（机械设计及理论专业论文）高速重载滑动轴承的润滑特性研究.pdf

分类号：! h ! ! z u d c ：6 2 1 工学硕士学位论文 密 级：垒珏 单位代码： ! q q z 鱼 高速重载滑动轴承的润滑特性研究 作者姓名 指导教师 申请学位级别 学科专业 所在单位 授予学位单位 徐芮 吴炳胜教授 工学硕士 机械设计及理论 机电工程学院 河北工程大学 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o h e b e iu n i v e r s i t yo f e n g i n e e r i n g f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g a n a l y s i sa n ds t u d yo fl u b r i c a t i o np r o p e r t yo n h i g h _ - s p e e da n dh e a v y l o a ds l i d i n gb e a r i n g c a n d i d a t e s u p e r v i s o r a c a d e m i cd e g r e e a p p l i e df o r s p e c i a l t y c o l l e g e d e p a r t m e n t x ur u i p r o f w ub i n g s h e n g m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y c o l l e g eo f e l e c t r i c a la n d m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g h e b e iu n i v e r s i t yo f e n g i n e e r i n g 一 一1一 m a y ，2 0 1 2 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大学或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和 集体，均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 学位论文作者签名：辚筠 签字日期：训工年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 塑兰垦墨堡盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权塑兰垦王堡盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：徜签字日期：w 胁年乡月r 导师虢知即也 签字蹴沙衅6 月j r 摘要 摘要 随着工程机械向着高速、重载方向的飞速发展，在行星传动机构中，为了获 得更高的传动性能和功率密度，改善低速传动状况下的滚动轴承已远远不能满足 使用寿命的现状，因此本文采用滑动轴承作为行星轮支承来研制高速行星传动机 构。通常人们研究滑动轴承时都忽略了表面粗糙度对润滑特性的影响，而实际加 工生产的轴承表面不可能完全光滑，且加工工艺不同，粗糙值的大小与方向也各 不相同，因此对轴承的润滑特性也会产生不同的影响，特别是在高速、重载条件 时，理想状态下分析结果与实际存在着很大差异，因此研究表面粗糙度对高速、 重载下的滑动轴承润滑特性的影响具有十分重要的意义。 本文首先介绍了滑动轴承的运动状态以及油膜产生动压润滑的原理，根据流 体动压润滑理论建立了滑动轴承的力学模型，引入了雷诺方程( r e y n o l d s ) 的假设 条件，推导出雷诺方程且进行了简化，并根据工程实际确定了雷诺方程的边界条 件；其次，利用m a t l a b 数值分析软件使用有限差分法对滑动轴承在理想状态下的 各项润滑性能参数进行求解分析，验证了计算方法的正确性，通过分析相对间隙、 温度及负荷率对润滑性能的影响，得出了滑动轴承适合重载工况的结论；研究了 高速、重载工况下，计入表面粗糙度后对各项润滑特性产生的影响，并与理想状 态下的特性进行了对比分析，结果表明，在转速为1 2 0 0 0 r a d m i n 、占= 0 8 的大偏 心率( 即重载) 工况下，油膜最大压力比理想状态下大1 倍，特别是轴瓦表面粗 糙度值对滑动轴承各项性能参数的影响比较大。 为了更好地研究滑动轴承的润滑特性，利用e m d 算法将故障信号分解成具有 一定平稳性的固有模态函数分量，并对每一个分量建立了基于故障信号的a r 模 型，以此模型的自回归参数和残差的方差作为特征向量建立s v m 回归分类模型， 进而判断了轴承的工作状态和故障类型。