一种高刚性液体静压轴承的设计方案

介绍了一种高刚性和高稳定性的双列液体静压轴承,该轴承在增加其油膜支撑长度的同时,让部分液压油及时地从轴承中两个油腔之间的泄油孔中排出,具有油膜承载面积宽、支撑跨度大、散热性好和承载刚性高等特点。     

变粘度条件下静压支承出油液阻的研究

以静压止推轴承为例，研究了变粘度条件下静压支承的出油液阻，提出了出油液阻比影响系数的概念，得出了静压支承的出油液阻比不仅与油膜厚度的3次方成反比，而且还与出油液阻比影响系数有关的结论。利用计算机仿真在不同工况下，对出油液阻影响系数进行了对比研究，为变粘度流体特性的研究提供了一定的理论基础。     

PM流量控制器节流液体静压轴承静动态特性分析

将PM流量控制器用于无周向回油槽四腔向心静压轴承,建立了PM流量控制器静压轴承数学模型,重点研究分析了轴承结构参数及PM流量控制器参数对静压轴承特性的影响。研究结果表明:轴承轴流封油边系数越小、周流封油边系数越大,轴承油膜刚度和承载力越大,初始油膜间隙增大,油膜刚度减小;润滑油动力粘度较大且初始油膜间隙较小时,油膜刚度和承载力较大;液阻比越小,比流量越大,油膜刚度越大;供油压力越大,油膜刚度、承载力和流量越大。同时基于线性化下液体静压轴承系统的传递函数,利用Matlab Simulink软件在时域和频域内分别研究了静压轴承系统的动态特性。研究结果表明:在阶跃载荷作用下,随着供油压力和比流量的提高,过渡过程时间越短,静压轴承系统的动态特性越好;在正弦载荷作用下,提高供油压力、比流量都会使轴心偏移量的稳态幅值减小,油膜动刚度增大,且供油压力较比流量对系统频率特性的影响显著。     

变粘度条件下静压支承出波液阻的研究

以静压止推轴承为例，研究了变粘度条件下静压支承的出油液阻，提出了出油液阻比影响系数的概念，得到了静压支承的出油液阻比不仅与油膜厚度的3次方式反比，而且还与出油液阻比影响系数有关的结论，利用计算机仿真有不同工况下，对出流液阻影响系统数进行了对比研究，为变粘度流体特性的研究提供了一定的理论基础。     

滑动轴承中不规则表面微结构对空穴现象的影响

提出一种研究轴承中不规则表面微结构对空穴现象影响的新方法。首先,由MATLAB程序生成轴承曲面的点云数据;然后,基于生成的点云数据采用逆向成形的方式重构出带有不规则表面微结构的轴承曲面,利用重构的轴承曲面及COMSOL Multiphysics中“CFD模块”提供的“薄膜流体,壳”接口,通过求解狭窄结构的流体雷诺方程来模拟轴承中的油膜流动;最后,得出润滑油膜的空穴区域及油膜压力分布。使用该方法研究滑动轴承中深度为1～40μm不规则表面微结构对空穴现象的影响,结果表明：等转速、等载荷工作条件下,随着轴承中不规则表面微结构深度的不断增大,轴承楔形空间两侧油膜的流速差与外载荷平衡的油膜压力、空穴区域内油膜的流体质量分数均不断增大,而轴承油膜中产生的空穴现象会逐渐减少。     

微尺度下液体静压轴承性能研究

针对液体静压轴承油膜缝隙流动所出现的微尺度效应,采用计算流体力学的分析方法,应用Navier速度滑移模型,将近壁面速度滑移边界条件引入到油膜二维流动,推导出适合流体二维流动的N-S方程,并对轴承承载力和刚度进行分析。结果表明,微尺度下速度滑移对轴承的承载力和刚度造成了极大的影响,滑移长度增加时,轴承的最大承载能力将严重减小,油膜刚度将会增加;滑移的发生导致最优的油膜厚度变小。     

表面织构对错位瓦轴承静动特性的影响

为研究表面织构对错位瓦轴承的静动特性的影响,在错位瓦轴承表面制备几何形状为半正弦波、矩形、三角形的表面织构,建立表面织构错位瓦轴承的流体动力学润滑模型,采用有限细胞算法求解雷诺方程和能量方程,得到错位瓦轴承的关键静动特性参数,对比有无表面织构情况下的最小油膜厚度、最大油膜压力、温升、功耗和流量、刚度和阻尼等参数。结果表明:相对于光滑表面,织构增加了流量和最大油膜压力,降低了温升,减小了最小油膜厚度,同时使临界质量有所降低;在定载荷及不同转速工况下矩形织构性能最优,其最小油膜厚度最小,最大油膜压力和临界质量最大,正弦织构性能次之,三角形织构性能最差;在定转速及不同转速工况下,矩形织构轴承承载能力最大,正弦织构次之,三角形织构最小,但三角形织构临界质量最大,轴承稳定性最好。     

