（机械制造及其自动化专业论文）静压轴承油气润滑机理性研究.pdf

1 1 1 11 1 11 11 1 111 111 1ii il y 17 4 5 6 8 1 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n c e m e c h a n i s mr e s e a r c ho no i l - g a sl u b r i c a t i o no f h y d r o s t a t i cb e a r i n g m a s t e rc a n d i d a t e ：l ul i n g a o s u p e r v i s o r p r o f l id u a n n e n g j u n e2 0 1 0 s c h o o lo fe l e c t r o m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 10 0 0 6 摘要 摘要 油气二相流润滑具有润滑冷却性能好、耗油量极低、润滑效率高、无污染等优 点，另外滑动轴承与磁浮轴承、陶瓷滚动轴承相比，又具有阻尼性能优、抗振性能 好、主轴回转精度高、寿命长和价格相对较便宜等特点，因此本项目研究将油气润 滑技术应用于静压轴承，特别是高速静压轴承，希望能发挥这种技术的独特优点， 发展出新型的谓动轴承润滑形式，扩展滑动轴承的研究及其应用领域。 但由于油气二相流中气体存在可压缩性，二相流的输送流动和缝隙流动状况非 常复杂不稳定，包括油气二相流在静压轴承工况条件下粘度流变特性十分复杂等原 因，致使目前将油气二相流技术应用于静压轴承等滑动轴承的研究还很少，几个有 限的研究结果显示其结论之间的差距也较大。为探索将油气润滑应用于滑动轴承技 术领域的问题，本文从油气润滑技术、润滑机理以及相关理论与实验研究入手，开 展静压轴承应用油气润滑研究，主要研究内容包括： 1 根据所润滑静压轴承的工作参数，研究目前常规使用的国内外油气润滑系统 组成结构及其功能，设计适合于静压轴承的亚油气润滑系统，确定油气润滑系统的 设计参数；结合静压轴承油气润滑工况要求，研究输送大流量油气时输送管道内环 状流型的转变机理，研究油气输送管处于不同倾斜角和输送不同牌号润滑油对环状 流型转变的影响。 2 用量筒法对油气二相流中含气率进行标定，通过旋转式粘度测量方法对二相 流的粘度进行测量，建立新型油气二相流润滑介质的粘度模型；修正雷诺方程，推 导出适合静压轴承油气润滑的变雷诺方程，采用a n s y s 软件分析不同含气率工况下 油气润滑静压轴承静态承载特性。 3 在静压轴承实验台上进行油气润滑静压轴承静态承载特性实验，验证上述计 算分析的结果；以油气润滑静压轴承静态承载能力为评价指标，进行正交实验，研 究优选油气润滑参数；采用l m s 振动噪声模态测试系统( l m ss c a d a s ) 对油气、 气体和液体润滑的静压轴承单元进行固有振动特性测试，对比分析得到的固有频率 和振型，间接反映油气润滑工况下静压轴承单元的刚度特性。 关键词：油气润滑；静压轴承；环状流；流变特性；静态承载特性 广东5 - 业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h el u b r i c a t i o no fo i l - - g a s t w o - - p h a s ef l o wh a sm a n ye x c e l l e n c e ss u c ha sn i c e r l u b r i c a t i n g a n dc o o l i n gp e r f o r m a n c e ，l o w e ro i lc o n s u m p t i o n ，h i g hl u b r i c a t i n ge f f i c i e n c y a n dn o n p o l l u t i o n ，e t c a n d ，i nc o n t r a s tw i t ht h em a g n e t i cf l o a tb e a t i n g sa n dt h ec e r a m i c b a l lb e a r i n g s ，t h es l i d i n gb e a r i n g sh a v em a n yp e c u l i a r i t i e ss u c ha se x c e l l e n td a m p i n g c a p a b i l i t y - , g o o dv i b r a t i o nc a p a b i l i t y ，h i g hp r i n c i p a la x i sr o t a t i o np r e c i s i o n ，l o n g e rl i f e a n dr e l a t i v e l yl o w e rp r i c e ，e t c t h e r e f o r e ，o i l - g a sl u b r i c a t i o nt e c h n o l o g yw i l lb ea p p l i e d t o h y d r o s t a t i cb e a r i n gi nt h i s i t e mr e s e a r c h ，e s p e c i a l l yt o h i g h - s p e e dh y d r o s t a t i c b e a r i n g i ti sh o p e dt h a tt h i st e c h n o l o g yc a ne x e r ti t su n i q u ea d v a n t a g e s ，an e w s t y l e l u b r i c a t i o nf o r mo fs l i d i n gb e a r i n gw a sd e v e l o p p e d ，a n dt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o n r a n g eo fs l i d i n gb e a r i n gw e r ee x t e n d e d h o w e v e r ，b e c a u s e dg a si sc o m p r e s s i b l ei no i l - g a st w o