（机械设计及理论专业论文）动载滑动轴承油膜挤压效应的研究.pdf

摘要 本文改型设计了动载滑动轴承油膜挤压效应研究实验台，为保证试验台的旋转 精度，对关键零部件进行了细腻的处理和专门的加工工艺的设计。通过去除动载滑 动轴承旋转对油膜的剪切作用，达到了只对动载滑动轴承的挤压效应进行研究的目 的；基于虚拟技术和n 1 6 0 6 2 e 数据采集卡搭建了信号采集系统，对轴颈轴向1 2 和 盔 l 4 处的挤压油膜力进行了采集，通过测量轴颈涡动位移变化，间接测量了油膜厚度 的变化，实现观察挤压油膜力随着油膜厚度变化规律；同时利用高速c c d 进行了油 膜图像的采集；实验同时考虑了主轴系统振动对油膜挤压效应的影响，利用轴承静 刚度的简易计算方法，计算了实验台角接触球轴承径向刚度；采用有限元分析方法， 运用a n s y s 软件，对实验台主轴转子系统进行了建模仿真，计算了实验台主轴转子 系统的动态特性。 在不同工况下进行了系列实验研究，采集了压力、位移信号和挤压油膜分布图 像。得到的压力曲线与前人所在一维挤压油膜压力曲线趋势相似。油膜压力曲线表 现为压力上升的速度比下降的速度要缓慢一些，油膜正压力最大峰值总是出现在最 小油膜厚度到达之前；相同轴颈涡动频率下，轴颈涡动幅度越大或最小油膜厚度越 小，压力上升缓慢程度越明显；油膜正压力最大峰值随着轴颈涡动频率的提高先增 大后减小，油膜最大负压力随着轴颈涡动频率的提高有变大的趋势，采到了绝对负 压；相同最小油膜厚度下，观察到挤压油膜产生圆形的气泡或蕨状气穴均随着轴颈 涡动频率的提高而变大，在轴承中覆盖的范围也越大。 通过实验结果分析，证实实验台的设计合理可靠。实验数据和结论为建立二维 动载滑动轴承挤压膜模型，探索动载滑动轴承油膜分布规律提供可靠的实验依据。 关键词：实验台动载滑动轴承挤压油膜数据采集动态特性油膜压力油膜图像 油膜厚度 v i a b s t r a c t f o rs t u d y i n gt h eo i l f i l ms q u e e z ee f f e c ti nad y n a m i c a l l yl o a d e dj o u r n a lb e a r i n g ，a t e s tr i gw a s r e d e s i g n e d i no r d e rt oa s s u r er o t a t i n gp r e c i s i o n e x q u i s i t es p e c i a lp r o c e s s i n g w a sa p p l i e dt ok e yc o m p o n e n t s t h et e s tr i g st a r g e ti so n l yt os t u d yt h eo i l f i l ms q u e e z e e f f e c t ，a n dt or e m o v et h es h e a re f f e c tc a u s e db yt h ej o u r n a lb e a r i n gr o t a t i o n b a s e do nt h e v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n dn 1 6 0 6 2 ed a t aa c q u i s i t i o n c a r d ，s i g n a l sc o l l e c ts y s t e m w a sp u tu p a tt h ep o s i t i o no f1 2a n d1 4j o u r n a lb ya x i a ld i r e c t i o n ，o i l f i l m s q u e e z e p r e s s u r ew a sc o l l e c t e d b yt h ed i s p l a c e m e n tv a r i a t i o nm e a s u r e m e n to f j o u r n a lo s c i l l a t o r y m o t i o n ，t h ev a r i a t i o no fo i l f i l mt h i c k n e s sw a si n d i r e c t l ym e a s u r e d t h i sm a d et h e d i s c i p l i n eo ft h eo i l - f i l mp r e s s u r ev a r y i n gw i t ht h eo i l - f i l mt h i c k n e s sc h a n g ec o u l db e o b s e r v e d t h eo i l f i l mp h o t o sw e r ec o l l e c t e dw i t hh i g h s p e e dc c d c o n s i d e r i n gt h er i g s h a t ts y s t e mv i b r a t i o ni n f l u e