（机械设计及理论专业论文）恒运动循环挤压油膜实验研究及计算机仿真.pdf

上海大学硕 学位论文 摘要 摘要 本文叙述了挤压泊膜实验在动载油膜承载机理研究中的重要性，借鉴前入的 经验和教训l ，设计制造了一台恒运动循环的挤压油膜实验台，并进行了实验研究和 理论仿真。设计中考虑了压力、位移和图像信号的对应采集，一系列的可重复的 实验数据，为确立更加准确的、合理的动载油膜的边界条件提供了坚实的基础。 首先分析以往恒挤压力挤压油膜实验的优点和不足，通过理论仿真解释实验 中的位移飘动、压力有肩等现象。恒挤压力实验中最小膜厚和挤压振幅不能确定， 造成油膜力很难计算，必须改进实验方法，因此设计制造一台恒运动循环的挤压 油膜实验台。恒运动循环的挤压油膜通过给定挤压量变化规律，再去测量压强分 布和油膜破裂状态，这样挤压力随挤压量可变，就得到了计算油膜力的手段，也 就能更准确的反映动载轴承的特性。 本文的第二部分的主要内容是设计并制造恒运动循环挤压油膜实验台和实 验研究。通过挤压油膜理论分析和实验结果分析得到：在油膜没有破裂时，实验 中油膜的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。挤压的频率越高，初始最小膜厚越小，挤压量越大，越容易出现负压。 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。但是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。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。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。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。 恒运动循环的挤压油膜实验是前人没有做过。通过和仿真结果对照，发现实 验结果和理论结果可以很好的对应，从理论上分析了实验中出现负压凹坑的原因 和位置，和实验中结果相吻合，说明实验台设计成功合理，具有很好的重复性， 其实验结果为动载轴承的理论建模提供了坚实的实验依据。理论仿真也具有很高 的应用价值，对实验具有重要的指导意义。 关键词：空穴，油膜边界，实验台，动载滑动轴承，计算机仿真 l 海人学学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t t h es q u e e z ef i l me x p e r i m e n tp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h em e c h a n i s ms t u d y o fd 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 b a s e do n p r e d e c e s s o r s r e s e a r c h e s ，a d i s p l a c e m e n t - c o n t r o l l e dp a r a l l e l p l a t es q u e e z ef i l mt e s ta p p a r a t u sw a sd e s i g n e da n d b u i l tt oo b s e r v et h et i m e - - d e p e n d e n tc a v i t a t i o no fo i lf i l ma n di n v e s t i g a t ei t s m e c h a n i s m sb ya n a l y z i n gt h es h o r t a g ea n de x p e r i e n c eo ff o r m e re x p e r i m e n t a n dt h e s i m u l a t i o no ft h ee x p e r i m e n tw a sa l s oc o n d u c t e di no r d e rt os t u d yt h ee x p e r i m e n t p r i n c i p l e t h ee x p e r i m e n tt e s ta p p a r a t u sw a sd e s i g n e dt od a qo ft h ep r e s s u r e s i g n a l 、d i s p l a c e m e n ts i g n a la n dp i c t u r es i g n a li ns o m ed i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，w h i c h w o u l db et h ee x p e r i m e n td a t af o u n d a t i o nt oe s t a b l i s ht h er