考虑热效应作用的浮环轴承润滑特性分析研究

针对高速工况下浮环轴承润滑特性的理论预测和实验结果存在偏差的问题,在充分考虑热效应影响的基础上建立涡轮增压器径向浮环轴承的热流体动力润滑模型。该模型的理论计算结果和试验结果基本一致,验证其正确性。研究浮环内外层油膜间隙、浮环厚度和浮环宽度等浮环结构参数对浮环轴承润滑特性的影响。结果表明：在其他参数一定时,外层油膜间隙变大时,环速比和流量将变大,将带走更多的热量,轴承温升降低;内层油膜间隙变大,环速比将变小,但流量增大,轴承温升下降;浮环厚度变大,环速比将下降,但浮环厚度对内外膜温升几乎没有影响;浮环外接触表面宽度越大,环速比下降,温升将变大。     

气穴对涡轮增压器浮环轴承油膜力的影响

气穴是高速油膜润滑轴承中不可避免的现象,气穴现象影响浮环轴承油膜承载力及稳定性。通过Fluent 软件中的混合物（Mixture）多相流模型,分析气穴对浮环轴承内、外油膜压力分布以及含气率和供油压力对油膜承载力的影响。结果表明：气穴导致油膜压力峰值下降,对内油膜的影响大于外油膜;气穴会导致润滑油膜承载力下降,含气率越大,其承载力越低;在含气率不变时,供油压力对承载力有一定影响;油膜气穴主要集中分布在负压区,油膜压力值越小气穴现象越明显,气穴是导致油膜破裂的主要原因之一。     

内螺纹织构深度对涡轮增压器浮环轴承油膜动态特性的影响

浮环轴承内螺纹织构深度会改变织构区域油膜厚度,导致浮环轴承油膜动态特性变化,从而影响涡轮增压器转子-轴承系统运行稳定性以及工作寿命。基于流体润滑理论,推导含表面织构的浮环轴承油膜控制方程,揭示内螺纹织构深度与浮环轴承油膜特性之间的关系。以某型涡轮增压器浮环轴承为例,分析内螺纹织构深度对轴承油膜最大压力、油膜承载力、刚度、阻尼等的影响。建立浮环轴承双油膜润滑分析流体动力学模型,利用CFD方法对油膜动态特性进行分析,研究织构深度从6 μm增至12 μm时的油膜特性。结果表明：在轴颈转速1×103~2.1×105 r/min范围内,随着织构深度的增加,油膜最大压力、内外油膜承载力、刚度阻尼系数呈现先增大后减小的趋势;在转速超过1×105 r/min后,织构对油膜动态特性系数提升更明显;与无织构轴承相比,织构深度为8 μm时,油膜承载力、刚度阻尼等动态特性提升最大。研究表明,在合适的织构深度下,织构可以改善油膜特性,提升轴承的运转稳定性,延长工作寿命。     

浮环轴承环速比的试验研究

在浮环转子轴承系统静、动力学分析中,环速比是影响功耗、温升及转子轴承系统的稳定性和可靠性的重要指标。以水作为润滑介质,在工作转速1 000~10 000 r/min,载荷为45、75 N工况下,实验测量浮环轴承浮环的转速和环速比,并研究浮环转速和环速比随主轴转速的变化趋势。实验结果表明:浮环轴承能有效减小轴颈与轴瓦之间的相对速度,环速比与工作转速之间呈非线性关系;在重载工况下环速比随着主轴转速的升高快速下降,有进一步优化设计的需要,以维持环速比稳定,而在轻载工况下环速比随着主轴转速的升高而上升,说明浮环轴承更适合于高速轻载的场合。     

圆锥浮环动静压轴承动态特性实验研究

在圆锥浮环动静压轴承理论计算和分析的基础上，设计制造了该轴承试件，确定了相关的实验方案和实验装置。在二维油膜动特性系数实验原理的基础上，首次采用静一动法和二三次激振法相结合得到了内外膜共36个动特性系数。由实验结果绘制了不同转速和不同偏心率下的刚度系数曲线和阻尼系数曲线，并与理论计算结果进行了比较，二者取得了较为满意的一致。     

