（载运工具运用工程专业论文）高分子材料水润滑尾声轴承数值计算及试验研究.pdf

独创性声明 荆嬲y 18 17 3 0 3 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。 。签。名： 刻字 日期；羔生! 尘! 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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 1 一 研究生( 签名) ：刘亏 导师( 签名) 杏寸口令日期知nt 哆 武汉理工大学硕士学位论文 摘要：- c 船舶尾轴承是支撑轴系的重要部件。传统的尾轴承以贵重金属为材料，以 油为润滑介质。随着环境污染和能源危机问题的同益严重，以及可持续发展的 需要，为了减少贵重金属的消耗和滑油对水域的污染，部分船舶开始采用高分 子材料水润滑尾轴承。因此开展水润滑尾轴承研究对于揭示水润滑机理，提高 尾轴承的润滑性能，延长使用寿命，减振降噪，以及实现“绿色航运 具有重 要的理论意义和工程应用价值。 文中以高分子材料水润滑尾轴承为研究对象，应用多重网格方法对水润滑 尾轴承弹流动压润滑问题进行了数值分析，揭示了其润滑机理，探讨了开槽与 不开槽轴承的润滑性能差异，以及轴承的结构形式和材料属性对其润滑性能( 水 膜厚度分布、水膜压力分布、摩擦系数等) 的影响规律。主要的研究成果如下： ( 1 ) 在相同工况下，与不开槽轴承相比，开槽轴承的局部压力变大，水膜 厚度减小，轴承的摩擦系数变大。 ( 2 ) 尾轴承的结构形式对其弹流动压润滑性能有着重要影响。水槽数目的 增加和水槽宽度的加大会使轴承内的局部压力过大，水膜厚度减小，摩擦系数 变大。轴承间隙的增大会使轴承内局部压力升高，水膜厚度整体上变大，但局 部区域水膜厚度急剧减小，摩擦系数降低。轴承直径不变时，长径比的加大使 轴承摩擦系数增加，轴承长径比为l ：1 时，轴承内压力分布最为缓和，水膜厚 度最大，有利于动压润滑的形成。 ( 3 ) 尾轴承的材料属性对其弹流动压润滑性能也有着重要影响。材料弹性 模量的加大，轴承刚性增强，会使轴承局部压力变大，水膜厚度减小，摩擦系 数降低。泊松比的加大，会使轴承内压力分布趋于缓和，但局部压力会变大， 局部压力较大的位置水膜厚度急剧减小。泊松比的变化对轴承的摩擦系数影响 不大。 ( 4 ) 3 种高分子材料的干、湿摩擦试验结果表明：干摩擦条件下，a 型材 料的摩擦系数最小，湿摩擦条件下，a 型材料的摩擦系数最大，b 和c 型材料 的摩擦系数接近。磨损试验结果表明：a 型材料的耐磨性能最好。3 种材料的开 槽水润滑轴承的台架试验结果表明：同比压、低速下，随着速度的上升摩擦 系数急剧下降；在中、高速下，随着速度的提高，摩擦系数下降缓慢或趋于平 稳。同一转速下，随着比压的提高，摩擦系数在减小。除个别工况外，同一种 武汉理工大学硕士学位论文 工况下，a 型材料轴承的摩擦系数较低，b 和c 型材料的摩擦系数接近。综合 考虑，a 型材料是性能较好的轴承材料。3 种材料的试验结果的趋势和理论计算 基本一致。但a 型材料的试验结果和第3 章的理论计算结果在数值上还存在一 定偏差。 关键词：高分子材料；水润滑尾轴承；结构形式；材料属性；试验结果 + 1 国家自然科学基金资助项目特殊工况下水下航行器尾轴承鸣音机理及试验研究，编号：5 0 9 7 9 0 8 4 2 湖北省自然科学重点基金项目高比压、低磨损、低摩擦新型水润滑尾轴承，编号：2 0 0 8 c d a 0 2 7 。 l l a b s t r a c t n et a i lb e a r i n gi st h ei m p o r t a n tp a r to fs u p p o r t t i n gt h es h a f t i n g t h et r a d i t i o n a l t a i lb e a r i n gt a ：k et h en o b l em e t a l 器am a t e r i a l ，a n dt a k eo i l a sl u b r i c a t i o nm e d i u m a i o n gw i t he n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n de n e r g yc r i s i sq u e s t i o nd a yb yd a ys e r i o u s ，弱 w e l la s 吼l s t a i n a b l ed e v e l o p m e n tn e e d ，t or e d u c ec o n s u m p t i o no ft h en o b l e m e t a la n d p o l l u t i o no ft h el u b r i c a t i n go i lt ow a t e r ，t