e a s o n a b l ed y n a m i c a l o i l f i h nb o u n d a r yc o n d i t i o n i nt h ef i r s tp a r t ，s o m ef o r m e re x p e r i m e n tp h e n o m e n aw e r ee x p l a i n e ds u c ha s d i s p l a c e m e n tp e a kv a l u ec h a n g e du pa n dd o w nm a dp r e s s u r ec u r v ew i t has h o u l d e r s h a p eb yc o m p i l i n gt h ep r o g r a mt o s i m u l a t et h ee x p e r i m e n tt h e o r e t i c a l l y t h e e x p e r i m e n t a lm e t h o dw a s c o n s i d e r e db e i n gm o d i f i e di no r d e rt oc a l c u l a t et h ev a l u eo f t h ea l t e r a b l eo i l f i l mf o r c ef o i l t h es q u e e z ed i s p l a c e m e n ti sc o n t r o l l e d t h es q u e e z e f o r c ec a nc h a n g e 、i t l lo i l - f i l mf o r c ea n dt h em e t h o dt oc a l c u l a t eo i l f i l mf o r c ei s f o u n d u n d e rt h i sc o n d i t i o n ，t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n dt h ec a v i t a t i o n ss t a t ec a n r e f l e c tt h ep e r f o r m a n c eo fd 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 gm o r ea c c u r a t e l y c o n s e q u e n t l y , i tw a sd e c i d e dt od e s i g nas q u e e z ef i l me x p e r i m e n te q u i p m e n tw i t h i n v a r i a b l es q u e e z ed i s p l a c e m e n tl a w i nt h es e c o n d p a r t ，t h ep r i m a r ys t u d yc o n t e n t i n c l u d e st h ed e s i g na n d m a n u f a c t u r eo ft h ed i s p l a c e m e n t c o n t r o l l e dp a r a l l e l - p l a t es q u e e z ef i l mt e s ta p p a r a t u s a n dt h es t u d yo fe x p e r i m e n t t h er e s u l t sb a s eo nt h ea n a l y s i so fs q u e e z ef i l mt h e o r y a n de x p e r i m e n tm a yb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： i ft h eo i lf i l md i dn o tr u p t u r e ，t h em e a s u r e dp r e s s u r et r a c ef o l l o w e dc l o s e l yt h e t h e o r e t i c a l p r e d i c t i o n f o ra nu n c a v i t a t e ds q u e e z ef i l m t h em a x i m u mp o s i t i v e p r e s s u r ea n dm a x i m u mn e g a t i v ep r e s s u r ew a s c o m eo u ta tt h ec e n t e ro fp a r a l l e l p l a t i i r 海大学学位论文 a b s t r a c t w h e nt h eo s c i l l a t o r ya m p l i t u d