实验数据证明，滑动轴承工作状态和故 障类型符合滑动轴承的各种性能参数的变化规律，为进一步研究滑动轴承的润滑 特性提供了科学有力的实验依据，使本课题研究更加具有实际应用价值。 关键词：高速滑动轴承；重载；润滑性能；计算分析 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n to fh i g hs p e e da n do v e r l o a d i n go ne n g i n e e r i n g m a c h i n e r y , t h er o l l i n gb e a r i n gt h a tw o r k e du n d e rl o w s p e e dt r a n s m i s s i o nc o n d i t i o nh a s b e e nf a rf r o m m e e t i n gt h ed e m a n d so fw o r k i n gl i f e i no r d e rt oo b t a i n h i g h e r t r a n s m i s s i o np e r f o r m a n c ea n dp o w e rd e n s i t y t h u s ，t h es l i d i n gb e a r i n gw a su s e da st h e p l a n e tw h e e ls u p p o r t i n gt oi n v e s t i g a t et h ep l a n e t a r yt r a n s m i s s i o nm e c h a n i s mi nt h i s p a p e r t h ei m p a c to fr o u g h n e s so na x l en e c ka n db u s ha r ea l w a y si g n o r e do nt h es t u d y o fs l i d i n gb e a r i n g w h i l ei tc a n n o tb ec o m p l e t e l ys m o o t hi na c t u a lp r o d u c t i o no fa x l e n e c ka n db u s hb e c a u s eo ft h ed i f f e r e n to fp r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , r o u g h n e s sv a l u ea n d d i r e c t i o n i na d d i t i o n ，t h ea n a l y s i sr e s u l t sa r ed i f f e r e n tb e t w e e ni d e a la n da c t u a l e s p e c i a l l yu n d e rt h eh i g hs p e e da n dh e a v yl o a dc o n d i t i o n s o ，i ti sv i a t a lo fs i g n i f i c a n c e t os t u d yt h ee f f e c to fs u r f a c er o u g h n e s so nt h el u b r i c a t i n gp r o p e r t yo fs l i d i n gb e a t i n g w i t hh i g hs p e e da n dl o a d t h i sp a p e rh a si n t r o d u c e dt h em o t i o ns t a t eo fs l i d i n gb e a r i n ga n dt h ep r i n c i p l eo f o i lf i l md y n a m i cp r e s s u r el u b r i c a t i o n w ee s t a b l i s h e dt h em e c h a n i c a lm o d e lo ft h e s l i d i n gb e a r i n ga c c o r d i n gt oh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o nt h e o r ya n di n t r o