油气润滑高速滚动轴承油膜运动特性数值分析

为分析油气润滑高速滚动轴承腔内油膜流动特性,采用FLUENT软件中VOF(Volume of Fluid)多相流模型和SMM(滑移网格模型)运动方法,建立轴承腔内油气两相流运动模型,对两相流流动进行瞬态数值计算。并以SKF 6307深沟球轴承为对象进行分析,结果表明:轴承腔内油气两相流在内、外圈沟道和球上形成连续油膜,转速、供油量和供气压力是影响两相流油膜运动的重要因素;在油膜流动稳定的状态下,随供油量、转速增大,内、外圈沟道油膜厚度先增大后减小;随供气压力增大,油膜厚度逐渐增大并趋于稳定;此外,空气对油膜的剪切作用和油膜重力作用对油膜平均速度有直接影响。     

油气出口位置对轴承腔内油气两相流和温升的影响

针对高速角接触球轴承腔内润滑冷却问题,采用VOF模型和多重坐标系(MRF)法对高速角接触轴承腔内润滑油流动特性进行数值分析,分析油气出口位置对轴承腔内油相体积分数和温升的影响。结果表明:轴承腔内的油相体积分数和温升在周向上分布并不均匀,油相体积分数最低处和温升最高处位于沿轴承回转方向相对入口240°位置;从180°到240°改变油气出口沿轴承回转方向相对入口角度时,轴承腔内温升降低且油相体积分数增大,从240°到270°改变相对入口角度时,轴承腔内温升升高且油相体积分数减小;当转速升高时,出口位置对轴承腔内油相体积分数和温升影响减弱,油相分布与温升分布在周向上更为均匀。因此,选择合适的油气出口位置能够得到更好的润滑效果。     

航空发动机轴承腔内两相流动数值模拟

主轴承腔作为航空发动机润滑系统油气两相流的重要区域,腔内的高温高乐及其回油特性对润滑系统的性能都有很大影响.利用VOF数值计算模型对某航空发动机轴承腔简化模型内油气两相流进行数值计算,将两相之间表面张力作为源项添加到动量方程中,并依据实际情况添加壁面黏附模型,计算结果与现有实验数据符合良好.分析几种工作参数下润滑油相界面的差异及其因为,研究腔压及回油油气体积比随转子转速及润滑油流量的变化规律.结果表明:腔内的压力沿周向在出口处附近较低,并且随着转子转速或润滑油流量的增加而增大;回油孔出口处油气体积比随润滑油进口流量增加而增大;当润滑油进口流量一定时转子转速增大不利于回油.     

角接触球轴承内圈织构设计及对油气润滑两相流的影响

针对角接触球轴承油气润滑中内圈润滑油含量少和保持性差的问题,提出在轴承内圈滚道设计圆凹坑形表面织构的润滑增效方法。基于气液两相流模型和多重参考系方法,建立内圈织构化角接触球轴承腔内油气两相流数值分析模型,分析内圈织构对轴承油气两相流动及润滑增效的影响。结果表明：织构化轴承可以显著提高润滑油在内圈的保持量,同时改善轴承腔内润滑油分布不均的状况;在微织构附近油气两相流动更不规则,所产生的压力梯度和速度梯度有利于提高气液两相膜的承载力;随着轴承转速的升高,内圈织构润滑增效效果相对减弱;随着供油量的增加,内圈织构润滑增效效果更加显著。     

轴承腔中均匀流体/壁面油膜分层流动分析

航空发动机轴承腔精确的润滑与换热设计依赖于对其内油气两相润滑介质流动与换热本质的认识。针对轴承腔内复杂的油气两相润滑介质流动状态,建立轴承腔均匀流体/壁面油膜分层流动分析模型,开展腔内油气两相润滑介质流动特性研究,探讨转子转速和润滑油供油量对均匀流体和壁面油膜两相介质压力、速度以及温度分布的影响。分析模型中,气相介质(含油滴)的等效物理特征参数通过离散油滴和气相介质的组分比例关系确定,各固体壁面与流体介质的对流换热系数根据其各自的传热特性确定。研究结果表明,均匀流体与壁面油膜两相介质的压力随着润滑油供油量的增加而增大,受转子转速的影响较为复杂;均匀流体与壁面油膜两相介质的速度随着转子转速的增高而增大,受润滑油供油量影响较小;均匀流体的温度随着润滑油供油量的增加而减小,受转子转速的影响较小;与均匀流体温度不同,壁面油膜的温度随着转子转速的增加而增大,随着润滑油供油量的增加而减小。建立了轴承腔试验台系统,开展了轴承腔油气两相流动状态下的压力和温度测试,压力和温度试验结果与理论计算结果均具有较好的吻合性,验证了提出的理论分析方法的可靠性。     