n c eo no i l - f i l m s q u e e z ee f f e c t ，t h ea n g u l a rc o n t a c tb a l l b e a r i n gr a d i a lr i g i d i t yw a sc a l c u l a t e d ，a n dw i t ht h ei n f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，b a s e do nt h e s o f t w a r ea n s y s ，t h et e s tr i gr o t o rs y s t e mw a sm o d e l e da n ds i m u l a t e d ，t h ed y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so ft h et e s tr i gr o t o rs y s t e mw a sc a l c u l a t e d u n d e rd i f f e r e n tw o r k i n g c o n d i t i o n s ，g r o u p so fe x p e r i m e n t sg a t h e r i n gt h ep r e s s u r ea n d d i s p l a c e m e n ts i g n a l s ，a sw e l la so i l - f i l mp i c t u r eh a db e e nc o n d u c t e d t h ep r e s s u r es i g n a l s p r o f i l ea g r e e sw e l l w i t ht h et e n d e n c yi no t h e r s s i n g l ed i m e n s i o ns q u e e z eo i l f il m e x p e r i m e n t t h ep r e s s u r es i g n a l sc u r v e sa p p e a rt h a tt h ep r e s s u r ei n c r e a s e ss l o w l ya n d d e c e a s e sq u i c k l y ；t h ep o s i t i v ep r e s s u r ep e a kv a l u ea l w a y st u r n su pb e f o r em i n i m u m o i l - f i l mt h i c k n e s s ；a tt h es a m ej o u r n a l o s c i l l a t o r yf r e q u e n c y , t h el a r g e ro s c i l l a t o r y a m p l i t u d ei s ，o rt h et h i n n e rt h eo i l f i l mt h i c k n e s si s ，t h em o r eo b v i o u ss l o w l yt h ep r e s s u r e i n c r e a s e s ；t h ep o s i t i v ep r e s s u r ep e a kv a l u er a i s e st h e ng o e sd o w nw i t ht h ei n c r e a s eo f o s c i l l a t o r yf r e q u e n c y t h ea b s o l u t ep o s i t i v ep r e s s u r eh a db e e nc o l l e c t e d ；a st h es a m e m i n i m u mo i l f i l mt h i c k n e s s ，r o u n db u b b l eo rf e r nb u b b l eb e c o m e sb i g g e rw i t ht h e i n c r e a s eo f o s c i l l a t o r yf r e q u e n c y , a n dc o v e r sm o r er e g i o n i nc o n s i d e r a t i o no fe x p e r i m e n t r e s u l t s ，t h ee x c e l l e n tp e r f o r m a n c eo ft h ev e r y e q u i p m e n td e m o n s t r a t e st h a tt h et e s tr i gd e s i g na n de x p e r i m e n tm e t h o d sa r er e a s o n a b l e a n de f f e c t i v e ；i tw il lb