d u c e ds o m e a s s u m p t i o n so ft h er e y n o l d se q u a t i o n t h er e y n o l d se q u a t i o na n dt h eb o u n d a r y c o n d i t i o n so ft h ee q u a t i o nw e r ea l s od e d u c e da n dd e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a l p r o j e c t ，r e s p e c t i v e l y t h el u b r i c a t i o np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fs l i d i n gb e a r i n gu n d e r i d e a lc o n d i t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e dw i t hf i n i t ed i f f e r e n c em e t h o db yu s i n gt h en u m e r i c a l a n a l y s i ss o f t w a r eo fm a t l a b ，w h i c hw a sp r o v e dr e a s o n a b l yc o m p a r e dw i t ht h ec l a s s i c a l t h e o r y b e s i d e s ，t h ee f f e c to ft h ev a l u ea n dd i r e c t i o no ft h er o u g h n e s so nt h el u b r i c a t i o n p r o p e r t i e sw a ss t u d i e da n dc o m p a r e dw i t ht h eo t h e rp r o p e r t i e su n d e rt h ei d e a ls t a t e t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h eo i lf i l mp r e s s u r ei st w i c ea sb i ga st h a tu n d e rt h ei d e a ls t a t ei nt h e s a m ec o n d i t i o n sw i t hh i g h - s p e e da n dh e a v y l o a d ( n 2 12 0 0 0 r a d m i n ，占2 0 8 ) e s p e c i a l l y ， t h ev a l u eo fr o u g h n e s so fs l i d i n gb e a r i n gb u s hh a so b v i o u se f f e c to nt h ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s i no r d e rt or e s e a r c ht h el u b r i c a t i n gp r o p e r t i e so ft h es l i d i n gb e a r i n g s ，t h i sp a s s g a e u s e dt h ee m d a l g o r i t h mb r o k e nt h ef a u l ts i g n a ld o w ni n t ot h ei n t r i n s i cm o d ef u n c t i o n c o m p o n e n t sw i t hac e r t a i ns t a b i l i t y ，a n de s t a b l i s h e dt h ea rm o d e lb a s e do nt h ef a u l t s i g n a l m e a n w h i l e ，t h es v mr e g r e s s i o nc l a s s i f i c a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e dw h i c h a b s t r a c t b a s e do nt h ea u t o r e g r e s s i v ep