非均质材料非牛顿弹流润滑特性及疲劳寿命研究

滚动轴承的润滑性能及寿命与润滑剂的流变特性及材料的非均质性息息相关。本文在建立非牛顿弹流润滑模型、非均质模型及滚动接触疲劳寿命模型的基础上,考察了滑滚比、润滑剂特征剪应力以及夹杂物体积比对非均质材料润滑性能和疲劳寿命的影响。数值模拟结果表明,夹杂物的存在会引起油膜压力和次表面应力的显著变化,造成疲劳寿命的降低;滑滚比的增加和特征剪应力的增大均会引起最大von Mises应力的增加和疲劳寿命的降低,且相对于含硬夹杂物的材料而言,含软夹杂物的材料的疲劳寿命对滑滚比和特征剪应力的变化更为敏感;夹杂物在材料中所占的体积比越大,非均质材料的疲劳寿命越低。     

对数修形圆锥滚子的弹流润滑分析

考虑接触体表面的弹性变形效应与润滑剂的压粘效应,建立圆锥滚子轴承的弹性流体动力润滑模型;并进行了完全数值解分析,得到了流体动压力分布、油膜形状与表面层内Mises应力分布。分析了对数修形圆锥滚子的弹流润滑特性。结果表明,直母线的圆锥滚子的弹流压力分布在滚子两端存在压力峰,并在滚子表层有应力集中现象;而对数母线的滚子在两端区域没有很高的压力峰和应力集中。滚子大端的流体动压力较高,而滚子的小端压力较低;在滚子的两端区域存在较小的油膜厚度,而且滚子小端的油膜厚度更薄;对数修形的圆锥滚子的最小油膜厚度增大,而中心油膜厚度减小;总体上对数修形滚子的弹流润滑状态得到改善。     

表面粗糙度对圆柱滚子轴承弹流润滑性能的影响

为了揭示表面粗糙度对圆柱滚子轴承线接触稳态弹流润滑性能的影响,本文建立了具有表面粗糙度的圆柱滚子轴承弹流润滑模型,并推导出了摩擦系数方程;采用有限差分法求解了圆柱滚子轴承的弹流润滑性能,并分析了余弦粗糙度幅值、波长和纹理角度对圆柱滚子轴承弹流润滑性能的影响.数值结果表明:随着粗糙度幅值的增大,油膜厚度和油膜压力在粗糙度波峰波谷处的波动增大;随着粗糙度波长的增大,油膜厚度逐渐减小,油膜压力的波动逐渐减小;横向粗糙度更有利于提高承载能力,降低摩擦系数.因此,在合理的范围内增加粗糙度的幅度和波长,采用交叉纹理,有利于提高圆柱滚子轴承的弹流润滑性能.     

表面形貌的微观弹流效应研究

本文在完全数值求解点接触粗糙表面弹流润滑的基础上对表面形貌的微观弹流效应和宏观弹流润滑统计结果进行分析研究,得出表面粗糙度远小于油膜厚度（膜厚比λ〉〉３）时表面形貌就已经对油膜压力存在影响。本文还就表面形貌的粗糙程度和纹理方向弹流润滑的压力和膜厚影响进行了研究,研究结果表明：表面形貌的不同将导致油膜压力的很大波动和不同,深入研究微观弹流效应有助于进一步研究润滑表面接触应力、磨损乃至零件失效的机理。     

考虑滚子表面缺陷的滚动轴承动态微观润滑研究

滚动轴承中,滚子表面材料的剥落或是黏附会引起失效。为研究轴承滚子-套圈间的表面缺陷效应,基于缺陷滚子的有限长线接触问题,建立了动态微观弹流润滑模型,给出了表面凸起和凹坑两种点缺陷,分析了滚子表面缺陷对轴承润滑性能的影响,比较了缺陷滚子与内外圈接触时的润滑特性、时变解与准稳态解的差别,并讨论了缺陷尺寸和形状。结果显示,滚子的表面缺陷进入Hertz接触区,将显著影响润滑特性:凸起缺陷处油膜压力升高、油膜减薄,而凹坑缺陷处油膜压力和厚度均增大;当凸起缺陷位于出油口颈缩位置时,产生最大的油膜压力和最小的油膜厚度,润滑特性较差。与外圈的润滑特性不同,缺陷滚子与与内圈接触时油膜更薄,压力更高。与时变解相比,准稳态数值解油膜压力更低,而油膜更厚,在表面凸起位置尤甚,因此,不能用准稳态数值解代替时变解。研究同时表明:缺陷尺寸和形态对润滑性能影响显著。     

