（载运工具运用工程专业论文）水润滑尾轴承流固耦合仿真及结构优化研究.pdf

独创性声明 鞘7 | | 1 1 1 3 1 1 1 i | 0 5y 18 1 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 期： 沙【q 11 以 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位 论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认 可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 研究生 论文奄解密后应遵守此规定) 也矾胪戈导师( 签名) s j 苫如期功仉了 1 武汉理：r 大学硕十学位论文 摘要奉 水润滑尾轴承是船舶推进装置的重要部件。与普通油润滑滑动轴承相比， 水润滑尾轴承基本无污染、安全、成本低、辅助装置少、使用和维修方便。开 展水润滑尾轴承的研究并大力推广应用，这对于发展“绿色航运”具有重要的 理论意义和工程应用价值。 文中以船舶水润滑橡胶尾轴承为研究对象，开展了有限元流固耦合、接触 特性等方面的理论研究，探讨了不同材料、工况参数以及结构参数对水润滑橡 胶轴承润滑机理的影响规律。论文的主要工作和研究结论如下： 1 应用a d i n a 软件建立了水润滑橡胶尾轴承单一板条的流固耦合模型。通 过仿真计算，分析了水膜近似平行区、二次压力峰值、颈缩以及逆流现象等润 滑特征，阐述了水囊形成机理。 2 研究了材料、工况和结构参数对水润滑橡胶板条流固耦合润滑性能的影 响舰律，结果表明：随着橡胶硬度的增加，弹性变形对润滑的有利影响将逐渐 消失，当橡胶硬度为7 5h 。时水膜承载量达到最大值；转速是影响弹流润滑水膜 厚度及压力分布的重要因素之一；偏心率能间接模拟尾轴承所受载荷；应采用 板面半径较大的凹面型橡胶板条，轴承的设计比压越大，板面半径就应越大， 甚至可为平面型；橡胶厚度在3 1 0 r a m 问有一个最优值，使得橡胶的综合性能 较好；当橡胶足够厚时，橡胶与基材的结合面形式对板条性能的影响不大；为 了形成较合理的水膜楔角又能有效地全面利用板条长度，应该结合板面半径考 虑板条数目。 3 探讨了结构对橡胶板条接触性能的影响规律，从板面变形的角度分析水 膜楔角、水囊的形成机理。计算结果表明：板面半径较大的凹面型板条具有较 好的综合性能；橡胶与基材的结合面形式对板面变形形状影响不大；橡胶较厚 u 寸能改善板条的受力状态，却不利于润滑；在轴颈半径为1 9 9 2m m 时，板条数 为2 0 时具有较好的承载能力和润滑性能；基层橡胶不能太软，否则进水口过小 h 水囊狭长，不利于润滑。 关键同：水润滑尾轴承，流固耦合，水膜平行区，水膜二次压力峰值，水囊 木国家自然科学基金项目特殊t 况下水下航行器尾轴承鸣音机理及试验研究资助，编吁：5 0 9 7 9 0 8 4 。 a b s t r a c t w a t e rl u b r i c a t e ds t e mt u b eb e a r i n gi s a ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fm a n n e p r o p u l s i o n c o m p a r e dw i t ho r d i n a r yo i ll u b r i c a t e db e a t i n g s ，t h e w a t e rl u b r i c a t e ds t e r n t u b eb 谢n 呈零i sb a s i c a l l yn o n p o l l u t i o n ，s a f e ，l o wc o s t ，l e s sa u x i l i a r ye q u i p m e n t s ， e a s yt o u s ea n dm a i n t e n a n c e c a r r y i n go u tt h er e s e a r c ho fw a t e r - l u b r i c a t e ds t e r n b e a r i n ga n dp r o m o t i n gi t sa p p l i c a t i o nh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a l a n de n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o ns i g n i f i c a n c ef o rt h ed e v e l o p m e n to f ”g r e e ns h i p p i n g ” i nt h i sp a p e r , t h es h i po fw a