表面织构对浮环轴承环速比影响的实验研究

为提升浮环轴承在高速重载场合下的性能,在浮环轴承内表面制备表面织构,通过试验研究在不同载荷和转速下表面织构对浮环轴承环速比的影响,并与无织构浮环轴承进行比较。结果表明:无织构浮环轴承在载荷增大时环速比随主轴转速的增大而下降,而织构浮环轴承的环速比大于相同工况下的无织构浮环轴承,且环速比不会随载荷的增加而显著下降;织构使得浮环轴承的承载能力显著提升,能使浮环能在低主轴转速时开始启动,因而提升了浮环轴承在高速重载场合工下的工作性能。     

浮环弹性变形对浮环轴承润滑特性的影响

采用有限差分法联立求解内、外油膜的Reynolds方程、膜厚方程和浮环弹性变形方程,到在不同转速和偏心率下浮环的弹性变形量,研究浮环弹性变形对浮环轴承润滑特性的影响。结果表明:随着转速和偏心率的增加,浮环弹性变形量逐渐增加;浮环弹性变形降低了内油膜的承载力、端泄流量和摩擦功耗,增加了外油膜的承载力、端泄流量,但对外油膜摩擦功耗影响较小。     

浮环轴承结构参数对其动态特性的影响

基于摩擦学和流体动力润滑理论,对浮环轴承的偏心率及动态特性进行了研究。以浮环转速比为切入点推导出了浮环轴承润滑过程中偏心率与结构参数的变化关系,探讨了浮环轴承的动态特性与间隙比、浮环内外半径比的变化规律。结果表明,间隙比或浮环内外半径比的增加都将使浮环轴承总阻尼减小;而总刚度的绝对值随间隙比的增加而增大,随半径比的增加而减小。     

浮环轴承轴颈与浮环同步进动之油膜特性研究

以直接积分方法研究了同步进动状态下浮环轴承系统中轴承的内、外层油膜力特性。基于浮环轴承油膜压力场控制方程,推导了轴承内、外层油膜力的解析表达式,进而分析了平衡状态下轴颈几何中心的动态轨迹以及油膜力的变化规律。计算结果显示,轴颈与浮环同步进动时,轴颈、浮环与定子中心位置相对稳定,轴颈的直径、间隙和转速等因素对浮环轴承系统的油膜特性和稳定性有直接的影响。     

深腔气穴对动静压浮环径向轴承压力场的影响

利用简化的气油两相流密度、黏度模型,建立了流体动压润滑轴承的变密度、变黏度的广义雷诺方程。在此基础上,使用有限元方法,求解含惯性项的广义雷诺方程,获得浮环轴承内外膜的压力场,得出了一些有益的结论。     

径推动静压浮环轴承特性的有限元分析

研究了径推动静压浮环轴承在高速运转时，计入迁移惯性项的轴承特性。以计入迁移惯性项的非定常Reynolds方程为基础，借助八结点等参元有限元法，求解了径推动静压浮环轴承含有油膜惯性力的特性参数，着重分析轴承间隙、偏心率等参数对计入了迁移惯性项的径向推力动静压浮环轴承特性的影响。     

基于ANSYS的浮环动静压轴承中浮环的有限元分析

基于ANSYS建立了浮环的实体模型、网格划分、加载承载力和约束条件,求解得到浮环的应力和应变结果。仿真结果表明:当主轴转速不太高、偏心率不大时,浮环的变形量极其微小,对轴承油膜厚度影响可以忽略不计,将浮环看作刚体可以满足要求;而当转速较高、偏心率大于0.6时,必须考虑浮环变形量对油膜厚度的影响。     