指数率非牛顿流体线接触时变热弹流润滑分析

应用多重网格法，求解得到了指数率（Power Law）非牛顿流体在线接触时变变温条件下的弹流润滑数值解。分析了稳态条件下流变指数n对压力、油膜厚度及温度的影响；时变条件下流变指数n对承载量和摩擦因数的影响。结果表明：稳态条件下，随着流变指数n的减小，油膜厚度增大，油膜人口压力和第二压力峰也在增大，出口温度减小，其它部分温度升高；时变条件下，流变指数n对承载量的影响主要集中在π／2与3π／2附近且在π／2附近影响显著；随着流变指数n的增大摩擦因数明显增大，且时变周期内摩擦因数的波动变大。     

齿轮动力学与弹性流体动力润滑耦合研究

为探究齿轮的动力学特性与弹流润滑耦合效应,综合考虑齿轮啮合刚度的时变效应和表面粗糙度对齿轮动力学行为的影响,基于动力学理论,建立了6自由度摩擦动力学模型。采用解耦方法求解该模型,将求解获得的轮齿动态啮合力和表面波动速度用于弹流润滑分析中。通过实例研究了动、静两种载荷模型下齿轮的弹流润滑特性。研究表明,与平稳载荷相比,基于动载荷模型的齿轮弹流润滑研究更能准确反映齿轮的瞬态润滑特性,在啮合刚度的激励下,润滑时油膜压力和油膜厚度均表现出一定的振荡效应。啮入点、单齿啮入点以及单齿啮出点存在较大的冲击,是齿轮弹流润滑的危险点。     

指数率非牛顿流体的等温线接触弹流润滑分析

应用多重网格解法，求得了指数率非牛顿流体在稳态等温线接触条件下的弹流润滑数值解，分析了油膜压力和油膜厚度随指数及滑滚比的变化关系，并与相同工况下牛顿流体弹流润滑的结果进行了比较。     

基于EHL理论的脂润滑轴承沟道表面缺陷研究北大核心

根据脂润滑轴承失效表现形式,分析了滚动轴承沟道表面缺陷产生的原因,建立了球-沟道表面缺陷条件下的脂润滑弹流数学模型和油膜厚度方程,采用数值计算方法分析了不同尺寸的表面缺陷及表面光滑条件下的脂润滑弹流润滑油膜压力和油膜厚度分布规律。结果表明:轴承工作过程中,球-沟道表面会形成位置、尺寸和形状随机分布的凸起和凹坑;相比于光滑表面,缺陷表面会引起油膜压力和油膜厚度显著变化,且对于同类型表面缺陷,随着缺陷尺寸的增大,引起油膜压力和油膜厚度分布变化的规律大致相同但效果增强;表面缺陷均会对轴承润滑脂的润滑效果造成不良影响。     

少齿数非对称齿轮热弹流润滑特性建模分析

少齿数非对称齿轮以其小体积、大传动比和高承载能力等优势,在各领域得到越来越广泛的应用。而良好润滑条件下,参数变化对少齿数非对称齿轮的热弹流润滑性能具有重要影响,同时对齿轮的传递效率和寿命具有重要影响。基于赫兹接触理论和热弹流润滑理论,建立少齿数非对称齿轮热弹流润滑数学模型。通过有限差分法对方程组进行差分离散,利用Newton-Raphson方法对Reynolds方程进行完全数值求解,获得油膜压力和油膜厚度的分布情况。通过超松弛迭代计算方法求解热弹流润滑方程组,得到少齿数非对称齿轮副啮合线上5个特殊点的热弹流润滑特性,分析压力角、变位系数、载荷和转速与油膜厚度、压力和温度之间的变化规律。结果可知:温度最大值出现在啮入点,节点处的油膜温度接近稳态润滑油的温度,油膜温度和油膜压力的变化趋势一致。     

