（机械电子工程专业论文）螺旋槽水润滑橡胶合金轴承动压润滑特性与动态接触有限元仿真分析.pdf

中文摘要 摘要 水润滑橡胶轴承由于其良好的润滑性能，在船舶艉轴推进系统，潜水泵，洗 衣机等设备上得到了普遍的认可和广泛应用。针对水润滑轴承，在科学领域对其 进行了多方面的研究，包括橡胶材料，内部结构，磨擦学特性等。 螺旋槽水润滑橡胶合金轴承是重庆大学王家序教授在对水润滑橡胶轴承多年 的研究基础上，对其进行结构创新得出的新型水润滑轴承。比普通的直槽结构的 水润滑橡胶轴承制作工艺复杂，而其性能也有了很大的改进。 论文结合动压润滑机理，对螺旋槽水润滑橡胶合金轴承的动压特性进行了研 究。首先根据轴承安装间隙和螺旋槽橡胶面结构，确定了其内部流场在稳定工况 下的具体形貌，借助专业的流体计算软件a n s y sc f x 对橡胶合金轴承运行过程 中的内部流场进行了详细的分析，研究了不同的转速，不同偏心率，不同过渡圆 角，不同螺旋角度，不同供水量，不同沟槽数目等对流体动压域内压力分布，承 载力，流场速度的影响。然后对流场中出现的漩涡进行详细分析，对漩涡理论进 行了验证。 由于在工作过程中，流场内部不可能是理想状况下的纯净水，必然含有不同 泥沙等颗粒。论文根据实际情况，在前人研究基础上，将含有泥沙颗粒等的流场 描述成为了流体一固体二相流流场。根据二相流和颗粒侵蚀磨损理论，对由泥沙颗 粒可能对橡胶造成的侵蚀磨损进行了对比分析。对磨损有可能发生的位置，大小 进行了初步的预测，结合漩涡理论，论证了流场中的漩涡对于排除污染颗粒作用。 由于橡胶在流场压力作用下会产生变形，进而改变了流场的稳定形貌，进而 使得流场的动压润滑特性发生变化。在此种情况下，引入流固耦合计算模型，研 究流场动压性能对橡胶变形的影响。 实际工作过程中，运动轴由于外伸端受到来自身和外界复杂的力学工况，有 可能有短暂的集中力冲击情况。橡胶的作用就是用来对冲击进行缓冲。因此，借 助a b a q u s 对不同沟槽数目和不同冲击载荷下的动态接触进行了仿真分析，得到 了多沟槽数目有利于缓冲冲击，橡胶短暂缓冲作用下，会产生回弹，从而恢复形 貌。 论文内容得到国家自然科学基金面上项目“大尺寸高比压水润滑轴承系统的 创新设计理论与方法”( 项目编号：5 0 7 7 5 2 3 0 ) 的支持，拟通过上述研究对螺旋槽 水润滑橡胶合金轴承的动压特性，排污能力和动态接触及保护提供相关研究方法 和新的借鉴。 关键词：螺旋槽，水润滑，橡胶合金轴承，侵蚀磨损，动态接触 重庆大学硕士学位论文 一一_一 i i a b s t r a c t w a t e r1 u b r i c a t e dr u b b e rb e a r i n gi sn o wu n i v e r s a l l yr e c o g n i z e da n dw i d e l yu s e di ns h i p s h a f tp r o p u l s i o ns y s t e m ，s u b m e r s i b l ep u m p ，w a s h i n gm a c h i n ea n do t h e re q u i p m e n t b e c a u s eo fi t sg o o dl u b r i c a t i o np e r f o r m a n c e t h eb e a r i n gh a sb e e ns t u d i e dm v a r i o u s a s p e c ti n c l u d i n gr u b b e r m a t e r i a l s ，i n t e r n a ls t r u c t u r ea n df r i c t i o np r o p e r t i e s s p i r a lg r o o v ew a t e rl u b r i c a t e dr u b b e ra l l o yb e a r i n gi s i n v e n t e db yp r o w a n gj i a x u ， c h o n g q i n gu n i v e r s i t y b a s e do ny e a r so fs t u d ya n dr e s e a r c h ，t h en e w s t r u c t u r eo f 也e w a t e rl u b r i c a t e db e a r i n gi m p r o v e dal o ti nt h ep e r f o r m a n c ea n dt h ep r o d u c t i o np r o c e s s i sd i f f e r e n tf r o mo r d i n a r yo n e t h et h e s i ss t u d yt h ed y n a m i cp r e s s u r ep r o p e r t i e so fs p i r a lg r o o v eo fw a t e rl u b r i c a t e d 1 1 l b b e ra l l o yb