h eh i g hp o l y m e r m a t e r i a lw a t e rl u b r i c a t i o n t a i lb e a r i n g sh a v eb e e nu s e di nt h ep a r t i a ls h i p s t h e r e f o r e , t h e r ea r et h ei m p o r t a n t t h e o r ys i g n i f i c a n c ea n dt h ep r o j e c ta p p l i c a t i o nv a l u et oc a l t yo nt h ew a t e r l u b r i c a t i o n t a i lb e a r i n gr e s e a r c hr e g a r d i n gt h er e v e l a t i o nw a t e rl u b r i c a t i o nm e c h a n i s m ，e n h a n c i n g t a i lb e a r i n g sl u b r i c i t y , t h ee x t e n s i o ns e r v i c el i f e ，t h ea n t i v i b r a t i o nn o i s er e d u c t i o n ，嬲 w e l la sr e a l i z i n g t h eg r e e ns h i p p i n g t h eh i g hp o l y m e rm a t e r i a lw a t e rl u b r i c a t i o nt a i lb e a r i n ga r et a k e na st h es t u d y o b j e c ti nt h ea r t i c l e ，a n dt h em u l t i p l e 舒dm e t h o da r ea p p l i e d t oe a r l yo nt h e n u m e r i c a la n a l y s i sa b o u te l a s t i c f l o wd y n a m i cp r e s s u r el u b r i c a t i o nq u e s t i o no ft h e w a t e rl u b r i c a t i o nt a i lb e a r i n g s ，r e v e a l i n gi t sl u b r i c a t i o nm e c h a n i s ma n dd i s c u s s i n g t h el u b r i c a t i n gp r o p e r t yd i f f e r e n c e sb e t w e e ns l o tb e a r i n g sa n du n s l o t ，a sw e l l 嬲 i n f l u e n c er u l eo ft h eb e a t i n g ss t r u c t u r a ls t y l ea n dm a t e r i a la t t r i b u t et oi t sl u b r i c a t i n g p r c i p e r t y ( w a t e rf i l mt h i c k n e s sd i s t r i b u t i o n ，w a t e rf i l mp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，f r i c t i o n t o e 伍c i e n ta n ds oo n ) t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) u n d e rt h es a l t l eo p e r a t i n gm o d e ，c o m p a r e w i t ht h et i n s l o tb e a r i n g ，i nt h es l o t b e 撕n 岛l o c a lp r e s s u r el a r g e n ，w a t e rf i l m t h i c k n e s sr e d u c e s ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n t i n e r e a s e s ( 2 ) t a i lb e a t i n g ss t r u c t u r a ls t y l em a k e sag r e a te f f e c tt oi t se l a s t i c f l o wd y n a m i c