eh e l p f u lt oe s t a b l i s ht h et w o d i m e n s i o ns q u e e z eo i l f i l mm o d e la n d v i i t os e a r c ht h ed i s c i p l i n eo fo i l f i l md i s t r i b u t i o ni nd y n a m i c a l l yj o u r n a lb e a r i n g s k e y w o r d s ：t e s tf i g ；d y n a m i c a l l yl o a d e dj o u r n a lb e a r i n g ；s q u e e z eo i l - f i l m ；d a t aa c q u i s i t i o n ； d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ；o i l f i l mp r e s s u r e ；o i l - f i l mp h o t o s ；o s c i l l a t o r yf r e q u e n c y ； o i l 。f i l mt h i c k n e s s v i i i 原创性声明 本人声魄：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。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发表或撰 写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了蹯确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 2 0 0 9 3 本人完全了解上海大学有关保篷、使用学位论文的规定，器器：学校 有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容。 ( 保密薛论文在解密后应遵守此援定) 签名：翻墨 导师签名：殓羔。困日期：2 辑 上海大学学位论文第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 大型火电机组灾难防治的关键问题之一，是使其设计、监测、运行、分析和维 修建立在对灾难环境和触发因素的基础之上，其中特别是转子系统中各种主要构件 的动力激励；而动载滑动轴承油膜的激励又是转子系统激励因素的重要方面。这就 对动载滑动轴承性能提出了更高的要求。 目前非线性轴承油膜力的计算分析中，采用的均是稳态油膜边界条件，还未建 立完善的动载油膜力模型。然而外来的扰动如地震、爆破、外载荷的变化等工况下 油膜形态和静载工况有很大的不同：动载引起全油膜状态的变化，载荷和转速的变 化使得轴承上下游区的油膜整体迁移；空穴分布明显变化，出现大量破碎的小空穴， 压力也出现变化；这将会引起轴心位置相对于平衡位置的变化，容易引起油膜振荡， 引发灾变性的事故。虽然研究者也注意到这样的情况，但由于影响动载油膜的因素 众多，且动载的形式变化多样，以致使其研究发展十分缓慢。为了反映大型转子系 统中滑动轴承动载油膜分布的实际情况，阐明其复杂繁多的图像规律，防止动力学 诱因导致灾难，对动载滑动轴承油膜挤压效应的研究尤为必要。 课题来源：国家9 7 3 项目子项目“大型火电机组转子支撑的非线性模型研究 的后续研究。 1 2 研究的意义、内容和目的 随着火力发电的广泛应用，人们对大型火电机组的安全性和稳定性要求越来越 高。涉及到发电机，就会谈到转子系统，而转子的支撑要用到轴承。由于滑动轴承用于 低速重载的工况，火电机组因为电磁分布不均等原因，经常涉及到重载，因此有必要 对动载滑动轴承油膜分布进行研究。 滑动轴承可以分为静载、动载两种。静载就是指载荷大小和方向都不变，而动 上海大学学位论文第一章绪论 载就是指载荷大小或( 或者和) 方向随时间发生变化；静载滑动轴承的理论比较完 善。而动载滑动轴承的分析由于涉及因素复杂，计算繁琐，使得这个问题成为流体 力学润滑尚待解决豹阕题【l 】。 在动载滑动轴承里，油膜的作用是承受载荷，减小摩擦和磨损。研究油膜的压 力分布，可以知道多厚的油膜在某工况下可以承受多大的载荷，对于滑动轴承的实 际应雳有重要的意义。一般通常认为液体不能承受负压强，在负压的作溺下液体中 产生空穴，不能保持成为连续的液体，对润滑油来说，也就是油膜破裂。 动载荷轴承就其工作原理可以分为两类。第一类动载荷轴承是同时期存在轴颈 绕基身中心转动和辘颈中心的运动，此时轴颈和辘承表面主要是相对浮动，漶膜蘧 力由动压效应产生。另一类是轴颈不绕自身的中心转动，而轴颈中心在载荷作用下 沿一定的轨迹运动，此时轴颈和轴承表面主要是沿着油膜厚度方向运动，油膜压力 壶挤压效应产生。因此，油膜压力包括两个来源：轴颈转动产生豹动压效应和轴心 运动产生的挤压效应【2 】。 动载的空穴是在滑动轴承的旋转和挤压双重作用下产生的。