ea n df r e q u e n c yw e r el a r g e ，t h ei n i t i a lm i n i m u mf i l m t h i c k n e s sw a ss u f f i c i e n t l ys m a l l ，t h en e g m i v ep r e s s u r ew a sm e a s u r e d i fo i lf i l m r u p m r e d ，t h ep r e s s u r ei nt h ec a v i t a t i o nr e g i o nw a sv e r yc l o s et oa b s o l u t ez e r o t h e n e g a t i v ep r e s s u r ew a sm e a s u r e dj u s tb e f o r et h ee x p a n d i n gc a v i t a t i o nr e g i o nr e a c h e d t h ep r e s s u r es e n s i n gh o l e b u ti ft h ec a v i t a t i o nr e g i o nw a sv e n t e dt ot h es u r r o t m d i n g o i lp 0 0 1 t h ep r e s s u r ei nt h ec a v i t m i o nr e g i o nw o u l dr i s ea b o v ea b s o l u t ez e r od u et oa i r e n t r a i n m e n t w h e nt h eo i ln e g a t i v ep r e s s u r ew a sh i g h e ra n dal o to f “n u c l e i ”i nt h eo i l ， i tw o u l db ee a s yf o rt h ef i l mt or u p t u r e t h ec a v i t a t i o nr e g i o nw a sc i r c u l a ra n df i l l e d w i t hf e m - s h a p e dc a v i t i e s t h eg r o w t ha n ds h r i n ko ft h ec a v i t a t i o nr e g i o nf o l l o w e dt h e o s c i l l a t o r ym o t i o na n dt h es h r i n kw a sa l w a y sf a s t e rt h a nt h eg r o w t h c a v i t a t i o n i n c r e a s e dt h er a n g eo f p r e s s u r ef l u c t u a t i o n b u ti f t h ec a v i t a t i o nr e g i o nc o n t a i n e da i r , t h eo p p o s i t ew a st i m e t h ed i s p l a c e m e n t - c o n t r o l l e dp a r a l l e l - p l a t es q u e e z ef i l me x p e r i m e mw a sn e v e r d o n ep r e v i o u s l y t h r o u g ht h es i m u l a t i o na n dt h ee x p e r i m e n ts t u d y , i tw a sf o u n dt h a t t h e e x p e r i m e n t r e s u l t sw e r ec l o s et ot h es i m u l a t i o nr e s u l t s i tw a sa n a l y z e d s u c c e s s f u l l yt h a tw h ya n dw h e r et h en e g a t i v ep r e s s u r e “p i t ”a p p e a r e d t h er e s u r so f t h ee x p e r i m e n tw o u l db et h ei m p o r t a n td a t af o u n d a t i o nf o rm o d e l i n gi nt h e o r y t h e s i m u l a t i o nw a sa l s og u i d a b l es i g n i f i c a n c ef o rt h es t u d yo f t h ee x p e r i m e n t k e y w o r d ： c a v i t a t i o n ，o i l f i l mb o u n d a r y , e x p e r i m e n t ，d y n a m i c a lj o u m a i b e a r i n g ，s i m u l a t i o n 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形模型研究”资助 i 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：显妞导师签名：盆缢丝日期： m s 。