翻译流体动力润滑产生线性的速度分布毕业论文

年级：2012 专业：机械设计制造及其自动化 学号：302012080301311 姓名：赵虎彪01 绪论经典理论的流体动力润滑产生线性（ couette ）的速度分布与零压力梯度之间的顺利进行平行表面下的稳定状态滑动。这个结果在不稳定的润滑膜在任何外部力在表面起作用的情况下会破裂。不过，经验表明，稳定的润滑膜可以扩大他们之间的平行滑动面，一般由于某些机制，放宽一种或一种以上的对经典理论的假设。在平行滑动面可以得到一个稳定的，有足够的承载能力的油膜，例如，宏观或微观表面结构就是不同类型。这些措施包括波纹形 1 和凸起微粗糙面 2-4 。一个好的工艺系统就是一个标准 5 。最近，激光表面纹理 6-8 ，就是开口粗糙的纵向或横向的凹槽 9 在平行滑动提供承载能力。开口粗糙度的概念既 9 是基于有效地清除，减少在滑动方向和在这方面是相同的部分激光表面微造型概念所描述的标准。 10 产生静压力对高压力的机械密封影响。最近，王等人。 11 实验表明，增加一倍的承载能力为表面纹理设计的反应离子刻蚀碳化硅平行推力轴承滑动在水中。这些简单的平行推力轴承，通常发现，在密封泵少的地方抽液是用来作为润滑剂的轴承。由于平行滑动他们的表现较差，比更先进的锥形或加强轴承。brizmer 等人。 12 表现出的潜力，激光表面纹理在的形式，定期微量波纹提供承载能力与平行推力轴承。模型的纹理平行滑块是发达国家和作用的表面纹理对承载能力进行了分析。最佳参数的微波被发现，以取得最大的承载能力。微蜂窝集体效应被鉴定是能产生可观的承载能力，接近的最佳的传统推力轴承。该本文件的目的是调查实验模型的有效性所描述的档号。 12 通过测试的实际推力轴承且与没有表面微观造型的轴承比较，表现反演轴承与该理论预测与性能标准的差异。 2 背景基本模型的横截面用标准分析了 12 是表现在图 1。滑块有一个宽度 B 是部分微观造型 BP = B 的宽度。该纹理的表面组成众多波纹同一的直径为深度为分布密度为自身属性。人们发现，有着微观表面造型的滑动面的油压被分开是与滑动速度 U、液体粘度 1 和外部负载 W 有关 12 认为，有一个最佳的比例参数存在能使微观表面造型提供最大的无量纲负载。其中 L 是轴承的长度，且最浩的动力是 HP=1.25.这是进一步发现， 12 认为，部分的表面微观造型存在一个最佳值为轴承长宽比 L/B 这种行为是如图 2 所示为轴承 b = 0.75 在不同的价值观该地区的密度藻可以看出，在从 0.18 至 0.72 范围内发现 SP 值的最佳值不同，分别从 0.7 至 0.55 。它也可以从图 2 ，对于一个 0.85外径轴承允许监测水温，作为水出口轴承。电脑是用来收集和处理数据上线。因此，瞬时关，摩擦系数，轴承的速度和开槽的温度可不断监测。测试草案包括确定一个参考“零”点为清除测量第一有负载和无负载，然后固定轴承超过满负荷的范围。然后最低的轴向载荷应用，供水阀打开及汽车开启。轴向负荷增加的步骤 40 N 和每个负载的步骤是维持 5 分钟之后，稳定的摩擦系数在一稳定状态的价值。轴承的速度和水温监测整个测试的任何违规行为。试验结束时，最大轴向负荷 460 N 是达到或如果摩擦系数超过了价值 0.35 。在年底的最后一步负荷电机及食水供应关掉，并参考有关清拆测量是复查。测试是在两种速度的 1500 和 3000 RPM 的相应的平均滑动速度 4.9 和 9.8 米/秒，分别和每个测试重复至少 3 次4 成果与讨论作为第一步的有效性的理论模型。 12 研究并比较，理论和实验结果的轴承间隙银两轴承载荷为单向局部反演轴承。结果表明，在图 6 为两种速度的 1500和 3000 rpm 的情况下固体和虚线对应到模型和实验，分别。可以看出，双方间的协议模型和实验是好的，与不同的不到 10 ，只要负荷是 150 以上的 12月 31 日在较低载荷测量的实验清拆要远远大于模型预测，尤其是在较高的速度，3000 rpm 的情况下，在 120 n 实测关是 20 的 LM ，这是约 60 ，高于预测值。结果表明，该组合，如此庞大的间隙和相对低粘度的水可能会导致湍流流体膜。因此，假设油膜上，解决这一雷诺方程的标准形式。 12 是基于可能违反决策模型无效特别是在较高的速度和最低的负荷。 12 这是决定进一步限制比较负荷以上 150 N年级：2012 专业：机械设计制造及其自动化 学号：302012080301311 姓名：赵虎彪2它这里应该指出，第一，企图测试基线无微观造型轴承与原来的表面光洁度的RA = 0.03 的 LM 上都定子和转子失败，由于极高的摩擦，甚至在较低的负荷。在另一方面部分-第 1 轴承，整个负荷范围顺利。结果发现，后反演研磨完全移除约 2 的 LM 高度凸出部分 ，这是中形成的纹理周围的轮辋的波纹 ，导致在一个稍微粗糙的表面粗糙度= 0.04 的 LM 。因此，基线与无造型的定子重叠，以同一粗糙性的部分-第 1 定子和其后所有测试的表现与定子同在 Ra 值为 0.04的 LM 的所有测试。转子表面粗糙度仍然存在，原因，即 0.03 的 LM 。图 7 给出了实验结果为清除作为一个功能负荷为局部反演单向轴承（见定子在图 4 （ a ） ）和基线无微观造型轴承。比较是在两种速度的 1500 和 3000 RPM 的。面密度的波纹在部分-第 1 轴承是 sp = 0.6 和纹理部分是一个 6.3 0:734 。该负荷范围扩大，从 160 至 460 12 月 31 日上负载检测试验台的限制，不容许较高的负荷。很显然，从图 7 部分-第 1 轴承运转大幅清拆比无微观造型轴承。在最高负荷 460 N 和速度 1500 RPM 的部分-第 1 轴承已清拆 6 的 LM ，而无微观造型轴承间隙是只有 1.7 的 LM 。在 3000 RPM 的清拆是 6.6 和 2.2 的 LM 为第 1和无微观造型轴承，分别。