考虑粗糙度时不同衬层材料水润滑轴承润滑特性比较*

以水润滑轴承为研究对象,考虑表面粗糙度的影响,针对丁腈橡胶（NBR）、赛龙、飞龙、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)4种新型非金属衬层材料建立润滑数学模型,并推导水膜厚度方程;采用有限差分法,研究考虑实际表面粗糙度时4种新型衬层材料的衬层变形、水膜厚度和水膜压力的变化规律,分析最大水膜压力和承载力随转速的变化,并与表面光滑轴承进行对比。结果表明：考虑表面粗糙度时水润滑轴承的衬层变形和水膜厚度均呈波状分布,衬层变形减小,最小水膜厚度变薄,而水膜压力有轻微的局部突变,最大水膜压力增大,承载力下降;4种材料的变形量和最小水膜厚度由大到小均依次是NBR、赛龙、飞龙、UHMWPE,水膜压力由大到小依次是UHMWPE、飞龙、赛龙、NBR。在相同工况下,NBR衬层材料比其他3种衬层材料相对容易形成润滑水膜,而UHMWPE衬层材料可以保证系统承受较大的承载力。研究结果对水润滑轴承材料选型和加工装配有一定的参考意义。     

改性尼龙水润滑轴承摩擦学性能试验研究

针对舰艇推进系统用水润滑轴承低噪声设计需求,研制改性尼龙（PA）的轴承材料及轴承样机,利用多功能摩擦磨损试验机对改性PA材料样品进行摩擦学性能试验,并与丁腈橡胶和赛龙SXL材料的摩擦学性能进行对比;在水润滑轴承试验台上开展PA轴承样机转速特性试验和载荷特性试验,获取不同比压和转速下摩擦因数和振动特性数据。研究结果表明：与丁腈橡胶和赛龙SXL材料相比,改性PA材料具有摩擦因数小、磨损率低的优点;低转速下,水润滑轴承摩擦因数随转速增大而减小,随比压增大而增大,转速增加至100 r/min后,摩擦因数变化趋势逐渐减缓;在工作转速范围内改性PA材料水润滑轴承无异常摩擦振动和噪声。研究结果为舰艇低噪声水润滑艉轴承设计提供参考。     

UHMWPE复合材料水润滑轴承润滑状态转变性能研究

水润滑轴承润滑介质的黏度较低,轴承动压润滑难以形成。研究水润滑轴承润滑状态转变特性,可为水润滑复合材料轴承的设计和优化提供依据。建立水润滑轴承流固耦合计算模型,研究轴承承载力、水膜压力、轴承变形量随工况的变化关系,提出水膜厚度测试方法,研究轴承摩擦因数、水膜厚度随转速、负载的变化规律。研究结果表明:随偏心率和转速增大,轴承承载力、最大水膜压力和最大变形量均逐渐增大;随转速增大,轴承承载力、最大水膜压力和最大变形量的增幅逐渐减小。试验发现随着负载增大,改性UHMWPE轴承从混合润滑向动压润滑转变的膜厚比逐渐减小。     

内衬厚度对水润滑橡胶艉轴承摩擦性能的影响

基于流固耦合的基本理论,考虑橡胶衬层弹性变形因素,构建出水润滑艉轴承橡胶内衬有限元模型,利用MATLAB软件数值分析橡胶内衬厚度对水膜厚度和水膜压力的分布状况及摩擦性能的影响规律,并在SSB-100型艉轴承试验机上进行试验验证。研究结果表明:在相同的工况下,随着内衬厚度的增加,橡胶衬层弹性变形增大,水膜厚度增大,水膜压力减小;相应地,流体润滑效果越好,摩擦因数越小;在相同厚度下,随着转速的增大,摩擦因数先减小后趋于平稳。试验结果验证了仿真分析的正确性。     

UHMWPE基水润滑尾轴承润滑特性仿真及试验研究

针对UHMWPE基高分子复合材料水润滑轴承的润滑特性开展研究。采用双向流固耦合算法研究弹性模量和泊松比等材料参数以及转速、负载等工况参数对水润滑轴承偏心率、最大水膜压力、轴承最大变形量、最小水膜厚度、摩擦因数等润滑特性的影响。基于改性UHMWPE高分子复合材料轴承的试验,验证了仿真方法的正确性。研究表明:计入弹性变形的流固耦合算法在研究高分子复合材料轴承性能方面具有更高的精度;随轴瓦材料弹性模量和泊松比的增大,轴承承载力逐渐增大、弹性变形量逐渐减小;随负载增大,轴承最大水膜压力和最大变形量基本呈线性增长;随转速增大,轴承最大水膜压力和轴承最大变形量显著减小;对于高分子复合材料轴承,低速、重载工况下不计入弹性变形的算法误差更大。     