为了突出动载荷对 油膜气穴的直接影镌，去掉旋转剪切效应，仪考虑挤压运动的作用，采瘸试验轴承固 定试验轴颈涡动的挤压油膜实验，这是对动载滑动轴承工况的简化，可直接对同频涡 动滑动轴承挤压弓i 起的油膜分布现象进行研究。即对简单的滑动轴承动载工况进行 研究。 通过对动载滑动轴承油膜挤压效应的研究，方面可以得到仅考虑挤压效应时 油膜空穴的产生、长大及破裂的机理，空穴的形状和产生的位鬣，并完善前人工作 的不足之处，另一方西，通过对挤压效应的研究，可以更好解释动载溪动辘承油膜 分布机理，为解决实际滑动轴承工作时出现的问题提供理论依据。 到目前为止，虽然很多研究者对动载滑动轴承油膜分布机理进行过较深入的理 论翻仿真的研究，有了一部分的试验研究结果，但是动载荷情况下，漓膜空穴现象 仍需要进一步解释，还有许多问题没有解决，包括：l 动载油膜空穴开始产生的标准； 2 空穴内到底是什么介质；3 空穴能否由全油膜区清晰地分离，或者能否认为由于流 体内溶有太多的空穴，润滑油膜可视为二相流。所以还需对动载滑动轴承油膜分布 机理进行进一步的研究，单独研究动载情况下的纯挤压油膜分布是必要的，通过挤 2 上海大学学位论文第一章绪论 压油膜分布机理的研究结果，将能深入探究一些尚未解决的问题，推进对动载滑动 轴承油膜分布机理的认识，确立动载油膜边界条件的理论提供实验依据。 1 3 国内外动载滑动轴承油膜挤压效应的研究概况 了解已有的动载荷引起的滑动轴承油膜挤压效应的研究是深入研究动载滑动轴 承油膜机理的必要工作。动载滑动轴承油膜挤压效应的研究就是为了去掉滑动轴承 的旋转剪切效应，突出动载荷对油膜气穴的直接影响。许多科研工作者已经对动载滑 动轴承油膜机理进行了理论和实验研究，并取得了很大的成果，为推动动载滑动轴 承油膜的研究做出了巨大贡献。 1 3 1 动载滑动轴承油膜机理的理论研究 在润滑理论发展的初期，人们就发现在静载时轴颈的非承载区产生了空穴【3 】。 人们在最初的分析中常常是不考虑空穴的影响，如s o m m e r f e l d 边界条件和半 s o m m e r f e l d 边界条件认为只有油膜收敛区内存在完整油膜 4 】。 1 9 3 1 年和1 9 3 3 年，s w i f t 和s t i e b e r 分别从稳定性和流体连续的角度导出相同的 边界条件，即著名的雷诺边界条件。随着认识水平的提高，人们发现在解决动载问 题上理论有缺陷， 于是后人又有了大量的研究，其中最典型的就是j a k o b s s o n ，f l o b e r g 和o l s s o n 提 出了质量守恒边界条件。【5 】 许多学者对质量守恒边界条件进行数值实现研究。e l r o d 和a d a m s 提出了一种 新的算法，并且在此基础上由e l r o d 6 对此算法进行了改进，其特点就是通过引入一 个新的变量0 和开关函数g ，将描绘油膜完整区和空穴区的方程统一为一个通用方 程，在数值计算中自动确定动态边界。其后d e b r e w e 7 、j a y a r a h a v a n 8 、k u m a r 和b o o k e r 9 10 ，b r u n ov i n c e n t 1l 】、b a y a d a g 12 等都是基于质量守恒边界条件提出 不同算法。1 9 9 7 年，张朝在其博士论文中对e l r o d 算法进行了改进，推导出油膜完 整区和空穴区的统一方程式，建立了流体不可压缩空穴模型，以研究如何提高高速 重载滑动轴承热弹流承载能力及设计水平 1 3 】。 1 3 2 动载滑动轴承油膜机理的实验研究 上海大学学位论文 第一章绪论 随着旋转机械向高转速、大跨度、柔性轻结构、重载等各个方向发展，滑动轴承 工作环境越来越复杂，因此对滑动轴承的工作性能要求也越高，为了获得性能更好 的滑动轴承，实验研究油膜机理是非常重要的。 1 9 2 5 年，b l n e w k i r k 和h d t a y l o r 首先在柔性转子实验台上观察到由油膜引 起的振动现象。 1 9 3 2 年s w i m 和s t i e b e l 也开始这个问题的研究，他们认为空穴内部压力为常数 且和大气压差不多。 1 9 5 6 年c o l e 和h u g h e s 首先使用与实际间隙比相仿的玻璃轴承套，直接观察了 静载滑动轴承内油膜的形态，并获得一定数量的照片。他们观测到在油膜发散区油 膜破裂呈细条状，轴承宽度内各处开始破裂的位置基本一致，改变供油压力对油膜 破裂的位置没有影响。 1 9 7 6 年d d y e r 和b r r e a s o n t 从实验中得到油膜的张应力最大可以到 7 4 0 k n m 2 ；尤其重要的是作为特殊现象提出的有大至5 8 0 k n r n 2 的压强出现 1 4 】。这 个应该指的是油膜的负压 1 5 】。 1 9 8 3 年b d j a c o b s o n 和b j h a m r o c k 1 6 首先用高速相机拍摄动载轴承中的空 穴，认为同时油内可能存在气体气穴和蒸汽气穴，气体气穴从开始为单个气泡，然 后越来越大，直到空穴的数量恒定，甚至能迁移到高压区不破裂。 1 9 8 5 年k a w a s e t 和s o m e y a t 观察到两种类型的初始空穴：一种是蕨类植物样； 一种是小圆形( “o ”形) 。