可以看出，从图 7 ，这个比例约三倍，赞成部分-第 1 轴承是保持在整个负荷范围。图 8 给出的结果为双向轴承（见定子在图 4 （ b ）款） 。在这种情况下，反演参数 sp=6.3 =0.614 和 0.633 6.3 。清拆的双向定向部分反演轴承相比，降低这些的单向轴承在同一负荷。在 460 n 负载清拆为 1500 rpm 的是 4.1 LM和为 3000 rpm 的，这是 6 月的 LM 。这些价值观所代表的减少之间的关 33 和 10 相比，单向的情况。不过，可以看出，从图 8 的表现，部分-第 1 双向定向轴承仍是大大优于该无微观造型轴承。图 10 为两种速度分别是 1500 和 3000 rpm。可以看出，摩擦系数的两个部分反演轴承是非常类似的与略低的价值观，在部件较有高效率的单向轴承。无微观造型的的摩擦系数大得多比他们大的多，即第 1 轴承。在 1500 RPM 的（图 9 ）和最高负荷 460 n 摩擦系数的 untextured 轴承是约 0.025 相比，约为第 1 轴承 0.01。年级：2012 专业：机械设计制造及其自动化 学号：302012080301311 姓名：赵虎彪3在最低负荷 160 n 值约 0.06 为无微观造型轴承的为第 1 轴承的 0.02 左右。因此，无微观造型轴承摩擦值，高于相应值为局部反演轴承在整个负荷范围的2.5 和 3 倍。 ，在速度上获得了类似的结果， 3000 每分钟转速（图 10 ） ，但水平的摩擦系数是有点高，由于较高的速度。无微观造型轴承的摩擦高得多，是因为无小槽清理磨砂（见图 7 和图 8） ，导致较高的粘性剪切。导致轴承失效的原因很多，但常见的是不正确的使用、污染、润滑剂使用不当、装卸或搬运时的损伤及安装误差等。诊断失效的原因并不困难，因为根据轴承上留下的痕迹可以确定轴承失效的原因。然而，当事后的调查分析提供出宝贵的信息时，最好首先通过正确地选定轴承来完全避免失效的发生。为了做到这一点，再考察一下制造厂商的尺寸定位指南和所选轴承的使用特点是非常重要的。1 轴承失效的原因在球轴承的失效中约有 40%是由灰尘、脏物、碎屑的污染以及腐蚀造成的。污年级：2012 专业：机械设计制造及其自动化 学号：302012080301311 姓名：赵虎彪4染通常是由不正确的使用和不良的使用环境造成的，它还会引起扭矩和噪声的问题。由环境和污染所产生的轴承失效是可以预防的，而且通过简单的肉眼观察是可以确定产生这类失效的原因。通过失效后的分析可以得知对已经失效的或将要失效的轴承应该在哪些方面进行查看。弄清诸如剥蚀和疲劳破坏一类失效的机理，有助于消除问题的根源。只要使用和安装合理，轴承的剥蚀是容易避免的。剥蚀的特征是在轴承圈滚道上留有由冲击载荷或不正确的安装产生的压痕。剥蚀通常是在载荷超过材料屈服极限时发生的。如果安装不正确从而使某一载荷横穿轴承圈也会产生剥蚀。轴承圈上的压坑还会产生噪声、振动和附加扭矩。类似的一种缺陷是当轴承不旋转时由于滚珠在轴承圈间振动而产生的椭圆形压痕。这种破坏称为低荷振蚀。这种破坏在运输中的设备和不工作时仍振动的设备中都会产生。此外，低荷振蚀产生的碎屑的作用就象磨粒一样，会进一步损害轴承。与剥蚀不同，低荷振蚀的特征通常是由于微振磨损腐蚀在润滑剂中会产生淡红色。消除振动源并保持良好的轴承润滑可以防止低荷振蚀。给设备加隔离垫或对底座进行隔离可以减轻环境的振动。另外在轴承上加一个较小的预载荷不仅有助于滚珠和轴承圈保持紧密的接触，并且对防止在设备运输中产生的低荷振蚀也有帮助。造成轴承卡住的原因是缺少内隙、润滑不当和载荷过大。在卡住之前，过大的摩擦和热量使轴承钢软化。过热的轴承通常会改变颜色，一般会变成蓝黑色或淡黄色。摩擦还会使保持架受力，这会破坏支承架，并加速轴承的失效。材料过早出现疲劳破坏是由重载后过大的预载引起的。如果这些条件不可避免，就应仔细计算轴承寿命，以制定一个维护计划。另一个解决办法是更换材料。若标准的轴承材料不能保证足够的轴承寿命，就应当采用特殊的材料。另外，如果这个问题是由于载荷过大造成的，就应该采用抗载能力更强或其他结构的轴承。蠕动不象过早疲劳那样普遍。轴承的蠕动是由于轴和内圈之间的间隙过大造成的。蠕动的害处很大，它不仅损害轴承，也破坏其他零件。蠕动的明显特征是划痕、擦痕或轴与内圈的颜色变化。为了防止蠕动，应该先用肉眼检查一下轴承箱件和轴的配件。蠕动与安装不正有关。如果轴承圈不正或翘起，滚珠将沿着一个非圆周轨道运动。这个问题是由于安装不正确或公差不正确或轴承安装现场的垂直度不够造成的。如果偏斜超过 0.25，轴承就会过早地失效。检查润滑剂的污染比检查装配不正或蠕动要困难得多。污染的特征是使轴承过早的出现磨损。润滑剂中的固体杂质就象磨粒一样。如果滚珠和保持架之间润滑不良也会磨损并削弱保持架。在这种情况下，润滑对于完全加工形式的保持架来说是至关重要的。相比之下，带状或冠状保持架能较容易地使润滑剂到达全部表面。锈是湿气污染的一种形式，它的出现常常表明材料选择不当。如果某一材料经检验适合工作要求，那么防止生锈的最简单的方法是给轴承包装起来，直到安装使用时才打开包装。2 避免失效的方法解决轴承失效问题的最好办法就是避免失效发生。这可以在选用过程中通过考虑关键性能特征来实现。这些特征包括噪声、起动和运转扭矩、刚性、非重复年级：2012 专业：机械设计制造及其自动化 学号：302012080301311 姓名：赵虎彪5性振摆以及径向和轴向间隙。扭矩要求是由润滑剂、保持架、轴承圈质量（弯曲部分的圆度和表面加工质量）以及是否使用密封或遮护装置来决定。润滑剂的粘度必须认真加以选择，因为不适宜的润滑剂会产生过大的扭矩，这在小型轴承中尤其如此。另外，不同的润滑剂的噪声特性也不一样。举例来说，润滑脂产生的噪声比润滑油大一些。因此，要根据不同的用途来选用润滑剂。在轴承转动过程中，如果内圈和外圈之间存在一个随机的偏心距，就会产生与凸轮运动非常相似的非重复性振摆（NRR） 。