e a r i n gb a s e do nd y n a m i cp r e s s u r el u b r i c a t i o nm e c h a n i s m f i r s to fa l l ， a c c o r d i n gt oi n s t a l l a t i o nc l e a r a n c ea n di n n e r s u r f a c es t r u c t u r eo f s p i r a lg r o o v e s p e c l 士1 c s h a p eo ff l o wf i e l dw i t hs t a b i l i t yc o n d i t i o ni s c o n f i r m e d w i t ht h ea i do fp r o f e s s i o 砌 n u i dc a l c u l a t i o ns o f t w a r ea n s y sc f x ，t h ep r o c e s s e df l o wf i e l d s a r ea n a l y z e di n d e t a i l s ：埘md i f f e r e n ts p e e d ，d i f f e r e n te c c e n t r i c i t y ，d i f f e r e n t e x c e s s i v ec h a m f e n n g 耐融e n ts p i r a la n g l e ，d i f f e r e n tw a t e rs u p p l ya n dd i f f e r e n tn u m b e r o fg r o o v e s0 f 士l u i d d y n 鼬i cp r e s s u r ed o m a i np r e s s u r ed i s t r i b u t i o n , b e a r i n gc a p a c i t y ，t h ei n f l u e n c eo ff l o w s p e e d a n dt h e n ，t h ev o r t e xi nt h ef l o wf i e l di sa n a l y z e d ，w i t ht h et h e o r y o fv o r t e xb c i n g u s e di nt h em o d e l f 1 l r t h e 锄o r c ，眦d e rt h ec o n d i t i o no fr e a l i t yo p e r a t i o n ，t h e f l o wf i e l di si n e v i t a b l y c 0 n 乜旺i n a t e db yd i f f e r e n ts e d i m e n tp a r t i c l e s t a k i n ga c t u a ls i t u a t i o ni n t oc o n s i d e r a t l o n ， t h ef l o wf i e l di st r e a t e da sf l u i d s o l i dt w op h a s ef l o wf i e l db a s e do np r e v i o u sr e s e a r c h a c e o r d i n gt op a r t i c l ee r o s i o nw e a rt h e o r y ，e r o s i o n w e a rc a u s e db ys e d i m e n tp a r t l c l e s1 s s i m u l a t e da n dp r e d i c a t i v e l ya n a l y z e d c o m b i n i n g w i t ht h ev o r t e xt h e o r y ，e f f e c to f 【e c o n l ：锄i n a t i n gp a r t i c l e sa sf o rt h e v o r t e xf l o wf i e l di sd e m o n s t r a t e d t h e n ，f l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i n gm o d e li s s i m u l a t et h ed e f o r m a t i o no fr u b b e rb e c a u s e f i e l d i n t r o d u c e di n t ot h ec a l c u l a t i o np r o c e s st o o ft h ef l u i dd y n a m i cp r e s s u r eo ft h ef l o w i na d d i t i o n ，e x p l i c i td y n a m i cc o n t