（机械制造及其自动化专业论文）螺旋油楔滑动轴承润滑机理的理论与实验研究.pdf

摘要 n 目e ! ! e e e ! j | | | ! ! | 目目| | ! e | 目日| e 目e e ! ! e 摘要 在高速旋转条件下，滑动轴承的温升问题和轴承性能明显的方向性是制 约其应用的两个主要因素。本文的研究对象一一螺旋油楔滑动轴承恰好在这 两方面表现出了与众不同的特点，使其成为极具应用前途的高速精密轴承。 本文采用理论与实验研究相结合的方法，对其润滑机理和独有特性进行研究， 以期为它的优化设计和广泛应用奠定基础。 首先，在内部机理方面，研究了螺旋油楔轴承独特的压力分布形态、螺 旋油楔对润滑油的分流特性以及润滑油膜破裂的影响规律。 在分析螺旋油楔滑动轴承结构模型的基础上建立了轴承润滑的数学模 型。为克服雷诺方程差分求解时划分网格的局限性，推导了适用于任意阶梯 形油腔的通用计算方法；分析了轴承的出油孔边界和油膜破裂边界及紊流对 轴承性能计算的影响。结果表明，采用出油孔边界压力及油膜破裂边界压力 为零对轴承性能的计算影响很小，可以忽略；轴承间隙内润滑油流动的局部 雷诺数较小，紊流的影响可以忽略不计。 在计算螺旋油楔滑动轴承的压力分布形态的基础上，采用体积流速的方 法定量研究了轴承内部润滑油的流动状态，研究了螺旋形油腔对轴承的压力 分布、润滑油的流线分布的影响规律，揭示了这种轴承的独有润滑特征 分流特性，即轴承参数的合理匹配可以实现对进入轴承间隙的润滑油与经过 动压油楔区域摩擦加热的润滑油的分离，有效阻止这部分热油再进入下一个 油楔而重复加热。 研究了螺旋油楔滑动轴承润滑油膜的破裂情况及轴承结构参数、运转参 数对油膜破裂的影响规律。与直腔轴承的对比表明，螺旋形的油腔和供油压 力的增大均可以使进入轴承的润滑油更充分的展开，从而有效减少轴承润滑 油膜的破裂。 其次，在外部特性方面，针对螺旋油楔滑动轴承的特点，研究了螺旋油 楔轴承的各向异性特点以及轴承结构与工作参数对轴承性能的影响规律，揭 示了这种轴承的独有特性。 分析了滑动轴承性能各向异性对高速旋转机械的影响，探讨了减弱滑动 山东大学博士学位论文 轴承各向异性的途径。通过与相同参数的直腔轴承对比，研究了螺旋油楔轴 承性能的方向性及轴承结构对各向异性的影响。螺旋油腔的存在，使轴承内 油膜压力分布呈螺旋状包裹在轴颈上，使轴承的动静态性能较之直腔轴承呈 现出较弱的方向性，轴承性能在各个方向上差异较小，使其更适用于镗床类 主轴的旋转载荷的场合。 研究了主轴弯曲变形或安装误差造成的轴颈偏斜对轴承性能的影响，发 现在相同偏斜角度下同样的外载荷，螺旋油楔轴承的最小油膜厚度大于直腔 轴承，其产生的偏转力矩远小于直腔轴承，螺旋油楔轴承对轴颈的偏斜更不 敏感。 研究了轴承结构及工作参数对轴承动静态性能的影响规律。结果表明， 油腔的螺旋形布置使轴承总的承载力和摩擦阻力均有一定的降低，但轴承出 油量却大幅增加，轴承温升较低。增加出油孔对承载力影响较小，但却能极 大的增加轴承的出油量，从而能带走更多的热量，可有效地降低轴承的温升。 提高轴承的供油压力并不能提高轴承的承载能力，但可以使进入轴承的润滑 油更有效的在轴承间隙中展开，有利于润滑油膜的形成；对轴承的温度分布 研究发现，0 3 0 5 t a d 的油腔螺旋角时润滑油膜的最高温度值较小。 最后，在实验研究方面，针对螺旋油楔滑动轴承的特点，设计并制造了 高精度滑动轴承实验台。为便于采集压力信号，研制了红外式无线集流环信 号传输装置，并对压力传感器的定标方法进行了分析。通过钢质轴承与透明 有机玻璃轴承结合，进行了压力分布测量，流线分布与油膜破裂规律的实验 观测、出油量及出油孔影响等实验研究，并与理论计算进行了对比分析。 实验结果不仅有力支持和修正了理论结果，而且发现了一些新的特点， 如油膜的破裂形状、润滑油的流动状态、压力分布特征、出油孔对温升的影 响等。这些结果对进一步的研究和轴承的推广应用都具有重要的价值。 本文揭示出了螺旋油楔滑动轴承的内在机理、独有特性和变化规律，为 其进一步的推广应用奠定了基础。 本课题为国家自然科学基金资助项目课题( 项目编号：5 0 2 7 5 0 8 9 ) 关键词：螺旋油楔；分流特性；各向异性；压力分布；轴承温升 a b s t r a c t t e m p e r a t u r er i s e a n da n i s o t r o p i cc h a r a c t e ra r et w om a i nr e s i s t a n c e sf o r j o u r n a lb e a r i n gi ni t sa p p l i c a t i o na th i g hr o t a t i n gs p e e dc o n d i t i o n s t h eo b j c o to f t h i ss t u d y - - s p i r a lo i lw e d g ej o u r n a lb e a r i n gs h o w sd i s t i n c t i v ec h a r a c t e r i s t i c sj u s t i nt h i st w oa s p e c t ，w h i c hm a k e si ts u i t a b l ef o rh i g hs p e e dp r e c i s es y s t e m i nt h i s p a p e r , t h el u b r i c a t i o nm e c h a n i s ma n dt h eu n i q u ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eb e a r i n g h a v eb e e ni n v e s t i g a t e d t h e o r e t i