t e rl u b r i c a t e ds t e r nt u b er u b b e rb e a r i n g si st a k e na s t h es t u d yo b j e c ta n dt h ef i n i t ee l e m e n tf l u i d s t r u c t u r e i n t e r a c t i o na n dt h ec o n t a c t c h a r a c t e r i s t i c so ft h e o r e t i c a ls t u d yi sc a r r i e do u tt od i s c u s st h ei n f l u e n c i n gl a wo ft h e w a t e rl u b r i c a t e dr u b b e rb e a r i n gu n d e rt h ed i f f e r e n tm a t e r i a l s ，w o r k i n gp a r a m e t e r sa n d t h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s t h em a i nw o r ka n dr e s e a r c hc o n c l u s i o n sa r e a sf o l l o w s 1 a d i n as o f t w a r ei sa p p l i e dt oe s t a b l i s has i n g l es t r i pf s im o d e lo fw a t e r i u b r i c a t e dt a i lr u b b e rb e a r i n g t h r o u g ht h es i m u l a t i o n ，t h ew a t e rf i l ma p p r o x i m a t e l y p a r a l l e lz o n e ，t h es e c o n dp e a kp r e s s u r e ，n e c k i n ga n dr e f l u xp h e n o m e n o n ，a n do t h e r l u b r i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e da n dt h ew a t e rs a cf o r m a t i o nm e c h a n i s mi s d e s c r i b e d 2 ：t h ei n f l u e n c i n gl a wo ff l u i d s o l i dc o u p l i n gl u b r i c a t i o np r o p e r t i e so f d i f f e r e n t m a t e r i a l s w o r k i n gc o n d i t i o n sa n ds t r u c t u r a lp a r a m e t e r si ss t u d i e d t h er e s u l t ss h o w t h a t ：a st h ei n c r e a s i n go fr u b b e rh a r d n e s s ，t h eb e n e f i t so fe l a s t i cd e f o r m a t i o n sa r e d i s a p p e a r e dg r a d u a l l ya n dw h e nt h er u b b e rh a r d n e s sr e a c h e s7 5h a ，t h ew a t e r f i l m b e a r i n gc a p a c i t y r e a c h e st h em a x i m u m ；r o t a t i n gs p e e di s am a j o rf a c t o rf o r e l a s t o h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n w a t e rf i l mt h i c k n e s sa n dp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ； e c c e n t r i c i t yr a t i oc o u l ds i m u l a t el o a d i n go fs t e r nb e a r i n gi n d i r e c t l y ；c o n c a v er u b b e r s t r i pw h i c