重载高速径向滑动轴承启停涂层磨损与滑移热特性研究

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重型燃气轮机用滑动轴承运行在苛刻工况下,带载启停频繁,轴承结构尺寸紧凑、相对间隙较小,且无静压辅助支撑,使得启停过程轴承发热量非常大,磨损严重,容易引发失效。随着镀膜技术的发展,在轴瓦表面镀改善表面性能的涂层已成为提高轴承摩擦性能的重要方法。轴瓦表面涂层材料与滑油的界面副、摩擦过程中的界面滑移特性与传统轴承均有较大不同,然而目前关于滑动轴承带载启停过程中轴瓦表面涂层固液复合润滑特性尚无系统的研究。本文首先探究了轴承带载启停过程轴颈和轴瓦表面的接触行为及磨损规律;然后分析轴瓦表面滑油-涂层界面滑移效应对等温轴承流体动压行为和轴承热行为的影响,给出了滑移区域(涂层区域)在等温工况和考虑热特性时的优化选择范围;以涂覆涂层的可倾瓦径向滑动轴承为研究对象,实验分析了轴承启停过程热特性及涂层磨损性能,给出有利于轴承安全启停的工况条件。基于Greenwood-Williamson(GW)粗糙峰接触模型,建立考虑粗糙表面接触和流体动压润滑共同作用下径向滑动轴承启停过程分析模型,采用基于伽辽金的有限元法和Newmark方法对瞬态模型进行求解,利用现有实验结果对模型进行验证。然后分析了混合润滑状态下的轴承瞬态接触行为,给出了启停过程中的接触时间、托起转速、瞬态流体动压、瞬态接触压力和瞬态最小油膜厚度等参数的变化规律,确定了轴承启停过程接触区域和磨损量。讨论了粗糙度、启停加速度和相对间隙对启停过程接触行为的影响规律,给出了有利于降低磨损的工况条件。基于同时考虑极限剪切应力和界面滑移长度的二组元滑移模型,建立考虑滑油-涂层界面滑移的热弹性流体动压模型,利用有限元法对油膜压力、滑油-涂层-过渡层-基体的温度分布及变形进行热流固耦合求解,获取了油膜-涂层-过渡层-基体间的传热特性,采用现有的理论、实验及ANSYS分析结果对模型进行验证。然后分析了工况条件对轴承滑移热特性的影响规律。分析了不同工况下滑移区域参数(区域位置、区域形状)对滑动轴承流体动压承载力和摩擦系数的影响。首先采用控制变量法获取等温高偏心率下的最优滑移区域,将获取的优化滑移区域应用于恒定载荷工况,给出恒定载荷工况下提升轴承性能的最优涂层形状和位置的选取方法。然后分析了恒定载荷工况下涂层位置(滑移区域)对轴承热特性、最小膜厚和最大油膜压力的影响规律,给出了涂层涂覆位置的选择依据。最后给出了涂层厚度和材料参数对涂覆涂层轴承热特性的影响规律。针对涂覆多种涂层的六瓦块可倾瓦径向滑动轴承展开稳态和启动过程台架实验及理论分析。研制了高精度可变间隙的高速重载径向滑动轴承实验台,建立了多瓦块可倾瓦径向滑动轴承热弹流计算模型。实验和理论分析了半径间隙、涂层材料、载荷和转速对涂覆银涂层轴承热特性的影响规律。测试了微间隙下PTFE、石墨和银涂层轴承带载启停磨损和热性能,最后探究了轴承半径间隙、加速度和初始温度对轴承启停过程温度变化的影响规律,给出有利于轴承热启动的工况条件。
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