a c tp r o c e s si s s i m u l a t e d t a k i n ga c t u a lo p e r a ：t i o n c o n d i t i o ni n t oc o n s i d e r a t i o n ，t h eo v e r h a n g i n g a x e ss u p p o r t e db yt h eb e a r i n gw i l l i n e v i t a b l yb es u b j e c t e dt oo u t s i d ec o m p l e xm e c h a n i c a lc o n d i t i o n t h e r e i sl i k e l yt ob e s h o r tc o n c e r l 仃a t e df o r c ei m p a c t r u b b e r a l l o yi s u s e dt ob u f f e rt h ei m p a c t s s o ，w i t h i i i 重庆大学硕士学位论文 a b a q u s ，i _ m p a c tc o n t a c tp r o c e s si sa n a l y z e da n dt h er e s u l tw i t hd i f f e r e n t 昀硼洳r e s a n df o r c ec o i d i t i o n sa r ed i s c u s s e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h em o r eg r o o v e st h e r ea r ei n t h es t r u c t u r et h eb e t t e rt h eb u f f e r i n ge f f e c ti s a tl a s t ，t h ee x p e r i m e n ti sc o n d u c t e dt ot h es p e c i f i cr u b b e r - a l l o yb e a r i n g f r i c t i o n t o e 伍c i e n tt r a d e rd i f f e r e n to p e r a t i o nc o n d i t i o ni sc o m p a r a t i v e l yo b t a i n e d 1 1 地t h e s i sw a sf u n d e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n d sf a c ep r o j e c t i n n o v a t i o n d e s i g nt h e o r ya n dm e t h o do fb i gs i z e h i f g hp r e s s u r ew a t e rl u b r i c a t e db e a r i n g s y s t e m o r o j e c tn u m b e r ：5 0 7 7 5 2 3 0 ) t h r o u g ht h er e s e a r c h f o rd y n a m i cp r e s s u r e c h a r a c t e r i s t i c s ，d r a i n a g ec a p a c i t ya n dd y n a m i c c o n t a c to fs p i r a lg r o o v ew a t e r - l u b r i c a t e d r u b b e ra l l o yb e a r i n g , p r o v i d i n gr e l e v a n tr e s e a r c hm e t h o d sa n dn e wr e f e r e n c e k e y w o r d s ：s p i r a lg r o o v e ，w a t e rl u b r i c a t i o n ，r u b b e ra l l o yb e a r i n g ，e r o s i o nw e a r ， d y n a m i cc o n t a c t i v l 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景及意义 旋转机械设备中，滑动轴承几乎都采用以矿物油做润滑介质，钢铁等贵金属 材料作为摩擦副。而由此造成的水污染和重要金属材料的浪费已经成为一个严重 的环境和工业生产问题。水润滑橡胶合金轴承，不同于普通的滑动轴承，在结构 上，采用橡胶代替贵金属；在润滑介质上，采用自然水代替矿物油。结构简单紧 凑，同时又能够从源头上解决设备运行过程中由于泄露等事故造成的水污染问题， 是机械产业配套中具有资源节约和环境友好特征的重要装备。 