p r e s s u r el u b r i c a t i n gp r o p e r t y w i t ht h en u m b e r o fw a t e rg r o o v e sa n dw i d t ho fg r o o v e s c r e a s e s t h el o c a lp r e s s u r ew i l ll a g r e n , w a t e rf i l mt h i c k n e s sw i l lr e d u c e , f r i c t i o n c o e 伍c i e n tf i l l o u t w i t ht h eb e a r i n gc l e a r a n c ei n c r e a s e s ，l o c a lp r e s s u r ew i l le l e v a t e , w a t e rf i l mt h i c k n e s sw h o l ef i l l o u t ，b u tw a t e rf i l mt h i c k n e s si ns o m er e g i o nw i l l r e d u c es u d d e n l y , t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tw i l lr e d u c e ；t h el e n g t ht od i a m e t e rr a t i o e n l a r g e sm a k e st h eb e a r i n gf r i c t i o nc o e f f i c i e n tt oi n c r e a s e ，w h e nt h e b e a r i n gl e n g t ht o d i 锄e t e fr a t i oi s1 ：1 ，t h eb e a r i n gp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nm o s tr e l a x e s ，w a t e rf i l m i i i 武汉理工大学硕士学位论文 t h i c k n e s si sb i g g e s t ，i sa d v a n t a g e o u st ot h el u b r i c a t i o nf o r m a t i o n ( 3 ) t a i lb e a r i n g sm a t e r i a la t t r i b u t em a k e sag r e a te f f e c t t oi t se l a s t i c - f l o w d y n a m i cp r e s s u r el u b r i c a t i n gp r o p e r t y w i t ht h em a t e r i a le l a s t i c i t yi n c r e a s e s t h el o c a l p r e s s u r ew i l lf i l l - o u t ，t h eb e a t i n gr i g i d i t yw i l ls t r e n g t h e n ，w a t e rf i l mt h i c k n e s sa n dt h e f r i c t i o nc o e f f i c i e n tw i l lr e d u c e p o i s s o n sr a t i oe n l a r g e m e n t ，w i l lc a u s et h eb e a t i n g p r e s s u r ed i s t r i b u t i o nw i l lt e n dr e l a x e s ，b u tt h el o c a lp r e s s u r ef i l l o u t ，l o c a lp r e s s u r e b i gp o s i t i o n sw a t e rf i l mt h i c k n e s sw i l lr e d u c es u d d e n l y , b u tt h ep o i s s o n sr a t i ow i l l n o te f f e c tt h eb e a t i n g sf r i c t i o nc o e f f i c i e n tg r e a t l ( 4 ) t h ed r ya n dw e tf r i c t i o nt e s tr e s u l to ft h e3k i n d so fh i g hp o l y m e rm a t e r i a l s i n d i c a t e s ：u n d e