衬层材料参数对水润滑夹心轴承静态性能的影响

在特定工况（转速、偏心率等）对水润滑夹心轴承润滑特性影响的基础上,针对双衬层水润滑轴承材料开展研究,建立单向、双向流固耦合动力学模型并比较两者对轴承产生的影响;探究弹性模量、泊松比对轴承承载、水膜压力、衬层变形等静态性能参数的影响规律,揭示流固耦合作用下双衬层水润滑轴承静态性能的变化机制。研究结果表明：随着衬层材料参数的变化,水润滑轴承固体域的静态性能发生较大的变化,流体区域的性能不发生显著的变化。研究结果丰富了双衬层水润滑轴承材料的选择范围,为轴承材料选择提供一定理论依据。     

水润滑橡胶轴承双向热-流-固耦合润滑特性分析

以船用水润滑橡胶轴承为研究对象,基于有限元法和有限体积法,建立水润滑橡胶轴承双向热-流-固耦合模型,研究润滑介质温度和轴颈转速对橡胶衬层变形、水膜压力分布以及承载力的影响。研究结果表明:当进水温度升高时,水的黏度降低,水膜压力减小,橡胶衬层的变形量减小,承载能力降低;而转速增大时,流体动压效果明显,水膜压力增大,衬层变形量增大,承载能力提高;转速越低时,进水温度对承载的影响越小。     

水润滑橡胶轴承的制备及摩擦磨损性能研究

以丁腈橡胶(NBR)为基体,制备水滑润橡胶轴承;研究填料、载荷、转速、润滑介质、NBR品种等因素对橡胶轴承在水润滑介质中的摩擦磨损性能的影响,并分析其摩擦和磨损机制。结果表明,炭黑量和二硫化钼添加量明显影响橡胶轴承的摩擦因数和磨损量;随着载荷的增大,橡胶轴承的摩擦因数和磨损量均呈现先增大后减小再明显增大的趋势;随着转速的增大,橡胶轴承的摩擦因数和磨损量均明显减小,并且在海水中的摩擦因数和磨损量均大于在淡水中的摩擦因数和磨损量。     

水润滑夹心轴承流-固耦合动力学特性研究

针对水润滑单衬层轴承存在的低载高阻、高振高噪等缺点,创新性地提出一种双衬层轴承结构,有望实现轴承高载低阻、减振降噪性能新突破。关于水润滑夹心衬层轴承,采用流-固耦合分析方法对其开展研究。建立流-固耦合动力学模型,研究了偏心、衬层厚度等对润滑界面压力、承载、变形、应力等性能参数的影响规律,揭示了衬层厚度等对润滑性能的影响机理。研究结果表明,衬层静态结构参数与偏心率、转速和衬层厚度呈正相关关系,而与厚度比呈负相关关系;存在最佳衬层厚度范围使得摩擦因数最小化;偏心越大,水膜破裂的可能性增加。最终,研究结果为水润滑夹心衬层轴承的设计研发提供了理论基础并推动了该类轴承国产化进程。     

水润滑橡胶轴承摩擦磨损性能的研究

以丁腈橡胶（ＮＢＲ） 为基体,制备水滑润橡胶轴承;研究填料、载荷、转速、润滑介质、ＮＢＲ品种等因素 对橡胶轴承在水润滑介质中的摩擦磨损性能的影响,并分析其摩擦和磨损机制。结果表明,炭黑量和二硫化钼添加量明 显影响橡胶轴承的摩擦因数和磨损量;随着载荷的增大,橡胶轴承的摩擦因数和磨损量均呈现先增大后减小再明显增大 的趋势;随着转速的增大,橡胶轴承的摩擦因数和磨损量均明显减小,并且在海水中的摩擦因数和磨损量均大于在淡水 中的摩擦因数和磨损量。     

进水温度对水润滑轴承润滑特性的影响

为研究进水温度变化对水润滑轴承润滑特性的影响,采用有限差分法建立水润滑轴承弹流润滑模型,分析不同进水温度和载荷条件下水润滑轴承润滑特性的差异,并且通过试验验证摩擦因数的变化规律。研究发现：随着进水温度升高,轴承的水膜压力下降,但在水膜压力峰区域最大水膜压力升高、最小水膜厚度减小、偏心率增大,表明进水温度升高对润滑性能有着负面影响;在相同的载荷和转速下,轴承摩擦因数随着进水温度升高而下降,且高载荷下进水温度对摩擦因数的影响更大。通过试验发现进水温度越高对摩擦因数变化的影响越大,不同进水温度下载荷越低,载荷的变化对摩擦因数变化量的影响越大。     