hh a sp a n e l so fl a r g e rr a d i u ss h o u l db ea d o p t e da n dt h eb i g g e rt h ed e s i g n p r e s s u r ei s ，t h el a r g e rt h ep a n e lr a d i u si sa n de v e nc o u l d b ef l a t ；t h er u b b e rt h i c k n e s s h a sao p t i m a lv a l u eb e t w e e n3 10m m ，w h i c hc o u l dm a k et h er u b b e rh a sb e t t e r c o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e sa n dw h e nt h er u b b e ri s t h i c ke n o u g h ，t h ej o i n ts u r f a c e s f o r mh a sn o tb i gi n f l u e n c eo i lt h es t r i pc h a r a c t e r ；i no r d e rt of o r mr a t i o n a lw a t e rf i l m w e d g ea n g l e sa n dm a k ef u l l u s eo ft h el e n g t ho fs t r i p ，t h en u m b e ro fs t r i p ss h o u l d l l t_rj-， ： 0 ， ： 如 c o m b i n e dw i t ht h ep a n e lr a d i u s 3 t h ei n f l u e n c i n gl a wo fs t r u c t u r ea n dc o n t a c tc h a r a c t e r i s t i co fr u b b e rs t r i pi s d j s c u s s e di nt h i sa r t i c l ea n dt h ef o r m a t i o no fw a t e rf i l mw e d g ea n g l ea n dw a t e rs a c i s a n a l y z e df r o mt h ep o i n to fs t r i pd e f o r m a t i o n t h e r e s u l t si n d i c a t e st h a t ：c o n c a v es t r i p o fl a r g e rp a n e lr a d i u sh a sb e t t e rc o m p r e h e n s i v ep r o p e r t i e s ；j o i n ts u r f a c e sf o r mo f r u b b e ra n db a s e m e n tm a t e r i a lh a sl e s si n f l u e n c et ot h ed e f o r m a t i o no fs t r i p s ；t h i c k r u b b e rc o u l di m p r o v et h es t r e s ss t a t eb u ta g a i n s tl u b r i c a t i o n ；w h e nt h ej o u r n a l s r a d i u si s19 9 2i n l na n dt h en u m b e ro fs t r i p si s2 0 ；i th a sb e t t e rc a p a c i t ya n dl u b r i c a n t c h a r a c t e r ；t h er u b b e rb a s e m e n tc a n n o tb et o os o f t ，i fn o t ，t h ew a t e ri n l e t w i l lb et o o s m a l la n dt h ew a t e rs a cw i l lb el o n ga n dt h a tl c a d st ow o r s el u b r i c a t i n g k e yw o r d s ：w a t e r - l u b r i c a t e ds t e r nt u b eb e a r i n g s ；f l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ；w a t e r f i l mp a r a l l e