c a l l y a n de x p e r i m e n t a l l yw i t hav i e wt o o p t i m i z i n gd e s i g na n di t sa p p l i c a t i o n f i r s t l y , i nt h ea s p e c to ft h ei n t e r n a lm e c h a n i s m ，t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ， f l u i df l o ws e p a r a t i o nc h a r a c t e ra n dt h eo i lf i l mr u p t u r eh a v eb e e ns t u d i e d t h e o r e t i c a l l y t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o no ft h es p i r a lo i l w e d g ej o u r n a lb e a r i n ga r ee s t a b l i s h e db a s e do nt h ea n a l y s i so fc o n f i g u r a t i o no f t h eb e a r i n g i no r d e rt od e a lw i t ht h ed i f f i c u l t yr e s u l t e df r o mt h eu n c e r t a i ns h a p 宅 o fo i lf i l m ；ap e r f o r m a n c ec a l c u l a t i o nm e t h o da n dt h er e l e v a n ts o f t w a r ea r e d e v e l o p e df o rj o u r n a lb e a r i n gw i t ha r b i t r a r i l yc a v i t i e s 。t h ev a l i d i t yo fs e v e r a l a s s u m p t i o n sf o rr e y n o l d se q u a t i o ni ss t u d i e di n v o l v i n g o i lf i l mr u p t u r ep r e s s u r d ， p r e s s u r eb o u n d a r yc o n d i t i o n ，a n dt h ei n f l u e n c eo ft u r b u l e n c ef l o w t h er e s u l t s s h o wt h a tt h er e y n o l d sn u m b e ri ss m a l l e rt h a nt h a to ft u r b u l e n c ef l o wi nt h e s t u d i e de x t e n t ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h eb e a t i n gc o n s i d e r i n gt h et u r b u l e n c eh a s al i t t l ed i f f e r e n c ef r o mt h a to fl a m i n a rf l o w f l u i df l o w s e p a r a t i o n c h a r a c t e ra n dt h eo i lf i l m r u p t u r es t a t u s a r e i n v e s t i g a t e do ns p i r a lo i lw e d g ej o u r n a lb e a r i n g t h er e s u l t sr e v e a lt h a tt h es p i r a l o i lc a v i t i e so ft h eb e a r i n ge n h a n c e dt h ea x i a lf l o wv e l o c i t yo ft h el u b r i c a n t ；o i l c a v i t yw i t hs u i t a b l es p i r a la n g l ec a ns e p a r a t et h ec o l d o i la n dh e a t e do i l e f f i c i e n t l y s p i r a lc a v i t ya n dh i g h e ro i ls u p p l yp r e s s u r e c a ns p e e du pt h e l u b r i c a n tf o rs p r e a d i n go u ti nt h ec l e a r a n c eo ft h eb e a r i n g ，w h i c hc a nd e c r e a s e t h eo i lf i l mr u p t u r e i 山东大学博士学位论文 s e c o n d ly t h ed i r e c t i o n a lp e r f o r m a n c e so ft h es p i r a lo i lw e d g eb e a t i n ga r e s t u d i e d c o m p a r i n gw i t h a x i a l s t r a i g h tc a v i