增压器浮环轴承润滑过程数值分析

以流体滑动轴承的润滑理论为基础,分析研究了内燃机增压器浮环轴承的工作机理和结构参数与性能的关系。建立了浮环轴承力平衡、力矩及摩擦功率损失的方程式,探讨了轴承内外膜承载能力与相应转速比、间隙比、偏心率等参数之间的关系。结果表明：浮动套内外半径比增大,偏心率减小,承载能力增大;间隙过大或过小,难以形成润滑油膜,影响承载能力;索氏数（Sommerfeld数）越大,则轴承的承载能力也越大。     

浮环厚度变化对浮环轴承稳定性影响的实验研究

通过对浮环减薄前后实验结果的对比分析,研究了浮环厚度变化对浮环轴承涡动及稳定性的影响,并给出了三维谱图、涡动比与转速图、典型分岔图.结果表明,浮环轴承浮环减薄引起油膜涡动力的变化,在升速过程中,减薄前的浮环轴承稳定性要好;在高速稳态运行过程中,减薄前后浮环轴承稳定性差别不大;在降速过程中,减薄前的浮环轴承稳定性要差.浮环内、外油膜半速涡动现象的涡动比分别接近于0.5与0.3.     

圆锥浮环动静压轴承动态特性理论研究

对一种新型结构的滑动轴承——圆锥浮环动静压轴承的动态特性进行理论分析和数值计算。首先给出内、外膜的动态雷诺方程和边界条件,应用有限元得到内外膜36个刚度系数和阻尼系数,在此基础上分析该轴承的稳定性,计算其稳定性参数。结果表明该轴承具有稳定性好,易于实现主动控制的优点,在高速旋转机械领域有广泛的应用前景。     

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。     

浮环轴承稳态热流体动力润滑分析

环速比是影响浮环轴承静动特性的关键运行参数,大量试验数据表明浮环轴承环速比与工作转速的呈强烈的非线性关系,而理论对环速比的预测还存在较大偏差,针对该问题,建立了浮环轴承的稳态热流体动力润滑润滑模型,计算了典型工况下轴承的动静特性参数,研究了等温、导热和绝热情况下环速比、温升、功耗和偏心率等关键参数随转速的变化规律,分析了浮环材料对环速比的影响,探讨了传统环速比解析计算公式的适用范围.研究发现：等温模型在大部分转速范围内均严重高估了环速比,而基于导热模型的计算结果与试验结果吻合良好,随着转速的升高,理论和试验结果均显示环速比先急速上升后逐渐下降,在中高转速下内外膜的黏度差异和热变形是环速比快速下降的两个重要因素,同时,使用高热膨胀系数材料的浮环会导致环速比进一步降低.因此,热效应是浮环轴承设计过程中必须要考虑的因素.     

计入浮环质量的轴承稳定性研究

在计入浮环质量建立轴承的动力学方程基础上,导出了其稳定性判别准则和失稳角速度的计算方法,为深入研究三维浮环轴承的稳定性奠定了理论基础。     

计入浮环质量的浮环动静压轴承稳定性分析

以径向浮环动静压轴承为研究对象,将浮环质量考虑在内,建立轴颈和浮环的动力学方程;用Routh-Hurwitz准则推导径向浮环轴承的稳定性判据;用差分法计算某结构高速径向浮环动静压轴承的刚度系数和阻尼系数,得到不同偏心率下的失稳转速,并探讨浮环质量对轴承稳定性的影响。结果表明：浮环质量对轴承稳定性有一定影响,且影响随浮环质量与转子质量的比值增大而增大;考虑浮环质量会使得相应的失稳转速有所降低,且降低幅度随偏心率先增大后减小。     

六叶错位浮环轴承流体动力学特性的研究

多油叶轴承比单油叶轴承稳定性好,但摩擦损耗较大。为了克服这一缺点,在多油叶轴承和轴颈间加入一个浮环,从而达到提高承载能力、减少摩擦损耗的效果。采用流体力学边界元方法计算了六叶错位浮环轴承的流体动力学特性,得到了几种不同偏心率下,润滑区域内的流场分布、轴瓦表面的压力分布及浮环表面的压力分布;并对无浮环的六叶错位轴承与六叶错位浮环轴承的内摩擦损耗进行了比较。