lz o n e ；t h es e c o n dp e a kp r e s s u r ew a t e rf i l m ；w a t e rs a c i i i 武汉理t 大学硕十学位论文 目次 第1 章绪论1 1 1 水润滑尾轴承简介1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 水润滑尾轴承润滑机理的研究1 1 2 2 水润滑橡胶轴承结构形式研究3 1 2 3 水润滑橡胶轴承接触研究5 1 2 4 水润滑橡胶轴承结构优化研究5 1 2 5国内外研究的不足6 1 3 课题研究的目的和意义6 1 4 研究的主要内容、关键技术问题和方法7 第2 章水润滑尾轴承流固耦合有限元仿真分析8 2 1 概述8 2 2 水润滑尾轴承的流固耦合数学模型8 2 2 1 水润滑尾轴承的流固耦合数学模型9 2 2 2 流体膜和尾轴承结构模型独立网格划分1 0 2 2 3 流固耦合系统中的有限元方程1 1 - 2 2 4 流固耦合有限元方程求解方法“1 3 2 3 橡胶材料模型及参数选择1 6 2 4 本章小结1 7 第3 章水润滑尾轴承流固耦合润滑性能研究18 3 1 概述及板条结构参数定义1 8 3 2 水润滑尾轴承流固耦合有限元模型及计算1 8 3 2 1 轴承几何模型及网格划分1 8 3 2 2 轴承几何边界条件处理i 9 3 2 3 尾轴承流固耦合计算结果( 算例) 2 0 3 3 材料参数对水润滑尾轴承润滑性能的影响研究2 2 3 3 1 橡胶材料对润滑性能的影响2 2 3 3 2 基层材料对润滑性能的影响2 4 3 4 工况参数对水润滑尾轴承润滑性能的影响研究2 6 i v 武汉理- 下大学硕士学位论文 3 4 1 轴颈线速度对润滑性能的影响2 6 3 4 2 偏心率对润滑性能的影响2 8 3 4 3 偏位角对润滑性能的影响3 0 3 5 几何参数对流固耦合润滑性能的影响3 1 3 5 1板面内切圆直径对润滑性能的影响3 1 3 5 2 橡胶厚度对润滑性能的影响3 3 3 5 3 橡胶与基层材料结合面形式对润滑性能的影响3 5 3 5 4 板条数目( 板面宽度) 对润滑性能的影响3 7 3 5 5 橡胶硬度差对润滑性能的影响3 8 3 6 本章小结4 0 第4 章水润滑尾轴承有限元接触特性分析4 1 4 1水润滑尾轴承的有限元接触模型及计算4 1 4 1 1 橡胶轴承有限元接触模型及边界条件处理4 1 4 1 2 橡胶轴承接触计算结果4 2 4 2 结构形式对水润滑尾轴承接触性能的影响4 5 4 2 1板面半径对接触性能的影响4 5 4 2 2 板条橡胶层厚度对接触性能的影响4 8 4 2 3 结合面半径对接触性能的影响4 9 4 2 4 板条数量( 板条宽度) 对接触性能的影响5 0 4 2 5 双层橡胶板条硬度差对接触性能的影响：“：_ 5 2 4 3 本章小结5 3 第5 章总结和展望5 4 5 1 结论5 4 5 2 展望5 4 参考文献5 6 致谢5 9 攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目6 0 v 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 水润滑尾轴承简介 尾轴承是船舶推进系统的重要组成部分，对尾轴或螺旋桨轴起支承作用。 随着水润滑尾轴承的逐步推广和应用，改变了长期以来船舶尾轴承采用油润滑 的传统观念。以水为润滑介质有很多优点：无污染、来源广泛、安全性好、比 热容高、粘度较低使无功能耗较小，节约大量的润滑油和贵重金属材料，从而 降低成本、简化轴承结构、减少辅助装置、方便使用和维修，提高尾轴承运转 的可靠性和可维护性i l 训。 水是一种低粘度液体，其承载能力比较低，仅为油的1 8 。轴承在非流体润 滑工况下工作时，容易发生边界润滑甚至干摩擦。因此，水润滑轴承材料的性 能特别是摩擦学性能是决定其工作性能和使用寿命的一个主要因烈5 1 。 目前，国内外舰艇采用水润滑橡胶轴承十分普遍【6 】。该轴承与其他几种水润 滑材料的轴承相比有其特殊的优点：橡胶有良好的对异物埋没性，在有磨粒或 杂质存在的条件下，与其他材料的水润滑尾轴承相比，橡胶轴承的磨损量较小， 延长了轴承的使用寿命；橡胶轴承的吸振性能和抗冲击性能良好，能顺应和减 缓因轴线跳动及偏移而引起的轴系振动；由于橡胶的弹性变形，可使轴颈与其 接触面积相对增大，轴承比压相应减小；水是较理想的润滑剂，具有使用可靠、 无污染等特点。 。 但橡胶作为摩擦副材料也有它的缺点。主要是干运转性能比较差，在转速 较低、频繁启动的情况下，容易发生磨损和烧焦等现象【7 1 。同时，由于橡胶材料 的变形比较大，运行精度不高，耐高温性能差。 因此，系统地开展水润滑橡胶轴承润滑机理的研究，优化轴承结构，提高 润滑性能和承载能力，降低摩擦损耗和控制摩擦过程，为提高船舶水润滑橡胶 尾轴承的使用性能、安全性和生命力具有重要的意义。 