； 上海大学硕j 。学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 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，这样也就为轴承性能提出了更 加高的要求。大型火电机组灾难防治的关键问题之一，是使设计、监测、运行、 分析和维修在对灾难环境和触发机理建模的基础之上，其中特别是对转子系统中 各种主要激励因素的建模。而轴承的激励又是转子系统的激励因素模型问题的主 要方面，这就对轴承提出了更高的要求。“大型火电机组转子支撑的非线性模型 研究”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， 计算机仿真和进行实验验证。本研究主要方向是进行挤压油膜的实验和计算机仿 真，主要的研究目的是为建立滑动轴承的动载边界条件提供实验依据。主要的研 究内容：对动载轴承工况进行简化，去掉油膜剪切力的影响，仅对挤压引起的现 象进行研究来单独考察动载油膜抗拉应力的能力一挤压油膜实验。 对大型火电机组转子支撑建立的是非线性的模型，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，它与线性模型 的计算结果的误差很大，有时达到3 0 0 。所以对大型火电机组转子支撑的研究 应该是非线性的模型，其边界条件也应该不同于静载的边界条件。 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，它也是转子一支撑一基础这个系统中的一个重要环节。 滑动轴承的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。轴承不仅起着承受载荷的作用，还会影 响整个系统的临界转速，使转子不平衡而引起振幅增加等，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，出现半频、 倍频涡动，逐渐达到共振临界值，白激励引起的振幅急剧增加，出现危险的油膜 第l 丽其7 3 酉 r 海大学硕士学位论文第一章绪论 振荡，严重时导致灾难。在一个转子系统中，轴承占有着重要的地位，因此有必 要对承载油膜进行深入研究。 对外来的扰动如轴承承受载荷的变化或者其它的激励因素影响，将会引起轴 心位景相对于平衡位置的变化。而且随着载荷和转速的变化，轴套和轴承之间的 油膜形态和静载时的工况有很大的不同：动载引起全油膜状态的变化，转速的变 化可以引起轴承下游区油膜空穴分布有明显的差异，油膜中出现大量的破碎的小 空穴，以至于承载力也出现变化。因此在建立滑动轴承的边界条件时，必须把动 载实际工况考虑进去。一般的计算或者分析研究工作是采用静载的边界条件，然 后运用这些边界条件进行相关的计算分析。目前非线性油膜力的计算分析中，采 用雷诺边界条件作为油膜压力的边界条件，即油膜的终止边处油膜压力为零，同 时油膜压力梯度也为零。这对于稳态和小扰动的场合是比较合用和方便的，但是 在大扰动是按照这些边界所得的计算结果和实际相比有较大的误差，而忽略空穴 破裂所引起的压力分布误差有时甚至达到3 0 0 。研究者也注意到这样的情况， 但因为动载滑动轴承影响因素众多，动载的形式变化多样，使得研究发展十分缓 慢。从这个出发点，反映大型转子系统所用的滑动轴承中油膜的实际工作情况， 阐明其复杂繁多的图像规律，与计算获得的油膜压力分布进行对照，在实际工况 中对防止动力学诱因所导致的灾难有重要意义。所以当前对动载滑动轴承中油膜 行为的研究十分重要。本研究主要的研究目的是为建立滑动轴承的动载的边界条 件提供实验依据。 般通常认为液体不能承受负压强，在负压的作用下液体中产生空穴，不能 保持成为连续的液体，对润滑油来说，也就是油膜破裂。空穴产生的原因有两种： 一种是油里本来溶解着周围环境的气体，当压强降至大气压以下，溶解度也随之 降低，于是气体逃逸出来形成气穴；另一种是压强降至油的液态和气态能够共存 的饱和压强时，一部分油发生了相变，形成油的蒸汽而形成空穴。在通常的轴承 运转温度下，油的饱和压强比大气压低的多，油膜破裂的现象却在压强稍小于大 气压时就发生了( 静载) ，所以轴承里的油膜破裂现象属于前者川。随着高速重载 高精度及其更加复杂的工况的增多，由动力学诱因引起的油膜剧烈振荡引起转子 失稳带来的损失越来越大，危险性也越来越高，尤其在动载和大扰动工况下，空 穴的大小形态和数量都相当可观，承载力和工作特性多变，工作环境复杂，值得 第2 页共7 3 页 海大学硕士学位论文 第一章绪论 进一步研究。 