并且用高速摄像机拍下油膜中空穴，重复测到负压出现， 但不是真正的负压【1 7 】。 1 9 8 7 年s n a t s u m e d a 和t s o m e y a 观察到的最大张应力( 负压) 是一1 2 m p a 。得 出偏心率越大，则压力变化越大，负压越大【l8 】。 1 9 9 7 年孙美丽作了3 6 0 。动、静载荷滑动轴承油膜分布实验台的设计及实验研 究 1 9 1 ，得出： 静偏心占主导地位的时候，在低速下，有类似静载工况下的油膜分布存在喇叭 口状的过渡区。 1 )小扰动的情况下，油膜空穴分布区域明显随转速变化，转速越高空穴区 域变大。 4 上海大学学位论文第一章绪论 2 )大扰动的情况下，由于挤压作用，油膜分布的区域波动较大。 1 9 9 7 年孙美丽还作了大扰动情况下滑动轴承内瞬态油膜分布的研究，将实验值 和理论值进行比较得出 2 0 】：不同循环内观察到的同一时刻上的气穴分布几乎完全相 同。这说明动态气穴确有内在的物理规律。 2 0 0 4 年刘枫、孙美丽进行了滑动轴承全油膜分布的实验研究 2 1 】 2 2 ，获得了 全油膜照片，认为： 小扰动工况下，油膜分布不会随着最大动偏心位置的变化而明显变化，形状会 随着最大动偏心位置的变化而做出相应的伸缩。 大扰动工况下，油膜分布随着最大动偏心位置的变化而做周期性变化，空穴可 以出现在圆周方向的任何区域。 不足的是：所拍摄的是变形后的图像，且不够清晰。 2 0 0 6 年陈滢、孙美丽等在对现有滑动轴承油膜实验台改型设计的基础上，进行 了滑动轴承油膜分布和油膜压力同步采集的实验研究，并和理论计算进行了比较， 得出【2 3 】： 小扰动工况下，动偏心率的增加对油膜压力峰值不会有太大的影响。轴颈转速 越快油膜压力峰值以及峰一峰值越大，油膜最大压力峰值出现的位置较最大动、静偏 心处滞后一定的相位，且油膜压力上升的速度比下降的速度要缓慢一些。 a ) 大扰动工况下由于油膜历史的影响，轴颈转速越快油膜压力峰值不一定升 高，油膜破裂严重时，油膜压力峰值反而下降。最大压力峰值出现的位置多 数时候较最大动、静偏心处提前一定的相位，但是少数时候较最大动、静偏 心处滞后一定的相位。当轴颈出现磨损时，油膜压力现象和大扰动一致但压 力值较小。 b ) 动偏心率对小扰动工况下的油膜分布影响不大，油膜破裂位置不会随着最大 动偏心位置的变化而变化。 c ) 大扰动工况时，油膜破裂的位置及区域，随着最大动偏心量位置改变而变化。 油膜历史对油膜分布有较大的影响。油池内油量的多少对油膜分布影响较 大，半油池较满油池油膜更容易破裂，且一旦破裂，破裂区域也较大，持续 时间也较长。 5 上海人学学位论文第一章绪论 不过，实验中所拍摄的油膜图像仅是局部的，且图像效果不够理想；油膜压力 的采集也不够精确。 2 0 0 7 年，房超峰对大扰动工况下油膜全景空穴分布图像及油膜压力进行了瞬态 同步采集，并将图像进行了油膜原形展开，并得到大扰动工况下油膜空穴区域随最 大动偏心位置迁移而迁移的结论 2 4 】。 从上面的概括来看，人们对动载滑动轴承油膜机理已进行了大量的实验研究， 并取得了丰硕的成果，使人们对动载情况下滑动轴承油膜分布及压力分布有了一定 得了解，但由于轴承油膜薄，以及光学系统和拍摄设备的限制，人们并没有得到非 常清晰的油膜图像，动载工况下油膜空穴分布以及油膜压力理论上和实验上的研究 也非完全一致，因此动载荷情况下，还有许多问题没有解决，油膜空穴现象仍需要 进一步解释。 1 3 3 动载滑动轴承油膜挤压效应的实验研究 为了解释油膜空穴现象，进一步弄清动载滑动轴承油膜分布机理，许多科研工 作者去掉旋转剪切效应，仅对动载滑动轴承的油膜挤压效应单独进行了研究，以探 究油膜挤压对滑动轴承油膜分布的影响，通过提取油膜挤压效应更容易分析研究油 膜空穴现象。人们在实验研究油膜挤压效应时通常采用的方法有一维油膜挤压和二 维油膜挤压，一维油膜挤压主要试验形式为矩形板挤压和圆盘加压，二维油膜挤压 主要试验形式为球面挤压和径向轴承挤压。 1 8 7 4 年，s t e f a n 分析了两块圆板互相趋近时其间歇内的流场，并得到了压力分 布解，这比雷诺1 8 8 6 年的楔形油膜论文还早8 年 2 5 】。 1 9 6 4 年，d o n a l dfh a y s 和j a m e sbf e i t e n 做了两平板间的油膜实验，通过在 润滑油里添加荧光粉的做法，获得了一系列的照片，对所观察到的现象进行了探索 性的解释，但没有记录下相应的压力值，且油膜中添加了许多易成为气泡核的荧光剂， 但荧光粉使气穴聚集，影响了气穴的真实形貌 2 6 】。 1 9 7 0 年，w h i t e 2 7 在滑动轴承挤压油膜实验中发现油膜力要比预期的低，从一 个有机玻璃轴承套中观察到在高的油膜压力区破裂。因此他认为空穴是造成油膜承 载力下降的原因。 6 上海大学学位论文第一章绪论 1 9 7 9 年，h i b n e ra n db a n s a l 2 8 】测量到挤压油膜的压力分布，但发现这与传统的 不可压缩理论不一致，因此推测可能是由于空穴的压缩性造成的，所以他们建议建 立二项流模型。 