（机械设计及理论专业论文）动载滑动轴承瞬态全油膜迁移的研究.pdf

摘要 本文在前人研究的基础上对滑动轴承实验台系统进行改型设计，利用高速 c c d 对动载3 6 0 0 全油膜图像进行了瞬态采集，获得了清晰的全油膜空穴分布图像， 并基于虚拟仪器技术对油膜压力进行了同步采集，获得了精确的油膜压力。 根据所得全油膜图像灰度分布规律，利用边缘检测算子对图像进行边缘提 取，除去无用的点；随后利用最小二乘法，求出圆环圆心和半径；最后利用坐标 变换把全油膜圆环图像展开，消除了变形，获得了较理想的全油膜空穴分布图像， 且更方便与理论计算对比分析，为探索动载油膜空穴瞬态迁移规律，建立动载油 膜模型提供有力的实验依据。 对e l r o d 算法进行改进，得到不可压缩流体空穴算法，并开发了相应的计算 手段，使质量守恒边界条件更为简便而精确地应用于轴承计算实际。 在不同动载工况下做多组实验，通过对比分析同一旋转周期内瞬态全油膜图 像和油膜压力，对动载全油膜空穴的迁移进行实验研究，并与理论仿真结果相对 照，探索动载油膜空穴迁移变化规律。 通过本文研究，得出在动载工况下动偏心率比静偏心率越大，越体现动载特 性，油膜空穴区域随最大动偏心位置迁移而迁移的幅度越大；反之，越体现静载 特性，油膜空穴区域越稳定等有益结论。 关键词：动载；全油膜：图像后处理；空穴算法；迁移 本课题得到国家9 7 3 项目子项“大型火电机组转子支承的非线性模型研究”资助 v i a b s t r a c t am o d i f i e dd e s i g no f t h e j o u r n a lb e a r i n gt e s tr i gh a sb e e nc a r r i e do u tt o i m p r o v ei t sc a p a b i l i t i e s b yu s i n gh i g h - s p e e dc c dp a n o r a m i cp h o t o so f t h ew h o l e o i lf i l mw e r ec o l l e c t e da n dc l e a rp h o t o so f w h o l e - o i l f i l mc a v i t a t i o nw e r eo b t a i n e d b a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , o i lf i l mp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n sw e r e s i m u l t a n e o u s l yc o l l e c t e da n da c c u r a t ep r e s s u r ev a l u e sw e r eg a i n e d a c c o r d i n gt ot h ed i s c i p l i n eo f p h o t og r e yo f w h n l eo i lf i l mg a i n e d ，b o u n d a r i e s o f t h ep h o t ow e r ee x t r a c t e da n du s e l e s sp o i n t sw e r er e m o v e db yu s i n ge d g e d e t e c t i o no p e r a t o r s u b s e q u e n t l y , t h ec e n t r ea n dr a d i u so f c i r c l e sw e r ew o r k e do u t b ym a k i n g u s eo f t h el e a s ts q u a r em e t h o d f i n a l l y , t h ec i r c l eo f w h o l eo i lf i l mw a s o u t s p r e a d e ds ot h a td i s t o r t i o nw a se l i m i n a t e da n dq u i t ei d e a lp h o t o so f c a v i t a t i o n d i s t r i b u t i o n o f w h o l e - o i l - f i l m w g r e a t t a i n e d b y t h e m e t h o d o f c o o r d i n a t e t r a n s f o r m i tc o u l dm a k ei ti nf a v o ro f c o m p a r i n gw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n d o f f e rp o w e r f u l l ye x p e r i m e n t a lg i s tf o rg r o p i n gf o rt h ed i s c i p l i n eo f c a v i t a t i o n d i s p l a c e m e n ta n de s t a b l i s h i