基于EHL理论的脂润滑轴承沟道表面缺陷研究

根据脂润滑轴承失效表现形式,分析了滚动轴承沟道表面缺陷产生的原因,建立了球-沟道表面缺陷条件下的脂润滑弹流数学模型和油膜厚度方程,采用数值计算方法分析了不同尺寸的表面缺陷及表面光滑条件下的脂润滑弹流润滑油膜压力和油膜厚度分布规律。结果表明:轴承工作过程中,球-沟道表面会形成位置、尺寸和形状随机分布的凸起和凹坑;相比于光滑表面,缺陷表面会引起油膜压力和油膜厚度显著变化,且对于同类型表面缺陷,随着缺陷尺寸的增大,引起油膜压力和油膜厚度分布变化的规律大致相同但效果增强;表面缺陷均会对轴承润滑脂的润滑效果造成不良影响。     

修形滚子凸型对润滑油膜的影响

本文以滚子类轴承为研究对象,初步探讨了等温油润滑条件下,三种光滑表面修形滚子凸型对有限长线接触弹流油膜形状、油膜厚度和油膜压力分布的影响,其结果可为工程上确定最优修形滚子凸型提供更为充分的理论依据。     

单个微坑对圆锥滚子热弹流润滑的影响

利用多重网格法和多重网格积分法研究了表面单个微坑对圆锥滚子热弹流润滑的影响,比较了光滑表面及单个微坑表面的热弹流润滑结果,分别讨论了单坑的坑深和坑径、速度及载荷变化对膜厚及压力的影响。结果表明,油膜厚度和油膜压力在单坑接触区增大,温度基本保持不变;坑深越大,凹坑弧度越小时,油膜厚度和油膜压力变化趋势越大。     

直齿轮传动非牛顿流体瞬态弹流润滑研究

综合考虑润滑流体的非牛顿特性以及齿轮传动的瞬态效应，采用Bair-Winer粘塑模型推导了非牛顿流体雷诺方程，建立了非牛顿流体瞬态弹流润滑模型；进行直齿轮传动非牛顿流体弹流润滑数值分析，获得了齿轮传动沿啮合线的油膜压力、油膜形状以及摩擦因数的分布。结果表明：在非牛顿流体工况下，油膜厚度、油膜压力以及轮齿表面摩擦因数均有所降低,因此在齿轮弹流润滑研究中应考虑流体的非牛顿特性的影响。     

限制空间中的弹性流体动压润滑

在经典的弹性流体动力润滑理论分析中,油膜压力的计算要满足载荷平衡条件,而这一条件并不适用于发生在限制空间中的弹流润滑,当弹流润滑发生在限制间隙中,油膜的承载力会随工作参数的变化而变化。对限制间隙条件下等温线接触弹流润滑问题进行数值分析,研究油膜厚度及压力的变化规律。结果表明:在限制间隙等温线接触弹流润滑条件下,油膜厚度及压力随速度参数以及材料参数的增加而增加,而限制间隙增加时,膜厚增加,压力减小。根据数值分析结果,拟合出限制间隙条件下的膜厚计算公式,该公式有较小的计算误差。     

卧式水电机组用径向滑动轴承热弹流特性分析

研究轴颈挠度和瓦块表面热弹变形对卧式水电机组径向滑动轴承静态润滑性能的影响。推导考虑轴颈挠度和轴瓦热弹变形后的油膜厚度表达式;用中心差分法结合ANSYS软件联立求解雷诺方程、能量方程、固体热传导方程、密度方程、黏度方程和轴瓦热弹变形等,得到径向滑动轴承的热弹流润滑(TEHD)特性,并与不计入轴颈挠度及轴瓦热弹变形的油膜动压润滑特性进行比较。结果表明:在考虑轴颈挠度和轴瓦瓦面热弹变形的影响后,油膜压力、温度、厚度沿着轴承宽度中心线的对称特性消失;油膜压力峰值增大,峰值点位置由轴向中心区偏移至出口区;油膜温度峰值增大,最高温度发生在出口区;润滑区内的最小油膜厚度大幅度减小,油膜最小厚度处于出口侧边界附近;轴承润滑流量减小,损耗略有增大;轴承稳态运行时,轴颈偏位角基本一致。     