1 9 8 4 年，p a r k i n s 和m i l l e r 2 9 在他们的平行平板实验记录了压力值及相应的油膜 分布照片，但照片效果不够理想。 1 9 8 7 年，f e n ga n dh a h n 3 0 计算了二项流模型，在认为空穴内气压为绝对零压 下，在他们搭建的挤压膜实验台上，他们发现无论是传统不可压缩流体理论还是二 项流模型都较好的保持了与所测数据的一致性。 同年，w a l t o n 3 1 开展了滑动轴承挤压油膜的可视化研究，发现不可压缩润滑 理论不能很好解释所观察到的空穴现象，但是没有提供任何二项流形式的证据。 1 9 8 9 年，z e i d a na n dv a n c e 3 2 】同时进行了挤压油膜的压力采集和油膜可视化的 研究，他们认为空穴是由外界空气进入而产生的。 1 9 9 1 年d c s u n 和d e 。b r e w e 改进了实验设备模拟滑动轴承挤压油膜实验，即 不考虑剪切力的影响，获得较好的空穴照片。通过实验总结出 3 3 1 ： 1 ) 气穴气泡出现在流体的中间，然后扩张，再就缩小直至破裂。 2 ) 小的轴承间隙、高速旋转、大的偏心值都易导致空穴的发生且空穴区域增大， 持续时间长。 由于在标准大气压下就能形成气体气穴，而在绝对零压即低于一个大气压下才 能形成蒸气气穴，所以只通过可视化研究不能说明气穴气泡的成分，只有测量油膜 压力才能说明问题。 19 9 3 年d c s u n 和d e b r e w e 以及p b a b e l 改进实验设备，使得可视化和压力 采集同步进行，此时进行的还是挤压工况的实验。通过实验得出 3 4 】： 1 )气穴气泡含有油蒸气，但很可能也是空气。空穴气泡的压力接近绝对零 压。 2 )在同样的工况下，气穴时常不出现。压力测量说明油膜承受一个张力。 3 )气穴的出现有否主要依赖于气穴核的有效性。 1 9 9 4 年，西安交大刘雍【3 5 】等人进行了挤压油膜阻尼器内气穴现象的实验研究， 采用压力传感器测试了同心挤压油膜阻尼器在稳态运动时的压力分布，同时，借助 7 上海大学学位论文 第一章绪论 高速摄影机观察了油膜中气泡群的微观运动状态，用照相机纪录了油膜的宏观运动 状态。 2 0 0 4 年，孟凯等人在论文中介绍了自制的恒轨迹挤压油膜实验台，模拟滑动轴承 的动载工况，以期对动载油膜空穴的本质进行更深入的研究 3 6 】。 2 0 0 4 9 ，孙美丽、陈晓阳、d c s u n 等人设计了恒轨迹挤压油膜实验台 3 7 】，并 做了大量实验，不仅采集到负压，而且还获得了清晰的油膜分布图像。 以上文献表明，人们对动载滑动轴承油膜挤压的研究随着科技进步和认知水平 的提高一步一步在前进。在理论研究与实验方面都有很多可喜的成果，但还是存在 问题，首先，没有真正弄清动载滑动轴承的空穴现象，其次，由于受到实验设备等 客观条件的影响，图像清晰度不够，影响了分析研究。因此有必要对动载滑动轴承 油膜分布机理进行深入研究。 1 4 动载滑动轴承油膜挤压效应的研究内容 1 ) 进行动载滑动轴承油膜挤压实验台的设计，使其能同步采集油膜压力和油膜图像 分布，并获得准确的油膜压力分布和清晰的全景挤压油膜图像； 2 ) 根据实验要求建立数据采集电路系统，选择适合的压力传感器和数据采集卡和采 集系统； 3 ) 对采集到的压力数据和油膜图像进行处理，以方便分析研究； 4 ) 在不同转速与偏心率的工况下进行多组实验，分析研究挤压油膜的分布规律。 8 上海大学学位论文 第二章动载滑动轴承挤压油膜理论基础 第二章动载滑动轴承挤压油膜理论基础 如果载荷沿着油膜厚度方向交替变化，支承面之间的润滑剂就会受到挤压作用。 当载荷交替变化的速度适当时，支承面间的润滑剂来不及全部都挤出而形成挤压膜 润滑。动载滑动轴承通常受到挤压和动压两种载荷作用，动载滑动轴承润滑理论基 础的理论基础是雷诺方程，求解雷诺方程时边界条件一般采用雷诺边界条件或者质 量守恒边界条件。 2 1 动载滑动轴承润滑理论基础 2 1 1 雷诺方程 自从b t o w e r 在其著名实验中发现了动压现象 3 8 】，18 8 6 0 r e y n o l d s 根据试验结 果分析了它的机理并导出了描述润滑膜压力分布曲线的微分方程 3 9 】，奠定了流体动 力让润滑理论的原始基础。从质点运动方程和连续性方程出发导出了n s 方程，为 便于求解，将n s 方程经过如下7 个假设【4 0 】： 1 )流体粘度保持常数； 2 )支配流体运动的惯性项略去不计； 3 )流体是不可压缩的； 4 )流体是牛顿流体； 5 )和平行于表面的运动相比，对沿垂直于表面方向的流体运动可以忽略； 6 )贯穿流体膜厚度无压力梯度； 7 )表面是无限刚性的。 便得到了简化后的雷诺方程，其一般表达式如下所示： 晏f 壁妻1 + 旦f 壁妻1 ：6 u 丝+ 1 2 0 h ( 2 1 ) 缸l 1 苏o ylq 匆j o xo t 、 其中，x 、y 分别表示轴承径向和轴向的坐标；p 表示油膜压力；h ：油膜厚度；t 1 ： 运动粘度；t ：时间；u ：速度。 