n gd y n a m i c a l l yl o a d e do i lf i l mm o d e l b a s e do ne l r o da l g o r i t h m , t h ei n c o m p r e s s i b l em a s s - c o n s e r v i n gc a v i t a t i o n a l g o r i t h mw a sd e r i v e d a n dn u m e r i c a lw i 廿lt h ea l g o r i t h mh a sb e e ns o l v e d i tc o u l d m a k et h em a s sc o n s e r v i n gb o u n d a r yc o n d i t i o nm o r ee a s ya n dp r e c i s et oa p p l yi nt l l c a c t u a la n a l y s i s g r o u p so fe x p e r i m e n t sw e r ed o n eu n d e rd i f f e r e n td y n a m i c a ll o a d e dc o n d i t i o n s b yc o m p a r i n gt h ep r e s s u r ea n dc a v i t a t i o nd i s t r i b u t i o n si nac y c l eo f r o t a t i o n , t h e t r a n s f e r e n c eo f d y n a m i c a l l yt r a n s i e n tf i l mw e r es t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s w e r ec o m p a r e dw i t ht h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t so b t a i n e db yt h em o d i f i e d e l m , sc a v i t a t i o na l g o r i t h m t h ed i s c i p l i n eo f c a v i t a t i o nw e r ee x p l o r e d t h r o u g ht h es t u d y , u s e f u lc o n c l u s i o n sw e r ed r a w n i tw a sf o u n dt h a tt h e b i g g e rt h ed y a a 删e c c e n t r i c i t yr e l a t i v et ot h e s t a t i ce c c e n t r i c i t y ，t h em o r e p r o n o u n c e dw a s t h ed y n a m i c a l l yl o a d e dc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dt h eg r e a t e rt h e d i s p l a c e m e n to f t h ec a v i t a t i o nr e g i o n t oc o n t r a s t , t h es t a t i c a l l yl o a d e d c h a r a c t e r i s t i c sw e r em o r ep r o n o u n c e dw h e nt h es t a t i c a l l ye c c e n t r i c i t yw a sb i g g e r v i i t h a nt h ed y n a m i c a le c c e n t r i c i t y k e y w o r d s ：d y n a m i cl o a d i n g ，w h o l eo i lf i l m ，p o s t p r o c e s s o r , c a v i t a t i o na l g o r i t h m ， d i s p l a c e m e n t 原创性声明 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。 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明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 上海大学学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题来源 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机理建模的基础之上，其中特别是转子系统中各种 主要构件动力激励的模型；而轴承的激励又是转子系统激励因素的主要方面。这 就对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行为的研究尤为必要。 