a r a m e t e r sa n dr e s i d u a lv a r i a n c e ，a n dt h e nd e t e r m i n e dt h e w o r ks t a t u sa n df a u l tt y p e so ft h es l i d i n gb e a r i n g t h ee x p e r i m e n t a ld a t ap r o v e dt h a tt h e w o r k i n gs t a t ea n dt h ef a u l tt y p eo ft h es l i d i n gb e a r i n gi sa c c o r dw i t ht h ec h a n g e so f v a r i o u sp e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fs l i d i n gb e a r i n g s ，w h i c hp r o v i d e sap o w e r f u l s c i e n t i f i ce x p e r i m e n t a lb a s i sf o rt h ef u r t h e rs t u d yo ft h el u b r i c a t i n gp r o p e r t i e so ft h e s l i d i n gb e a r i n g t h er e s u l t si nt h i sp a s s a g em a k et h er e s e a r c hp r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e k e yw o r d s ：h i g h s p e e ds l i d i n gb e a r i n g ；h e a v yl o a d ；l u b r i c a t i n gp r o p e r t y ； c o m p u t a t i o n a la n a l y s i s 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第l 章绪论1 1 1 课题研究背景及研究意义1 1 1 1 研究问题的提出1 1 1 2 研究问题的意义2 1 。2 滑动轴承研究现状分析3 1 2 1 润滑特性研究现状分析3 1 2 2 故障诊断研究现状3 1 3 课题研究内容4 第2 章流体润滑理论5 2 1 滑动轴承的结构一5 2 2 流体动压润滑形成原理一5 2 2 1 动压油膜形成原理5 2 2 2 力学模型6 2 3 雷诺方程( r e y n o l d s ) 的建立7 2 3 1r e y n o l d s 方程的假设条件7 2 3 2 建立r e y n o l d s 方程一8 2 4 雷诺方程的简化1 2 2 5 本章小结1 2 第3 章高速重载行星轮滑动轴承的润滑分析1 4 3 1 行星轮轴承载荷特性1 4 3 2 求解滑动轴承的雷诺方程1 4 3 2 1 关于雷诺方程的求解一15 3 2 2 雷诺方程的无量纲化，1 5 3 3 引入边界条件16 3 4 二维雷诺方程数值求解1 6 3 5 选择数值分析软件1 9 3 6 流体润滑特性计算2 1 3 6 1 承载力2 1 目录 3 6 2 偏位角2 3 3 6 3 润滑油的泄油流量2 4 3 6 4 计算最小油膜厚度2 5 3 6 5 摩擦功率2 6 3 6 6 温升分析2 8 3 7 润滑性能分析2 9 3 7 1 相对间隙变化对润滑性能的影响2 9 3 7 2 温度变化时对润滑性能的影响31 3 7 3 负荷率变化对润滑性能的影响3 3 3 8 本章小结3 4 第4 章计入表面粗糙度的高速重载行星轮滑动轴承润滑分析3 5 4 1 基本公式3 6 4 1 1 膜厚比3 6 4 1 2 粗糙峰方向性3 7 4 1 3 膜厚方程3 7 4 1 4 润滑油粘压效应关系式3 8 4 1 5 流量因子和剪应力因子3 8 4 1 6 粗糙峰承载理论4 1 4 2 润滑性能4 2 4 2 1 润滑油流量4 2 4 2 2 摩擦力4 2 4 2 3 润滑油温升计算4 4 4 3 数值计算方法4 4 4 4 计算结果与分析4 5 4 4 1 表面粗糙度对润滑性能的影响4 6 4 4 1 1 表面粗糙度大小的影响4 7 4 4 1 2 表面方向参数的影响5 1 4 4 2 相对间隙对润滑性能的影响5 4 4 4 3 温度变化对润滑性能的影响5 6 4 4 4 高速重载对润滑特性的影响一5 8 4 5 本章小结6 2 第5 