rt h ed r yf r i c t i o nc o n d i t i o n ，t h ef r i c t i o no fm a t e r i a lai ss m a l l e s t ，u n d e r t h ew e tf r i c t i o nc o n d i t i o n ，t h ef r i c t i o no fm a t e r i a lai sb i g g e s t ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n to f m a t e r i a lba n dci sd o s e n ew e a rt e s tr e s u l ti n d i c a t e s ：w e a r - r e s i s t i n gp e r f o r m a n c e o fm a t e r i a lai sb e s t t h eb e n c ht e s tr e s u l to f3k i n d so fm a t e r i a lw a t e rl u b r i c a t es l o tb e a r i n gi n d i c a t e ： u n d e rt h ei d e n t i c a ls p e c i f i cp r e s s u r e , w h e nl o ws p e e d ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n td r o p s s u d d e n l ya st h es p e e dr i s e s ；w h e nm i d d l eo rh i g hs p e e d ，t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n td r o p s s l o w l yo rt e n d st ob es t e a d y u n d e rt h ei d e n t i c a lr o t a t i o n a ls p e e d ，t h ef r i c t i o n c o e f f i c i e n ti sr e d u c i n gw i t ht h ei n c r e a s eo fs p e c i f i cp r e s s u r e b e s i d e st h ei n d i v i d u a l o p e r a t i n gm o d e ，u n d e rt h ei d e n t i c a lk i n do fo p e r a t i n gm o d e ，f r i c t i o nc o e f f i c i e n to f m a t e r i a lai s1 0 w , ba n dci sc l o s e ：1 1 1 eo v e r a l l e v a l u a t i o n ，m a t e r i a lai st h eg o o d p e r f o r m a n c em a t e r i a lf o rb e a r i n g 1 1 1 et e n d e n c yo f3k i n d so f b e a r i n g st e s tr e s u l t sa n d t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa r ec o n s i s t e n tb a s i c a l l y f o rm a t e r i a la ，t h e r ea r ec e r t a i ne l r o r e x i s t e n c ea tv a l u eb e t w e e nt e s tr e s u l t sa n dt h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：h i g hp o l y m e rm a t e r i a l ；w a t e rl u b r i c a t i o nt a i lb e a r i n g s ；s t r u c t u r a ls t y l e s ； m a t e r i a la t t r i b u t e s ；t e s tr e s u l t s ； 武汉理工大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 论文背景及研究意义1 1 2 水润滑尾轴承国内外研究现状1 1 2 1 水润滑尾轴承润滑机理研究1 1 2 2 水润滑尾轴承结构形式的应用研究4 1 2 3 水润滑尾轴承材料的应用研究5 1 2 4 