1 2国内外研究现状 1 2 1水润滑尾轴承润滑机理的研究 1 ) 水润滑尾轴承润滑数值计算 近年来，不少学者对水润滑轴承的润滑机理进行了研究。由于水润滑轴承 武汉理工大学硕士学位论文 的特殊性，对于水润滑轴承的压力分布和水膜厚度计算，目前很难得到解析解。 常用的算法有顺解法、逆解法和多重网格法【8 1 。 对于轴承材料弹性较大的摩擦副，顺解法易造成数值计算过程的不稳定。 逆解法虽然有良好的数值计算稳定性，但对高压区润滑膜压力的修正是凭经验 进行的，带有随意性，且难于实现程序化。有限元法和有限差分法等数值方法 都是通过n e w t o n r a p h s o n 算法进行的，n e w t o n r a p h s o n 比前两种算法更有效和 更具有通用性，但目前也只实现了线接触弹流计算。多重网格法则是轮流在稠 密网格和稀疏网格上进行迭代，从而使高频偏差分量和低频偏差分量都能很快 地消除，以最大限度地减少数值运算的工作量。多重网格法克服了有限差分法 和有限元素法选择网格稀疏的困难。段芳莉【9 】通过理论分析和试验研究对水润滑 情况下橡胶轴承的摩擦特性与润滑机理作了较为全面的研究，推导了圆柱坐标 系中考虑惯性力的r e y n o l d s 方程。余江波等f l o 】运用多重网格算法对水润滑塑料 合金轴承的弹流润滑进行了数值计算，并通过实验对其进行了验证，揭示了其 润滑机理，并运用数值计算结果分析了弹性模量对水润滑轴承的摩擦磨损性能 的影响，为轴承材料的改性和选择提供理论指导，但其在变形方程中仅考虑了 一维问题，对点接触或面接触问题还正处于研究中。c j h o o k e 1 1 d3 1 、海鹏洲、 唐育引1 4 j 基于假设在大部分润滑区域流体压力近似于静态接触压力分析了 低弹性模量材料的润滑机理。文献 1 4 】在基于该假设的基础上对单个橡胶板条进 行了弹性润滑计算，说明了橡胶轴承中存在很薄的水膜，为了形成较好的润滑， 必须有一个小问隙的楔形段，并形成水囊，承担绝大部分的载荷。 2 ) c f d 和流固耦合有限元方法研究 用数值计算方法分析水润滑尾轴承的润滑机理有很大难度，而且简化过多， 与实际情况相比有较大不足之处。 哈尔滨工程大学的周春良建立了水润滑尾管轴承的三维仿真模型，利用计 算流体软件对比分析了1 0 种不同结构的尾轴承的内部流场，比较了压力、温度、 速度以及湍流能量的分布差异，并确定有利于提高船舶轴系运行稳定性的相对 最佳轴承结构形式【1 5 06 | 。 k p g e r t z o s 掣 j 用f l u e n t 软件模拟了油润滑轴承的偏心率、压力分布、 摩擦系数、润滑油流量、最大压力角等参数受长径比的影响规律，比较了不同 长径比下n e w t o n i a n 和b i n g h 锄流体模型的流体动压润滑的规律，但是都基于 刚性仿真。 水润滑尾轴承流固耦合研究是一个难题，相关参考文献极少。 2 武汉理：r 大学硕士学位论文 在滑动轴承的流固耦合有限元仿真中，刘惠萍做了许多有益尝试。文献 1 8 2 0 】中通过设置两相变化的边界条件，实现了滑动轴承实际运转过程中出现 气液两相变化即气蚀现象的仿真；比较了在s o m e r f i e l d 、h a l f - s o m e r f i e l d 、r e y n o l d s 边界条件下滑动轴承周向的压力分布；研究轴心轨迹的变化，并比较钢轴承、 巴氏合金轴承、尼龙轴承轴心轨迹变化的不同，为滑动轴承动力学的研究提供 了参考。但是其论文中考虑的是油润滑，轴承尺寸较小，使得轴承与油膜厚度 的相对尺寸要小得多，且使用的轴承材料的弹性模量很大，较大地降低了流固 耦合仿真计算量。 d l c a b r e r a , n h w o o l l e y 掣2 l 】以试验为基础，借助商业c f d 软件f i d a p 实现了单个橡胶板条的流固耦合仿真，结果表明橡胶发生了较大的变形，大大 降低了水膜压力，且水膜压力不至于引起水的粘度发生变化。通过试验测试和 流固耦合仿真得到的水膜压力分布均与刚性计算有明显区别，存在二次压力峰 值和水膜破裂即水膜存在负压的现象。 由于流固耦合问题的复杂性，无论在理论分析还是数值计算方面，还远远 没有达到理论与实践的统一，尤其对于具有复杂的边界条件的水润滑尾轴承流 固动力耦合系统，求解这一实际工程问题，还有待深入研究。 1 2 2 水润滑橡胶轴承结构形式研究 1 ) 轴承长径比d 、开槽形式 轴承的长径比是影响其承载能力的一个因素，国外对此无统二标准，常用 的长径比d 数据：苏联2 7 5 - 3 5 ：1 、德国2 5 ：l 、英国4 ：1 、日本2 - 4 ：1 t 2 2 】。 文献 2 3 2 4 指出增加长径比可以提高承载能力，并建议塑料合金轴承选择长径 比2 l d 4 较好。