除此之外，水润滑橡胶轴承还具有以下几点重要的特点： 润滑介质粘度低，粘压效应稳定； 安全性能好，水不具有可燃性，避免了由于温度过高可能造成的燃料燃烧； 橡胶亲水性能优良，使得由水所造成的粘滞阻力低，因此摩擦功耗较小； 橡胶材料经过改性处理，具有金属的强度，又兼顾有橡胶的弹性，因此能 够较好的吸收不平衡载荷所造成的冲击，降低工作噪音；同时在受压条件下，橡 胶弹性变形能够增大接触面积，降低比压； 结构简单，价格适中。 正是由于水润滑橡胶轴承具有上述优良的工作性能，全世界很多国家在水润 滑橡胶轴承的应用方面做了大量研究，美国很早就制定了橡胶轴承的制造标准【l 】， 我国随后也有了自己的橡胶轴承标准【2 】。也正是由于其优良的工作性能和低廉的使 用和维护成本，目前，将水润滑橡胶轴承作为机械传动装置，已经在水轮机，水 泵，船舶等重要设备上取得了广泛的应用【3 - 5 1 。 随着国家产业升级和十二五国家战略规划的实施，新型的水润滑橡胶轴承技 术的创新必将成为我国一项重要的战略储备。当前对于水润滑轴承的研究，集中在 以下几个方面： 橡胶材料的深入研究，如加入改性颗粒引起的橡胶性能改进等； 以水润滑轴承为主题的科学计算方法的应用。比如逆向解析法，多重网格 法，有限体积法等； 水润滑橡胶轴承橡胶成型和脱模工艺研究： 对水润滑橡胶轴承内部结构的创新型研究。 当前对于水润滑橡胶合金轴承的橡胶材料和计算方法方面做了许多的工作 1 6 - 8 1 ，也取得了较大的成绩。而结构的改进亦是水润滑橡胶合金轴承向前发展的一 大方向。螺旋槽水润滑橡胶合金轴承，是在当前产品的基础上对结构进行大胆创 重庆大学硕士学位论文 新而产生的新型产品。国内外对螺旋槽水润滑轴承的研究较少。因此本论文以螺 旋槽水润滑橡胶合金轴承作为研究对象，将动压润滑理论与实际情况相结合，将 计算机仿真和实验相结合，将不n - r 况，结构进行多方面研究，对于水润滑橡胶 轴承结构创新提供一定的理论借鉴，对水润滑橡胶合金轴承的更新换代及工程领 域的应用推广具有重要的意义，对于国家机械产业战略转型和技术储备具有重要 的战略意义。 1 2 国内外水润滑橡胶合金轴承的发展和研究现状 国内外学者针对水润滑轴承的流体动压润滑机理和内部动压流场形貌特征进 行了广泛的研究。同时随着计算工具计算能力不断提高逐渐的向计算流体动力学 发展，从二维向三维扩展，从简单环形流场，向复杂形貌流场扩展。 1 2 1 理论：醍仿真研究 国外方面： 希腊学者k p g e r t z o s l 9 1 采用计算流体力学方法，对以b i n g h 锄做润滑剂的滑 动轴承进行了分析。得出了随着时间变化下，不同长径比液体动压润滑轴承的压 力变化图形。较详细的分析了不同长径比、偏心率、不同载荷、不同角度下的压 力随时间变化的关系。 印度和澳大利亚学者bcm a j u m d a r , rp a ia n ddjh a r g r e a v e s u u j ，对多轴向凹 槽水润滑轴承进行了静态和动态分析。在满足合适边界条件下采用了有限差分法 解雷诺方程。用一阶插值法解析了水膜的静态和动态下的刚度系数和阻尼系数。 得出了轴承承载能力和稳定性在凹槽张角角度变小时得到了提高的结论。 澳大利亚昆士兰大学的r p a i ，d j h a r g r e a v e s l l l 】等用计算流体力学软件对带有 轴向槽的水润滑轴承不同的载荷、速度和供水压力下的轴向压力分布进行了分析， 并将计算结果和实验进行了比较。其中介绍了其实验台的布局和工作原理。 r s p a i 和r p a i ! 1 2 】引入了非线性瞬变方法，对承受变向恒定载荷，变向周期载 荷，可变旋转载荷工况下的结构为四沟槽和六沟槽的水润滑轴承进行了理论计算， 用四阶龙格库塔发对偏心率和偏位角进行演算，得到了系统动态工作下的特性。 l r o y , s k l a h a 0 3 】运用四阶龙格库塔算法，计算得到了轴心的偏心率、相位 角和下一位置的角度偏差。通过这些数据，进而得到了不可压缩流体时域下由二 维雷诺方程得出的流体动压力。对于单向静载荷，单向循环载荷及变化的转动载 荷进行了研究。做出了包括偏心率，相位角的轨迹。动载荷下轨迹复杂，单向静 载轨迹较为稳定。 a l e xd ek r a k e r 1 4 】等用一种迭代有限元计算方法对软接触面的混合弹流接触的 滑水润滑轴承进行了计算。用标准线弹性结构方程描述轴承。沟槽孔中的液体压 2 l 绪论 力通过雷诺方程进行计算。对有效的膜厚和接触压力进行计算时，采用了一种随 机理想弹性接触模型。解决流固耦合方面采用人工加入阻尼方法来描述固体结构 的变形。混合弹流接触下状态下，软接触面轴承的承载力和摩擦系数都要优于刚 体接触面轴承。 a b d a l l a h a e l s h a r k a w y i l s 等人对轴承体研究引入了耦合应力参数，综合分析了 耦合应力参数在多种轴承润滑计算中的影响，随耦合应力参数的增加，承载力增 加，相位角和摩擦系数减小。作者总结了反向计算方法和正向计算方法的计算流 程及算法。采用反向计算算法编程解雷诺方程，计算有限长滑动轴承的压力分布 与相关参数，如偏心率的关系。 j a r o s l a ws e p o y 6 1 对具有较小螺旋角度的滑动轴承进行了计算。