本课题来源于国家9 7 3 项目子项“大型火电机组转子支承的非线性模型研 究”资助。这个课题的主要工作是：对非线性油膜力建立模型及理论分析，数值 计算，以及试验验证。本文主要是对滑动轴承实验台系统进行改型设计，实现同 一旋转周期内动载全油膜图像和油膜压力的瞬态同步采集，并编程实现对全油膜 图像边缘检测、展开等后处理，消除变形，且更有利于与理论比较，为建立动载 油膜模型提供有力的实验依据；对e l r o d 算法进行改进，得到不可压缩流体空穴 算法，并开发了相应的计算手段；随后对动载滑动轴承瞬态全油膜迁移进行实验 研究，并与理论仿真结果相对照，探索动载油膜空穴分布的规律。 1 2 课题研究的目的和意义 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。从经济实用的角度出发，要求火电机组中轴承的寿命更长，稳定性高，抗 振性好，故障少，当然更不能有重大的灾难影响生产。而火电机组的核心部分是 上海大学学位论文 第一章绪论 大型转子轴承系统，这样也就为轴承性能提出了更加高的要求。滑动轴承的油膜 不仅起着承受载荷，减小摩擦，消除磨损等作用，从动力学观点来看，它也是转 子一支撑系统中的一个重要环节，因此有必要对轴承油膜进行深入研究。 滑动轴承油膜之所以能够承受压力，是因为轴颈和轴套之间存在楔形，相对 运动产生动压，使得油膜具有承载力。当将润滑油压力降至大气压以下某一程度 时，在油里的气体由于溶解度降低而逃逸出来形成很多小气泡，并聚集形成大气 泡( 即气穴) “1 。对润滑油来讲，就是油膜破裂。气泡随润滑油的剪切运动而运 动，当气泡周围压力大于其内蒸汽压力时，气泡内的蒸汽会迅速水凝，压力也会 降低。但流场各点压力不均导致气泡变形并最后溃灭。在溃灭瞬间，凝液滴以及 气穴周围介质以非常高的速度冲向材料表面使之形成非常高速的水锤冲击，形成 穴蚀唧。 油膜还会影响整个系统的临界转速，转子不平衡所引起的振幅增加等，从而 影响系统的稳定性。随着外力、转子不平衡和偶然因素的加剧，受动力学诱因的 影响，可能出现半频和倍频涡动，逐渐达到共振临界值，自激励引起的振幅急剧 增加，出现危险的油膜振荡，严重时导致灾难。 随着高速重载高精度及其他更加复杂工况出现，由油膜剧烈震荡造成的转子 失稳带来的可能损失以及由气蚀引起的损失越来越大，危险性越来越高，尤其在 动载和大扰动的工况下，空穴的大小形态和数量相当可观，承载力和工作特性多 变，工作环境复杂，需要进一步研究。国内外众多实践和科研均已指出，影响大 型转子轴承系统性能的重要因数是滑动轴承的支承动力特性，应建立大型火电机 组转子支撑的非线性模型。线性化是人们对客观世界的一种简化，对于一般的工 程实际而言，采用线性化描述就已经具备足够精度，但是现代轴承工业的发展显 示出线性化分析的局限性，它不能够揭示问题更深一层的本质，而且实际工况下 出现的灾变也都是在非线性的工况下，所以必须有能够充分反映其非线性特性的 模型，才能深入阐明其繁多而复杂的动力形态，从而为先进的系统动力学设计奠 定基础，有效的防止动力学诱因所导致的灾难。 总之，用非线性的思路做动载滑动轴承的研究，对于复杂多变的动载工况而 言是相当必要的。而油膜边界的确定是油膜力模型的一个关键，对轴承特性的研 究具有重要意义。到目前为止，虽然很多研究者对非线性油膜力模型有较深入的 2 上海大学学位论文第一章绪论 理论仿真的研究，提出了一系列的油膜边界条件，但仍然缺乏必要的实验验证。 所以有必要进行实验研究，与理论计算结果进行对比分析，以建立完善的动载油 膜力模型。 1 3 国内外滑动轴承油膜机理研究概述 人们很早就发现如果将低副密切共曲的两个表面稍加修改，构成一个充满流 体的楔形间隙，并使之作相对运动，这个时候在间隙内就会产生一种泵效应。人 们把这种情况称之为“流体动力润滑”，并且在实践中一直使用。 1 8 8 5 年b e a u c h a m pt o w e r s 在改进机车车轮的轴承润滑时，发现一个有趣现 象：他在轴承的受力面凿了个油孔，以将油加到最需要润滑的部位。随后发现油 孔的塞子总是被推出来。出于好奇，他便测量了此位置的油膜压力，发现它比大 气压大得多。 这个意外的发现启发了一位英国的流体力学家雷诺，他在1 8 8 6 年推导出著 名的雷诺方程。为了简化方程，其做了许多假设嘲，主要如下： 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。 常用的等温、等粘、不可压缩雷诺方程表述为： 去(岳望)+旦(南望)=盟+石0【丁uh2 o xa z2a zo t ) 式 a x 、1 7 、l 7 a x 、2 7 随着科技发展和人们认识水平的不断提高，以上的某些假设在当今一般工程 实践中已证明不成立，但雷诺方程作为流体动压润滑理论基础的地位是不可动摇 的。 1 - 3 1 理论研究 早在润滑理论发展初期，人们就已发现了静载时轴颈的非承载区产生空穴 阳。为了研究油膜空穴分布规律，正确求解雷诺方程，研究者提出了一系列的油 上海大学学位论文第一章绪论 膜边界条件。 起初，人们在分析中常常不考虑空穴的影响，如s o 姗e r f e l d 边界条件认为 轴瓦内表面上有完整的油膜，压力沿周向为周期函数： ，( 矿) = p ( + 2 石) 1 2 式 但当油膜发散区产生较大的负压( 相对压力) 时，由于油膜不能承受低压而 破裂，即产生气穴；并且压力也不是周期函数。 