p h a s ef l o w ，t r a n s p o r t a t i o n f l o w a g ea n da p e r t u r ef l o w a g es t a t u so ft w o p h a s ef l o wa r ev e r yc o m p l e xa n du n s t a b l e i t i n c l u d e sr h e o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fv i s c o s i t yo fo i l - g a s t w o p h a s e f l o wi s v e r y c o m p l e xu n d e rt h eh y d r o s t a t i cb e a r i n gw o r k i n gc o n d i t i o na n ds oo n ，w h i c hl e d st ot h e c u r r e n ts t u d i e st h a tt h et e c h n o l o g yo fo i l - g a st w o - - p h a s ef l o wi sa p p l i e dt oh y d r o s t a t i c b e a r i n go rs l i d i n gb e a r i n gh a v eb e e ns t i l lr a r e l yp r e s e n t e d ，a n daf e wl i m i t e ds t u d y c o n c l u s i o n sh a v es h o w nal a r g e rg a p ，t o o i no r d e rt oe x p l o r et h ep r o b l e mo fo i l g a s l u b r i c a t i o na p p l i e dt ot e c h n o l o g yr a n g eo fs l i d i n gb e a r i n g ，t h ep a p e rs t a r t e dw i t ho i l - g a s l u b r i c a t i o nt e c h n o l o g y ，l u b r i c a t i o nm e c h a n i s m ，r e s e a r c h e so fc o r r e l a t i v eh e o r ya n d e x p e r i m e n t ，a n dc o n t i n u e dt os t u d ya b o u to i l - g a sl u b r i c a t i o nu s e di nh y d r o s t a t i cb e a r i n g ， t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e ： 1 a c c o r d i n g t ow o r kp a r a m e t e r so ft h e l u b r i c a t i n gh y d r o s t a t i cb e a t i n g ，t h e c o m p o s i t i o ns t r u c t u r ea n df u n c t i o no fd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lo i l - g a sl u b r i c a t i o n s y s t e mw h i c ha r et ob eu s e di nc o n v e n t i o n a lw e r er e s e a r c h e d t h el u b r i c a t i o ns y s t e mo f s u b - o i l - g a sw h i c hw a s f i tf o rh y d r o s t a t i cb e a r i n gw a sd e s i g n e d t h ed e s i g np a r a m e t e r so f o i l g a sl u b r i c a t i o ns y s t e mw e r ed e t e r m i n e d a c c o r d i n gt oc o n d i t i o nr e q u i r e so fo i l g a s l u b r i c a t i o no fh y d r o s t a t i cb e a r i n g ，t h ec h a n g i n gm e c h a n i s mo fa n n u l a rf l o wi nt h e t r a n s p o r t a t i o np i p e l i n ew h e nt h eb i gf l u xo i l g a sw a st r a n s p o r t e dw a sr e s e a r c h e d t h e a b a s t r a c t i m p a c to fd i f f e r e n ta n g l eo fo i l g a st r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e sa n dd i f f e r e n tg r a d e so i lo n a n n u l a rf l o wt r a n s f o r m a t i o nw a ss t u d i e da b o u tw a sa l s or e s e a r c h e d 2 t h eb u b b l ec o m e n ti no i l - g a st w o - p h a s ef l o ww a sc a l i b r a t e db ym e a s u r i n g c y l i n d e rm e t h o d ，a n dt h ev i s c o s i t yo ft w o p h a s ef l o wi sm e a s u r e db yt h em e a s u r e m e n to f r o t a t i