借助于a d i n a 软件，采用g a l e r k i np r o c e d u r e 对简化的纳维斯托克斯方程进行编程。用牛顿拉普 拉斯法和高斯消元法进行计算。文中采用三维模型，对偏心率和轴向速度和周向 速度进行了对比分析。在小偏心率0 1 0 3 时，三个方向的速度变化几乎很小，而 承载力也因为螺旋角度的存在，变化较小。而在大偏心率下0 7 - 0 9 ，周向速度快 速增大；文章还提出，螺旋槽的存在比没有螺旋槽时更容易排出污染物，但没有 提出排出污染的原因。并将其作为延伸研究。 m b w n a b h a n t l 7 j 采用了牛顿拉普拉斯算法和辛普森算法，求解了掺入油的水 基润滑的无线长的轴承纳维斯托克斯方程。对压力分布，承载力，粘滞力等进行 了计算。对辛普森算法求解流体动压润滑轴承问题进行了详细的阐述 国内方面： 王丽丽 i s 2 1 】对螺旋槽流体动压轴承进行了较为详细的研究，推导了斜坐标系 下的r e y n o l d s 方程，膜厚方程和速度方程的有限差分公式，进一步运用有限差分 法，对轴承的承载力，压力，流体质点的流体运动轨迹进行了数值研究。结果表 明螺旋槽油楔能够很好的实现冷却油的分流，螺旋槽的角度对油膜压力有不同程 度的影响。还特别研究了供油压力对螺旋槽动压润滑轴承动静特性的影响。结果 表明，供油压力是滑动轴承油膜压力总体上有所提高，供油压力加快了质点的运 动，有利于改善轴承的润滑性能。 王家序，余江波【2 2 之5 】深入研究了多重网格法的计算方法，并将多重网格计算 方法和橡胶水润滑轴承，塑料合金水润滑轴承进行了结合，通过编制程序对水润 滑轴承的弹流润滑进行了数值计算，并绘出无量纲压力和无量纲膜厚曲线，划分 出其在工作范围内混合摩擦区域、部分弹流润滑区域和弹流润滑区域，并通过实 验对其进行了验证，深入研究了其润滑机理。另外，还从材料的角度出发，运用 多重网格法分析了弹性模量对承载力，压力分布，水膜厚度的影响。得出在小载 荷工况下，较小的弹性模量材料有利于提高水膜的厚度，从而有利于改善摩擦磨 重庆大学硕士学位论文 损性能 华西金2 q 借助于f l u e n t 软件队水润滑橡胶合金轴承的润滑模型进行了数值 计算，分析了带有沟槽的水润滑轴承压力分布和速度分布，定性的分析了压力对橡 胶变形的影响 卢磊t 2 7 i k 用a d i n a 软件，利用其强大的流固耦合能力，对水润滑橡胶轴承进 行了动压润滑分析。验证了s o m m e r f i e l d 边界条件在其计算中的有效性，详细分析 了流体动压对动压，承载力，偏位角的影响。 重庆大学段芳莉 2 8 - 2 9 借助于m a r c 软件分析了不同轴承材料弹性变形对有限 长径向滑动轴承的弹流润滑性能的影响。对比了两种轴承油膜压力，厚度的分布 情况及承载能力。另外，她从连续方程和纳维斯托克斯方程出发，考察了流体惯 性对水润滑橡胶轴承润滑性能和承载能力的影响，得出了流体惯性导致水膜压力 和承载能力增大，在第二层流去流体惯性对橡胶轴承的润滑性能影响很小 部分学者利用有限差分法通过m a t l a b 编程求解雷诺方程 3 0 3 2 1 ，得到了滑动轴 承的油膜压：匀分布，承载能力，对影响压力分布的条件，进行了对比分析。 哈尔滨：【程大学周春良【3 3 】等针对水润滑船舶艉管轴承建立了三维几何模型，对 轴承内部流场进行了数值分析，对水润滑船舶艉管轴承内部流场的压力、温度、 速度、湍流能量分布进行了数值计算。得出了内部沟槽对降低轴向压力、增强冷 却效果、均匀压力场、减小激振力等方面所起到的重要作用。 华中科技大学与中船重工7 0 1 研究所彭娅玲 3 4 - 3 5 】等人，对船舶艉管轴承的数 学模型进行了叙述，并借助计算流体力学软件( c f d ) 分析了水润滑工况下相同 偏心率的低：速重载轴向半开槽轴承和全开槽轴承，分析了凹槽结构对轴承内部温 度和承载能力的影响。结果表明，全开槽轴承温度较低，凹槽对轴承冷却起着决 定性的影响；下半部分光滑的半开槽轴承比全开槽负载能力大，半开槽轴承具有 连续的压力：分布，允许水膜产生连续的动压压力。借助c f d 的数值模拟，对水润 滑轴承的设计和选型提供了参考参数。 刘宪伟，范迅1 3 6 j 根据流体动压润滑原理，采用r n g k - 湍流模型，研究了不同 转速下，螺旋槽平面型线对水润滑螺旋槽推力轴承压力场分布及承载能力的影响 规律，得出了螺旋线槽具有更大的承载能力和更稳定的压力分布。 刘琴华学1 3 7 】不仅给出了轴承开槽、尾轴倾斜、弹流润滑轴承水膜厚度的数学 模型，而且研究了不同载荷和摩擦因数对轴承接触应力分布和接触变形量的影响， 并且考虑材料弹性模量因素的影响，求解了水润滑橡胶轴承弹流润滑模型，并与 刚性假设的流体润滑理论计算结果比较。计算结果表明：同种载荷条件下，轴承 材料弹性模量越小，轴颈偏心越大，水膜厚度越大。在橡胶尾轴承的台架上开展 试验，测试了不同工况下轴承的摩擦因数，并与数值计算结果进行对比，测试结 4 1 绪论 果表明：理论计算与试验结果比较吻合，验证了润滑分析数值计算结果的正确性。 华中科技大学吴健康，李安掣3 8 】采用算子分裂法解广义雷诺方程。深入研究 了螺旋槽、双向人字槽液体润滑径向轴承的承载力和稳定性。