随后，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，而发 散区油膜破裂，不存在流体压力，即： 矿= 口及口+ 石时，p = 见 且 妒= 口一a + z 时，p 儿 1 3 式 而全部发散区内油膜都破裂 妒= 口4 - 口+ 2 时，p = p 。，其中口为偏位角 1 4 式 实际上，完整油膜可以延伸到 曲后的发散区内，在 。后还存在流体膜不 破裂及流体膜呈条状的区域，此边界条件偏于保守。 上述两种边界条件都不是很合理，与实际情况有很大差距，在数值计算时很 少采用。 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。此边界条件认为在油膜破裂处p - - - - p 。 且罢= 0 ，此边界条件也被称为自然破裂边界条件。在实际应用中，为了方便计 a 口 算，常用负压归零的方法来逐渐逼近破裂边界，满足雷诺边界条件。该边界条件 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，和实际有些差 距。 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： 4 上海大学学位论文 第一章绪论 质量守恒边界条件的油膜破裂条件 1 5 式 质量守恒边界条件的油膜再生成条件 函h 2 瓦o p = 等( 1 一吼) 1 6 式 式中1 1 指法向，圪为油膜速度，成为油膜所占体积比。 质量守恒条件是对雷诺条件的发展，因为它不仅提供油膜破裂条件，而且提 供了油膜再生成条件，和实际情况较吻合。 许多学者对质量守恒边界条件进行了数值实现研究。其中，1 9 7 4 年e l r o d 和a d a m s 提出了一种著名的新算法，并且在此基础上由e l r o d 对此算法进行了改 进，其特点就是通过引入一个新的变量。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州嗍。 e l r o d 算法推动了油膜空穴分布规律的研究，主要在两个方面：l 、利用e l r o d 方法分析研究不同类型、不同工况下的轴承油膜，并和实验数据进行比较，以完 善理论；2 、寻找速度更快、精度更高的计算方法。其后d e b r e w e 嘲、v i j a y a r a g h a v “”、k u m a r 和b o o k e r “m ”、b a y a d an 3 1 等都是基于质量守恒边界条件 提出了不同算法。 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，开发了软件，并设计 实验台进行了验证，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。 质量守恒边界条件仍存在不足之处，大量的实验证实空穴的油膜并非都是条 状的，在某些工况下会成为气泡状，甚至会出现蕨类植物状。且虽然较适于静载 工况，对于动载工况则仍需进一步研究。 1 3 2 实验研究 随着机械工业的发展，滑动轴承工作环境越来越复杂，轴承材料日益更新， 油品质量和润滑手段提高，为了得到更高性能的滑动轴承，研究油膜中的空穴很 有必要。 平行平板挤压油膜实验是研究动载油膜分布机理的一种简化方法。它是对动 载滑动轴承工况的简化，去掉油膜剪切的影响，仅对由挤压引起的现象进行研究。 5 上海大学学位论文第一章绪论 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，使气穴聚集，影响了气穴真实的形貌。 1 9 8 4 年dwp a r k i n s 和m a y m i l l e r 也做了相同类型的试验，总结出一个振 动周期中油膜有三种状态，并根据气泡的形态和变化趋势对这三种状态进行了描 述和必要的分析，指出这三个状态和油膜厚度、压力、以及空穴范围有关系，但 因试验机结构设计不合理，造成压力传感器头与导线遮住了部分光路，所以气穴 照片效果不理想“”。 2 0 0 4 年，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“”， 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。 2 0 0 5 年，孟凯在其硕士论文中通过对比分析挤压油膜理论和实验结果，得 到： 1 、在油膜没有破裂时，实验油膜压力和理论计算结果十分接近，挤压中心 处油膜压力出现最大正压和最大负压。 2 、挤压频率越高，最小膜厚越小，挤压量越大，越容易出现负压。油膜中 的负压越大，存在的“内核”越多，油膜就越容易发生破裂。 3 、在油膜破裂时，空穴区压力接近绝对零压，在空穴区覆盖压力传感器小 孔位置前，可以测到负压。如果空穴与外界相通，空穴压力将会由于有空 气进入而上升。空穴出现后，油膜压力峰值会增大，但是如果空穴中存在 空气，油膜压力峰值就会降低。 4 、空穴区域会呈现圆形类似蕨类植物的形状，随着挤压运动，空穴不断的 扩展和收缩溃灭，而且收缩总是比扩展的快。 另外一种研究油膜分布机理的方法是直接模拟滑动轴承的工况。 