o n a lv i s c o s i t y ，t h e nan e wv i s c o s i t ym o d e lo fl u b r i c a t i o nm e d i u mo fo i l g a s t w o p h a s e f l o ww a se s t a b l i s h e d ；r e v i s e dr e y n o l d se q u a t i o nw a sr e v i s e d ，t h e nt h e c h a n g e dr e y n o l d se q u a t i o n ，w h i c hw a sf i tf o ro i l - g a sl u b r i c a t i o no fh y d r o s t a t i cb e a r i n g w a sd e d u c e d ，a tl a s t ，t h es t a t i cl o a dc h a r a c t e r i s t i co fo i l g a sl u b r i c a t i n gh y d r o s t a t i c b e a r i n g ，w h i c hw a su n d e ro p e r a t i n gc o n d i t i o no fd i f f e r e n tb u b b l ec o n t e n t ，w a sa n a l y z e d b ya n s y ss o f t w a r e 3 h y d r o s t a t i cb e a r i n gs t a t i cl o a dt e s ta b o u t - o i l - g a sl u b r i c a t i n gh y d r o s t a t i cb e a r i n g w e r ed o n eo nt h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mo fh y d r o s t a t i cb e a r i n g ，a n dt h er e s u r so ft h e c a l c u l a t i o na n a l y s i sw e r ev e r i f i e d ；a c c o r d i n gt ot h ee v a l u a t i o ni n d e xo fs t a t i cb e a r i n g c a p a c i t yo fo i l g a sl u b r i c a t i n gh y d r o s t a t i cb e a r i n g ，t h eo p t i m a lo i l - g a sl u b r i c a t i o n p a r a m e t e r sw e r es t u d i e db yo r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；t h ei n h e r e n tv i b r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s o ft h eh y d r o s t a t i cb e a r i n gu n i to fo i l - g a sl u b r i c a t i o n ，o rg a s - l i q u i dl u b r i c a t i o nw e r et e s t e d b yl m sn o i s ea n dv i b r a t i o nm o d a lt e s t i n gs y s t e m ( l m ss c a d a s1 1 1 ) ，a n dt h en a t u r a l f r e q u e n c i e sa n d v i b r a t i o ns h a p e sw e r eg o tb yc o m p a r a t i v ea n a l y s i sm e t h o d ，w h i c hc o u l d i n d i r e c t l yr e f l e c tt h es t i f f n e s sc h a r a c t e r i s t i co fh y d r o s t a t i cb e a r i n gu n d e r t h ec o n d i t i o no f o i l g a sl u b r i c a t i o n k e y w o r d s ：o i l - g a sl u b r i c a t i o n ；h y d r o s t a t i cb e a r i n g ；a n n u l a rf l o w ；r h e o l o g i c a l c h a r a c t e r i s t i c ；c h a r a c t e r i s t i co fs t a t i cl o a d i 广东工业大学硕士学位论文 口罩 日刊k 摘要i a b s t r a c t i i 目录v i c o n t e n t s v i i 第一章绪论i 1 1 课题研究背景及意义1 1 2 国内外研究现状1 1 2 1 高速静压轴承2 1 2 2 油气二相流的润滑理论和实践3 1 2 3 小结5 1 3 本课题的来源及主要研究内容石 1 3 1 课题的来源6 1 3 2 课题主要研究内容。