数值求解方法概述6 1 2 5 存在的不足和尚未解决的问题8 1 3 研究的主要内容、关键技术问题和技术路线8 1 3 1 主要研究内容8 1 3 2 关键技术问题9 1 3 3 技术路线9 第2 章水润滑尾轴承弹流润滑机理研究1o 2 1 概述1 0 2 2 弹性流体动压润滑机理研究1 0 2 2 1 流体动压润滑的基本方程一1 0 2 2 2 弹性变形的基本方程1 4 2 3 弹性流体动压润滑方程的耦合数值求解1 5 2 3 1 弹性流体动压润滑基础1 5 2 3 2 弹流动压润滑方程的无量纲化1 8 2 3 3 弹流动压润滑方程的离散及迭代求解2 0 2 3 4 弹流动压润滑方程的边界条件2 1 2 3 5 弹流动压润滑摩擦系数的计算2 1 2 4 多重网格方法在弹流动压润滑计算中的应用2 2 2 4 1多重网格方法概述及其原理2 2 2 4 2 弹流润滑的多重网格法求解2 4 2 4 3 计算方法的具体实现2 6 v 武汉理工人学硕士学位论文 2 4 4 不开槽轴承实例计算2 9 2 5 本章小结3 2 第3 章水润滑尾轴承弹流润滑数值计算分析3 3 3 1 概述3 3 3 2 不开槽水润滑尾轴承弹流动压润滑性能分析3 3 3 3 开槽水润滑尾轴承弹流动压润滑模型的建立及计算3 5 3 3 1开槽水润滑尾轴承弹流动压润滑模型的建立3 5 3 3 2 开槽水润滑尾轴承实例计算及其结果分析3 6 3 4 轴承结构形式对水润滑尾轴承弹流动压润滑特性的影响3 8 3 4 1水槽数目对水润滑尾轴承弹流动压润滑特性的影响3 8 3 4 2 水槽宽度对水润滑尾轴承弹流动压润滑特性的影响4 0 3 4 3 长径比对水润滑尾轴承弹流动压润滑特性的影响4 3 3 4 4间隙对水润滑尾轴承弹流动压润滑特性的影响4 5 3 5 轴承材料对水润滑尾轴承弹流动压润滑特性的影响4 7 3 5 1弹性模量对水润滑尾轴承弹流润滑动压特性的影响4 7 3 5 2 泊松比对水润滑尾轴承弹流润滑动压特性的影响4 9 3 6 本章小结5 l 第4 章水润滑尾轴承试验研究5 2 4 1 概述；一一、；一i 。；一一，5 2 4 2 材料筛选试验5 2 4 2 1 试验对象5 2 4 2 2 试验内容5 3 4 2 3 试验结果及分析5 3 4 3 尾轴承台架模拟试验5 5 4 3 1 尾轴承试验台架5 5 4 3 2 试验目的5 6 4 3 3 试验对象5 6 4 3 4 试验内容5 7 4 3 5 试验结果及分析5 7 4 4 本章小结5 9 v i 武汉理工大学硕士学位论文 第5 章结论与展望6 1 5 1 结论6 1 5 2 展望6 2 致谢6 3 参考文献6 4 攻读硕士学位期间发表的论文和参加的科研项目6 7 v h 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 论文背景及研究意义 尾轴承是船舶轴系的重要部件，起着支撑轴系的作用。传统的尾轴承都是 用油作为润滑介质，但随着能源危机的到来，煤、天然气、石油等传统资源的 匮乏和人们环境保护意识的提高，水润滑尾轴承已经逐步得到推广和使用。和 油相比，水具有无污染、来源广、安全性能好【lj 等优点。用水作润滑介质，减少 了相应有色金属的使用，简化了轴系的结构。 我国对水润滑尾轴承的研究起步比较晚，很多尾轴承材料都是通过进口得 到，比如英国的a c m 材料、飞龙材料，加拿大的赛龙材料等。在水润滑研究领 域中也存在着很多尚未探明的难题，如低速重载下尾轴承的润滑问题，以及船 舶启动和停机瞬间轴承的鸣音等问题，因此有必要进行深入的理论探讨，特别 是尾轴承的润滑机理、结构优化、减振、降噪、使用寿命等问题，为水润滑尾 轴承的设计和使用提供理论依据。 本文拟采用数值计算方法和试验的方法，探索高分子材料水润滑尾轴承的 润滑机理以及材料属性、结构形式对尾轴承的弹流动压润滑性能、摩擦性能影 响规律，这对于了解和掌握尾轴承的润滑机理，提高尾轴承的承载力，减小摩 擦与磨损等具有重要的理论意义! 一 1 2 水润滑尾轴承国内外研究现状 1 2 1水润滑尾轴承润滑机理研究 在相对运动的物体之间加入某种介质使运动物体之间的摩擦和磨损减小的 一种措施就是润滑。加入的介质可以是液体、气体，甚至是固体。从机理上将 润滑分为流体动压润滑、流体静压润滑、弹性流体动压润滑、固体润滑和边界 润滑。 1 ) 流体静压润滑 流体静压润滑的理论研究已经接近成熟，在轴承、导轨、仪器仪表等工业 部fj 都得到了广泛应用，并取得了很好的效果。流体静压润滑是通过外界作用 将润滑物质通入到润滑表面中，强制形成流体润滑膜，所以又称外压或外生压 武汉理工大学硕士学位论文 润滑。在各种润滑形式中，流体静压润滑的优越性最强，主要表现在： ( 1 ) 润滑表面的速度对液膜厚度的形成以及其承载能力没有影响。 ( 2 ) 液膜刚度较大，使轴承获得最够的支撑精度，同时补偿其他部件的变 形和磨损。 ( 3 ) 润滑的摩擦系数往往很低，润滑效果良好。 