t yb e a r i n g s i n c e t h en o r m a l c o n f i g u r a t i o nb e a r i n gs h o w sd i f f e r e n tp e r f o r m a n c e sa td i f f e r e n td i r e c t i o n a ll o a d s b e c a u s eo fi t sa x i a ls t r a i g h to i lc a v i t i e s ，t h es p i r a lo i lc a v i t i e sm a k et h ep r e s s u r e d i s t r i b u t i o ni nd i f f e r e n ts e c t i o nm o v ea l o n gw i t hc i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o n ，w h i c h m a k et h es t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e so f t h eb e a r i n gs h o wl i t t l ed i f f e r e n c ei n d i f f e r e n tc i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o n ，t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h eb e a r i n gi ss u i t a b l ef o r t h ec o n d i t i o nw i t hl o a d sr o t a t i n gw i t hi nc i r c u m f e r e n t i a ld i r e c t i o n ，s u c ha sb o r i n g m a c h i n e c o m p a r e dw i t hs t r a i g h to i lc a v i t yb e a r i n g ，t h ei n f l u e n c eo fa s y m m e t r i c a l p r e s s u r ed i s t r i b u t i o nc a u s e db ys p i r a lo i lc a v i t i e so nd e f l e c t i o nt o r q u ea n dt h e i n f l u e n c e so ft h em i s a l i g n m e n tc a u s e db ys h a f td e f o r m a t i o no ra s s e m b l ye l t o ro n b e a r i n gp e r f o r m a n c ea r es t u d i e dt h e o r e t i c a l l y t h er e s u l t ss h o wt h a tw i t ht h e s a m es h a f tm i s a l i g n m e n t ，t h em i n i m u mo fo i lf i l mt h i c k n e s so ft h es p i r a lo i l w e d g eb e a t i n gi sg r e a tt h a nt h a to fn o r m a lb e a t i n g ，a n dt h ed e f l e c t i o nt o r q u e o f t h eb e a r i n gi sf a rs m a l l e rt h a nt h a to fn o r m a lb e a r i n g ，t h a ti st os a y , t h es p i r a lo i l w e d g eb e a r i n g h a sl e s ss e n s i t i v i t yt om i s a l i g n m e n tt h a nn o r m a lb e a t i n g t h ei n f l u e n c e so ft h eo i lc a v i t ys t r u c t u r eo nt h es t a t i ca n dd y n a m i c p e r f o r m a n c eh a sb e e ns t u d i e do ns p i r a lo i lw e d g ej o u r n a lb e a r i n g t h er e s u l t s s h o wt h a t ，t h es p i r a lc a v i t yd e c r e a s e st h el o a dc a p a c i t yt os o m ee x t e n t ，h o w e v e r t h eo i lo u t f l o wq u a n t i t yf r o mt h eb e a r i n gs i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e d ，w h i c hi su s e f u l f o rs l o w i n gd o w nt h et e m p e r a t u r er i s e o u t l e th o l e sh a v el i t t l ei n f l u e n c eo n