6 第二章亚油气润滑系统7 2 1 油气润滑技术7 2 1 1 油气润滑概述7 2 1 2 油气润滑技术的基本原理8 2 1 3 油气润滑特点8 2 2 亚油气润滑9 2 3 亚油气润滑系统的组成结构1 1 2 3 1 供油部分1 2 2 3 2 供气部分一1 3 2 3 3 油气混合部分1 4 2 3 4 油气输送及分配部分1 5 2 3 5 电控装置一1 5 目录 2 3 6 油的回收部分l5 2 4 本章小结l5 第三章油气输送管道内环状流的转变机理研究1 7 3 1 油气输送管内二相流的基本参数1 7 3 1 1 环状流的定义1 7 3 1 2 油气二相流混合介质流量1 7 3 1 3 油气二相流混合介质含量1 8 3 1 4 油气二相流混合介质速度1 9 3 1 5 油气二相流混合介质密度1 9 3 1 6 油气二相流混合介质粘度2 0 3 2 环状流型的转变机理分析2 0 3 2 1 环状流转变实验2 0 3 2 2 油气输送管内二相流流型的划分2 2 3 2 3 油气输送管内环状流的转变机理2 4 3 3 不同因素对环状流转变的影响2 7 3 - 3 1 管道倾角对环状流转变的影响2 7 3 3 2 润滑油粘度对环状流转变的影响2 8 3 4 本章小结2 9 第四章油气润滑理论数学模型3 0 4 1 r e y n o l d s 方程3 0 4 1 1 基本假设3 0 4 1 2r e y n o l d s 方程推导31 4 2 油气二相流流变模型3 3 4 2 1 油气二相流含气率标定方法3 3 4 2 2 油气二相流粘度测试3 4 4 2 3 油气二相流等效密度3 7 4 3 油气二相流r e y n o l d s 方程修正一3 7 4 4 无量纲化3 8 4 5 本章小结3 8 v 广东工业大学硕士学位论丈 第五章油气润滑静压轴承静态承载特性研究3 9 5 1 油气润滑静压轴承结构原理3 9 5 2 压力方程组及轴承承载性能理论求解4 0 5 3 油气二相流静压轴承静态特性分析4 2 5 3 1 分析的实例与步骤4 2 5 3 2 不同含气率下静态性能对比4 8 5 4 油气静压轴承的静态承载特性实验5 1 5 4 1 实验装置5 1 5 4 2 实验测试5 2 5 4 3 理论与实验结果对比验证j 。：_ 5 6 5 5 本章小结：5 6 第六章油气润滑静压轴承运转及动态性能实验5 8 6 1 正交试验设计理论5 8 6 1 1 正交试验概述5 8 6 1 2 正交试验设计6 9 6 2 影响油气润滑承载性能的因素试验6 0 6 2 1 油气润滑单指标单因素试验及分析6 1 6 2 2 油气润滑正交试验及分析6 3 6 3 油气润滑的完全试验及分析6 8 6 4 油气润滑静压轴承单元模态测试6 8 6 4 1 模态实验测试系统6 9 6 4 2 静压轴承单元测振实验模型7 0 6 4 3 模态实验结果与分析7 0 6 5 本章小结7 2 总结与展望7 3 参考文献7 5 攻读学位期间发表的论文8 0 独创性声明8 1 致j 射8 2 v i c o nr i e n t s c o n t e n t s a b s t r a c t ( i nc h i n e s e ) i a b s t r a c t ( i ne n g l i s h ) i i c o n t e n t s ( i nc h i n e s e ) v i c o n t e n t s ( i ne n g l i s h ) v i i c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c e - 1 1 2d o m e s t i ca n d o v e r s e a s - r e s e a r c hs t a t u s ；：；1 1 2 1h i g h s p e e dh y d r o s t a t i cb e a r i n g s 2 1 2 2l u b r i c a t i o nt h e o r ya n dp r a c t i c eo fo i l - g a st w o - p h a s ef l o w 3 1 2 3s u m m a r y 。5 1 3s o u r c ea n dm a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i s - 6 1 3 1s o u r c eo f t h i st h e s i s 6 1 3 2m a i nc o n t e n t so ft h i st h e s i s 6 c h a p t e r 2s y s t e mo fs u b - o i l g a sl u b r i c a t i o n 7 2 1t e c h n o l o g yo fo i l - g a sl u b r i c a t i o n 7 2 1 1s u m m a r i z eo fo i l - g a sl u b r i c a t i o n 7 2 1 2t h eb a s i cp r i n c i p l eo fo i l - g a sl u b r i c a t i o nt e c h n o l o g y 8 2 1 3c h a r a c t e r i s t i c so fo i l g a sl u b r i c a t i o n 8 2 2s u b o i l g a sl u b r i c a t i o n 9 2 3c o m p o s i n gs t r u c t u r eo fs u b - o i l g a sl u b r i c a t i o ns y s t e m 11 2 3 1s u p p l yo i lp a r t 1 2 2 3 2s u p p l yg a sp a r t 1 3 2 3 3o i l g a sm i x i n gp a r t 1 4 2 3 4t r a n s m i s s i o na n dd i s t r i b u t i o np a r to fo i l g a s 15 2 3 5e l e t r i c i t yc o n t r o ld e v i c e 1 5 2 3 6r e c y c l i n gp a r to f t h eo i l 1 5 2 4s u m m a r yo ft h ec h a p t e r 15 v 广东工业大学硕士学位论文 c h a p t e r3t h ec h a n g i n gm e c h a n i s mr e s e a r c ho fa n n u l a rf l o wi nt h eo i l g a st r a n s p o - - r t a t i o np i p e l i n e 17 3 1t h eb a s i cp a r a m e t e r so f t w o - p h a s ef l o wi nt h eo i l - g a st r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e 17 3 1 1d e f i n i t i o no f