但主要缺点是使轴系结构复杂，加工不方便，并要求配置安全高效的供压 系统，这些缺点制约着静压润滑的广泛使用。 2 ) 流体动压润滑 当润滑介质是流体时，两相对运动表面间越来越小的收敛间隙会产生流体 动压力，这种润滑方式就是流体动压润滑。它不是靠外界作用强制形成润滑膜 而是通过润滑表面的相对运动将粘性流体带入间隙中，自动形成润滑液膜。与 静压润滑相比，动压润滑是一种十分经济同时也是船舶尾轴承主要使用的润滑 方式，人们也从来没有停止研究过。1 8 8 3 年，德国工程师b t o w e r 发现了流体 动力润滑现象，1 8 8 6 年，英国学者o r e y n o l d 应用流体力学的知识很好地解释 了流体动力润滑现象，推导出了后世引为最经典的流体动力方程一雷诺方程。 3 ) 弹性流体动压润滑 在润滑过程中，往往由于润滑膜产生过大的润滑压力导致润滑表面发生变 形，这种润滑方式就是弹性流体动压润滑。弹性流体润滑膜的局部压力有时达 到g p a 的数量级，不仅使润滑表面发生弹性变形，还会使润滑膜的粘度发生变 化，这就是润滑膜的粘压效应。这些变化都会反过来影响润滑膜的厚度，影响 动压润滑的形成。对弹流理论影响最大的应该是英国学者d d o w s o n 和 g r h i g g i n s o n ，他们改进了传统的“顺解法”求解雷诺方程，提出的“逆解法”对弹 流润滑理论的发展起到了推动作用。 4 ) 边界润滑 当润滑表面的速度不够高，或者局部压力较大，导致润滑膜极薄时，这种 润滑方式就叫作边界润滑。边界润滑往往发生于启动、停车等瞬间。迄今为止， 人们对边界润滑的了解还非常少，尚未形成完整权威的润滑理论，对边界润滑 的研究也只仅仅停留在试验阶段。 5 ) 固体润滑 润滑表面的润滑物质是固体的润滑叫做固体润滑。常用的固体润滑剂一般 是层状固体，如石墨等。除此之外，在润滑表面涂上软金属膜减小摩擦力作用 的措腌也属于固体润滑。 2 武汉理1 大学硕士学位论文 须要特别指出的是，各种润滑状态的界限并不是绝对的，往往几种润滑会 同时存在，即混合润滑。 尾轴承是船舶传动和支撑的重要部件，以水为润滑介质，通过流体动压润 滑作用支撑轴系，不仅受到了越来越多国内外学者的关注，对水润滑尾轴承的 要求也越来越高。国外方面，如加拿大的赛龙轴承、英国的a c m 轴承、德国的 陶瓷材料轴承等都得到了广泛的应用。美国不仅在民用，甚至在军用上都大量 使用水润滑橡胶尾轴承，并对其润滑机理也做了深入研究。在其他方面如非线 性动态分析【2 1 、接触疲爿3 1 、接触应力分析【4 l 、流场分析【5 】也都做了相应的探讨。 我国对水润滑尾轴承的研究起步较晚，但在理论上仍作了一些研究。张直 明i 【6 j 对水润滑轴承的动压润滑现象进行了全面系统的阐述，揭示了动压润滑的 形成机理，通过数值计算的方法将雷诺方程离散化，得到了较为准确的润滑问 题数值解。杨沛然【7 j 不仅系统、全面地揭示了流体润滑的机理，还对包括时变润 滑、非牛顿流体等复杂问题也进行了研究。黄民裂8 】在考虑温度对轴承影响的前 提下，分析了轴承的动压润滑特性。周建辉【9 】在考虑了轴系倾斜状态下，利用有 限元软件a d i d a 和数值计算软件m a t l a b 对水润滑尾轴承进行仿真计算，建立 流固耦合模型更接近船舶运行的实际状况，得到尾轴倾角变大使尾轴承后端局 部压力骤增等结论。 以上这些研究都是建立在轴承不变形的基础上，即刚性假设的前提下。这 种研究结果在压力不高，接触表面的变形量和流体膜厚度相比可以忽略不计时 是比较准确的。但在轴承实际工作状态下，往往局部压力很大，在这种情况下 必须考虑轴承的变形，这就是弹性流体动压润滑。弹性流体动压润滑理论是润 滑理论一个重要分支，与轴承工作时实际情况更为接近；温诗铸【1 0 】将流体动压 润滑和赫兹理论结合，针对弹流动压润滑问题，给出了详细的求解方法和较为 准确的结论；段芳莉i l l j 应用有限元软件a n s y s ，利用柔度矩阵分析了弹性变形 对有限长轴承润滑特性的影响；大连理工大学王宁2 j 利用有限元法，在考虑轴 承弹性变形的前提下，得出弹性变形对轴承的影响不容忽视的结论；重庆大学 余江波l l 引、王家剧m 】利用多重网格方法将流体动压润滑方程和弹性位移方程耦 合求解，计算效率高，计算量小，得到了水润滑轴承包括压力分布、液膜厚度 等弹流动压润滑特性规律；吴文引”】分析了初值问题的选取对弹流润滑问题计 算结果的影响，认为选取合理的初值能够使计算工作量大幅减少，提高效率。 3 武汉理工人学硕士学位论文 1 2 2 水润滑尾轴承结构形式的应用研究 水润滑轴承的结构对轴承的润滑性能、摩擦性能等都有重要影响。高葛6 j 对径向轴承进行理论计算，发现轴承长径比和轴承间隙是影响承载力的重要参 数，论文指出轴承长径比主要由外部施加的载荷和轴颈的大小来决定，塑料合 金轴承一般情况下长径比范围为2 l d 4 。唐育民【i7 】提出增大轴承间隙，减 小轴承长度等结构优化措施，可以提高轴承的使用寿命。周建辉分析了轴在倾 斜状态下，轴承问隙对其承载力的影响。