限制空间中的弹性流体动压润滑分析

在经典的弹性流体动力润滑理论分析中,油膜压力的计算要满足载荷平衡条件,而这一条件并不适用于发生在限制空间中的弹流润滑,当弹流润滑发生在限制间隙中,油膜的承载力会随工作参数的变化而变化。对限制间隙条件下等温线接触弹流润滑问题进行数值分析,研究油膜厚度及压力的变化规律。结果表明:在限制间隙等温线接触弹流润滑条件下,油膜厚度及压力随速度参数以及材料参数的增加而增加,而限制间隙增加时,膜厚增加,压力减小。根据数值分析结果,拟合出限制间隙条件下的膜厚计算公式,该公式有较小的计算误差。     

考虑黏压效应的风电齿轮热弹流分析

在线接触热弹流润滑的基础上,考虑黏压效应,对风电行星轮系齿轮副进行热弹流润滑数值分析,并采用热弹流润滑数值方法和ISO/TS 6336-22计算了齿轮副的最小油膜厚度、安全系数和闪温温度,并比较各主要啮合点的压力和油膜厚度分布。结果表明：与使用ISO/TS 6336-22计算的结果对比,采用热弹流润滑理论计算的油膜更厚,但安全系数更小;在风电齿轮副热弹流润滑分析时应考虑压力对黏度的影响;风电主齿轮箱齿面因啮合产生油膜厚度随温度增加会迅速降低,最小油膜厚度会随载荷增加迅速减小,因此风电齿轮箱要保证足够的润滑,并尽量避免在高于额定载荷下长时间持续运行     

自旋对角接触球轴承弹流润滑与油膜刚度的影响

根据角接触球轴承自旋运动特征,同时考虑弹流润滑效应,建立角接触球轴承考虑自旋运动的弹流润滑模型;采用多重网格法求解弹性变形,利用有限差分法迭代求解雷诺方程,得到较为精确的数值解;分析不同赫兹接触压力、滚道表面粗糙度下自旋对角接触球轴承弹流润滑和油膜刚度的影响。结果表明：考虑自旋时随着Hertz接触压力、自旋角速度增大,油膜厚度减小,油膜压力增大,油膜承压区域呈细长状,并向接触中心靠近;随着滚道表面粗糙度幅值增大,油膜压力和膜厚均出现了波动,且考虑自旋运动时,轴承油膜厚度明显减小,油膜局部压力峰值更大;随着卷吸速度、润滑油黏度增大,油膜刚度减小,而考虑自旋运动时油膜刚度值更大;随着自旋角速度增大,油膜刚度逐渐增大。     

基于有限长线接触的锥齿轮热弹流润滑分析

为了研究锥齿轮的热弹流润滑机理,基于弹性流体动力润滑理论,建立有限长线接触模型,研究了直齿圆锥齿轮热弹流润滑特性。首先,将直齿圆锥齿轮热弹流问题近似等效为两同向圆锥滚子的准稳态热弹流润滑问题,应用多重网格法和逐列扫描法求解了锥齿轮整个接触线上的油膜压力、油膜厚度及固体和油膜中层的温度。结果表明,直齿圆锥齿轮沿齿宽方向上各点的压力、膜厚、温度均不相同。其中,小端的油膜压力略大于大端的油膜压力;小端的油膜厚度小于大端的油膜厚度;沿齿宽方向的温度分布差异较为明显,油膜中层的温度大于两固体表面的温度。该研究为直齿圆锥齿轮的润滑设计提供一定的理论依据。