轴承弹流润滑的影响

以轧机油膜轴承为研究对象,建立油水两相流的弹流润滑模型,利用多重网格法及Fortran程序分析表面波纹度对轧机油膜轴承润滑性能的影响。结果表明:表面波纹度对轧机油膜轴承润滑性能的影响不可忽略,并且是不利的;考虑波纹度后,接触中心区产生明显的波动现象,最大压力增大,最小膜厚减小,润滑性能减弱;随着表面波纹度幅值和波长的增加,接触区波动幅度更加显著;在一定范围内随着油水两相流体中含水量的增加,压力增大,膜厚增加,润滑能力增强。     

微型涡轮发动机圆锥气体轴承润滑性能研究

采用CATIA软件建立圆锥气体轴承气膜三维流场模型,对其进行结构体网格划分后导入Fluent软件进行流体力学模拟,得到三维流场的压力及气体流量分布;计算圆锥气体轴承的承载力大小,分析供气压力、气膜厚度、供气孔位置和供气孔直径对轴承性能的影响。研究结果表明:供气孔附近的压力及气体流速最大;供气压力及供气孔直径越大,轴承的承载力及气体流量越大;减小气膜厚度能有效提升轴承承载力且能节省气体消耗量;供气孔位置在一定范围内外移对轴承承载力影响不大,但在接近边缘时会明显降低轴承承载力,同时,供气孔位置的外移还会引起气体消耗量的增加。     

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.     

表面波纹度和凹坑对线接触弹流的影响*

由于加工误差和表面损伤等,轴承零件表面会出现不同的表面形貌,表面凹坑和波纹度严重影响线接触表面的润滑性能。采用系统法求解高载和低载下波纹表面和凹坑表面的润滑膜压力和膜厚以及表层Mises应力,发现表面波纹度会使油膜压力出现波动,压力波峰处的压力值会大于光滑接触表面的油膜压力,表面会出现应力集中,高载时波纹度的影响更明显;表面凹坑会使凹坑两侧出现尖锐的压力峰,表面凹坑两侧出现肿块;当凹坑在接触中心时,油膜压力对凹坑深度非常敏感,较小的凹坑深度就会导致油膜崩溃;而出口区的凹坑会使二次压力峰移动到凹坑靠近接触中心的一侧,而且峰值压力远大于正常接触压力,凹坑处有局部高应力和严重的应力集中,高载时较小的凹坑深度会引起相对更明显的压力峰和应力集中。     

表面波纹度和凹坑对线接触弹流润滑的影响

由于加工误差和表面损伤等,轴承零件表面会出现不同的表面形貌,表面凹坑和波纹度严重影响线接触表面的润滑性能。采用系统法求解高载和低载下波纹表面和凹坑表面的润滑膜压力和膜厚以及表层Mises应力,发现表面波纹度会使油膜压力出现波动,压力波峰处的压力值会大于光滑接触表面的油膜压力,表面会出现应力集中,高载时波纹度的影响更明显;表面凹坑会使凹坑两侧出现尖锐的压力峰,表面凹坑两侧出现肿块;当凹坑在接触中心时,油膜压力对凹坑深度非常敏感,较小的凹坑深度就会导致油膜崩溃;而出口区的凹坑会使二次压力峰移动到凹坑靠近接触中心的一侧,而且峰值压力远大于正常接触压力,凹坑处有局部高应力和严重的应力集中,高载时较小的凹坑深度会引起相对更明显的压力峰和应力集中。     

可倾瓦径向气体轴承间隙对其静态性能的影响

采用有限差分法求解三可倾瓦径向气体轴承静态气体润滑方程,得到了稳态时轴瓦与转子表面间的气膜压力分布;在一定静载荷下,计算了不同轴承间隙对应的转子起飞转速及相同工作转速下的最高气膜压力;分析了不同轴承间隙时,转速从起飞转速上升至工作转速过程中转子偏心率和瓦块摆角的变化。结果表明:在一定静载荷下,轴承间隙越大,轴承的最高气膜压力越小,转子的起飞转速越高,偏心率及各瓦块的摆动幅度越大。     

轴瓦表面波纹度对柴油机连杆大头轴承润滑特性的影响

柴油机连杆大头轴瓦表面在加工过程中存在波纹度,表面波纹度严重影响轴承接触表面的润滑性能。针对这一问题,建立考虑表面波纹度的连杆组弹性流体动力学模型,分析不同波纹度幅值、阶次和数量对连杆大头轴承润滑特性影响规律。结果表明：随着波纹度幅值、阶次和数量的增加,最小油膜厚度总体先增大后减小,总摩擦功耗先减小后增大,表明合理分布的表面波纹度对轴承性能有积极影响,可提升轴承的润滑性能;基于Box-Behnken试验设计与响应面法对柴油机连杆大头轴承润滑特性进行研究,以轴瓦表面波纹度的幅值、阶次和数量为优化变量,以最小油膜厚度和总摩擦功耗为优化目标进行响应面分析,并结合带精英策略的非支配排序遗传算法进行优化。结果表明：不同轴瓦表面波纹度对连杆大头轴承润滑特性影响差异较大;相较轴瓦光滑表面,优化后最小油膜厚度增加了11%;总摩擦功耗降低了14%。     