基于Fluent的静压轴承结构优化及温度特性研究

针对静压轴承油膜温升问题,在原有的矩形油腔基础上提出了梯形油腔结构。建立两种油腔流体模型,并利用ANSYS Fluent软件,在相同的转速、相同的油膜厚度及相同的油腔承载面积下,探索分析了两种油腔油膜的温度场,并总结两种腔形油膜的温度分布规律。分析结果表明:相同面积下,梯形油腔流体油膜的温升明显低于矩形油腔流体油膜的温升。即证明将矩形油腔改进为梯形油腔有利于静压轴承的降温,为轴承结构优化提供了依据。     

球磨机静压轴承静态压力场及流场仿真分析

针对多油腔静压轴承压力油流动的复杂性,使用通用流体有限元软件CFX对油膜进行数值模拟,分析了静态下的油膜压力及流场对静压轴承承载能力的影响.结果显示,圆形主油腔使压力场及流场稳定、均衡;不同的进油速度影响到副油腔压力的大小;通过分析轴瓦出口边缘的流线稳定性,可验证油腔尺寸合适与否.     

浮环弹性变形对浮环动静压轴承润滑特性的影响

浮环轴承在高速工况下运行时,浮环表面在油膜压力作用下会发生弹性变形,影响轴承润滑性能。针对带有深浅腔的浮环动静压轴承,采用有限元法和有限差分法耦合求解油膜Reynolds方程、能量方程和温黏关系式,采用变形矩阵法求解弹性变形方程,计算浮环弹性变形分布;在浮环平衡的基础上,分析浮环变形对环速比、油膜承载力、端泄流量等润滑特性参数的影响。结果表明：浮环弹性变形分布与油膜压力分布呈现一致性,转速越高,偏心越大,变形越明显;考虑浮环弹性变形,浮环达到平衡状态时,内膜偏心率增加,环速比减小,轴承承载力与摩擦力矩均有所增加;由于浮环变形对内、外膜间隙及流动液阻的不同影响,使得内膜端泄流量增加,外膜端泄流量减少。     

变黏度静压滑动轴承高速时油膜动态润滑特性

静压滑动轴承转台直径大（D=4.5 m）,高转速运行时产生线速度值很大,其内部润滑油膜受压及剪切发热导致油膜变薄进而影响到机床加工精度和运行可靠性。针对新型Q1-205双矩形腔静压推力轴承,采用动网格技术探索变黏度条件静压轴承高速时的油膜动态润滑特性。建立该静压轴承的流量、承载力、油膜温升等理论模型,自定义用于控制边界层网格运动及变黏度的UDF程序,选取外载荷12 t,转速为80~200 r/min（线速度18~48 m/s）高速下的工况条件参数进行动态润滑特性数值模拟,并进行相同工况参数下的试验验证,揭示出高速时油膜厚度变化对油膜温度、油腔压力、封油边处流量的影响规律。研究发现,该型号轴承在承载12 t时,随着膜厚的减小,油膜剪切发热严重,温升加剧,且高速下受润滑油黏度变化影响造成压力损失严重,研究数据为工程上静压轴承可靠运行提供理论依据。     

基于格子Boltzmann方法的动压气体轴承黏性热耗散研究

箔片气体轴承微间隙内的流场常处于滑移区,甚至过渡区,会出现一些微观效应,其热特性的研究采用宏观方法已不再合适。为研究不同工况下动压气体轴承间隙热特性变化规律,基于格子Boltzmann方法建立包含黏性热耗散项的径向轴承间隙传热数值模型;采用总能形式的双分布函数热模型,通过有限差分离散将其应用到贴体网格中,同时引入速度滑移和温度阶跃边界条件,通过数值计算得到不同参数下的轴承间隙气膜温度分布,并分析了不同埃克特数（Ec）、偏心率和转速条件以及温度阶跃对黏性热耗散的影响。结果表明,当Ec数、偏心率和转速增大时,气膜最高温度增加,两侧的温度阶跃增加;温度阶跃效应的忽略均会导致黏性热耗散量不同程度的低估。     

液体静压主轴油膜滑移现象的分析及试验研究

针对液体静压主轴运动过程中动态特性问题,研究微尺度下油膜滑移对轴承承载力,刚度及动态刚度的影响。把微尺度下发生的速度滑移引入到油膜性能方程中,结合液体静压主轴系统平衡方程推导出了主轴系统承载力、刚度及动态刚度表达式,研究了油膜初期主轴静动态性能及油膜动刚度特性。从仿真结果中得到油膜滑移的发生使得承载力及刚度增大,最大刚度对应油膜厚度减小。最后刚度检测试验间接得出了实际主轴系统油膜流动过程中,存在油膜微滑移现象。本项研究为液体静压主轴微尺度下油膜滑移现象及性能的研究探索了一条新途径。     