结果表明，双向人 字槽轴承的承载力和稳定性稍差于正转的单向人字槽轴承，优于反转时的单向人 字槽轴承。双向人字槽轴承保持了在小偏心率时的良好稳定性，并适合在变向转 动工况下使用。 1 2 2 设计及实验研究 国外方面： 澳大利亚昆士兰电子研究所 3 9 j 针对发电站循环水泵的非金属水润滑轴承材料 的摩擦性能，设计并制作了摩擦学性能试验台。这个实验台，可以调节轴的转速、 载荷和润滑液的供给速率，进行不同非金属材料的加速寿命试验。 英国学者dlc a b r e r a l 4 0 】等人，设计并制作了测试水润滑轴承水膜压力分布的 试验台。这个实验台针对于长径比为2 ，直径为5 0 m m 的水润滑橡胶轴承。其中采 用微型压力传感器接触式测量水膜压力，并通过集流环将压力信号转换为电压信 号导入信号处理设备。并且由编码盘和位置传感器，对偏心率和偏心角度进行了 测量。得出了不同条件下的压力分布曲线。 n i c o l e t am e n e l 4 l 】等，对特殊结构的三波型轴承进行了动态分析，采用线性摄 动法和非线性瞬态法研究了波的高度以及进口进给压力对于轴承承载稳定性的影 响。并借助于n a s a 格伦研究中心的实验系统进行了实验验证。对信号实时采集 并进行f f t 变换，得出波长比0 3 ，0 5 的轴承具有很好的稳定性；波长比0 0 7 5 的 轴承，当改变进口进给压力时，会产生不同步的次级波峰。显示出进给压力对轴 承承载不稳定性有一定影响。 图1 1n a s a 轴承试验台 f i 9 1 1b e a r i n gt e s tr i gi nn a s a 重庆大学硕士学位论文 重庆大学机械传动国家重点实验室王家序教授【4 2 4 6 1 ，对水润滑下的橡胶摩擦 副进行了较为深入的试验研究，采用m p v - 2 0 0 型摩擦磨损试验机对水润滑橡胶轴 承的摩擦磨损特性及机理进行了实验研究。对载荷、速度、运行时间等对水润滑 橡胶轴承的摩擦系数和磨损率的影响进行了研究，得出橡胶轴承在不同水质，不同 工况下的摩擦学特性，并对作用机理进行了系统的分析，为水润滑橡胶轴承的实际 应用提供理论依据。同时设计并生产出具有自主知识产权的b t g 水润滑轴承1 7 0 多种。 青岛建筑工学院王优强f 4 7 弓o 】对潜水泵上常用的纵向八沟槽水润滑橡胶轴承的 润滑机理进行了实验研究。根据实验结果分析了影响摩擦系数的主要因素及其影 响规律，并据此提出了一组实用设计参数。并且设计橡胶轴瓦和不同金属组成摩 擦副在干摩擦、湿润滑和完全水润滑条件下利用摩擦磨损试验机并借助s e m 分析 了三种情况下的摩擦磨损机理。 周建辉利用【5 l i s s b , 1 0 0 v 型船舶艉轴实验机上，采用尾部加载，对纵向1 2 水 槽平面型橡胶轴承进行了摩擦学性能试验，得到了摩擦系数随着艉轴线速度和加 载载荷之间的关系。 燕山大学白文普【5 2 】对h r - 2 型滑动轴承实验台进行了开发和研究。对有膜厚 度的测量采用两个电容位移传感器测试动压轴承动态轴心或轴承中心位置o 中国船舶重工集团公司第7 1 9 研究所【5 3 1 ，设计了船舶水润滑轴承实验装置， 并申请了国家专利。采用静力相似、动力相似、冷却润滑状态相似设计手段，利 用方程分析法和量纲分析法推导出了水润滑尾轴承实验装置的相似准则。并详细 介绍了试验台的结构和工作原理。 吴仁荣针【5 4 4 5 对水润滑轴承在船用泵，离心泵中的应用，结合自然水的特性 对水润滑轴：承的结构设计，材料选用，润滑液用量方面进行了论述 杨和庭唐育民【5 6 】深入研究了船舶艉轴的受力工况，结合国内外的力学分析 经验对橡胶衬层厚度，供水量，供水压力，轴的线速度等重要的工作参数进行了 设计研究。 刘建华，李星文【5 7 】结合在新乡水泵厂工作经验，综合国内外水润滑橡胶轴承 的研究情况，提出了相关的设计方法。指出了结构参数对轴承磨损及承载能力的 影响。 1 3 螺旋槽水润滑橡胶轴承概述 1 3 1 沟槽的作用及螺旋槽的优势 在水润滑橡胶轴承开槽已经有很多种，四沟槽，六沟槽，八沟槽，方形槽， 环形槽，半开槽，v 型槽，u 型槽等水润滑尾轴承流固耦合仿真分析及机构优化 1 绪论 研究。纵向沟槽的存在作用已经在很多文章里讨论过1 3 2 3 4 3 7 4 7 1 ，现总结为以下几点： 保证充足的进水空间，从而为形成流体动压水膜提供足够的供水量； 有效的散热，轴承局部因摩擦产生的温升可以通过自然水的进入到流出的 过程得到良好的降低； 有效排除颗粒污染物，防止对轴承和轴的破坏。 螺旋结构在机械设备中的应用较为广泛【5 引，。在静液压推力轴承中，螺旋槽诱 导流体沿着沟槽螺旋运动，形成了一定的螺旋向心力。在推力轴承的研究中，发 现螺旋槽具有较大的承载能力，与其他的平面线形相比，螺旋线具有更稳定的压 力分布。常见的螺旋线有以下几种：抛物线螺旋槽，对数螺旋线，圆弧螺旋线槽 等：螺旋线槽则具有最大的承载能力和更稳定的压力分布1 3 6 】，在槽坝圆周上，螺 旋线槽压力梯度变化较小，有利于增强其平稳性。 重庆大学王家序教授在对水润滑橡胶轴承进行多年研究的基础上，创造性的 发明了螺旋槽水润滑橡胶合金轴承，申请并获得了了国家专利授权【5 9 1 。 