高速角接触球轴承油气润滑两相流温升数值分析

基于轴承摩擦学和两相流理论,以7006C角接触球轴承为研究对象,分析了轴承的摩擦生热,建立了轴承腔内油气两相流的CFD分析模型,在考虑空气可压缩性的情况下对轴承腔内油气两相流的温升进行了数值分析。结果表明:考虑空气可压缩性有利于提高数值分析的准确性;增加入口数量可降低轴承温升,入口对称分布有利于轴承腔流场温度分布的均匀性;增大供气压力可增大强制对流换热,降低轴承温升;载荷和转速的增大加剧轴承摩擦发热,使轴承腔内温度随之升高;两相流中气相对轴承散热起主要作用。     

轴承腔油气两相泡状流动的数值研究

航空发动机轴承腔过热或着火等现象与腔内油气两相泡状流动有关,需要通过数值计算研究两相泡状流动特性,从而为轴承腔润滑设计提供参考依据。针对上述问题,以某型航空发动机轴承腔为对象,建立轴承腔润滑油气液两相泡状流动模型,借助该模型研究润滑油介质运动状态。在建立模型方程时,考虑气泡直径尺寸大小和破裂聚合的影响,引入气泡种群方程和破裂聚合模型,并基于两流体模型和 两方程湍流模型,建立轴承腔内润滑油两相泡状流动计算模型。通过数值计算,模拟出轴承腔内润滑介质流场,最后利用国外文献的试验数据对理论分析进行了验证。研究表明,轴承腔润滑介质中气泡直径尺寸分布状态以及与转速的关系,揭示空泡率、转子转速和润滑介质进口速度等工况条件对轴承腔润滑油性能的影响。与国外试验数据的对比证明了该理论分析方法在航空发动机轴承腔润滑系统设计的可靠性和可行性。     

保持架不同引导方式下角接触球轴承腔内气相流动分析

滚动轴承高速运转时,轴承腔内空气流动加剧诱发漩涡及高压气障,影响油气输运及整体润滑性能。针对超高速时(d_mn值32.0×10~6 mm·r·min~(-1))角接触球轴承腔内的气相流动问题,考虑轴承结构特点、接触特征及运动边界,采用旋转坐标系定义组件运动,建立轴承腔内气相流动高精度分析模型,分析了在保持架不同引导方式下轴承腔内压力分布、气相流动与阻力,温度场等变化规律,并基于场协同理论评判了轴承内部关键接触润滑区域的流动与换热性能。结果表明,超高速下轴承腔内压差急剧增大,外圈引导时轴承腔内流速、流阻、流动协同角最大,钢球表面动压明显。当转速超过3.0×10~4 r·min~(-1)时,轴承内圈接触区入口附近出现不同程度漩涡流动,导致接触区入口协同角增大,流动性能变差。该研究对超高速轴承结构设计、润滑结构及润滑参数优化具有重要的参考意义。     

高铁轴承试验台陪试轴承腔气液两相流压力分析

以高铁轴承试验台陪试轴承腔为研究对象,根据陪试轴承的载荷和转速,采用VOF模型和RNGκ-ε湍流模型对高铁轴承试验台陪试轴承腔简化模型内气液两相流进行数值模拟,分析轴承转速、回油孔直径对陪试轴承腔压的影响,获得气液两相流中润滑油压力场和速度场在轴承腔内的分布情况。结果表明,随着试验台陪试主轴转速的提高,轴承腔压随之增大;随着回油孔直径增大,出口附近轴承腔压降低比其他部位腔压变化更为明显。     

石墨烯纳米颗粒参数对角接触球轴承油气润滑特性的影响

为探究高速旋转状态下油气负载石墨烯润滑特性,以B7003C轴承为研究对象,通过有限元软件建立其三相润滑流场的数值模型,考虑石墨烯纳米颗粒参数对润滑的影响,观察润滑油和石墨烯纳米颗粒在轴承腔内的分布和变化,结果表明：轴承腔内石墨烯润滑油的体积随时间延长而增大,一段时间后润滑油总体积与分布状态在轴承腔内随时间脉动循环;石墨烯质量分数增加改变了基础油的润湿性,增大了相同工况下轴承腔内油的含量,进而改善了轴承润滑状态;石墨烯纳米颗粒在轴承腔内的运动轨迹和分布与其粒径尺寸有关,小粒径石墨烯扩散速度更快,主要参与钢球与内沟道润滑,更易从轴承腔入油口一侧溢出;大粒径石墨烯主要参与钢球与外沟道润滑,更易从油气入口侧进入轴承腔内参与润滑。     

表面织构对角接触球轴承润滑性能的影响

为研究油气润滑状态下表面织构对角接触球轴承润滑性能的影响,在角接触球轴承的内圈滚道上设计表面织构,基于气液两相流理论,采用多重参考坐标系(MRF)模型和流体体积(VOF)法,对高速角接触球轴承腔内润滑油流动特性进行数值分析,对比分析长沟槽、短沟槽、矩形、圆柱形4种表面织构对角接触球轴承润滑性能的影响,发现长沟槽形的表面织构对改善角接触球轴承的润滑性能效果最为显著,并进一步分析长沟槽形表面织构结构参数对轴承润滑性能的影响。结果表明：轴承腔内油相体积分数随着沟槽深度和面积率的增大先增大后减小,随着沟槽宽度的增加逐渐增大,存在最佳织构参数使得轴承腔内油相体积分数最大。因此,合理地设计织构参数能有效提高角接触球轴承润滑性能,该研究结果对角接触球轴承表面织构设计具有一定的参考价值。     