以制冷剂为工作介质的止推气体轴承静态特性分析*

针对离心式压缩机润滑问题,提出以R134a为润滑工质的动压气浮轴承,基于流体润滑的雷诺方程,从制冷剂与空气的流动对比出发,通过理论假设实现气体轴承的建模与分析,采用数值分析对气膜流场进行三维设计计算分析,得到动压止推轴承的气膜厚度分布、气膜压力分布、承载力、功率损耗等特性。结果表明:在相同的情况下以R134a为工质的气体轴承的承载力是空气的50%左右,两者的承载力都随着扇形瓦张角、转速的增大而增大,随倾斜面高度和节距比的增大而先增大后减小,随最小初始气膜厚度的增大而减小;在相同的情况下以R134a为工质的系统的功率损耗是空气的60%左右,两者系统的功率损耗受最小初始气膜厚度和速度的影响最大,转速越高、最小初始气膜厚度越小,两者的功率损耗越大。     

Bow型硅微加工缺陷对动压气体轴承动态特性的影响

受硅微加工技术的限制，微气体润滑径向轴承经常产生Bow型加工缺陷，带来气膜厚度沿轴向的不一致性。将存在Bow型加工缺陷的动压气体轴承的膜厚方程与超薄气膜润滑理论相结合，推导同时考虑硅微加工缺陷及稀薄气体效应的微气体轴承润滑方程，并采用Newton Raphson方法进行求解。用“简正模”法推导系统的动特性系数及稳定性的求解模型，探讨硅微加工缺陷对轴承润滑特性及动力学特性的影响规律。结果表明，侧壁Bow型加工缺陷使得气膜中的压力分布变得平坦，降低系统的承载能力和气膜刚度，使临界质量曲线整体上移，增大轴承维持稳定运转所需的最小偏心率；此外，大偏心率时存在Bow型缺陷的轴承的高速性能差，增大轴承数有可能造成系统失稳，且缺陷程度越大，影响越明显。     

基于多尺度理论的三维表面形貌表征研究

首次将多尺度理论应用于三维表面形貌表征,采用不同的观察尺度对原始表面进行最小二乘、Motif法过滤,得到多尺度基面和多尺度表面,并基于WM函数进行图形、粗糙度参数表征研究。研究发现:多尺度理论的应用可以将形状偏差和波纹度视为某相对较大观测尺度下的粗糙度,并成功定量过滤,从而有效地解决传统粗糙度表征中形状偏差和波纹度的影响,提供一种契实可行的用于表征表面形貌和评定表面功能的理论或方法,更加准确地表达三维表面特性与其表面形貌参数的基本关系。     

表面粗糙度对气体箔片推力轴承润滑性能的影响

以波箔型气体箔片推力轴承为研究对象,运用弹性力学理论构建了箔片结构的受力变形模型,在考虑黏温效应的条件下,耦合求解了可压缩气体雷诺方程及能量方程。将数值模拟得到的顶箔和推力盘的微观粗糙表面引入计算模型,提出了一种考虑表面粗糙度的气体箔片推力轴承润滑性能数值计算方法。通过对具体算例的研究,绘制了轴承气膜压力、气膜厚度、气膜温度及箔片结构变形量的分布图,并通过粗糙度与气膜厚度和箔片变形之间的定量对比说明了考虑表面粗糙度的必要性。研究结果表明：推力盘表面粗糙度越大,最大气膜压力、最小气膜厚度、黏性摩擦力矩和端泄流量的波动越明显,而顶箔粗糙度的影响相对较小;两粗糙表面的高度组合越大,最大气膜压力和黏性摩擦力矩的平均值越大,最小气膜厚度和端泄流量的平均值越小;提高转速可减小最大气膜压力的平均值,并增大最小气膜厚度、黏性摩擦力矩和端泄流量的平均值。     

粗糙度与波纹度相关关系的回归分析

轴承套圈滚动表面粗糙度和波纹度是影响轴承振动值的两个重要参数,在大量的试验中发现粗糙度和波纹度之间存在一定的相关关系,为了进一步确定两者之间的相关程度,利用回归分析法进行定量分析。1　数据收集针对两台较为稳定的内圈滚道超精机,每周对超精后零件随机抽检4件,测量其波纹度和粗糙度,在测得的大量数据中随机抽取10次40组波纹度和粗糙度值进行分析,所得数据见表1。表1　滚道表面粗糙度和波纹度　　μｍ件号粗糙度Ｒａ波纹度Ｗｚ件号粗糙度Ｒａ波纹度Ｗｚ10.100.65210.070.4520.090.45220.060.3530.080.45230.060.2540.070.45240.050…     

单供气孔静压球面气体轴承特性分析

为探究静压球面气体轴承的工作特性,以单供气孔静压球面气体轴承为研究对象,建立轴承的气膜模型,使用有限元软件进行仿真计算,研究球窝包角、平均气膜厚度、供气孔直径和供气压力对轴承承载力、耗气量和气膜间隙内最大气流速度的影响规律。结果表明：球窝包角越大,轴承的承载力越大,球窝包角的变化对轴承耗气量和气膜间隙内最大气流速度影响很小;平均气膜厚度越小,轴承的承载力越大,轴承的耗气量和气膜间隙内气流最大速度越小;供气孔直径越大,轴承的承载力和耗气量越大,气膜间隙内最大气流速度越小;随着供气压力的增加,轴承的承载力、耗气量和气膜间隙内最大气流速度均增加。     

基于平均流量理论的轧制润滑动力学数值分析

基于Patir-Cheng平均流量理论,建立了考虑轧制界面粗糙度和轧件表面波纹度影响的混合润滑动力学方程.并以实验室冷轧硬铝过程为例,通过数值分析方法研究了表面波纹度、表面粗糙度、润滑液粘度系数等因素对于轧制界面压力和摩擦力的影响.