用非线性的思路做动载滑动轴承的研究，对于复杂的动载轴承工作状况而言 是相当必要的。实际动载工况中滑动轴承空穴的形成既有载荷挤压的作用又有转 子旋转的剪切作用，为了去除油膜轴承中的剪切运动作用，通过平行圆板的挤压 油膜振荡实验研究，来单独考察动载油膜抗拉应力的能力。 到目前为止，许多研究者对转子系统的非线性特性有了较深入的理论和仿真 研究，但缺乏必要的实验验证。挤压油膜方面虽进行了一些实验，但是大多采用 激振器，即挤压力恒定不变，但随着油膜力增加，挤压位移产生漂移，更重要的 问题是无法测量出最小油膜厚度，而且压力、位移、油膜力的相位不稳定，找不 到对应规律。恒定挤压力的挤压油膜实验也缺乏重复性。因此本研究所采取的方 法是让位移不变的恒运动循环挤压油膜，并对实验的结果做适当的理论分析。 1 2 国内外滑动轴承油膜分布机理研究概述 早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。人们在最初的分析中常常是不考虑空穴的影响。 1 8 8 6 年雷诺推导了现在所通称的雷诺方程，在推导该方程时为了简化问题或 者是根据当时人们的认知，作了许多假设【2 ： 1 粘度在整个压力膜范围内保持常数； 2 支配流体运动的惯性项可略去不记； 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。 在压力和温度变化不大的条件下，液体润滑的情况，常见的r e y n o l d s 方程表述为： 旦( 旦塑) + 旦( 旦o p l ：旦丝+ 丝 融、1 2 “蕊7o z 、1 2 “出72o xo t 由于技术的发展和人们认识水平的不断提高，以上假设中的某些在当今一般 第3 页共7 3 页 j 海大学硕士学位论文 第一章绪论 工程实践中已经不能成立。可是雷诺方程作为流体动压润滑的理论基础地位却足 不可动摇的。 为正确求解雷诺方程，需要确认油膜和空穴的起始边和终止边的位置。为此 研究者提出了各种边界条件。 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。 半s o m m e r f e l d 条件认为只有油膜收敛区内存在完整油膜3 1 。 在1 9 3 1 年和1 9 3 3 年，s w i l r 和s t i e b e r 研究了轴承的气穴问题。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。 随着认识水平的不断提高，人们发现在解决动载问题上理论有缺陷，于是后人又 做了大量的研究，其中最典型的就是由j a k o b s s o n 、f l o b e r g l 4 】和o l s s o n 提出了质 量守恒边界条件 s l 。 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，其特点是通过引入一个 新的变量o 和开关函数g ，将描述油膜完整区和空穴区的方程统一为一个通用方 程，在数值计算过程中自动确定动态边界6 【7 。其后d e b r e w e 8 j 和 v i j a y a r a h a v a n 9 1 、k u m e r 和b o o k e r 0 】、b a y a d a 1 2 】等都是基于质量守恒边界条 件提出不同算法。 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，在某些工况下，会成为气泡状，甚至会出现蕨类植物状。 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，研究动载滑动轴承浊 膜分布中的空穴行为，引起了不少国内外学者的关注和重视。 1 9 2 5 年，b l n e w k i r k 和h d t a y l o r 首先在一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 r 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状态，并获得一定数量的照片。他们观察到下述现象： 1 间隙增大的区域里油膜破裂呈细条状；轴承宽度内各处开始破裂的位置 第4 页共7 3 页 一海大学硕士学位论文第一章绪论 基本上是一致的。此外，改变供压对于油膜破裂的位置没有影响； 2 油孔流出来的油与循环回来的破裂油膜汇合后再逐渐铺开，直到覆盖住 轴承的全部宽度，形成喇叭口状的过渡区； 3 油孔处添加一个轴向油槽并不能有效地加速油膜的铺展： 4 周向油槽供油，仍然会出现油膜形成与油膜破裂的典型现象。 1 9 7 2 年t t a n a k a 和t s o m e y a 通过对雷诺方程边界条件的理论研究，对润 滑时的惯性力、气穴的可压缩性的讨论，以及对油膜破裂和油流的观察，推断这 些现象都归于油膜中空气泡的形成和溃灭。可是他们对于油膜中气穴的供气来源 不甚明了1 1 3 。 