复合材料水润滑艉轴承结构设计研究

基于ANSYS CFX流固耦合数值计算方法,对水润滑复合材料艉轴承的润滑性能及结构设计开展研究,阐述了不同水槽结构、间隙比、长径比、直径等对轴承承载力以及水膜压力、轴承变形量、最小水膜厚度、轴承摩擦因数的影响规律。并利用水润滑轴承试验台研究了不同水槽结构对轴承启动摩擦转矩、转变速度以及摩擦因数的影响。研究表明,轴承摩擦因数、水膜最大压强、轴承最大变形随水槽数增多而增大;轴承承载力、最小水膜厚度随间隙比增大而减小,随长径比增大而增大。总结了直径为100~500 mm、长径比为2~3、间隙比为0.1%~0.2%的水润滑艉轴承承载力的变化规律,为水润滑艉轴承设计提供一定的理论依据。     

水润滑橡胶合金轴承流固耦合分析

建立水润滑橡胶合金轴承3D流固耦合模型,应用流体计算分析软件对轴承运行过程中的内部流场进行分析。分析结果表明,转速和偏心率是影响水膜压力分布、水膜流速分布和承载能力的重要因素,采用较大的转速有助于流体动压形成,增大偏心率将会增大轴承系统中水的动压,从而增大水膜压力和承载能力。橡胶层的变形和应力分析表明,橡胶层主要承载面的变形量和应力随着转速和偏心率的增加而变大,在橡胶衬层与轴套黏接面处有最大应力,设计中应该充分考虑橡胶衬层的物理性能及其与铜套黏接面的力学性能。     

温度变化对新型混合槽水润滑橡胶轴承润滑特性的影响

为研究新型混合槽水润滑橡胶轴承的润滑特性,采用有限元法建立了橡胶轴承的热流固耦合模型,在考虑不同进水温度和不同转速的条件下,分析了混合槽橡胶轴承与带有T形、V形沟槽的橡胶轴承在衬层变形、水膜压力、流场速度等方面的差异。结果表明:混合槽橡胶轴承能较好地适应水温的变化,解决了T形、V形沟槽橡胶轴承存在的衬层变形大、水膜压力较低的问题,并改善了单一槽型轴承承压区压力峰值急剧变化的问题;随着进水温度的升高,衬层变形量和水膜压力均减小,承载力下降,而且较高转速下承载力的下降趋势比低转速下更为明显;随着进水水温的升高,水的黏性系数持续降低,橡胶轴承的润滑状态变差,轴承润滑状态由混合润滑和弹流润滑状态过渡到完全混合润滑状态。     

不同含量盐水介质中丁腈橡胶水润滑轴承材料摩擦学特性分析

以水润滑轴承用丁腈橡胶(NBR)材料为研究对象,在CBZ-1摩擦磨损试验机上开展其在清水及不同盐分含量水介质中以及不同速度及载荷下的摩擦学试验,对比分析其摩擦因数、磨损量以及磨损表面形貌等摩擦学特性的变化规律。结果表明:盐水质量分数、速度和载荷对丁腈橡胶的摩擦学性能影响显著,其摩擦学特性的变化是盐水质量分数、载荷、速度以及丁腈橡胶的黏弹性等因素共同作用的结果;丁腈橡胶材料与锡青铜配副的摩擦因数随转速的升高而降低,随载荷的增加而降低;随着盐水质量分数的增加,摩擦副的摩擦因数和磨损量先增大而后均有所减小,这是因为盐水质量分数通过影响润滑介质的黏度来改变水润滑的效果,通过对铜盘的腐蚀作用来改变摩擦副的摩擦情况,从而在整体上影响摩擦因数和磨损量的变化。     