p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，l o a dc a p a c i t ya n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ，b u ti tc a n i n c r e a s e t h eo i lo u t f l o wq u a n t i t yg r e a t l y , w h i c hc a nd e c r e a s et h et e m p e r a t u r er i s eg r e a t l y t h eo i ls u p p l yp r e s s u r eh a sl i t t l ee f f e c to nl o a dc a p a c i t yo ft h eb e a r i n g ，b u t h i g h e ro i ls u p p l yp r e s s u r em a k e st h el u b r i c a n tf l o w e di n t ot h eb e a r i n gs p r e a do u t q u i c k l y , w h i c hi su s e f u lf o rf o r m a t i o no ft h eo i lf i l ma n da v o i d a n c eo ft h eo i l f i l mr u p t u r e a t h e r m o h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o nm o d e lo ft h es p i r a lo i lw e d g ej o u r n a l b e a r i n gi s e s t a b l i s h e da n ds o l v e du s i n gs t r e a m l i n eu p w a r df i n i t ed i f f e r e n t i a l i v a b sj 姒c i m e t h o d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o nv a r i e sg r e a t l yn o to n l y w i t hc i r c u m f e r e n c ed i r e c t i o n ，b u ta l s ow i t ha x i a ld i r e c t i o n ，w h i c hi s g r e a t d i f f e r e n tf r o mt h a to fn o r m a ls t r a i g h to i lc a v i t yb e a r i n g t h er e g i o n so fh i g h e r t e m p e r a t u r e a r ed e c e n t r a l i z e df r o mt h en o r m a lb e a r i n g ，a n dt h em a x i m u m t e m p e r a t u r er i s ei sl o w e rt h a nt h a to fs t r a i g h to i lc a v i t yb e a r i n g t h er e s u l t sa l s o i n d i c a t e dt h a tt h es p i r a la n g l eh a sg r e a ti n f l u e n c eo nt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n ， a n dt h eo p t i m i z e dt e m p e r a t u r er i s ea p p e a r sw i t ht h es p i r a la n g l eo f0 3t o0 5 f i n a l l y , at e s tr i gf o rs p i r a lo i lw e d g ej o u r n a lb e a r i n gi sd e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e df o rf u r t h e rr e s e a r c h i no r d e rt of a c i l i t a t et h ea c q u i s i t i o no ft h e p r e s s u r e ，a ni n f r a r e dw i r e l e s ss l i pr i n gi sd e v e l o p e d ，a n dt h ep r e s s u r es e n s o r c a l i b r a t i o nm e t h o d sa r ea n a l y z e d t h ef l u i df l o ws e p a r a t i o nc h a r a c t e r , t h eo i l f i l mr u p t u r es t a t u s ，t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no ft h eo i lf i l ma n dt h ee f f e c t so ft h e o u t l e th o l e sa n dt h eo i ls u p p l yp r e s s u r eo nt h eb e a r i n gp e r f