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 m2 ：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 r a u n 和h e n d r i c k s 对稳态和动载的工况进行实验，照片显示稳态工 况时油膜破裂的形式是流体从固体表面脱离【1 5 】。j a c o b s o n 和h a m r o c k 用高速相机 观察拍摄了动载轴承中的空穴，他们得出：不仅有气体气穴，还出现了蒸汽气穴， 气体气穴随时间增大，直到空穴区气泡数量恒定，这些气泡甚至能穿过高压区而 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，但这不是真正的负压( 绝对零压以下) 0 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 。 得出偏心率越大，则压力变化越大，负压越大。偏心越大，隐含的意思就是动 载越大f 】8 】。 1 9 9 1 年d c s u n 和d e b r e w e 改进了实验设备并获得较好的空穴照片。通 过实验总结出：【1 9 1 小轴承间隙、较高的旋转速度、大偏心率都促使空穴出现，影响空穴的 大小和存在时间长短。 2 如果轴套和轴同向旋转，空穴附着在轴承表面并被拉长；如果异向转动， 空穴行为被延迟，持续时间亦较轴套不动的时候长。 第5 页共7 3 页 海人学硕土学位论文第一章绪论 3 在较宽轴承的情况，空穴相对大些，持续时间也长。不过只在长径e l ( l d ) 小于l 时候成立。 4 空穴中气体应该不是来源于空气。 5 所做的实验没有记录空穴量，也没有进行压力测量。 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 改进实验设备，使得可视化 和压力采集可以同时进行。通过实验得出：1 2 0 1 对于个给定的实验条件，如果空穴出现，那最初总是一个空穴，该空 穴中包含油膜破裂后的残留细丝。空穴中有油蒸汽，在空穴处压力接 近于零。 2 在实验中相同条件下空穴并不总是出现；一旦出现，则可持续一段时间。 3 空穴出现与否和油膜中是否包含助于形成空穴的核子有很大关系。没有 核子时，油膜亦能承受压力而不出现气泡。 1 9 9 7 年孙美丽老师进行了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 2 1 1 ，得出： 1 ，静偏心占主导地位时，在低速下，有类似静载工况的油膜分布，存在喇 叭口状的过渡区。 2 小扰动情况下，油膜空穴分布区域明显随转速变化，转速越高空穴区域 越大。 3 大扰动情况下，由于挤压作用，油膜区域随动偏心的转动而在周向漂移， 因而油膜分布的区域波动较大，并且空穴分布区域随转速的增大而增大， 随偏心量的增大而增大。 4 只要有动偏心存在，即使在相同的工况下，单个大空穴有时存在，有时 不存在。 并且和计算值进行了比较2 2 得出： 1 各个时刻完整油膜区的上游边界位置，实验所得较理论计算所得向后推 移了一定的角度； 2 实验所得的连续油膜的分布区域较理论计算的更大； 3 实验结果重复性好，说明动态空穴的确有内在的物理规律； 4 在油膜的下游区域理论计算的油膜分布较复杂，与实验所得油膜分布比 第6 贞共7 3 页 ：海大学硕士学位论文 第一章绪论 较尚未发现有规律的对应。 2 0 0 2 年苏荭对滑动轴承中两种边界条件进行比较【2 3 】，并于2 0 0 3 年在硕士学 位论文中用改进的质量守恒边界条件进行不可压缩流体空穴对稳态和动载工况 计算，结论为：质量守恒边界条件与雷诺边界条件相比，更为符合实际情况。在 实践上得出一种确定理论计算空穴压力取值的方法。通过计算分析，得出：大长 径比、大偏心率、小间隙比，能增加油膜压力，提高轴承的承载力。亦使用不可 压缩流体空穴算法进行了稳态工况下记入温度效应的热流体研究2 4 1 。 许多学者在这方面做了深入的研究和探索，但是对动载滑动轴承中的油膜机 理的研究还不是很透彻清楚，建摸也困难，就出现了第二种实验即挤压油膜实验。 挤压油膜实验是对动载滑动轴承工况的简化，去掉了油膜剪切的影响，仅对 动载的挤压效应进行研究。 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25 1 ，荧光粉使气穴聚集，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 t 也做了相同类型的实验，总结出一个振 动周期中油膜有三种状态，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h ，压力p 以及空穴范围有关系，但 因实验机结构设计不合理，造成压力传感器头与导线遮挡了部分光路，所以气穴 照片效果不理想 2 6 1 。 我们轴承室重新设计了实验台，于2 0 0 2 年初通过实验观察到酬 2 8 j ： 1 空穴的初始出现通常在实验板的中心处，最后形成较大的空穴： 2 空穴刚出现时，如果停止振动，空穴会完全消失在油膜中；如果已经汇 集成大空穴，则停止振动空穴不会消失，但会变小； 3 空穴破裂时的冲击力相当大。