1 3 2 螺旋槽水润滑轴承的工程生产 由于螺旋槽水润滑轴承在空间几何学上的特殊机构，采用传统的液压直顶脱 模工艺，无法将成型模芯从螺旋槽水润滑符合橡胶轴承中脱出。因此必须更新设 计思路，采用新型的螺旋槽水润滑轴承脱模装置l 甥j ，如图1 1 所示： 图1 2 螺旋槽水润滑橡胶轴承脱模装置 f i 9 1 2m o u l dr e l e a s ed e v i c ef o rs p i r a lw a t e r - l u b r i c a t e db e a r i n g l 液压顶推轴2 下悬座3 顶杆4 螺旋槽水润滑橡胶轴承5 模芯6 上旋座7 脱模板 螺旋槽水润滑橡胶轴承脱模过程如下：液压顶推轴1 受到液压系统产生的液 重庆大学硕士学位论文 压推力向上运动，向上依次推动下旋座2 ，顶杆3 ，模芯5 模芯5 又把螺旋槽水润 滑橡胶轴承压紧在上旋座6 上，而上旋座6 又固定在脱模板7 上。此时，模芯5 在受到来自液压推顶轴1 推力和螺旋槽水润滑橡胶轴承4 在受到来自脱模板7 的 阻力情况下，螺旋槽水润滑橡胶轴承4 因顶压在上旋转做6 上而产生的轴向旋转 运动，而模：枣5 和顶杆3 因顶压在下旋转座2 产生反向的轴向周向旋转运动，同 时模芯5 向上被顶杆3 定出螺旋槽水润滑符合橡胶轴承4 ，从而，实现螺旋槽水润 滑橡胶轴承的脱模。 1 4 本文研究的目的和研究的主要内容及创新点 随着社会生产力不断发展，工业产品更新换代，船舶运输行业的兴盛，大型 核电站用潜水泵及大型工程机械设备的应用，对水润滑轴承产品在结构，性能上 的创新的需求必将日益提高。面对国家产业升级的战略布局，水润滑橡胶轴承多 样化创新研究具有非常重要的战略意义。本文在前人对水润滑轴承的研究基础上， 结合水润滑橡胶轴承润滑及磨损机理的共性规律，结合计算机仿真技术对螺旋槽 水润滑轴承：进行仿真分析研究，并在现有的实验室设备基础上进行试验研究。 本论文主要研究内容包括以下几个方面： 螺旋槽水润滑轴承稳定工作状态下流体动压性能分析： 螺旋槽水润滑轴承内部流场含有泥沙的橡胶侵蚀磨损预测分析； 螺旋槽水润滑轴承流固双向耦合橡胶变形分析； 螺旋槽水润滑轴承冲击作用下的动态接触分析； 螺旋槽水润滑轴承实验分析； 采用有限元软件a n s y sc f x ，从流体动压，流固耦合及接触变形，磨损三个 大的方面，以螺旋槽水润滑轴承作为研究对象，进行科学研究，从而为螺旋槽水 润滑轴承产业化升级和结构创新提供一定的数据支撑。 本文的创新点： 针对螺旋槽的特殊结构，对水润滑轴承内部流场进行了深入研究，尤其是 流场中的漩涡效应，加以详细分析； 引入了液一固两相流在水润滑轴承中的应用，对泥沙颗粒的侵蚀磨损进行 了预测分析； 冲击载荷作用下的橡胶接触变形分析； 2 螺旋槽水润滑橡胶合金轴承相关理论介绍 2 螺旋槽水润滑橡胶合金轴承相关研究理论介绍 2 1 流体动压力润滑理论及水膜形成原理 流体动压润滑是依靠运动副两个滑动表面的形状，在其相对运动时，形成产 生动压效应的流体膜，从而将运动表面分隔开的润滑状态。流体形成动压形成的 前提必须具备三个基本的条件： 润滑剂有足够的粘度； 足够的切向运动速度( 或者轴颈在轴承中有足够的转速) ； 流体楔的几何形状为楔形( 轴在轴承中有适当的间隙) 。 流体动压形成机 1 6 0 】如图2 1 所示，两个不平行表面形成楔形收敛间隙，当 表面间存在相对为u 的滑动速度，并且当流体具有应的粘度t 7 ，则内部流体就建 立了流体动压域，产生流体动压，并对外载荷w 形成一定的支撑作用。图2 2 显 示了建立流体动压的整个过程和在动压和外载荷作用下的轴的整体运动情况。 b 螂t 二：二：三i 二：三：壬二i 兰警蟹羹辽释豫精 - - u 避动静 图2 1 动压润滑形成机理图 f i 9 2 1m e c h a n i s mo fh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n 镬瓢。 霹。 睡参 函妊黼：籍i 渭。 甾謦一 熏赫 攀i 。 i 瀚 霹 鬻 叠矽 一 参 穗k 蕙学一 图2 2 流体动压对外载荷的承载作用和轴心运动情况 f i 醇2l o a d i n ga f f e c to fh y d r o d y n a m i cp r e s s u r ea n dt h em o t i o no ft h ea x i s 在螺旋槽水润滑橡胶轴承中，其整体和普通的动压润滑轴承一致。包括整体 重庆大学硕士学位论文 楔形间隙。但是，相比普通的无沟槽结构的轴承，在局部，形成了多个由数个沟 槽分开的楔形间隙。在工作状态下，轴作旋转运动，轴承静止，则运动轴表面相 对于轴承承载面具有了切向运动速度；水通常情况下是不可压缩流体，并且具有 一定的粘度；楔形空间由螺旋槽水润滑橡胶套和轴之间间隙确定；所以当轴旋转， 就把水卷入到楔形间隙中，形成了动压润滑膜，润滑膜的压力将轴和橡胶面分开。 图2 3 即为螺旋槽水润滑橡胶合金轴承动压流体域润滑的截面图 在初始阶段，由于定位，安装工艺等，轴与橡胶面很可能处于干摩擦状态， 然后当转速提高之后，动压效应逐渐明显，向混合润滑过渡，当满足一定的力学 条件的时候就形成了理想状态下的全膜润滑。 