保持架的尺寸误差和轴承圈与滚珠的偏心都会引起 NRR。和重复性振摆不同的是，NRR 是没有办法进行补偿的。在工业中一般是根据具体的应用来选择不同类型和精度等级的轴承。例如，当要求振摆最小时，轴承的非重复性振摆不能超过 0.3 微米。同样，机床主轴只能容许最小的振摆，以保证切削精度。因此在机床的应用中应该使用非重复性振摆较小的轴承。在许多工业产品中，污染是不可避免的，因此常用密封或遮护装置来保护轴承，使其免受灰尘或脏物的侵蚀。但是，由于轴承内外圈的运动，使轴承的密封不可能达到完美的程度，因此润滑油的泄漏和污染始终是一个未能解决的问题。一旦轴承受到污染，润滑剂就要变质，运行噪声也随之变大。如果轴承过热，它将会卡住。当污染物处于滚珠和轴承圈之间时，其作用和金属表面之间的磨粒一样，会使轴承磨损。采用密封和遮护装置来挡开脏物是控制污染的一种方法。噪声是反映轴承质量的一个指标。轴承的性能可以用不同的噪声等级来表示。噪声的分析是用安德逊计进行的，该仪器在轴承生产中可用来控制质量，也可对失效的轴承进行分析。将一传感器连接在轴承外圈上，而内圈在心轴以1800r/min 的转速旋转。测量噪声的单位为 anderon。即用 um/rad 表示的轴承位移。根据经验，观察者可以根据声音辨别出微小的缺陷。例如，灰尘产生的是不规则的劈啪声；滚珠划痕产生一种连续的爆破声，确定这种划痕最困难；内圈损伤通常产生连续的高频噪声，而外圈损伤则产生一种间歇的声音。轴承缺陷可以通过其频率特性进一步加以鉴定。通常轴承缺陷被分为低、中、高三个波段。缺陷还可以根据轴承每转动一周出现的不规则变化的次数加以鉴定。低频噪声是长波段不规则变化的结果。轴承每转一周这种不规则变化可出现1.610 次，它们是由各种干涉（例如 轴承圈滚道上的凹坑）引起的。可察觉的凹坑是一种制造缺陷，它是在制造过程中由于多爪卡盘夹的太紧而形成的。中频噪声的特征是轴承每旋转一周不规则变化出现 1060 次。这种缺陷是由在轴承圈和滚珠的磨削加工中出现的振动引起的。轴承每旋转一周高频不规则变化出现 60300 次，它表明轴承上存在着密集的振痕或大面积的粗糙不平。年级：2012 专业：机械设计制造及其自动化 学号：302012080301311 姓名：赵虎彪61. IntroductionThe classical theory of hydrodynamic lubrication yields linear (Couette) velocity distribution with zero pressure gradients between smooth parallel surfaces under steady-state sliding. This results in an unstable hydrodynamic lm that would collapse under any external force acting normal to the surfaces. However, experience shows that stable lubricating lms can develop between parallel sliding surfaces, generallybecause of some mechanism that relaxes one or more of the assumptions of the classical theory.A stable uid lm with sucient load-carrying capacity in parallel sliding surfaces can be obtained, for example, with macro or micro surface structure of dierent types. These include waviness 1 and protruding microasperities 24. A good literature review on the subject can be found in Ref. 5. More recently, laser surface texturing (LST) 68, as well as inlet roughening by longitudinal or transverse grooves 9 were suggested to provide load capacity in parallel sliding. The inlet roughness concept of Tonder 9 is based on eective clearance reduction in the slidingdirection and in this respect it is identical to the par- tial-LST concept described in ref. 10 for generating hydrostatic eect in high-pressure mechanical seals.Very recently Wang et al. 11 demonstrated experimentally a doubling of the load-carrying capacity for the surface- texture design by reactive ion etching of SiC parallel-thrust bearings sliding in water. These simple parallel thrust bearings are usually found in