张乐天【l8 】在研究橡胶轴承的润滑机理 的基础上，分析了不同结构形式的橡胶轴承润滑性能的差异。 轴承结构形式对轴承冷却效果有重要影响。为了保证轴承的冷却效果，往 往在轴承轴向或周向开槽。影响开槽轴承的结构参数比不开槽轴承的要多，除 了长径比和轴承间隙以外，槽的数目、槽的宽度、槽的形状、槽与槽之间板条 的形状等都是影响轴承性能的因素。周小林，赵高辉【l9 l 等人认为由于轴承下半 部分没有水槽，液膜在此可以连续建立，因此下半部分不开槽轴承的承载能力 明显高于开槽轴承，如图1 1 所示。 r1 ， 起 n 乡。 ( a ) 半开槽( ”全开槽 图1 1 半开槽与全开槽轴承示意图 田宇忠【2 0 】在刚性基础的前提下，利用m a t l a b 软件对轴承进行数值计算，得 出开槽轴承承载力明显降低的结论。周春良、刘顺掣2 1 j 等人建立了尾轴承的三 维模型，认为尾轴承上开有周向水槽对尾轴承压力减缓，冷却效果，减振都起 着重要作用。袁士勤【2 2 】则对开有轴向水槽的尾轴承内部流场进行了仿真分析， 得出轴向水槽可以降低轴承内部空穴效应引起的振动噪声，同时增强轴承的冷 却效果。华细金【2 3 】利用c f d 软件f l u e n t 模拟了带有纵向沟槽的水润滑轴承内 部流场，得出在不同载荷下，水润滑轴承分别处于边界润滑、混合润滑等不同 润滑状态的结论。苟振宇、徐鹏【2 4 】分析了不同水槽数目和水槽宽度轴承的润滑 4 武汉理工大学硕士学位论文 性能，得出了水槽数目和宽度对轴承承载力、液膜厚度分布、压力分布等的影 响规律，为开槽轴承的设计提供了理论依据，如图1 2 所示。 c a ) 8 槽( b ) 1 0 槽 c o ) 1 2 槽 图l - 2 不同水槽数目的轴承 槽与槽之间的轴承部分往往是板条，板条的形状也大有不同，武汉理工大 学梁强四对平面型、凸面型、凹面型三种不同板条结构形式的水润滑轴承进行 数值计算和接触仿真计算，发现三种板条结构的轴承在性能上的差异。 1 2 3 水润滑尾轴承材料的应用研究 与轴承结构一样，轴承材料的选取对轴承的性能同样有着重要影响。传统 的轴承材料都是贵重金属和其合金材料，而近年来非金属材料、高分子材料如 英国a c m 材料轴承、加拿大的赛龙材料、日本的陶瓷材料，还有其他等添加剂 材料如氧化聚乙烯【2 7 】等新型材料也越来越多的被应用到轴承中，越来越多的学 者也投入到非金属材料的润滑理论研究中去。但目前，我国对水润滑轴承材料 在一定程度上还依赖进口。 国内外很多学者对橡胶2 8 乏9 】以及橡胶的衍生物如丁睛橡胶【3 0 】等都做了大量 研究，发现橡胶在减振降噪方面有很好的效果。重庆大学陈战【3 l j 研究了水润滑 塑料、合金、橡胶等材料的轴承动压润滑机理，以及在含沙和清水润滑的条件 下，摩擦系数随工况以及轴承结构变化的规律。彭晋引3 2 】分析了加入纳米材料 配方对轴承性能的影响差异。俞仲茜、廖曼青【3 3 】等人在试验的基础上，对多种 热塑性、热固性高分子材料进行研究，发现高分子材料在不同的添加剂作用下， 表现出对摩擦系数、温升等的评价也大有不同。顾根南p 4 】认为对水润滑轴承而 言，聚酯树脂类合成材料是较好的选择。周泽华【3 5 j 发现陶瓷材料不仅环保，还 有很多传统轴承无可比拟的优势，应用前景较广。王优强【3 6 】介绍了赛龙材料轴 承具有较好的耐磨性和弹性的优点，将改变传统橡胶材料轴承的使用局限性。 李杰【3 7 】介绍了树脂基复合材料、酚醛塑料材料具有耐磨、耐蚀等多种功能，具 5 武汉理工大学硕士学位论文 有广阔的应用前景。孙文丽【3 8 】发现海水作为润滑介质时，钢和赛龙陶瓷材料形 成的这对摩擦副之间的弹流动压润滑有明显的颈缩现象，而且在相同条件下， 赛龙材料在海水作为润滑介质时比用清水作为润滑介质时，更难出现弹流动压 润滑现象。周芳、周飞【3 9 1 将离子注入技术应用于硅基非氧化陶瓷材料里，使水 润滑轴承的摩擦磨损性能得到很大程度的改善，而离子注入技术也是未来改进 轴承材料性能的一个重要发展方向。陈焱【4 0 】阐述了如木类、橡胶等传统水润滑 材料和如聚乙烯、b t g 塑料合金材料等新型高分子材料的优缺点，根据不同的 要求，不同的材料都有着适合自己的应用场合。张文光【4 l 】发现在酚醛树脂罩添 加腰果壳油、聚砜可以作为水润滑轴承的外壳材料，这种外壳材料可以替代传 统的黄铜外壳材料。余江波1 4 2 j 分析了弹性模量对水润滑轴承承载力，压力分布 曲线等的影响规律，为改善水润滑摩擦副的润滑性能提供了理论依据。 1 2 4 数值求解方法概述 流体润滑问题往往须要求解一系列偏微分方程，要想得到准确的解析解很 困难。现在，都采用数值求解方法将连续方程离散，求解离散代数方程，得到 满足精度要求的数值解。 数值求解的基本思想：将须要求解的空间或时间坐标系中的物理场如压力 场，速度场等，用一系列有限个离散的空间点来代替，按照一定的原则如守恒 定律，公理等将这些离散点上的变量值联系起来，建立代数方程组，求解这些 方程组获得节点的变量值作为连续物理场的近似解。