1 9 2 5 年，b l n e v 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 f t 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 6 上海大学学位论文第一章绪论 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一5 8 0 k n m 2 的压强出现“”。这 个应该指的是油膜的负压“”。 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 “7 1 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( “0 ”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“日。 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“”。 1 9 9 1 年d c s u n 和d e b r e v 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。通过实验总结出啪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。 1 9 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。”： 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 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 上海大学学位论文第一章绪论 研究扭羽，得出： 1 ) 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。 2 ) 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。 3 ) 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陶1 ：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 4 1 【2 5 1 ，获得了 全油膜照片，认为： 1 ) 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。 2 1 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，得出龉1 ： 1 、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。 2 、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。 3 、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 上海大学学位论文第一章绪论 大动偏心位置的变化而变化。 4 、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， 持续时问也较长。 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。 以上的文献表明，人们对滑动轴承油膜的研究随着科技进步和认知水平的提 高一步一步在前进。从理论研究到实验验证，又从实验结果回到理论研究，如此 循环，现已较好地对静载和动载工况下油膜空穴分布以及油膜压力进行了理论上 和实验上的研究。不过，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；而且往往实验研究所得图像均是局部油膜空 穴分布照片，因而不能精确体现同一时刻油膜空穴分布情况，不能研究同一旋转 周期内油膜空穴的迁移变化情况。即使对油膜的压力分布和油膜图像采集进行了 同步采集，也因为存在较大误差，测出的压力仅能定性而不能定量。本研究就以 上问题进行了借鉴和提高改进，改型后的实验台不仅能对同一旋转周期内瞬态全 油膜图像进拍摄，又能对油膜压力分布进行同步测量。 1 4 本文主要研究内容 动载滑动轴承瞬态全油膜迁移研究的主要内容： l 、对现有滑动轴承油膜实验台系统进行改进，使其能够同步采集动载全油膜 图像及其压力，并获得清晰的瞬态全油膜空穴分布图像及精确的油膜压力。 2 、基于研华采集卡p c i 1 7 1 1 ，利用虚拟仪器软件编程实现油膜压力及定位脉 冲信号的瞬态采集，并对获得数据滤波、频谱分析等后处理。 3 、根据所得全油膜图像灰度分布规律，利用边缘检测算子对图像进行边缘提 取，除去无用的点；随后利用最4 - - 乘法，求出圆环圆心和半径；最后利 用坐标变换把全油膜圆环图像展开，消除了变形，以获得理想的全油膜空 穴分布图像。 4 、对基于质量守恒边界条件的流体不可压缩空穴算法进行修改，推导出完整 油膜区雷诺方程和空穴区润滑方程统一式，开发了相应的计算手段，并编 9 望塑垡堡苎 兰= 皇堕堡 程实现动载油膜压力及空穴分布的计算。 5 、在不同转速和偏心率等动载工况下做多组实验，对比分析同一旋转周期内 全油膜瞬态空穴分布和油膜压力，并与理论仿真计算对照分析，以研究动 载油膜空穴迁移规律。 