a n n u l a rf l o w 1 7 3 1 2f l u xo f o i l g a st w o - p h a s ef l o wm i x t u r em e d i u m 1 7 3 1 3c o n t e n to f o i l - g a st w o p h a s ef l o wm i x t u r em e d i u m 1 8 3 1 4v e l o c i t yo fo i l - g a st w o p h a s ef l o wm i x t u r em e d i u m 19 3 1 5d e n s i t yo f o i l g a st w o - p h a s ef l o wm i x t u r em e d i u m 1 9 3 1 6v i s c o s i t yo fo i l - g a st w o - p h a s ef l o wm i x t u r em e d i u m 2 0 3 2t h ec h a n g i n gm e c h a n i s ma n a l y s i so fa n n u l a rf l o w 2 0 3 2 1t h ec h a n g i n ge x p e r i m e n to fa n n u l a rf l o w 2 0 3 2 2f l o wm o d e l sd i v i s i o no f t w o p h a s ef l o wi nt h eo i l g a st r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e 2 2 3 2 3t h ec h a n g i n gm e c h a n i s mo fa n n u l a rf l o wi nt h eo i l g a st r a n s p o r t a t i o np i p e l i n e 2 4 3 3d i f f e r e n tf a c t o r st ot h ei m p a c to fa n n u l a rf l o wc h a n g e 2 7 3 3 1p i p ei n c l i n a t i o na n g l et ot h ei m p a c to f a n n u l a rf l o wc h a n g e 2 7 3 3 2l u b r i c a t i o nv i s c o s i t yt ot h ei m p a c to fa n n u l a rf l o wc h a n g e 2 8 ：；4s u m m a r yo ft h ec h a p t e r 2 9 c h a p t e r4t h e o r ym a t h sm o d e lo fo i l - g a sl u b r i c a t i o n 3 0 4 1r e y n o l d se q u a t i o n 3 0 4 1 1b a s i ca s s u m p t i o n s 3 0 4 1 2d e d u c t i o no fr e y n o l d se q u a t i o n 31 4 2r h e o l o g i c a lm o d e lo fo i l - g a st w o - p h a s ef l o w 3 3 4 2 1t h eg a s r a t ec a l i b r a t i o nm e t h o do f o i l g a st w o - p h a s ef l o w 3 3 4 2 2v i s c o s i t yt e s to fo i l - g a st w o p h a s ef l o w 3 4 4 2 3e q u i v a l e n td e n s i t yo fo i l - g a st w o - p h a s ef l o w 3 7 4 3r e y n o l d se q u a t i o nc o r r e c t i o no fo i l - g a st w o p h a s ef l o w 。3 7 4 4d i m e n s i o n l e s sc h a n g e 3 8 4 5c h a p t e rs u m m a r y 3 8 c h a p t e r5r e s e a r c ho fs t a t i cl o a dc h a r a c t e r i s t i c so fo i l - g a sl u b r i c a t i n gh y d r o s t a t i c c o n ，i f n ，i s b e a r i n g 3 9 5 1t h es t r u c t u r em o d e lo f o i l g a sl u b r i c a t i n gh y d r o s t a t i cb e a r i n g 3 9 5 2t h e o r ys o l u t i o no fp r e s s u r ee q u a t i o n sa n db e a r i n gl o a dc a p a c i t y 4 0 5 3s t a t i cc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i so f o i l g a sl u b r i c a t i n gh y d r o s t a t i cb e a r i n g 4 2 5 3 1a n a l y s i se x a m p l ea n ds t e p s 4 2 5 3 2s t a t i cp e r f o r m a n c ec o m p a r i s o nu n d e rd i f f e r e n tg a s r a t e 4 8 5 4e x p e r i m e n to fs t a t i cl o a dc h a r a c t e r i s t i c so fo i l g a sl u b r i c a t i n gh y d r o s t a t i cb e a r i n 9 51 5 4 1e x p e r i m e n t a l