但是杨和庭、唐育民等【2 5 j 学者认为增加轴承长度，并不意 味承载能力成比例增大，反而会使安装困难，恶化其工作状况，不能因轴承负 荷过大而加长轴承达到减压目的，也不能因轴承负荷过小而缩短轴承长度，因 此建议尾管后轴承2 5 d 1 2 ，该条件是根据线性假设和单元大小 相等的假设得到的。在大多数应用中取口= l 。 2 ) 流固耦合系统中的有限元方程 流固耦合系统中的有限元方程为： m ，_ 篙数； = 0 仁 式中：x 耦合系统的解向量，即x = ( x 。，x 。) ； x 。，定义在流体节点上的解向量； k 定义在结构节点上的解向量； 只与g w 相应的有限元方程； r 一一与g b 相应的有限元方程。 耦合的流体和结构方程可以分别由e 【k ，0 】- o 和瓦 k ，0 = o 表示。 3 ) 流固耦合有限元方程分类 根据流固耦合系统中流体和结构之间相互影响程度可分为双向流固耦合和 单向流固耦合。 ( 1 ) 双向流固耦合。在很多耦合问题中，流体的作用力影响结构的变形，结 构的变形发过来又影响流场的形态，即“双向耦合”类型。因为流体方程通常 是非线性的，所以不管结构模型用什么样的方程，流固耦合方程都是非线性的。 1 2 兰鞣q ，：l 兰 毛 ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 式中：一一应力收敛容许误差； 幺位移收敛的容许误差； 靠事先给定常数( - - 1 0 ) ，作用是避免收敛时应力和位移值太小。 ( 2 ) 单向流固耦合。在某些情况下，结构的变形非常小，可忽略其对流体的 影响。只须要将流体的作用力施加到结构上，流体和结构模型之间不须要迭代。 此类型的耦合叫做“单向耦合 。单向流固耦合模型可用直接计算或者迭代的方 法进行求解，也就是说既可以像双向耦合那样直接求解两个模型，也可以 先求解流体模型再求解结构模型。 尾轴承与流体之间相互作用后，流体的作用力引起尾轴承结构的变形，同 时结构的位移又影响流场的状态，所以尾轴承与流体之间的耦合属于双向流固 耦合。 2 2 4 流固耦合有限元方程求解方法 1 ) 迭代法求解双向耦合( 迭代耦合) 此解法也叫做分离法，流体和结构的求解变量是完全耦合的。流体方程和 结构方程是按顺序相互迭代求解的，每一步各自得到的结果提供给另一部分使 用，直至流固耦合系统的解达到收敛条件，停止迭代。迭代计算流程图如图2 4 所示。 1 3 增加 然代 次数 否 泵磊磊石；磊磊鬲磊磊磊五i 照套鐾蓄喜 丽嚅网 是 节点位移i 遣竺乡 嗡衢渡脊 影 保存数辗输m 结票 l 竺窭 7 图2 _ 4 流同耦合迭代法求解流程图 在流固耦合迭代求解过程中，求解流体解向量x ：的流体数学方程为： 气 ：? 乃菇j 1t ( 1 _ 九) 菇】_ 9 ( 2 - 1 7 ) 求解结构解向量的结构数学方程为： r x l ，五式+ ( 1 4 ) 娄叫】_ o ( 2 1 8 ) 式中：九位移松弛因子，0 矗 l ； 丑应力松弛因子，0 i ：聚角塑料4 斓 基体材料 图3 2 4 基层材料对水膜压力、阻力的影响 2 童 鬈 篓 * o m 。 c r9 0 1 - 1 a市布层m d p e 研d 册e 聚莓塑料 4 增i 基体材料 图3 - 2 5 基层材料对水膜承载量的影响 ” 嚣 o l髦r毯鬃枢k一 武汉理工大学硕士学位论文 由图3 - 2 0 图3 2 5 可见： ( 1 ) 在水膜平行区，基层材料对水膜压力分布的影响很小，板面变形随着基 层材料的弹性模量增加而减小。在水膜二次压力峰值区，水膜压力峰值随基层 材料的弹性模量增加而增加。这是因为基层材料弹性模量越大，基层材料变形 小进而板面下沉变形越小，水膜空间越小，从而使水膜压力峰值增加。 ( 2 ) 板面变形受橡胶和基层材料变形的综合影响。随着基层材料弹性模量的 增加，基层材料变形越来越小，对橡胶下沉变形的阻碍作用就越强，进而引起 橡胶和基层材料的有效应力越来越大。 ( 3 ) 随着基层材料弹性模量的增加，水膜阻力略有增加，水膜承载量先增加 后减小再增加。在基层材料为酚醛塑料和4 5 钢时水膜承载量反而较小，是因为 形成了较高的水膜负压，抵消了一部分承载量。可见橡胶与基层材料的“硬度” 差对水润滑橡胶轴承的润滑性能还是有一定影响的。 3 4 工况参数对水润滑尾轴承润滑性能的影响研究 3 4 1轴颈线速度对润滑性能的影响 尾轴线速度分别为2 、4 、6 、8 和l o m s 时，轴承的主要润滑性能参数变化 规律如图3 2 6 图3 3 1 。 生-础 鬻2 一 拍20 1 0【 旷。 渤 一 m 图3 2 6 轴线速度对水膜压力分布的影响 武汉理工大学硕士学位论文 - 0 。i = 瞻- 1 卫r 【 纩。一i 一、j ly ：0 、1 、j i e f ，、n 。 