Fluid Flow Analysis for Friction Torque around Rolling Element in Ball Bearings

Ball bearings (e.g., deep-groove, angular-contact, and roller bearings) support loads in a rotor system and provide lubrication between the shaft and housing. The deep-groove ball bearings used in a turbopump do not differ significantly from angular-contact ball bearings or the bearings found in other applications. Deep-groove ball bearings consist of rolling elements, an inner raceway, an outer raceway, and a retainer to guide the rolling elements. In ball bearings, the resistive (churning or drag) forces and torques acting on the rolling elements and raceways are affected by the fluid flow rate and direction, as well as the rotational speed. These churning and drag forces and torques affect the internal dissipation or power losses into the bearing, which become very significant for high-speed applications. This study numerically investigated the characteristics of the flow conditions for deep-groove ball bearings, with a particular focus on the friction distribution on the rolling elements. A simple analytical model of the fluid flow inside a ball bearing was developed using a computational analysis, and the flow characteristics at high rotational speeds are presented.     

喷嘴结构对角接触球轴承油气润滑中气帘效应的影响

针对角接触球轴承油气润滑中的气帘效应问题,基于气液两相流理论,构建了轴承腔内油气两相流的数值分析模型,分析了轴承腔内气帘效应的形成机理及影响因素,对比分析了5种喷嘴结构对气帘效应的影响。结果表明：在高速工况下,内圈与滚动体接触区附近产生的气帘效应阻止润滑油到达润滑点;气帘效应随轴承转速的升高而加剧;使用D型喷嘴结构时,气帘效应的影响最小,滚动体接触区附近油相的体积分数最大,轴承润滑效果最佳。     

高速角接触球轴承动力学特性参数分析

根据滚动轴承的分析理论,在100000r/min的转速范围内,对角接触球轴承的接触应力、接触角、旋滚比及刚度的变化特性进行了全面分析。分析结果表明:各性能参数均呈现显著的非线性变化特征;随转速升高,轴承径向刚度及轴向刚度值也是先下降后上升,且变化范围较大;陶瓷球混合轴承几乎在所有的性能参数对比上均明显优于传统的钢球轴承,与传统钢球轴承相比,其接触应力明显降低、接触角变化较小、轴向与径向刚度变化程度相对较低、动态特性相对稳定,从而具有传统钢球轴承无可比拟的优越性。     

高速角接触球轴承动力学特性参数分析

根据滚动轴承的分析理论，在100000r／min的转速范围内，对角接触球轴承的接触应力、接触角、旋滚比及刚度的变化特性进行了全面分析。分析结果表明：各性能参数均呈现显著的非线性变化特征；随转速升高，轴承径向刚度及轴向刚度值也是先下降后上升，且变化范围较大；陶瓷球混合轴承几乎在所有的性能参数对比上均明显优于传统的钢球轴承，与传统钢球轴承相比，其接触应力明显降低、接触角变化较小、轴向与径向刚度变化程度相对较低、动态特性相对稳定，从而具有传统钢球轴承无可比拟的优越性。     

径向游隙对角接触球轴承两相流热特性的影响

径向游隙直接影响角接触球轴承内部两相流的分布以及热特性。为探究不同径向游隙下角接触球轴承油气润滑两相流热特性变化规律,基于两相流理论以及轴承换热机制,建立数值分析模型模拟轴承腔内油气两相流流动特性,分析径向游隙和轴承运行工况对轴承腔内流场分布以及温升的影响,并通过轴承温升试验验证了仿真结果。结果表明：油气两相流中油相受离心力影响主要分布在轴承外圈,径向游隙增大使得油相体积分数减少;轴承温升随着径向游隙增大而减少,一定程度上增大径向游隙可以减少轴承生热量。研究结果为探究角接触球轴承油气润滑热特性以及改善轴承腔结构参数提供了参考。     

The Prediction of Contact Pressure–Induced Film Thickness Decay in Starved Lubricated Rolling Bearings

Under starved conditions the thickness and distribution of the lubricant film in an elastohydrodynamically lubricated (EHL) contact is directly related to the distribution of lubricant on the track in the inlet to the contact. In starved lubricated rolling bearings this lubricant distribution is determined by many effects. The authors have developed a model to predict the oil lost from the track induced by EHL pressure with no replenishment. A complete bearing is modeled with multiple rolling element EHL contacts and with the applied load to the rolling elements varying along the circumference of the bearing. Results of the oil layer thickness on the track are presented for a ball bearing and a spherical roller bearing for different bearing loads and rotational speeds. The predicted layer thickness decay rate for a ball bearing is significantly larger than for a spherical roller bearing and the predicted effect of the bearing load on the decay rate is small compared to the effect of the rotational speed. The predicted decay periods due to the contact pressure effect are small compared to the observed (grease) life of bearings. The results show that a bearing cannot sustain an adequate layer of oil on the running track unless significant replenishment takes place.