2 1 2 雷诺边界条件 9 上海大学学位论文 第二章动载滑动轴承挤压油膜理论基础 为求解雷诺方程，研究者做了大量的研究工作，提出过多种边界条件的假设， 其中雷诺边界条件认为完整油膜的终止边取决于下列条件， p = p 4a 罢= 0 ( 2 2 ) 结合e l r o d 5 和张直明 4 9 】对雷诺边界条件的描述之后，得到的表达式，其中， 墨表示坐标张量的分量，见表示环境压力。 在实际应用中，为了计算方便，常采用负压力归为零的方法来逐渐逼近破裂边 界，满足雷诺边界条件。 2 1 3 质量守恒边界条件 在实际应用中，雷诺边界条件应用在油膜破裂处较合理，但无法正确解释油膜 再形成时的情况和实验中的一些油膜分布的情况。 于是后人又做了大量的研究，其中最典型的就是j a k o b s s o n ，f l o b e r g 和o l s s o n 提出的质量守恒边界条件。此边界条件建立在油膜破裂和再形成边界处流量守恒的 基础上，认为整个润滑区可分为两个部分：油膜完整区和空穴区。在油膜完整区雷 诺边界条件仍然适用，假设流体在空穴中以条状形式流动并且与轴瓦和轴颈表面均 不脱离开，且空穴区内压力为常数： 在e l r o d 的论文【5 中，表示成如下式的形式： 南寿2 抄的 他3 ) 其中，u ，表示速度张量的分量，0 ，表示油膜在f 坐标方向上的体积比。 在数值求解算法中，我们常采用该式的变形形式，如文献【3 4 】中用到的形式： p 。( 掣 、= 警+ 警 汜4 ) i 其中，o ：油膜体积比；h ：油膜厚度；t ：时间；p c ：油膜空穴的密度；砌，： x 方向质量变化量；州：z 方向质量变化量；缸：x 变化量；止：z 变化量。 在用此边界条件求解雷诺方程时候，常将雷诺方程的一般形式变形成如下形式 1 0 上海大学学位论文 第二章动载滑动轴承挤压油膜理论基础 的表达式： 掣+ ( 弘卸( 舡。5 ) 其中，0 ：油膜体积比；1 3 ：弹性模量；h ：油膜厚度；g ( 9 ) ：标志函数；p ： 运动粘度；t ：时间；v ：速度张量。 2 2 径向轴承挤压润滑理论 在分析挤压油膜润滑时，假定支承面之间无相对滑动，则雷诺方程的一般表达 式( 2 1 ) 变为 昙( 厅3 塞) + 专( 厅3 考) = ，加尝 ( 2 m 如下图2 1 所示，径向轴颈在载荷w 作用下形成挤压润滑时，轴心移动速度为 尘：c 塑，而油膜厚度变化依各点位置而不同，即 一d e ：c c 0 0 s 塑( 2 1 )= c c l z j 显然，在三 e 0 ) p v = 0瓯o ) ( 5 5 ) 式中口轴承接触角 上海大学学位论文 第五章实验台主轴转子系统的动力学特性分析 v 各滚珠中心与最大负荷滚动体中心之间的夹角 各滚珠负荷为 g = 1 1 5 术1 0 1 1 , ( 见3 ) “2 ( 5 6 ) 由滚珠受力平衡得： f c = gc o s a c o s y 【c = g s i n 口 ( 5 7 ) 但要由式( 5 7 ) 来计算轴、径向负荷与位移关系还是比较复杂，而轴承在主轴的 实际应用中是一种特殊情况，针对这种特殊情况进行分析可使问题大大简化。 5 2 3 2 轴承的轴向预紧与位移 轴承在主轴结构中，采用定压预紧和定位预紧两种方式。其中轴向定位预紧特 点是预紧时轴承内、外环产生轴向相对位移，预紧后受外载荷作用，轴承间距保持 不变，设仅受径向外载荷作用时，内外环仅有相对径向位移而无轴向位移。 若预紧力为吒o ，这时各滚珠受力一致，变形一致，则每一滚珠的负荷为： q = 厶( z s i n a ) ( 5 8 ) 式中z 为滚珠数目。 将式( 5 8 ) 代入式( 5 3 ) ，可求得各滚珠与内、外滚道接触变形为： 6 = 4 2 3 幸1 0 - 8 * ( z 2s i n 2 口d 6 ) 州3 只。2 仃 ( 5 9 ) 轴承内、外环轴向相对位移为 8 。= 6 s i n a = 4 2 3 宰1 0 - s 奉( z 2s i n 5 口d 6 ) 圳3 e 。2 仃 ( 5 1 0 ) 5 2 3 3 轴承的径向刚度 轴向预紧后，如再受到径向负荷f r 作用，内、外环产生相对径向位移o r ，假设 预紧方式为轴向定位预紧，则受到径向负荷作用时，轴向位移仍为预紧时轴向位移 6 。 这样，各滚珠处弹性变形为 6 i ，2 6 , , os i n a + 8 , c o s a c o s 、。 ( 5 11 ) 上海大学学位论文第五章实验台主轴转子系统的动力学特性分析 代入式( 5 6 ) ，各滚珠负荷为 q = 1 1 5 宰1 0 绣2 ( 6 。s i n a + 8 ，c o s a c o s w ) 3 坨 根据受力分析，径向负荷f ，等于各滚珠负荷在径向分量的代数和， ( 5 1 2 ) 即 c = g c o s a c o s 、l ， = l 1 5 洲1 0 o b l 2 c o s a ( 6 。s i n a + 6 c o s a c o s w ) 3 2c o s w ( 5 1 3 ) b k 式( 5 1 3 ) 可知，随着6 ，增大，f r 增大，但增大情况随预紧情况变化而变化，在 a o 较小时，f r 与6 ，非线性关系明显，而在6 唾交小时，f r 与6 ，近似线性关系，只有当 r 增大到足以使滚珠与内、外滚道不全圈接触时，这种近似线性关系才出现较大的 误差。 