章滑动轴承故障诊断研究6 3 5 1e m d 算法的端点效应处理一6 3 5 1 1e m d 算法6 3 i l 目录 5 1 2 端部效应处理方法6 4 5 2a r 自回归模型构建6 4 5 3 支持向量机模型构建6 5 5 3 1 支持向量机原理6 5 5 3 2 构建支持向量机模型6 6 5 4 滑动轴承故障诊断6 7 5 5 实例分析6 8 5 6 本章小结7 0 第6 章总结与展望7 l 致谢7 2 参考文献7 3 作者简介7 6 攻读硕士期间发表的论文7 6 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景及研究意义 随着现代工业的迅速发展，机械设备朝着高精密、高速度和重载的趋势迅速 发展。作为行星轮支承元件的滑动轴承因其特有的性能在机械领域得到了越来越 广泛的应用，滑动轴承与滚动轴承相比，具有体积小、性能可靠、工作平稳且噪 音较低等特点。若液体润滑充分，那么润滑油就可以将两个产生相对运动的滑动 摩擦表面分开从而避免了两表面的直接接触，这样就可以很大程度地消除磨损现 象来减少摩擦损失，而且润滑油膜能起到一部分减振的作用，进而保障了滑动轴 承的运转精度和稳定性，使得滑动轴承在实际应用中有着得天独厚的优势【l 】。 滑动轴承有很多种类型，分类方式不同类型名称也不尽相同，据不同的受力 方向可以将滑动轴承分为径向、止推和径向止推三种类型；据不同的润滑剂可以 将滑动轴承分为液体润滑、脂润滑、气体润滑和固体润滑四种类型，其中液体润 滑又包括水润滑、油液润滑和磁流体润滑三种类型；据不同的轴瓦材料可以将滑 动轴承分为非金属、金属以及多孔质等多种类别；流体润滑滑动轴承又可以将滑 动轴承分为动压、静压及动静压混合三种类型【2 j 。对流体动压润滑滑动轴承的研究 和应用都有着悠久的历史，特别随着现代控制理论和润滑特性的研究和发展，滑 动轴承正在得到其前所未有的应用。 两个固体润滑表面发生相对运动时，流体润滑会形成内压膜，从而可以承受 外来负载压力，减少甚至避免产生摩擦运动，达到动压润滑的目的，即流体动压 润滑。雷诺方程是流体动力润滑的理论基础，表示了润滑油膜的压力分布，是 b t o w e r 发现了动压现象后通过o r e y n o l d s 的分析推导得出的，同时也具有最广 泛的应用范卧j 。 1 1 1 研究问题的提出 工程机械工作环境极其恶劣，实际行驶中除了承受稳定运行工况包括起步、 换档、制动、转向等操作带来的全部激励外，还要承受来自工作介质中不可预见 的冲击激励，这使得行星轮轴承的受力状况变得异常复杂。随着高速、重载而生 的便是高温，所以行星轮轴承的磨损特性非常复杂，影响因素特别多，如温度场 与应力场耦合、温度场与速度场耦合、速度场与应力场耦合、工作间隙的变化等。 因此，研究高转速行星机构行星轮轴承的磨损特性成为研制高速行星传动机构过 河北工程大学硕士学位论文 程中一项重要的课题。 通常工程机械传动装置行星轮轴承采用的是滚针轴承，该轴承是容易早期损 坏的零件之一，也是制约着行星传动技术提高的瓶颈之一。在行星传动机构中， 行星轮上的支承所受负荷最大，不仅承受啮合作用力在支承上引起的负荷，还要 承受行星轮离心力有支承上所引起的负荷。尤其是当行星架的转速很高时，离心 力在支承上所引起的负荷可能大大超过啮合作用力在支承上所引起的负荷，因此 不能忽视离心力对支承的影响 5 1 。目前传动装置行星机构的工作转速一般在 7 0 0 0 r m i n 以下，为了获得更高的传动性能和功率密度，提高转速成为常用的有效 措施之一，因此提出了工作转速可达1 10 0 0 r m i n 或更高的高转速行星机构的研制 目标，而滚动轴承的d n 值约为o 3 1 0 6i l l l n r m i n 。所以在高转速、高负载和宽 温度变化范围的传动中，滚动轴承往往不能满足使用寿命的要求，因此探索工程 机械传动装置行星轮轴承在现有结构条件下采用滑动轴承的可行性是必然趋势。 1 1 2 研究问题的意义 与润滑、磨损和摩擦有关的科学称之为摩擦学。它是一门主要研究两个相互 存在摩擦与磨损的相对运动面之间相互作用变化规律及其相关理论与实践的综合 性学科。由于适当的润滑作用可以减少摩擦和磨损所引起的能量损失和材料损坏， 因此对大多数基础件的摩擦学设计而言，润滑设计是最重要的卜。对机械设备关 键零部件进行高速、重载等条件下的摩擦学特性及失效机理的研究，可为特殊工 况零部件的设计制造提供依据和参考，对提高产品质量、提高设备运行和使用的 安全性、预防事故发生等方面意义重大【7 】。对于低速、轻载工况下运行的滑动轴承 在运动过程中产生的油膜压力较小，表现出的润滑特性对轴承的性能影响较小， 因此多数研究中轴承表面粗糙度的影响容易被忽略，但是在高速、重载时，滑动 轴承最小油膜厚度与表面粗糙度的大小往往是同一数量级的，其表现出的各种润 滑特性在很大程度上影响了轴承的性能。