UHMWPE与橡胶共混水润滑轴承摩擦磨损性能试验研究

为改善丁腈橡胶水润滑轴承的摩擦学性能，以丁腈橡胶为基体，通过添加不同量的超高分子量聚乙烯（UHMWPE）粉末（分别为丁腈橡胶量的12%、50%、100%）制得3种复合材料；分析不同复合材料的结构，研究其在水润滑条件下的摩擦磨损特性，并与纯丁腈橡胶和纯UHMWPE材料进行对比。结果表明：制备的UHMWPE与丁腈橡胶复合材料中，UHMWPE以分散相的形式分布在丁腈橡胶基体中，分布较为均匀；UHMWPE的加入提高了丁腈橡胶材料的自润滑性能，其中UHMWPE的添加量为丁腈橡胶的50%和100%时复合材料在低速时的摩擦因数明显减小；UHMWPE的加入提高了丁腈橡胶基体的硬度，改善了复合材料摩擦表面的挤压变形，使得复合材料的磨损量有所降低。研究表明，一定添加量的UHMWPE添加量可明显改善丁腈橡胶水润滑轴承的摩擦学性能，其最佳添加量为丁腈橡胶的50%。     

长径比对重载工况水润滑轴承性能的影响

水润滑轴承在工作中存在表面粗糙峰接触等摩擦问题,而合理的长径比可以改善轴承润滑状态。以重载水润滑轴承为研究对象,建立水润滑轴承混合润滑热模型,通过有限差分法计算求解,研究长径比对重载水润滑轴承性能的影响。结果表明：在相同载荷条件下,增大长径比可增强水膜承载力、提高最小膜厚进而改善轴承润滑状态,可使轴承压力分布均匀、削弱应力集中效应从而提高轴承使用寿命;低速时增大长径比可降低摩擦因数,但高速时摩擦因数随长径比的增大而增大;增大长径比还可降低轴承温度,但不利于水流的轴向端泄排出。     

硬度对螺旋槽水润滑橡胶推力轴承摩擦磨损性能影响的实验研究*

水润滑橡胶推力轴承是船舶推进系统中提供轴向支撑力的重要零部件,其摩擦磨损特性严重影响船舶推进工作性能。开展螺旋槽水润滑橡胶推力轴承实验,测试2种橡胶硬度推力轴承在不同工况下的摩擦力,以及高速重载工况下实验前后橡胶层的表面形貌,分析转速、载荷、旋转方向、橡胶层硬度对摩擦因数的影响,以及推力轴承的主要磨损形式。结果表明:相同载荷下,随着转速的增加,2种硬度推力轴承的摩擦因数呈显著下降趋势,摩擦因数下降幅值最大达到了0.51;在高速时,载荷对摩擦因数的影响不显著;高硬度推力轴承在低速时摩擦性能表现更优,而低硬度推力轴承在高速重载条件下不易发生黏着磨损,因此,建议在低速重载条件下使用高硬度橡胶推力轴承,而高速重载条件下使用较低硬度的推力轴承。     

水润滑橡胶轴承特性仿真与试验研究

为研究水润滑橡胶轴承特性,采用软件仿真与试验相结合的方法对轴承偏心率、摩擦因数、橡胶变形量、最小水膜厚度、长径比和水膜压力等参数及其与轴转速和载荷之间的关系进行深入探讨。应用Pro/E软件分别建立了轴承及其间隙的3D模型,并采用流固耦合方法及气穴模型在ANSYS和Fluent软件中对轴承动态特性进行模拟。为获得实际工况下的橡胶轴承径向截面全周连续水膜压力分布,研究轴承润滑状态,采用特殊的转轴设计,将压力传感器安装在轴端,并应用无线测试技术对水膜压力信号进行采集与传输。给出水润滑轴承试验台、转轴设计与传感器布置方案,最后应用无线测试系统对八纵向沟槽水润滑凹面橡胶轴承的水膜压力进行测试,并与仿真结果比较分析。研究结果表明,多沟槽凹面橡胶轴承不存在全周完全连续水膜,处于混合润滑状态;沟槽对水膜压力分布的影响较大;轴承某些板条上会出现水囊,形成明显的压力双峰;降低转速或者增加载荷都会增大橡胶变形量与轴承摩擦因数,引起轴与轴承接触。长径比越大,轴承越不容易与轴发生接触。     

橡胶层厚度对水润滑轴承润滑性能的影响分析

在考虑橡胶轴瓦弹性变形基础上,建立水润滑轴承的弹流润滑模型并进行数值计算,从理论上分析水润滑橡胶层厚度对轴承弹流润滑性能的影响。结果表明:一定范围内,相同材料不同厚度的橡胶轴瓦对水润滑轴承水膜压力和厚度有着较大影响。随着橡胶层厚度的增加,水膜压力减小,水膜厚度增加,弹流润滑效果越好;相应地,水润滑轴承所承受的摩擦力会减少,摩擦因数会出现降低的趋势。