呈2 4 醚t 8 烈 蔷1 2 峭 瑚6 g 聪0 460 轴线速度v ，硼，i 8 0 髦 r 暴柏 缸 + 2 0 奠 o 460 轴线速度y ，劬 图3 - 2 8 轴线速度对橡胶、基层垂向变形的影响图3 2 9 轴线速度对最大有效应力的影响 l ，o 冬 长 雹1 0 0 山 r5 0 出 罄 *0 24681 0 轴线速度v m ，g 图3 3 0 轴线速度对水膜压力、阻力的影响 3 z 毒2 搭 霆 * o 46sl o 轴线速度v m 轴线速度对水膜承载量的影响 由图3 - 2 6 图3 - 3 1 可见： ( 1 ) 随着轴线速度的增加，橡胶和基层材料的最大下沉变形量、橡胶和基层 材料的最大有效应力、水膜正压力峰值快速增加且向入水口侧有微小移动；随 着轴线速度的增加，橡胶凸起变形引起最小水膜厚度先减小后增加，其原因是 线速度增加，水膜动压作用就越强，橡胶的下沉变形就增加，引起凸起变形增 加，而当速度增加到一定程度后，水膜动压作用过强，使得更广的水膜压力较 高，板面下沉区域较大；水膜负压力峰值受橡胶凸起变形影响较大，规律与其 一致，但是变化幅度增加，可见水膜压力受变形的影响较大。 ( 2 ) 随着线速度的增加，卷吸作用越强，水膜压力快速增加，水膜的平行区 缩短。在4m s 时水膜压力呈水平分布，说明逆流区的范围很小甚至没有，但 武汉理工大学硕士学位论文 是随着线速度的再次增大，水槽部分的压力开始低于平行区的压力直至形成负 压，逆流区的范围将逐渐扩大，且逆流区的终止点向接触区中心移动。 ( 3 ) 随着轴颈线速度的增加，水膜阻力和承载量均先增加后减小再增加。在 4 m s 与6 m s 间出现进水口水膜压力变成负压的反常现象，是因为逆流区水流速 度对进水口压力有影响，高速时在逆流区存在负压，进而影响板面的水膜压力 分布和水膜承载量，由水膜压力引起的剪切阻力决定了阻力的大小。当线速度 6m s 时，形成的水膜压力和水膜的承压能力随着线速度的增加而明显增加。 可见转速是影响弹流润滑水膜厚度及压力分布的重要因素之一。 3 4 2 偏心率对润滑性能的影响 用有限元软件a d i n a 模拟水润滑橡胶轴承所受载荷时，由于橡胶极易变形， 网格太小却变形太大，必然引起水膜网格发生严重的畸变、重叠，即使设置了 网格能重组，依然会导致a d i n a 软件停止计算。并且，当载荷过大时，流固耦 合界面会因发生接触而不能计算。因此不能够直接施加载荷即不能模拟与实际 工况一致的水润滑橡胶轴承的动态流固耦合仿真。 根据润滑理论，可以通过偏心率和偏位角来间接反映载荷和转速对流固耦 合润滑性能的影响规律。在偏心率分别为0 9 6 8 8 、0 9 7 6 3 、0 9 8 2 5 、0 9 8 7 5 、0 9 9 1 3 和0 9 9 38 时，主要润滑性能参数变化规律如图3 - 3 2 - 一图3 3 7 。 芒 耄 基o 偏心辜b 9 6 8 8 。 鬟- 一偏心率0 9 7 6 3 蒹+ 偏心率0 _ 9 8 25 趟+ 偏g , d s 2 0 9 9 ? 5 + 偏心率0 9 9 l3 偏心事0 9 9 38 孤201 0【 。r 加雠茹 舶 一 图3 - 3 2 偏心率对水膜压力分布的影响 武汉理工人学硕士学位论文 量 i 凿 争( 叵 恻 喽 瑚 ， 毯 蛭 喜 人一 啊 碘 斟 蜒 一 啪 拍、 r 茹i + 偏心j 9698飞h9769，99991 一偏心j 3飞1 i + 偏心je 0 、融k j _ 一偏心ie 0 5镢巧 + 偏心je 03 、电自矿 一偏心j e 0 9 9 3 8 一 图3 3 3 偏心率对 响 偏心宰 图3 3 6 偏心率对水膜压力、阻力的影响图3 3 7 偏心率对水膜承载量的影响 由图3 3 2 图3 3 7 可见： ( 1 ) 随着偏心率的增加，水膜的正负压力峰值均明显增大，且峰值点以及颈 缩点均向出水口偏移；随着偏心率的增加，板条的下沉变形和凸起变形均增加， 最小水膜厚度逐渐减小；随着偏心率的增加，橡胶和基层材料的有效应力均增加， 且橡胶材料的有效应力增加较快。 ( 2 ) 偏心率越大，橡胶层应力集中就越明显；偏心率越大，水膜厚度就越小， 水膜出口膨胀相对越严重，就会引起更大的负压，水膜阻力也略有增大。随着偏 心率增加，水膜的承载量明显增加，说明偏心率模拟尾轴承所受载荷的合理性。 ( 3 ) 偏心率对逆流区的影响很小，可见速度是影响逆流区的主要因素。 2 9 武汉理t 大学硕士学位论文 3 4 3 偏位角对润滑性能的影响 当偏位角分别为0 、3 6 2 、7 2 1 、1 0 7 5 、1 4 2 1 和1 7 5 6 。时，主要润滑性能 参数变化规律如图3 - 3 8 - - 图3 4 3 。 萋 三麓象 l 筻* 一偏位角l o 8 。 l + 偏位角1 4 7 i一偏位角1 7 _ 6 。 量- 1 纩茹雠蠹 d 一2 0 1 0 加e - 7 0 图3 3 8 偏位角对水膜压力分布的影响 量 喇 秧 取 雹 一 啪 0一ly -|11142176 。茹雩 + 偏位角魄 - 一偏位角3 酽l 暮萎 + 偏位角72 0 弋譬乳 ，- 一偏位角1 0 8 、冀 一 一偏位角。 、：譬t 一偏位角。