层流、紊流共存时滑动轴承润滑理论与实验研究

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高速流体径向滑动轴承具有承载能力强、回转精度高、稳定性能好、耐冲击、寿命长等突出优点,广泛应用于民用和军工机械,特别是在航空航天领域及精密机床主轴支承系统等高速旋转机械中。轴承油膜内复杂的流态是决定轴承静、动态性能的重要因素。对于工业上实际应用的轴承,由于结构要求,在同一轴承油膜中雷诺数相差巨大,导致层流和紊流同时存在于同一轴承油膜中。但目前的轴承润滑研究中大多不考虑雷诺数的变化而假定油膜处于单一流态下,即要么层流,要么紊流,并依据层流或紊流润滑理论来计算轴承静、动态特性。这显然与实际情况不符,计算出来的油膜特性也必然存在较大误差。作为转子支承系统中的关键部件,滑动轴承的承载能力、摩擦功耗以及温升情况是影响轴承润滑效果、运转精度、材料寿命及稳定性的重要因素。因此,准确判定轴承内油膜流态分布是正确分析轴承特性的重要前提。  在国家自然科学基金项目“多种流态共存时超高速浮环动静压轴承润滑理论和应用研究”(51075373)的资助下,本文以高速动压径向滑动轴承为研究对象,基于层流、紊流润滑理论,建立了层流、紊流同时存在于同一轴承油膜时的滑动轴承静态特性二维模型;分析主轴转速、偏心率、宽径比、油腔结构尺寸等参数对轴承承载力、摩擦力、温升等静态特性的影响;并设计搭建滑动轴承试验台进行实验。  本文研究工作主要包括:  (1)详细介绍了滑动轴承润滑理论、基本方程求解方法以及实验方法的国内外研究现状。从经典N-S方程出发,将不同控制方程有机结合从而推导出油膜中多流态共存时的控制方程组,基于差分法求解方程组,形成了混合流态下动压滑动轴承静态特性的分析方法,即多流态热润滑分析方法。  (2)在理论推导的基础上,针对圆柱径向滑动轴承,计算并分析了混合流态下主轴转速、偏心率等参数对油膜中雷诺数、压力和温度分布的影响,并讨论了承载力等静态特性的变化规律;在不同工况下,对采用本文分析方法和单一流态假设下所计算的各特性参数结果进行了对比;对比了基于本文模型的无限宽、无限短和有限宽轴承静态特性的差别,论述采用一维方法进行工程计算的可行性。结果表明:在动压滑动轴承流场计算中,必须首先正确判定油膜流态;必须考虑润滑油温黏关系;为得到更优的润滑特性,必须综合各参数慎重选择轴承结构;在宽径比小于0.2或大于3时,可采用无限短或无限宽理论对轴承静态特性进行预估。  (3)在理论推导的基础上,针对工业上应用的轴瓦开设油腔的径向滑动轴承,设计了油腔结构,计算并分析了油腔轴向宽度、周向包角对油膜中雷诺数、压力和温度分布的影响,进而讨论了承载力等静态特性的变化。并且对比了各工况下,采用本文的混合流态分析方法和单一流态假设下各特性参数的不同。结果表明:各因素对轴承静特性具有不同程度的影响;由于油腔的存在,各工况下油膜雷诺数、压力、温度分布曲线呈现明显的阶梯性,与相同条件的无腔轴承相比,开设油腔会小幅降低承载力,但同时也会减少摩擦和降低温升,综合性能较优;小偏心时油腔对静态特性影响较大,大偏心时动压作用明显,油腔影响较小;开设较宽油腔的轴承应避免在小偏心下工作;轴向宽度为0.8~1.2和周向包角较大时轴承综合性能较优。  (4)设计并搭建轴承-转子试验台,观察并分析了油膜内流态沿周向和轴向的复杂变化,验证了本文提出的多流态热润滑分析模型及方法的正确性,并提出了对其边界条件的修正方法,测定了轴承油膜内压力和温度沿周向的分布,通过理论结果与实验结果的比较,进一步验证了本文提出的润滑理论模型是比较符合实际轴承的流态的。  圆柱滑动轴承特别是存在油腔的高速流体润滑径向滑动轴承,其油腔中通常同时存在层流、紊流甚至过渡区流态。同时,目前采用单一流态润滑理论模型与实际油膜流态存在较大误差。为了更准确地计算实际轴承的静、动态特性,必须首先正确判定油腔流态,然后再决定采用哪种润滑理论模型。  本文的研究结果,为进一步研究多种流态共存时滑动轴承润滑性能提供了理论基础。
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