空穴产生的数量、大小和振幅有关系，也 和频率有关。振幅越大，产生的空穴越多。空穴产生和油膜历史有关，出现过空 穴的油膜更容易出现空穴。 通过以往研究分析得到：径向油膜轴承在稳态静载条件下运行，在轴承的发 散间隙位置油膜出现不连续( 破裂) 现象，我们称之为静载空穴2 9 1 。这种现象除 第7 页共7 3 页 t 海大学硕十学位论文第一章绪论 了油膜的压力和空穴的轮廓外，空穴的位置和范围都研究的很清楚i3 1 1 ，因此，轴 承的特性参数如承载量都能可靠计算1 3 0 】。然而，轴承在变载荷( 动载) 条件下， 空穴现象就变得十分的复杂。空穴的特征无法清楚的了解，所以轴承的特性参数 就不能可靠的计算。但是动载轴承已经被广泛的使用，包括重要的机械部件如往 复内然机的转子轴承，汽轮机的挤压油膜节气闸等等。现有一些各种各样的空穴 模型应用于计算动载轴承特性，但是动载空穴承载机理的研究还不清楚。 根据挤压油膜实验，空穴呈现不同形式，如油膜与大气连通，润滑油就是气、 液混和体，此时油膜中存在空气穴。还有一种是发生在轴承完全淹没在油池中与 大气隔离的条件下，出现的空穴为蒸汽穴形式【3 2 】。 从先驱雷诺开始，人们对滑动轴承中油膜的分析研究随着科技的进步和认知 水平的提高而一步步在前进。从理论研究到实验，又从实验回到理论研究，如 此循环，从量的积累到质的飞跃，到如今研究者已经取得了巨大的成就，已经比 较好的对静载和动载工况下滑动轴承油膜分布以及空穴行为进行理论和实验上 的研究。但油膜动载机理的研究还不够充分，在挤压油膜方面进行的一些实验， 大多采用激振器，即挤压力恒定不变的挤压油膜实验，但随着油膜力增加，挤压 位移产生漂移，而且压力、位移、油膜力的相位不稳定，对应不起来。这种实验 方法的结果也缺乏真正的重复性，无法建摸，因此实验方法仍需改进。本文所采 取的方法是：让挤压量恒定不变的恒运动循环挤压油膜实验。 1 3 本论文的研究内容 l 。分析前人所做挤压油膜实验台的优点和不足，对恒挤压力的挤压油膜实 验台进行改进设计，设计并制造出具有u 级精度的恒运动循环挤压油膜实验台。 2 用高速c c d 拍摄图像、差压传感器采集压力及涡流传感器采集位移数据。 3 建立数据模型，进行计算机仿真，仿真结果和实验数据对比分析，讨论挤 压油膜的变化特性和影响因素。 第8 页共7 3 页 上海人学硕士学位论文第二章挤压油膜的理论分析和仿真计算 第二章挤压油膜的理论分析和仿真计算 现有的较成熟的油膜边界条件不能很好的解释动载轴承的一些现象，动载油 膜边界条件如何确定仍然存在问题。挤压油膜实验是对动载滑动轴承油膜承载机 理研究的重要实验，为确立动载油膜边界条件提供实验依据，所以国内外学者都 对此相当重视，一些先驱者已经做了一些实验和计算【2 】【3 ”。把计算机仿真应用在 滑动轴承的实验上是理论实验的一个重要手段，它周期短，费用低，可以指导实验 和缩短实验周期，避免实验中的盲目性，而实验同时也可以对仿真的结果进行校 验 3 4 l ” ，可以把各个方面的优势相互结合，相互补充，对实验和仿真中的各种现象 进行分析讨论，使理论得以升华和完美。 2 1 挤压油膜基础理论 润滑的基本概念本来是添注一层减摩质到相对滑动的两固体表面之间，以达 到减小摩擦和磨损的目的。这个概念到了流体动力润滑，就发展成：通过流动使 使润滑膜内产生足够的压强，以隔开两固体表面，使他们不直接接触。在这里产 生压强是主要的内容。通过转子转动的楔形间隙作用是产生压强的一种形式，另 一种产生压强形式就是挤压作用【3 3 】。 趋近速度 一 ri 乙扳 薹ir 盖 l o 图2 一l 乙板向甲板趋近 第9 页共7 3 页 l 海大学坝士学位论文第二章挤压油膜的理论分析和仿真计算 图2 2 间隙内产生压强将流体向四周排开 试考虑甲，乙两紧邻的圆板，其间隙内充满了粘性的常密度流体。甲板静止， 乙板以某速度向甲板推进。当乙板趋近时，间隙内的流体质点互相挤迫而产生了 升高的压强。这升高的压强将流体推向四周，产生了流动。可以想见，趋近的速 度越大，流体被排开的速度也越快，因此间隙内的压强也越高。换句话说，乙板 运动时收到的阻力也越大。所以，挤压作用也可以看成是一种阻尼作用。 现在对挤压作用做一定量分析，以进一步了解挤压作用的特性。假定流体的 粘度不变，根据润滑近似，把运动方程写成柱坐标形式【2 j ： 连续方程 r 动量方程 z 动量方程： 速度边界条件：z = 0 z = h ( t 、 一1 _ 0 ( w ，) + _ o v ：0 r 卯也 考= “鲁o z卯 望：0 瑟 v r = v = = 0 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) y r ：0 ，v ，：_ d h ( 2 4 ) 。 出 从( 2 3 ) 知p = p ( r ，t ) 。将( 2 2 ) 对z 积分并使用边界条件( 2 4 ) 得： 。：一型二垄望 2 “甜 将连续方程对z 从0 到h 积分，得 导c z 刀r ? v ，出，+ z 石r 笔；= 。 