i k o 图3 3 9 偏位角对板面变形的影响 偏位角( o )偏位角，o 图3 - 4 0 偏位角对橡胶、基层垂向变形的影响图3 - 4 1偏位角对最大有效应力的影响 s ： o -生、r趟艇忙k鼍 m 埔 n 6 o e凿制叵制琶辩，锚鳝 武汉理工大学硕十学位论文 1 5 0 冬 r 圈m 山 芒 菡5 0 毯 * o 2 m 善 饕 罄 * 1 o o ，6 91 2 l ，l u，o，1 21 5l 誓 儡位角，n倔位角的 图3 - 4 2 偏位角对水膜压力、阻力的影响 图3 - 4 3偏位角对水膜承载量的影响 由图3 - 3 8 图3 4 3 可见： ( 1 ) 在水膜平行区，随着偏位角增加，平行区的水膜楔角实际上是逐渐增大 的，减小了水膜压力快速增加的幅度。在偏位角1 0 7 5 。时，水膜平行区内相 同坐标下的水膜最大正压力和下沉变形均随着偏位角的增加而减小，必然引起 水膜阻力和承载量的下降。 ( 2 ) 随着偏位角的增加，水膜压力峰、颈缩处均向出水口方向偏移。在偏位 角1 0 7 5 。时，偏位角越大，在几何上橡胶就有更大的空间发生凸起变形，即 发生颈缩现象随着偏位角的增加就越明显，水膜扩散就越强烈，形成的最大负 压就会急剧增加。 3 5 几何参数对流固耦合润滑性能的影响 前两节关于材料及工况参数对水润滑橡胶尾轴承的流固耦合润滑性能分 析，反映了水润滑橡胶轴承的固有润滑特性；而分析几何参数对其润滑性能的 影响规律，可以找到一种最优的结构，将有助于水润滑尾轴承的结构设计。 3 5 1 板面内切圆直径对润滑性能的影响 板条板面弧度决定了板面与轴的几何间隙形状，进而影响水膜的形成及压 力分布。本节将考虑板面分别为凹面型半径为2 0 0 、4 0 0 、8 0 0m m 、平面型( 即 半径为o o ) 、凸面型半径为1 2 0 0 、8 0 0m m 时，主要的润滑性能参数变化规律如 图3 - 4 4 图3 - 4 9 。 3 l 武汉理工人学硕十学位论文 鲁 一 l 餐+ 凹皿型4 u u 触 t 蚓+ 凹面型8 0 0 嫩 i 一平面型 ，+ 凸面型1 2 0 8 m m 。l 一凸面型8 0 0 姗 - 1 的1 0 旷茹一锨耋 3 0 图3 4 4 板面半径对水膜压力分布的影响 莹 嘲 碘 霹毡 制 超 嘲 + 凹面型l 蛳碍& 、0 r 。 + 凹面型l 眦然- ， + 凹面型8 0 0 i 眦 b h j * 一平面性- 瓠 童 + 凸面型m 拿谬 一凸面型8 0 0 m 图3 - - 4 5 极面半径对板面变形的影响 8 0 室6 0 r 暴4 0 缸 蔷2 0 o 凹2 0 0凹4 0 0凹8 0 0平面一凸1 2 0 0 凸8 0 0 板面半撇6 n a n 图3 - 4 6 板面半径对橡胶、基层垂向变形的影响 沁一 力 力 2 耄 搭1 暇 毯 长 o m f _ 一圈。一_ 囵 凹2 凹4 凹8 0 0平面*凸1 2 0 0d 3 s o o 凹2 0 0 凹4 凹8 0 0平面凸1 2 0 0凸8 0 0 板面半径r b l t m a板面半径r 6 n m a 图3 4 8 板面半径对水膜压力、阻力的影响图3 - 4 9 板面半径对水膜承载量的影响 3 2 园豳豳豳垦| 点路激囝囫包稳圉自 起沉科 乱髀尉囡垦黼i 日囵 丑豳豳囊匦囝换一旦 坫 m 5 o基ii套k叶婪姆，苍蕾 武汉理t 大学硕士学位论文 由图3 4 4 图3 - 4 9 可见： ( 1 ) 在水膜平行区，随着板面弧度的减小，水膜压力依次减小，这是因为弧 度越小，进水口楔形间隙楔角越大，水膜前沿压力就越低且越不利于形成动压 润滑，板面变形也就越小。当r = 2 0 0m m 时水膜平行区压力一直较大，橡胶变 形下沉量最大，虽然橡胶所受应力均衡，但水膜间隙狭长，不利于水膜补充水 源，压力峰值不会有较大变化，当板面弧度减小直至为凸面型时，水膜收敛、 发散的水膜楔角就越大，形成动压润滑的水膜压力就会逐渐集中在较短的区域 内，基本形成递增的正、负水膜压力。 ( 2 ) 随着板面由凹面型、平面型直至为凸面型，橡胶在水膜作用下，应力集 中越来越明显，在颈缩前橡胶变形就越明显，但对基层材料的影响却很小。在 板面为凹面型时，橡胶所受水膜挤压明显，传递到基层材料的力也就越大。 ( 3 ) 随着板面弧度减小，并由凹面型、平面型直至为凸面型的过程中，在轴 颈偏心的前提下，橡胶的实际厚度是逐渐减小的。在板面依次为平面型、凸面型 12 0 0 m m 、凸面型8 0 0 m m 的变化过程中，橡胶越来越薄，橡胶的垂向变形越来越 小，由橡胶传递到基层材料的力也略有增加，橡胶应力集中越来越明显。 ( 4 ) 随着板面弧度减小，并由凹面型、平面型直至为凸面型的过程中，水膜 阻力先减小，后基本保持不变。其原因是凹面型的水膜收敛楔形长且窄，随着凹 面弧度的减小，平行区的水膜压力开始逐渐降低，由压力引起的水膜阻力也逐渐 较小，而平面型或凸面型的水膜收敛楔形短且楔角大，平行区水膜压力较小，且 一平面型或凸面型的收敛楔形过大而不足以对水膜阻力引起较明显的影响。- 一 ( 5 )