o r m a n c e 材e i n v e s t i g a t e d t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v ed e m o n s t r a t e dt h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r e t i c a l r e s u l t s ，a n df o u n dan u m b e ro fn e wf e a t u r e si no i lf i l mr u p t u r e ，t h ef l u i df l o w s t a t u so f l u b r i c a n t ，p r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n dt h ee f f e c to fo u t l e th o l e so n t e m p e r a t u r er i s e t h e s er e s u l t sh a v eg r e a tv a l u ef o rf u r t h e rr e s e a r c ha n dt h e a p p l i c a t i o no ft h eb e a r i n g t h i sp r o j e c ti ss u p p o r t e db yn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( n o 5 0 2 7 5 0 8 9 ) k e y w o r d s ：s p i r a l o i l w e d g e ；f l u i d f l o w s e p a r a t i o n ；a n i s o t r o p i c c h a r a c t e r i s t i c ；p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ；t e m p e r a t u r er i s e v 符号说明 符号说明 c 一轴承半径间隙； p 一轴承与轴颈偏心距： e l 一轴承与油腔圆弧偏心距； h 一油膜厚度； h o 一油腔深度； 栉一轴颈转速； p 一油膜压力； ，o 压力无量纲因子； p i 。一供油压力； 吼一周向体积流速； 吼一轴向体积流速； z 一轴向坐标； 岛一阻尼系数； ，一轴承承载力； 昂一承载力无量纲因子； 只一摩擦阻力矩； 瓦一摩擦力矩无量纲因子； 一刚度系数； 工一轴承宽度； l 一封油边宽度； m ，一绕x 轴偏转力矩； 吖。一绕y 轴偏转力矩； 一径向位移扰动压力； 局一周向位移扰动压力； b 一径向速度扰动压力； 易一周向位移扰动压力； 一油膜最大压力值； q 一轴承总出油量； 么一润滑油流量无量纲因子； q 一端泄流量； 级一出油孔出油量； r 一轴承半径； 足一轴颈半径； 尼一油腔圆弧半径； l k 一雷诺数； 墨一进油孔边界 岛一出油孔边界 鼠一油膜破裂边界 墨一油膜起始边界 写一温升无量纲因子； 瓦一供油温度； k 一油膜最高温度； r 一轴承温升； 圪一质点周向流速； 圪一质点周向流速； u 一轴颈表面线速度； 矿一轴承外载荷； 一初始截面油腔位置角； 口，一任意轴截面油腔位置角； 一载荷角； 一油腔螺旋角； p 一偏心率； 一轴颈径向扰动速度； 印一轴颈周向扰动速度； 山东大学博士学位论文 矽一周向坐标； 丸一油腔包角； p 一润滑油密度； 一润滑油粘度； 胁一润滑油粘度无量纲因子； 国轴颈角速度； a 一导热系数； c ，一润滑油比热； y 一轴颈倾斜角； 万一迭代精度； ( ) 一参数的无量纲形式。 v i u 原创性声明 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 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：1 逊 e t j 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名。于捡级乙导师签名： 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 快速发展起来的高速切削技术是上世纪机械制造业的重要技术进步之 一。由于其具有切削速度高、切深小、进给快、运转平稳、效率高、切削过 程散热快、表面精度高、适合切削高硬度材料和以切代磨等独特的优点，受 到了工业界极大的关注，并已成为制造技术发展的重要方向。 目前在超高速磨削方面，德国、日本、美国居于领先地位，欧洲、日本 的一些公司均已推出了自己的超高速磨床产品。国外的工业实用磨削速度己 达到或超过2 5 0 m s 的水平，实验室已达到5 0 0 m s ，而国内则相距较大，实 验室也仅达到了2 0 0 m s 的水平【2 1 。 高速主轴是实现高速切削的重要条件，高速精密轴承是主轴转速高速化 的关键技术，是主轴单元的核心部件，其性能好坏将直接影响主轴单元的工 作质量。由于速度的提高，轴承的温升、振动和噪声等也将随之增大， 而 寿命将可能缩短口】。因此，提高主轴转速的前提是研制开发出性能优越的高 速主轴轴承。 目前，高速主轴支承用的高速轴承有接触式和非接触式轴承两大类。接 触式轴承由于存在金属摩擦，因此摩擦系数大，允许最高转速低。非接触式 的流体润滑轴承，其摩擦仅与流体本身的摩擦系数有关。由于流体摩擦系数 很小，因而可达到很高的允许转速。目前用于超高速磨削主轴的非接触轴承 有液体动、静压滑动轴承、陶瓷轴承和磁悬浮轴承等，由于它们不同的工作 机理和特点，决定了它们各自的最佳工作场合f 4 4 】因此，有必要对它们进 行深入研究，以便为主轴单元中的轴承设计提供更有力的依据。 