将式( 2 5 ) 代入( 2 6 ) ，便得到压强所服从的方程 2 】【3 】 望6 u rd h o rh 3 d t ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 第1 0 页共7 3 页 上海人学硕士学位论文 第二章挤压油膜的理论分析和仿真计算 压强边界条件：在r = r 处p = 0 利用这个边界条件，求解( 2 7 ) 得 一等警 代入( 2 5 ) 得到径向流速： v ，一拿警 ( 2 8 ) 将式( 2 1 0 ) 代入( 2 1 ) ，并利用边界条件( 2 4 ) ，得到轴向流速： 一! 燮二望塑 想要计算承载能力，只需将压强积分 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 形= z 石i p 胁一詈了u r 4 面d h ( z z ) 从以上分析得到以下几点： 1 当乙板趋近甲板时，压强到处为正；反之，压强到处为负。这都是相对环境 压强而言。当压强降到环境压强以下时，液体内溶解的空气便逸出形成气泡， 这时液体便不是单相体了。若压强降到液体所能承受的张应力以下，则润滑 膜破裂，连续方程就不适用 2 1 。 2 承载能力是压强的积分。若乙板的运动是周期性的上下运动，并且负压强的 程度也不至于造成油膜破裂，则： ( w d t = 一莩破4 锌= o ( 2 _ 1 3 ) 就是说，运动一周所得的净承载能力为零。 3 矿也正是外加的载荷。 ? 黝一争r 4 j 鲁= 等艘4c 嘉一旁 c z - a ， 如果w 为常数，则： 扛罂( 去一去) ( 2 1 5 ) 扛可厂( 矿一两) 4 w 同一霉成正比，同 h 的三次方成反比，所以挤压膜的阻尼系数不是常数， 第1 1 页共7 3 贞 l 海火学硕士学位论文 第二章挤压油膜的理论分析和仿真计算 润滑膜越薄，阻尼系数越大。 2 2 恒定挤压力的挤压油膜实验仿真 在讨论恒定挤压力的挤压油膜实验仿真之前，有必要介绍上海大学轴承研究 室在2 0 0 2 年进行的恒定挤压力挤压油膜的实验研究。 2 2 1 恒定挤压力挤压油膜实验简介 在动载滑动轴承运行时，承载油膜的气穴是在滑动轴承的旋转和挤压双重作 用下产生的，分离旋转和挤压运动，仅考虑挤压运动的作用，突出动载( 变载荷) 对 油膜气穴直接影响【3 ”。平行平板挤压油膜实验就是研究油膜分布机理的一种简化 方法。图2 3 是恒定挤压力的平行平板挤压油膜实验装置f 2 7 】，可分为激振装置， 实验机，光学系统和信号采集系统 2 8 1 。 激振装置1 使平板间产生振动，从而对平板间的油膜产生挤压效应。 i 一激振装置 2 一静支架 3 一钢丝拉杆4 一反光镜及镜架5 一动支架6 一托板 7 一位移传感器8 一实验板( 静扳) 9 压力传感器l o 一挡油环1 i 玻璃板( 动扳) 图2 3 平行圆板挤压油膜振荡实验机的结构原理 实验机的主要机构为两块平行平板。动支架5 与激振器连接，传递激振装置 产生的振动。旁边与六个钢丝拉杆相连3 ，用以保证动支架的水平。动板即玻璃 板1 1 固定在动支架上，随着动支架振动，完成对静板即实验板8 的挤压。玻璃板 下边就是挤压油膜的实验板，它通过托板6 与静支架2 相连，实验时它完全浸在 油中，它上面有压力传感器9 ，托板上有位移传感器7 。静支架2 支撑整个挤压油 第1 2 页共7 3 页 e 海大学倾+ 学位论文 第二二章挤压油膜的理论分析和仿真计算 膜实验台。 光学系统的作用是为实验机提供光源并对油膜挤压情况拍摄。呈4 5 度放置的 反光镜4 把透过玻璃板的油膜挤压图像反射出来，用高速c c d 进行图像采集。 信号采集系统通过安装在实验机上的传感器采集实验中的各种信号。实验中出现 位移漂移，压力有肩现象以及压力峰值点并不是出现在最小位移处等问题，有必 要对恒定挤压力的挤压油膜实验进行数学建模和计算机仿真，对仿真的结果进行 理论分析。 2 2 2 恒定挤压力的挤压油膜实验仿真 理论模型中先给定一个正弦波式的振动挤压力f ，使之与两平行板间油膜抵 抗力的相互作用，进而分析位移h 压力p 的变化，相应的可以得到油膜力等关系。 图2 - 4 挤压油膜实验的理论模型 运动方程组：设激振力正弦规律交变，即：f = 蠕s i n ( t o t ) ( 2 1 6 ) 运动方程为： 楸= f 一叔+ f o i l 目f 。 ( 2 1 7 ) 如果圆板下的油膜内没有破裂现象，则由雷诺方程可以得到油膜力为 f o i l l i 日t l = 3 z z ：r 4 2 h 3 【2 】 ( 2 1 8 ) 式中瞬时膜厚为：h = h o + x 即方程： m 警+ 孚嘉警州m s i n ( 硼 ( 21 9 ) 磊一激振力的振幅： 啪一运动实验圆板的质量和激振器动件的质量之和： 第1 3 页共7 3 页 上海大学硕士学位论文 第二章挤压油膜的理论分析和仿真计算 k 一支撑刚度，基本上等于激振器簧片的刚度( 其结构模型如图2 - 4 所示) ： 一油的动力粘度：l ；2 。一原始平衡状态下的油膜厚度：f 一激振力：x 一圆板的瞬时 位移：罢一圆板的瞬时速度：凡f f 一油膜力 引入无量纲变数： 舻百圳得： 争g ( 1 + 一x ) ，a - ! t + c k x