The behaviour of hydrostatic pads with grooved lands

A hydrostatic pad is usually made up of a recess surrounded by a land. Viscous fluid is supplied under pressure to the recess. The land, being separated from the bearing surface by a relatively small clearance, will act as the hydraulic impedance needed to separate the required bearing pressure inside the recess from the pressure of the surrounding environment. If the pad is moved relative to the bearing surface, the film of fluid in the clearance, being viscous, will be sheared. This shearing action will initiate viscous shear stresses between the fluid layers and hence viscous drag between the moving pad and the bearing surface. The lands of the pad, having a much smaller clearance from the bearing surface, will be subjected to a much higher drag force than the recess. The power required to overcome such a drag force, and cause the required motion of the pad relative to the bearing surface, will be transformed mainly into heat. Sometimes, especially under high relative speeds and with small clearances, the generated heat can be detrimental to the bearing action, and if excessive, may lead to bearing failure.     

速度滑移影响下液体静压止推轴承静态性能分析

为了研究微尺度下速度滑移对液体静压止推轴承性能的影响,将速度滑移模型引入传统雷诺方程中,得到修正的雷诺方程;通过求解修正后的雷诺方程,得到速度滑移影响下八油腔液体静压止推轴承的静态性能特性。研究结果表明:速度滑移的存在并没有改变轴承性能的变化趋势,但使得相同油膜厚度下油膜压力、轴承承载力和刚度增大;随着滑移长度的增大,轴承油腔压力、承载力及刚度增大,最优油膜厚度变小;轴承的承载力和刚度随着供油压力的增大而增大,供油压力相同时,速度滑移使得轴承承载力和刚度有一定程度的增大。     

Viscous dissipation in micro-channels

Viscous dissipation effects in circular micro-tubes and rectangular micro-channels were investigated theoretically in a fully developed laminar flow region. From the energy conservation law, simple theoretical equations were derived for the evaluation of the viscous dissipation effect. The proposed equations were verified by comparing to other researchers’ experimental measurement and numerical results. Wall heat flux, fluid velocity, operating temperature, tube diameter, and working fluids’ effects on viscous dissipation were evaluated. It was found that viscous heating increases with decreasing aspect ratio in rectangular channels. The classical macro methods for heat transfer and pressure drop predictions agree well with the measurement and numerical predictions in micro-channels. Finally, a criterion for the evaluation of viscous dissipation was provided with the Brinkman number and heat balance concept.     

摩擦副表面沟槽型织构润滑性能的数值仿真

从目前的研究来看,织构的深度和载荷对油膜的润滑性能具有显著的影响,然而,在载荷变化的情况下,润滑膜的最小膜厚和黏性阻力是一个动态变化的过程。因此不同载荷下,最佳织构深度的选取还需系统地进行分析。通过建立沟槽型织构流体润滑模型,分析了织构的深度以及承载力对摩擦副的油膜厚度、压力、剪切力、以及摩擦因数的影响。结果表明:在承载力一定时,油膜厚度随织构深度的增加呈先增大后减小的趋势。在89 N载荷下时,存在最佳油膜厚度6.4184 μm,此时织构深度为2.97 μm,摩擦因数为0.0162。     

液压缸静压支承抗偏载特性分析

对液压缸静压支承抗偏载特性进行了研究，分析静压支承液压缸的润滑性能与泄漏特性，利用FLUENT软件对油膜的压力场特性进行仿真分析，分析液压缸静压支承的抗偏载特性；对静压支承导向套的矩形和工字形油腔的油膜特性进行分析对比，研究液压缸运动速度、偏心量、入口流量与静压支承导向套的承载力和润滑性能之间的关系；搭建实验台，利用电涡流传感器测量活塞杆的偏心距离，对静压支承液压缸与无静压支承液压缸的抗偏载性能进行对比。     

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。     

Experimental Analysis and Modeling of the Effects of Oil–Air Lubrication Parameters on Bearings Friction Loss of High-Speed Motorized Spindle

The friction loss of an angular contact ball bearing is a key factor restricting the development of a high-speed motorized spindle. To quantitatively calculate the effects of the oil–air lubrication parameters on the friction loss of high-speed bearings, the drag resistance and the churning resistance generated by the movement of the rolling elements in the lubricant are theoretically modeled and the percentage volume of the lubricant in the bearing cavity (XCAV) is used to characterize the effects. The friction loss of bearings is tested by two novel methods: the free deceleration method and the energy-balance method. The experimental results show that the viscous resistance loss is a major component of bearing friction loss and oil–air lubrication parameters have important influence on it. A comparison of the theoretical calculations and the experimental results is used for deriving the empirical formula of XCAV with respect to the lubricant flow, gas pressure, rotating speed, and pitch diameter. The research results of this study have important significance for the measurement, prediction and reduction of the friction loss of high-speed bearings.