螺旋槽水润滑轴承的润滑机理，与普通的水润滑轴承具有共性，但螺旋槽水 润滑轴承由二f 其结构的改进，其润滑特性在某些方面会有所体现，最明显的是其 结构改变对二f 内部流场状态和沟槽形貌对引流排污效果的改变。所以研究稳定状 态下动压流体域的动压特性及内部流场的具体特征也讲究特别重要。 图2 3 水润滑轴承润滑示意图坐标系 f i 9 2 3l u b d c a t i o np r i n c i p l eo fw a t e r - l u b r i c a t e db e a r i n g sa n dc o o r d i n a t es y s t e m 2 2 橡胶轴承流体动压润滑的数学模型 2 2 1 计算模型的基本流体动力学方程及有限体积法 连续性方程 水是不可压缩流体，满足流体流动的连续性方程 空间中一流体流动，其在三维空间内的速度可表示为2 1 ： u ( x ，y ，z ) = u x ( x ，y ，z ) f + “。( x ，y ，z ) j + u z ( x ，y ，z ) k ( 2 1 ) 一兰堡蕉堕垄塑塑堡壁全全塑垦塑叁堡垒金塑 而在某一时间内，流过空间内6 个面的流体体积值差值为 ( 丝i g x + 塑a y + 丝i g z 蚴出 ( 2 2 ) lj 一一v 一 、。7 六面体空间单元形状不随时间改变；流体不可压缩； 以流体经过六面体的体积只差为0 ，即： ( 警+ 誓+ 警卜蚴= 。 因为d x d y d z d t 0 ，所以： 盟+ 盟+ 丝：o 彘 咖 瑟 这就是不可压缩流体的连续性方程。 流体不能形成空洞，所 图2 4 流体单元示意图 f i 9 2 4f l u i dv o l u m e ( 2 3 ) ( 2 4 ) 一虬+ 粤出 o x ( 窑) n a v i e r - s t o c k s 方程到雷诺方程的推导 n a v i e r - s t o e k s 方程【6 1 彤】是流体力学理论中著名的粘性流体动力学方程： d 讲u j = p x - o x p + 晏 犯警专机二，) + 昙p c 詈+ 警，卜丢 叼c 警+ - 讹f f ) ) p 鲁= p y 一万a l , + 昙 町c 2 軎一詈机二) ) + 鲁 叼c 誓+ - 批f f ) ) + 鲁 叼c 等+ - 饥f f ) ) c 2 p 警2 p z 一西a p + 丢 柞警一詈咖磊，) + 丢 叶c 豢+ 誓，卜尝 叼c 鲁+ 誓) ) 其中： 重庆大学硕士学位论文 等= 誓”等旷誓”警 d la x 1 却ya z 。 等= 等u ，+ 鲁旷警也+ 鲁 c 2 一= + 二“十二“十：k l z o ， 斑a x 1 铆 a z 1 a l 警= 警心+ 鲁u y + 誓”鲁 o = o 材+ 一 。材十二 防叙1却瑟。 新 叫做全导数，是加速度在三个坐标轴上的投影。 x ，】，z 一单位质量流体所受的外力； p 一水的密度； 叩一水的动力粘度； “= u x i l - u y j + u ：七一流体流动的速度； 挑云= 堕+ 丝+ 丝速度矢量云的散度。 x y z 做如下假设： 水膜厚度与它的宽度和长度比起来非常小，忽略流体膜的弯曲，用平动代 替转动； 流体分层的沿着x 和z 轴方向流动，即i t d 。t = 0 ； 作用于水膜的外力为0 ，即x = y = z = 0 ； 水膜惯性力忽略，即车a t = 挚a t = 单a t = o ； 固体在流体表面无滑动，即流体表面采用无滑移边界条件 与速度梯度冬，豢相比，其他的速度梯度忽略不计；e pv ：h ，：0 ； 苏卵 7 u ，乙2 为上下固体沿着x 轴方向运动的速度，且是常数； 流体的粘度刁和密度p 都是常数； 根据上述的8 个假设条件，n a v i e r - s t o c k s 方程变为； 将上述方程积分两次， 得到： f 型 i 舐 i f l o p 【a ! z 带入无滑移边界条件： y = 0 ，甜，= u ；y = 力，u x = y = 0 ，“：= o ；y = i l z ，“：= 0 ( 2 8 ) 魄一扩堕矿 = = 一 2 螺旋槽水润滑橡胶合金轴承相关理论介绍 二二二二_ 二= = 一：= ：= 虬2 “= 一卅字u + 尝 ( 2 9 ) 将上式子带入连续性方程誓+ 誓+ 冬：o ，得到： 呶 钟o z 鲁= 一丢任 蓑y ( y - h ) + 昙 蓑y ( y - h ) ) _ 昙掣u + 鲁心舯， 两端对y 从0 一h 积分得到： r = 一抛昙降y ( y - h ) d y + r 昙 蓑m 卅”i 去呼u + 詈啦 ( 2 1 1 ) 左边： f i = 砂l ：= 一吵 ( 2 1 2 ) r 去厂( y ，口协= 杀r 佃亳( y ，口渺一厂( j ，口) 丝o a ( 2 1 3 ) 一三 旦f ，篡夕卅咖一蓑砌叫芸+ 昙r 蓑y 卅方一差砌卅， 芝露羹o p 攀g + go h 是， 仁 = 赤争赤矿l _ 面一蓑】 卜“吖 = 南去 3 争鑫争哔，罢 一砂= 南去办3 芸，+ 彘c 乃3 箬卜净，芸 c 2 1 5 ) 研u 差= h 3 等+ h 3 _