seal-less pumps where the pumped uid is used as the lubricant for the bearings. Due to the parallel sliding their performance is poorer than more sophisticated tapered or stepped bearings. Brizmer et al. 12 demon-strated the potential of laser surface texturing in the form of regular micro-dimples for providing load-carrying capacity with parallel-thrust bearings. A model of a textured parallel slider was developed and the eect of surface texturing on load-carrying capacity年级：2012 专业：机械设计制造及其自动化 学号：302012080301311 姓名：赵虎彪7was analyzed. The optimum parameters of the dimples were found in order to obtain maximum load-carrying capacity. A micro-dimple collective eect was identi-ed that is capable of generating substantial load-carrying capacity, approaching that of optimumconventional thrust bearings. The purpose of the present paper is to investigate experimentally the validity of the model described in Ref. 12 by testing practical thrust bearings and comparing the performance of LST bearings with that of the theoretical predictions and with the performance of standard non-texturedbearings2. BackgroundA cross section of the basic model that was analyzed in Ref. 12 is shown in figure 1. A slider having a width B is partially textured over a portion Bp =B of its width. The textured surface consists of multiple dimples with a diameter ，depth and area density Sp. As a result of the hydrodynamic pressure generated by the dimples the sliding surfaces will be separated by a clearance depending on the sliding velocity U, the uid viscosity l and the external load It was found in Ref. 12 that an optimum ratio exists for the parameter that provides maximum dimensionless load-carrying capacity where L isthe bearing length, and this optimum value is hp=1.25. It was further found in Ref. 12 that an optimum value exists for the textured portion a depending onthe bearing 年级：2012 专业：机械设计制造及其自动化 学号：302012080301311 姓名：赵虎彪8aspect ratio L/B. This behavior is shown in gure 2 for a bearing with L/B = 0.75 at various values of the area density Sp. As can be seen in the range of Sp values from 0.18 to 0.72 the optimum a value varies from 0.7 to 0.55, respectively. It can also be seen from gure 2 that for a 0.85 no optimum value exists for Sp and the maximum load W increases with increasing Sp. Hence, the largest area density that can be practically obtained with the laser texturing is desired. It is also interesting to note from gure 2 the advantage of partial-LST (a 