以往对工程机械传动装置的研究，无论 在理论上还是在试验上，都还没有对流体润滑特性及其对机构的影响进行更深入 的研究。因此，为满足传动装置高速、高负荷、大功率传递的发展需求，对工程 机械传动装置的润滑特性进行深入研究，在计及轴颈、轴瓦表面形貌影响下，对 高速、重载工况下的滑动轴承进行计算分析，探寻减少磨损的措施，为滑动轴承 的设计与应用提供科学的理论和试验依据，具有十分重要的意义和广阔的研究前 景。 第1 章绪论 1 。2 滑动轴承研究现状分析 1 2 1 润滑特性研究现状分析 随着行星轮的广泛应用，对其研究的内容也广泛深入，但大多以齿轮的磨损 特性为研究对象，而对轴承的磨损特性研究相对较少。2 0 0 7 年，崔利杰f 8 】等通过 膜厚比计算研究了某直升机主减速机行星齿轮系统的弹流润滑工作状况，针对齿 轮机构啮合最薄弱部位的弹性润滑特性，通过分析计算得出了行星齿轮传动机构 中的齿轮参数( 如：齿宽、压力角和齿轮模数) 对油膜厚度的影响。2 0 0 7 年，何 韶君一j 用d o w s o n - h i g g i n s o n 公式分析了渐开线少齿差行星机构齿面间的磨损特性， 计算了最小油膜厚度和膜厚比，为耐磨损设计提供理论依据，并对n g w 行星机构 用道森理论对其磨损特性和磨损状态进行了分析。 r e y n o l d s 方程的应用解决了一般润滑的共性问题，但用它去求解实际工程中 的具体问题时，必须考虑不同问题的个性。随着滑动轴承设计技术向超大型和小 型化的发展，越来越多的需求希望在r e y n o l d s 方程中考虑某些曾被忽略的因素， 即在求解r e y n o l d s 方程时近似或忽略了某些参数，实际中即忽略了能对轴承性能 产生影响的因素( 如油膜曲率、速度梯度、速度场和惯性项等) 。岑少起【io 】等应用 流体计算软件f i d a p ，直接进行能量方程、完全的n s 方程组和状态方程的联合 解析，通过分析得到了以切合实际的油膜形状作为研究对象的压力及温度特性曲 线，建立了有限长下的径向滑动轴承压力、速度和温度的空间立体数据模型，从 理论上完全证实了滑动轴承润滑理论中几个著名的物理现象，对更全面讨论润滑 油膜的物理特性和各种参数对轴承性能的影响有一定意义。 当前求解雷诺方程多采用有限元法、差分法等数值计算方法。不少用户用 f o r t r a n 或m a t l a b 语言编写求解程序得到计算结果。高庆水【l l j 利用流体计算工具 f l u e n t 构建了滑动轴承压力数值求解模型，从而得到了一般圆柱滑动轴承的轴承压 力分布特性曲线及上、下瓦油槽对滑动轴承压力、进油量、温度和承载力的影响 分布图，并与r e y n o l d s 方程计算对比，结果表明：数值计算和流体计算方法结果 大致相近，但后者需要较长的计算时间。 1 。2 2 故障诊断研究现状 虽然滑动轴承不如滚动轴承应用广泛，但在径向尺寸受到限制，速度要求较 高，精度要求准确及负载大而复杂变化的环境中仍然具有广阔的应用前景。工程 实际中滑动轴承经常发生损坏，有的只是造成设备损坏，使得暂时停车，但有时 会造成重大事故发生，甚至会出现生命伤亡现象，影响安全生产，造成重大经济 河北工程大学硕士学位论文 损失。如果能够在线监控轴承的工作状况，分析判断故障出现前兆，建立故障防 范措施，从而降低或减少故障发生的几率。采集并分析滑动轴承发生故障时产生 的压力信号，可以快速地判断失效的形式，及时进行反馈。2 0 0 5 年，杨宇【1 2 】等提 出了一种故障识别率高的滚动轴承故障诊断方法来解决振动信号中的非平稳性问 题，该方法基于经验模态分解和神经网络，提高了识别滚动轴承的工作状态和故 障类型的效率和准确性。2 0 0 6 年，傅和平、秦萍【1 3 】分析了滑动轴承的主要失效形 式和机理，研究发现所有轴承故障都是因为轴与轴承发生了接触性摩擦，从而导 致了液体润滑遭到破坏，因此他们将滑动轴承简化成灰色系统模型，该系统将多 种故障原因作为输入、接触性摩擦作为单一输出，以接触性摩擦作为唯一的故障 基准模来进行故障诊断。2 0 0 6 年，谢凤、季峰1 1 4 j 论述了磨损的类型和影响磨损的 基本因素。2 0 1 2 年，张春福【l5 】等分析了滑动轴承的运动故障和振动故障，提出了 一种适用于判别滑动轴承初期阶段是否出现故障的新方法，该方法基于润滑机理 利用润滑剂的温度及成分的改变来反映滑动轴承的故障状况。 