根据物理场离散方式、代 数方程组离散形式和代数方程组求解方法的不同，将数值计算方法分为：有限 差分法、有限元法、有限体积法、有限分析法这3 种方法。 1 ) 有限差分法 有限差分法是历史上采用最早的数值方法，其基本思想是：将求解空间与 坐标轴平行的一系列网格线的交点所组成的节点集合来代替，在每个节点上， 将基本方程，一般是偏微分方程中的导数项用相应的差分格式表达出来，形成 每个节点的代数方程，这些代数方程不仅含有本节点的参数量，还有周围一些 未知节点参数量。将这些代数方程组联立求解，得到的就是基本方程的数值解。 有限差分法又分为顺解法、逆解法、多重网格法等方法。 润滑问题中最基本的方程是雷诺方程，它描述了液膜厚度和液膜压力之间 的差分关系，通过选取液膜厚度或者液膜压力的初值然后反复迭代进行求解。 6 武汉理工人学硕士学位论文 先求出液膜厚度，然后通过液膜厚度和节点之间的加权系数求解液膜压力， 这就是顺解法的基本思想。而逆解法则相反，须要先求出液膜压力，然后通过 液膜压力和液膜厚度相应的加权关系来求解液膜厚度。多重网格方法1 5 ”是近2 0 年来研究弹流动压润滑问题最常用的方法。无论将计算区域的网格划分多么稠 密，计算时间多么长，数值解可以很好地无限接近解析解，但数值解和解析解 的计算结果始终存在误差，这个误差根据频率的高低不同分为高频误差和低频 误差。多重网格法的基本思想就是将相同的润滑问题轮流在稠密和稀疏的网格 层进行迭代计算，通过稀疏的网格消除低频误差，稠密的网格消除高频误差， 最后达到收敛的目的。重庆大学余江波和王家序等人在忽略了沟槽的影响前提 下，利用多重网格方法求解了塑料合金轴承的弹流动压润滑问题，得到了较为 准确的理论数值解。本论文在此基础上，同样利用多重网格方法，分析求解了 高分子材料水润滑尾轴承的弹流动压润滑问题，并考虑了轴向水槽对轴承性能 的影响，得到其润滑问题和摩擦问题的数值解。 2 ) 有限体积法 有限体积法【5 8 】的基本思想：将求解空间划分成一系列控制体积单元，每个 控制体积单元都用一个节点来代替，对体积单元进行积分来得到体积单元的基 本方程。在推导基本方程的过程，须要对界面上的边界函数及低阶函数作出假 定，这就是有限体积法的离散形式。有限体积法可以保证离散方程的守恒特性， 是目前流体分析问题较为常见的一种方法。f l u e n t , c f x 等软件都是建立在有 限体积法上j - - 一 3 ) 有限元法 有限元法【5 9 】的基本思想与有限体积法相似，同样将求解空间分成一系列单 元体，通过对控制方程积分获得离散方程，但与有限体积法的区别就是要选定 形状函数和积分之前对控制方程乘上一个权函数。a n s y s 就是建立在此种方法 之上。最大优点就是对不规则的计算区域适应好，但计算工作量比有限体积法 大。 4 ) 有限分析法 有限分析法唧】与有限差分法一样，用一系列网格线将区域离散，所不同的 是每个单元中心节点与相邻网格组成计算单元，即一个完整的计算单元是由一 个中心节点和相邻节点组成。在计算过程中，将基本方程内非线性项局部线性 化，并对计算单元上未知代数方程的变化型线作出假设，把所选定型线表达式 中的系数和常数项用单元边界上未知的变量值来表示，这样该单元内的被求问 7 武汉理1 = 大学硕士学位论文 题就转化为相应边界条件下的一个定解问题，得到其数值分析解。然后利用这 些分析解，得到节点单元中心点及相邻节点未知值间的代数方程，这些代数方 程就是单元中心节点的离散方程。有限分析法的缺点是对不规则的计算区域适 应性较差。 1 2 5 存在的不足和尚未解决的问题 虽然国内外对润滑问题研究【4 3 。5 6 1 已经很多，润滑理论也日益完善，但鉴于 润滑问题的复杂性，仍然存在很多理论研究的不足和尚未解决的问题。 ( 1 ) 国内外对水润滑轴承的研究，都是在轴承稳态工作条件下，即在轴承 的液膜厚度、压力分布等润滑参数已处于平衡的状态下进行探索和研究的，但 对予轴承启动和结束瞬间的状态尚未进行深入的探讨。 ( 2 ) 对雷诺方程的推导和进行有限元计算时，提出了很多假设条件，如忽 略流体的惯性力，假定流动为层流，不考虑轴向的水流速度等，这与实际复杂 的润滑状态还有出入，影响理论计算的结果。 ( 3 ) 水润滑尾轴承的弹流润滑虽然已经进行了较多的研究，但都是在假设 轴承无水槽的条件下展开的，没有考虑船用尾轴承开槽的实际情况，也没有深 入探讨开槽轴承的弹流润滑状况。 ( 4 ) 水润滑轴承在工作时产生的一系列振动问题和由振动问题引发的鸣音 等问题也尚未进行深入的探讨。 1 3 研究的主要内容、关键技术问题和技术路线 本论文通过水润滑数值计算及试验研究，探索高分子材料开槽水润滑尾轴 承的弹流润滑特性，以及水槽结构、材料属性对水润滑尾轴承弹流动压润滑性 能的影响。 1 3 。1主要研究内容 ( 1 ) 研究水润滑尾轴承的弹流动压润滑特性 ( 2 ) 研究不同水槽结构对尾轴承弹流动压润滑特性的影响 ( 3 ) 研究不同的高分子材料属性对尾轴承弹流动压润滑特性的影响 8 武汉理工