1) over the full LST (a = 1) for bearing applications. At Sp= 0.5, for example, the load W at a = 0.6 is about three times higher than its value at a = 1. A full account of this behavior is given in Ref. 12.3. ExperimentalThe tested bearings consist of sintered SiC disks 10 mm thick, having 85 mm outer diameter and 40 mm inner diameter. Each bearing (see gure 3) comprises a at rotor (a) and a six-pad stator (b). The bearings were provided with an original surface nishby lapping to a roughness average Ra= 0.03 lm. Each pad has an aspect ratio of 0.75 when its width is measured along the mean diameter of the stator. The photographs of two partial-LST stators are shown in gure 4 where the textured areas appear as brighter matt surfaces. The rst stator indicated (a) is a unidirectional bearing with the partial-LST adjacent to the leading edge of each pad, similar to the model shown in gure 1. The second stator (b) is a bi-directional version of a partial-LST bearing having two equal textured portions, a/2, on each of the pad ends. The laser texturing parameters were the following; dimple depth, dimple diameter and dimple area density Sp= 0.60.03. These dimple dimensions were obtained with 4 pulses of 30 ns duration and 4 mJ each using a 5 kHz pulsating Nd:YAG laser. The textured portion of the unidirectional bearing was a= 0.73 and that of the bi-directional bearing was a= 0.63. As can be seen from gure 2 both these a values should produce load-carrying capacity vary close to the maximum theoretical value.The test rig is shown schematically in gure 5. Anelectrical motor turns a spindle to which an upper holder of the rotor is attached. A 年级：2012 专业：机械设计制造及其自动化 学号：302012080301311 姓名：赵虎彪9second lower holder of the stator is xed to a housing, which rests on a journal bearing and an axial loading mechanism that can freely move in the axial direction. An arm that presses against a load cell and thereby permits friction torque measurements prevents the free rotation of this housing. Axial loading is provided by means of dead weights on a lever and is measured with a second load cell. A proximity probe that is attached to the lower holder of the stator allows on-line measurements of the clearance change between rotor and stator as the hydrodynamic eects cause axial movement of the housing to which the stator holder is xed. Tap water is supplied by gravity from a large tank to the center of the bearing and the leakage from the bearing is collected and re-circu