1 3 课题研究内容 ( 1 ) 根据流体动压润滑理论建立数学模型，利用m a t l a b 数值分析软件使用 有限差分法对理想状态下的高速重载行星轮滑动轴承的各项润滑特性进行分析， 并验证其可行性和准确性； ( 2 ) 建立考虑表面粗糙度的r e y n o l d s 方程，利用数值求解，分析其在高速重 载工况下的油膜压力分布及表面粗糙度对滑动轴承润滑特性的影响；并与理想状 态下的各项润滑特性进行对比、分析： ( 3 ) 对基于经验模态分解和神经网络的轴承故障诊断方法进行改进，寻找更 快速准确的故障诊断方法，并进行试验验证滑动轴承工作状态和故障类型与各种 润滑性能参数的变化规律。 第2 章流体润滑理论 2 1 滑动轴承的结构 第2 章流体润滑理论 滑动轴承根据承载力方向不同有推力滑动轴承和径向滑动轴承【1 “17 1 。滑动轴 承和轴颈在工作过程中相对转动，此时两个相对运动面之间的润滑油液会形成楔 形油膜将这两摩擦面分离。依据润滑油膜不同的形成原理，可将滑动轴承分为动 压和静压润滑两种。径向滑动轴承示意图如2 1 所示： 油杯孔 图2 1 径向滑动轴承示意图 f i g 2 - 1t h es t r u c t u r eo f s l i d i n gb e a r i n g 2 2 流体动压润滑形成原理 2 2 1 动压油膜形成原理 流体动压油膜的形成是依靠两个固体摩擦面的相对运动将流体带入这两个摩 擦表面之间，从而形成压力油膜避免了两个摩擦表面的直接接触，这样在两摩擦 表面之间仅存在流体分子相互摩擦，所以因摩擦而损失的功率很小，可降低磨损 率、延长工作寿命。流体本身具有粘度，如图2 2 所示，平板a b 与c d 中间形成 装有具有一定粘度的流体的楔形间隙，平板a b 以相对速度v 向左移动，此时流体 由间隙大端流向小端，但由于液体的不可压缩性使楔形问隙内形成油压产生液体 流动，楔形油膜间产生的压力分布并与外载荷相平衡，即流体动压滑动轴承的工 作原理【1 7 19 1 。 河北工程大学硕士学位论文 图2 2 流体动压油膜形成机理图 f i g 2 - 2t h ep r i n c i p l eo f h y d r o d y n a m i cl u b r i e a t i o nf i l mf o r m a t i o n 当滑动轴承工作时，润滑油在轴颈( 相当于图2 2 中的a b ) 和轴瓦( 相当于图 2 2 中的c d ) 之间形成收敛楔形油膜，当润滑油由a c 面流向b d 面时因油液的不 可压缩性且需符合质量守恒原理，所以在轴承间隙内定会形成周向油膜压力( 图 2 3 ) ，这样轴颈位置在油膜压力的作用下就会由图a 变到图b 所示的情况。 ( a ) 停车状态 ( b ) 运动状态 图2 - 3 滑动轴承的动压油膜形成过程 f i g ，2 - 3t h ef i l mp r e s s u r e sf o r m a t i o np r o e e s so f j o u r n a lb e a r i n g s 2 2 。2 力学模型 径向滑动轴承的结构及参数如图2 4 所示，q 、q 分别为轴承和轴径中心，r 、 ，分别为轴承和轴径半径，轴承宽度为b 、直径为d ，宽径比岔= e o ，轴承问隙 c = 尺一r ，轴承相对间隙= c r ，偏心距p ，偏心率s = e c ，c , o 为轴颈旋转角度 值，矽为轴颈偏位角，为轴颈载荷，f 为油膜承受力，辟，e 分别是f 的径向和 6 第2 章流体润滑理论 切向分量，b 、b 是油膜力x 和y 方向的分量；：譬为轴颈旋转角速度；q ：譬 d l6 l t 为轴颈偏位角速度；华为滑动轴承挤压速度。 d f 荔 燧 0 x ， 铡 | 毋 图2 4 轴承结构及参数 f i g 2 - 4s t r u c t u r eo fb e a r i n ga n dm o t i o np a r a m e t e r s 2 3 雷诺方程( r e y n o l d s ) 的建立 以下介绍建立雷诺方程时所需要的条件以及根据流体力学的基本原理来对其 进行推导 2 0 2 1 1 。 2 3 1r e y n o l d s 方程的假设条件 r e y n o l d s 方程是在依据一些合理的假设推导得出的，这些假设如下所示【2 2 2 4 】： ( 1 ) 流体的惯性力远小于粘性力，所以流体不受额外的附加力场的作用； ( 2 ) 油膜厚度很小，所以油膜压力在油膜厚度h 的方向不变； ( 3 ) 油膜厚度h 比运动副表面的曲率半径小很多，因此不记表面移动速度方 向的改变； ( 4 ) 润滑剂在界面上无滑移现象，即附着在界面上的流体质点的速度应与界 面上该点速度一样； ( 5 ) 润滑剂在间隙中的流动是层流，不存在涡流与湍流，并且不计其流动中 的惯性效应； ( 6 ) 润滑剂为牛顿流体，即剪切力与剪应变率成正比关系； ( 7 ) 相对运动的两固体表面是刚性的： ( 8 ) 油液为不可压缩的； ( 9 ) 油液的粘度在流动问隙中保持不变，即不计压力与温度对粘度的影响。 