轴承在主轴工作中，即属于6 ，较小而6 。哇迂大的情况，因此可以考虑f r 与6 ，为线 性关系，此时，径向刚度为常数，等于6 0 时径向刚度值。 将式( 5 1 3 ) 两边对6 ，求导得 筹= 1 伊l 0 l l 叫胆c o 泐j 3 ( 6 口0 s i n 口+ 6 ，c o s s 、i ，) j 2c o s v ( 5 1 4 ) 径向刚度 墨2 瓢一m 1 1 。见1 2 c o s a 2 兰c 6 , , o s i n a ) 2 c 。叩 当6 0 ，属于全圈接触，所以 c 。s v 2 = z 2 ( 5 1 6 ) _ 一 i 、 代入式( 5 15 ) ，并整理得 k ：1 7 7 2 3 6 ( z 2 见) 号( 巴) ( n u m ) ( 5 1 7 ) 根据上式，能比较方便地求静态条件下预紧后角接触球轴承的径向刚度群。 5 2 3 4 实验主轴轴承静刚度的计算 7 2 0 7 b e 犁角接触球轴承参数： 上海大学学位论文第五章实验台主轴转子系统的动力学特性分析 滚动体数目z = 1 2 滚动体直径包= 9 5 2 5 m m 接触角a = 4 0 。 轴向预紧力瓦= 1 5 0 n 以上参数带入式( 5 1 7 ) ，算得轴承的径向刚度： k = 7 1 1 5 n u m 5 3 实验主轴转子系统的有限元模态分析 为了更真实、准确、有效地对主轴转子系统进行仿真分析，采用有限元进行三 维建模。 5 3 1 有限元几何模型的建立 a n s y s 提供两种创建模型的方法【4 2 】：利用a n s y s 前处理器c a d 实体建模 功能创建实体模型，利用a n s y s 提供与c a d 软件进行数据交换的接口功能，导 入导出实体模型。为了建模的方便快捷，特别是对于复杂模型的建立，使用第二种 方法有效节约时间和提高工作效率，本文在u g 中建立主轴的三维模型，然后建立 的主轴的u g 几何模型导入a n s y s 环境中。 u g 几何模型导入a n s y s 步骤： 1 ) 在u g 环境中选择e x p o r t ，将所建的几何模型导出为p a r a s o l i d 模型文件； 2 ) 在a n s y s 环境下，选择i m p o r t 导入在u g 环境下建立的p a r a s o l i d 模型文件， 导入后整个模型不可见； 3 ) 选择p l o t c t r l s s t y l e s o l i dm o d a lf a c e t s h n o r m a lf a c e t s 生成面单元； 4 ) 选择p l o t v o l u m e s 生成几何体单元，a n s y s 环境中的几何模型建立完成。 5 3 2 材质参数和网格划分 由已建立的主轴转子轴承系统模型知道，只需要对主轴定义材料属性，主轴材 料为2 c r l 3 ，材质物理性能参数为： 弹性模量2 1 木1 0 1 1 n * m 。2 4 l j ： * 女口驻自主# 转f 系境的 特忡# 析 泊松比03 密度78 + 】0 3 k g * m 。 重力加述度98 m * s 2 同格划分的质量优劣对计算结果产生相当大的影响，选用2 0 个节点的s o l i d 9 5 六面体结构单元，它有协调的取代形状和能很好的适应模型曲线边界，能达到机构 对实际变形的一个更好程度表达，计算精度较高。用映射法( s w e e pm e s h ) 对丰轴 进行嘲格划分，主轴网格划分如图5 4 所示： 曲5 4 土轴硝格划舟j 羹掣 5 3 3 主轴支承系统有限元模型建立 如图52 生轴支乐系统动力学校型所示，主轴轴承动力学的分析模型中用四个削 向上均布的弹簧柬描述角接触轴承的弹性支承，在软件a n s y s 中分析时每个弹簧 用一个弹簧m 尼单冗c o m b i n l 4 来模拟。c o m b i n l 4 弹簧一阻尼单元c o m b i n l 4 可应用 于维、二维或二维中问在纵向的弹性一阻尼效果。当考虑为纵向弹簧阻尼时，该 元素是单轴向受拽力或压缩，碡个节点町具有x ，y ，z 位移方向的自由度，不考虑 弯曲及扭转。弹簧一阻尼元素下具有质量，c o m b i n l 4 弹簧阻尼单元由同阁向丰轴上 和轴承座上的两个节点构成。由5 22 节以分析的主轴支承系统的振动形式主要是垂 直振动，在添加位移约束时，为了限制丰轴沿轴向方向的移动，弹簧单元t 轴上四 自# # 自山半特性h * 个节点n l 、n 2 、n 3 、n 4 上施加轴向零位移约束，限制其轴向自由度，弹簧单元座 四个节点n 5 、n 6 、n 7 、n 8 上施加a l ld o f 约束而完全固接，这样完成了对油膜 轴承的模拟 4 3 1 。 小考虑轴承负荷发转谜的变化等对轴承刚度的影响，视轴承刚度为不变的常数。 在添加c o m b i n l 4 弹簧阻尼单元的实常数时，将以上已算得的轴承剐度 世= 7 115 n u r n 分别设定为弹簧阻垲单元的弹簧刚度参数。主轴支承系统有限元模型 见蹦55 。 5 3 4 模态结果分析 5 5 土轴系统模忐分析有l i n g ：模掣 振型的大小只是一个相对的位移值，它表