上海大学学位论文 第二章动载油膜理论仿真 第二章动载油膜理论仿真 人们解决轴承润滑计算问题时，通常根据给定的压力边界条件求解雷诺方 程，得到滑动轴承油膜压力，进而求得空穴分布、承载力、承载角等性能参数。 很多数值方法都能用来求解这类偏微分方程，一般有有限差分法、有限元法、边 界元法等。其中，有限差分法运用灵活，形式简单，计算量较少；有限元法易适 用于结构复杂、边界条件复杂的情况；边界元法解固体的场问题较好，但求解粘 性流体问题并无优势。 本章在流体不可压缩的基础上，对e l r o d 算法进行改进，推导出完整油膜区 和空穴区润滑方程的统一表达式，并利用有限差分法求解动载滑动轴承油膜空穴 和油膜压力分布，从而使质量守恒边界条件更为简便精确地应用于轴承计算。 2 1 滑动轴承润滑理论基础 滑动轴承结构简单，外圈是轴承套，内圈是轴颈，两圈之间的流体是润滑介 质。滑动轴承工作示意图如图2 - 1 所示，轴颈在轴承套中转动，由于在外载荷f 的作用下，轴颈中心d 位于偏心平衡位置处。 图2 - i 滑动轴承工作示意图图2 - 2 轴承网格划分图 一般而言，径向滑动轴承建立动压润滑油膜的过程可分为三个阶段：轴的启 动阶段、不稳定运转阶段和稳定运转阶段( 流体动压润滑运转阶段) 。其中，在 稳定运转阶段轴承按照流体润滑状态工作，其油膜内部压力已能和外载荷平衡， 形成稳定的动压油膜。此阶段为本论文研究的对象。 研究流体动压润滑问题所用的基本方程，主要是纳维一斯托克斯方程和雷诺 方程，其中应用最广泛的是雷诺方程及其在各种具体条件下的变形形式，以及它 上海大学学位论文第二章动载油膜理论仿真 们的求解。从流体质点运动方程和连续性方程出发，通过一系列的简化和变形， 可得r e y n o l d s 方程： 旦( g x 筐 1 2 a 茑t a x + 鲁c 篇争掣罢+ 掣考+ 。式 譬掣+ 以圪吲。 式中，右端第一项是两个表面相对运动在收敛区域产生的流体动压效应；第 二项是流体密度变化产生的动压效应；第三项是固体两个表面沿滑动方向不断伸 长( 或压缩) 变形产生的动压效应；第四项是两个表面互相接近产生的动压效应， 即挤压作用。 在一般机械中轴承套固定不动，只有轴颈运动，即u t = 巧= 0 ，= u ， = v ，则由2 1 式简化得适于径向轴承的雷诺方程： 导( 丛望) + 旦( 丛堡) ：旦挲+ 1 2 p v 2 2 式 苏、1 2 a ( g x o z 、1 2 aa z 2 缸 2 2 基于质量守恒边界条件的不可压缩统一方程 许多学者对质量守恒边界条件进行了数值研究。其中，e l r o d 在润滑油可压 缩性假设的基础上，提出了著名的e l r o d 算法。此算法建立了可计入油膜历史效 应的计算方法，然而润滑油为可压缩性的假设在一般滑动轴承中是难于应用的， 因此有必要对其进行改进。 假设润滑油是牛顿流体，按照e l r o d 的思路，可得在油膜完整区二维非稳态 不可压缩的雷诺方程为： 去c 品罟，+ 砉c 品= 警+ 去c 争z s 式 在空穴区压力为常数，则有方程： 警+ 去c 等，= o z 觚 按照文献 2 7 的方法，引入变量r 和开关函数g ： 上海大学学位论文第二章动载油膜理论仿真 i9( 完整区即，0 ) 尸1 普一 c 空穴区即， 2 5 式 f 1( ，o ) 萨l o ( ， t = r 田 餐 爱 t r 觇 蟹 霍 时m l s 图5 - 2 0 实验和理论油膜压力曲线对比图图5 2 1 实验油膜压力曲线 上海大学学位论文第五章动载瞬态全油膜迁移的研究 从实验和理论结果比较可知：无论油膜空穴分布还是油膜旋转压力曲线，实 验和理论都有较好的对应，体现了实验台设计和理论计算的合理性。不足的是， 理论计算模型尚未臻圆满。 5 3 本章小结 i 、动偏心率比静偏心率越大，越体现动载特性，油膜空穴区域随最大动偏心位 置迁移而迁移的幅度越大；反之，越体现静载特性，油膜空穴区域越稳定。 2 、全油膜图像展开后，既消除了变形，又更易与理论比较。 3 、在动载工况下，转速越大，偏心率越大，油膜破裂越严重。 4 、在动载工况下，油膜压力曲线周期性和重复性很好，随转速升高而上移；随 油膜内破裂核的逐渐增多而其峰一谷值变小。 5 、无论从油膜压力还是从油膜分布来看，基于质量守恒边界条件的理论计算模 型较合理，但还需要进一步的研究。 上海大学学位论文第六章总结 第六章总结 本文在前人研究的基础上对滑动轴承实验台系统进行改型设计，利用高速 c c d 对动载3 6 0 0 全油膜图像进行了瞬态采集，获得了清晰的全油膜空穴分布图像， 并基于虚拟仪器技术对油膜压力进行了同步采集。根据所得全油膜图像灰度分布 规律，利用边缘检测算子对图像进行边缘提取，除去无用的点；随后利用最小二 乘法拟合，求出圆环圆心和半径；最后利用坐标变换把全油膜圆环图像展开，消 除了变形，获得了较理想的全油膜空穴分布图像，且更方便与理论计算对比分析； 这在动载油膜润滑研究领域实属首次，为探索动载瞬态油膜迁移的规律，建立动 载油膜模型提供有力的实验依据。在前人研究的基础上，对e l r o d 算法进行改进， 得到基于质量守恒边界条件的不可压缩流体空穴算法，能用统一方程来描述动载 滑动轴承完整油膜区和空穴区的润滑工况，并在此基础上开发了相应的计算手 段。对动载滑动轴承瞬态全油膜迁移进行实验研究，并与理论仿真结果相对照， 探索动载油膜空穴分布的规律。通过本文研究，得