河北工程大学硕士学位论文 2 3 2 建立r e y n o l d s 方程 如图2 5 所示，润滑油在c 和d 间的楔形间隙中流动，z 方向为无限长。假设d 板静止不动，c 板沿x 正向运动，速度为u 。据假设条件( 4 ) 可以知道，c 板面 上的润滑油液的速度为u ，d 板面上的润滑油液速度为0 ，此时油液在楔形间隙中 就会产生剪切向流动。 x 缴 酞 i ：p 派船 f 、 ， j n x $。k d 图2 5 间隙中油液压力分布示意图 f i g 2 - 5l u b r i c a t i n go i li nt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o ng a p 因两平板间间隙不断收敛，液体容积不可改变，假如只受到连续的剪切流动 则必然会导致楔形间隙中的各截面处流量不均等，油液流动不连续，无法正常工 作。所以，c 板运动将润滑油从大间隙处带往小间隙时引起压力流动，其方向是 上 从中间某一最大压力处( 即_ u p = 0 ，p = p = p m 。) 向两端流动。 以x 根据微积分原理a x a y d z 是一个极小的单元，对其进行受力分析，有上述可知z 方向为无限宽，因此不考虑在z 方向的变化。对受力单元的分析如图2 6 所示，现 考察单元体各表面上沿坐标轴方向的受力情况，在单元体的左、右两表面上，作 用有压力及其沿x 方向的增量。在上和下两表面上，有y 向增量和流体剪切力的作 用。 第2 章流体润滑理论 图2 6 受力单元分析图 f i g 2 6a n a l y s i sf i go fc e l lp r e s s 驭在x 方向地力平衡， z f , = 0 i a p ：孥 ( 2 - 1 ) 对于粘度为7 7 的牛顿流体，速度梯度_ a u ，剪切应力f 和流体粘度7 7 为成正比 关系，则式( 2 1 ) 推导为： 罢= 孙万a u ) 沼2 ) 缸却( 却j 根据假设油的粘度在间隙中保持不变并沿z 方向无限宽，压力p 只沿x 方向变 化( a p ：o ) ，上式中的窭就可以写为孕，因此式( 2 1 ) 经两次积后分可得： o zo x 缎 刁舻。( d 出p ) ，y 2 2 一+ q y + 巳 c 2 3 ， 再利用流体的边界条件： ( 1 ) y = 0 处，u = u 可得： c 2 = 笮u ( 2 4 ) ( 2 ) y = h 处，1 = 0 可得： c 。：f l u h 塑( 2 5 ) 将积分中的常数项c l c 2 代入式( 2 3 ) 中，则间隙中x 向润滑油液流动速度方程 “= 业型一一1 d p h 2 1 7 d xy ( 向一y ) ( 2 6 ) 。 。， 由式( 2 6 ) 可以看出x 向润滑油液流动速度甜是由剪切流动速度和压力流动 河北工程大学硕士学位论文 速度叠加而成， 剪切流动速度： 甜：u ( h - y ) ( 2 - 7 ) 甜= 一 j 。 ，z 压力流动速度： 圹一击罢y ( h - y ) ( 2 - 8 )一西玄y j 流动速度甜。，u p 及甜沿膜厚方向的分布如图2 - 7 所示。从图2 7 中可以看出“口 在y 方向呈抛物线分布。在x = x 的截面处( 此处孕= o ，p = 觚) ，y 值变化，u p 始 终都为0 ，润滑油在压力作用下从此截面流向两端，速度“，与y 值呈线性变化状态。 当x o 时，u p 分量阻止油液向间隙流动，材沿y 向变化是比拟内凹直 线型的曲线。当工 x ，即孕 o 时，“变化时是比拟内凹直线型的曲线。 u t 分布 l 一 沙 。u x 分布 速度分布 u = u t + u x 图2 7 润滑油在间隙中的速度分布图 f i g 2 - 7t h es p e e dd i s t r i b u t i o no fl u b r i c a t i o ni nt h ec l e a r a n c e 有上述可知z 向无限宽，因此不存在测泄问题，那则每个单位油膜宽度在单位 时间内流过x 方向的流量吼为： 旷1 r “咖 ( 2 将速度公式与( 2 9 ) 联立积分得出流量方程： 1 0 第2 章流体润滑理论 一篙 协 z2 了一面i 素l ( 2 l u ) 厶t 厶i i 姒| 设油膜中某点x 。为( o p ：0 ) 压力极大值点，办为与之相对应的间隙值，则该 试块截面处的流量只有剪切流以： q ：堕 ( 2 1 1 ) = l z l1 ) 1 2 因为在楔形间隙中润滑油液的流动始终保持连续状态，即： q 。= q ： ( 2 1 2 ) 将式( 2 1 0 ) 、( 2 1 1 ) 代入式( 2 1 2 ) 中并加以整理，得： 鱼d