最基本的滑动轴承形式是圆柱式单油楔全周径向滑动轴承，这类轴承的 结构比较简单，但由于内部不设油腔，动压油楔仅有一个，压力只集中于轴 承的间隙最小处附近，轴承承载力的方向性比较明显，轴承的抗冲击和扰动 的能力很弱。目前广泛应用的动压润滑滑动轴承一般是在轴承的内壁上设有 一个或多个油腔，以增加轴承对载荷方向的适应性，通常油腔数目越多，轴 山东大学博十学位论文 承润滑油膜的刚度也会有一定程度的提高，但二者并非线性关系，通常油腔 的数量达到一定数目后，油膜的静刚度就增加极少；另一方面，由于所设油 腔的深度通常远大于轴承的半径间隙，油腔的增加会在一定程度上减小了动 压油楔的作用范围，使轴承的承载力降低，油腔的数量越多，承载力降低的 幅度越明显【引。 研究不同的滑动轴承结构对轴承动静态性能的影响，开发综合性能优异 的新型结构的滑动轴承是研究人员一直不懈努力的方向。本文就是针对一种 新型结构的螺旋油楔滑动轴承在分析其润滑机理的基础上，对其独特的分流 特性和麻花效应等进行研究，为这种新型轴承的工业应用提供理论基础。 1 2 国内外研究状况与发展方向 1 2 1 滑动轴承结构研究 流体动压轴承以其承载力大、结构简单、运转平稳、抗振性好、寿命长 等特点，在大型、高速旋转机械中得到广泛应用。随着旋转机械不断向高速 精密化发展，对滑动轴承的性能提出了越来越高的要求。近年来国内外对此 均进行了大量研究，一批新结构轴承相继出现。人们是在对动压轴承进行理 论和实验研究的过程中逐渐认识到轴承廓形参数的重要性的，它对轴承的运 转状态起了决定作用，因此不论是生产厂家还是科研单位都对轴承结构的研 究给予了越来越多的重视。 国外对于滑动轴承的研究比较早，也比较深入从所查阅的文献中，可 以看到对于各种结构形式的滑动轴承，国外的研究者都进行了大量的理论和 实验研究。h a s s a n 9 1 对一种轴向楔形结构的轴承的动静态性能进行了研究， 认为这种轴承的性能要优于同尺寸的圆柱轴承；c m r o d k i e w i e k 等l lo 】进行 了沟槽结构对圆锥轴承性能影响的实验，并将三种沟槽结构的轴承的承载能 力做了比较，得出倾斜的沟槽能够提高轴承的承载能力的结论；d s u d h e e r 、 t a l m q v i s t 、k b r o e k w e l l 等【1 2 0 4 1 从不同的方面对倾斜瓦轴承进行了理论和实 验研究研究。y o s h i o 等1 t 5 - 1 7 人在轴承的轴瓦上加工了环形微沟槽 ( c i r c u m f e r e n t i a lm i c r o g r o o v e s ) ，因此产生了微沟槽轴承，通过建立相应的 轴承数学模型，对实际发动机轴承的分析来说明压力与m i s e s 应力的计算过 2 第l 章绪论 程，并在相同条件下比较了微沟槽表面轴承与光滑轴承的压力与m i s e s 应力 分布，最后通过实验比较了微沟槽轴承和普通轴承的润滑性能，指出微沟槽 轴承的温升低，蓄油能力强，磨损试验中它的抗失效能力比普通轴承要强。 b p e t t i n a t o d t a y l o r , r d f l a c k 等o s - 2 h 对三油叶轴承的动静态性能进行 了实验研究，不同方向的载荷轴承表现出的性能是不同的。s y o s h i m o t o ，g h j a n g ，k k a n g 等【2 2 。9 1 研究了含人字形螺旋油槽的锥形轴承的润滑特性。 h a m o y , a 和k h o n s a r i ，m m 【3 0 】设计了一种新型轴承叫做h y d r o r o l l 轴承， 这种轴承在低速启动时，相当于滚动轴承，有利于减少轴承磨损，高速运行 时，产生动压油膜，相当于动压轴承，适合高速、重载运行，滑动轴承与滚 动轴承组合成的h y d r o r o l l 轴承，能够产生优良的热特性和降低轴承低速 时的磨损。最近几年来，高性能的发动机轴承需要能够在高速、高温、重载 等恶劣环境下工作，为了满足这种要求，s t a n i s l a ws t r z e l e c k i 等 3 h 对不同衬 套形状的双油叶轴承的压力和温度分布进行了研究，认为这种应用在大型汽 轮机中的双油叶轴承在高速、重载下仍具有良好的稳定性。z i r k e l b a c kn ， k y u n g p h i lk 和z a n gv 等2 7 t2 9 , 3 2 1 分别对硬盘主轴电机用人字型螺旋槽滑动 轴承的摩擦特性和动态特性进行了研究，尽管这种轴承不是新发明的，但在 计算机设备中的应用却是近几年的事。o g r o d n i kp j ，g o o d w i n ，m j 等【3 3 ，3 4 1 发明了一种变阻尼滑动轴承，这种轴承的1 2 0 。轴瓦上带有切槽，经过一个阀 来改变供油量，从而改变轴承阻尼，以获得良好的轴承性能。为了提高动压 轴承的稳定性和动态性能，d i m o f t ef l o r i n t ”，3 6 l 发明了一种波轴承( w a v e j o u m a lb e a r i n g ) ，并以一个三波轴承为例研究了在可压缩流体为介质条件下 的轴承性能，d i m o f t ef l o r i n 将波轴承与其它轴承，如油叶轴承、波槽轴承 ( w a v e g r o o v eb e a r i n g ) 等进行了比较研究，实验结果证明，适当的选择波 的位置角可以最大的提高轴承的性能。m a r t i nj k f hj 1 3 7 1 对一种新型自动调节 动压轴承进行了理论研究，给出了压力、温度控制方程及其有限元模型和迭 代算法，并通过相关实验证明了这种轴承的优点。 在国内，西安交通大学润滑理论与轴承研究所的谢友柏院士，朱均教授 f 6 ，3 8 。4 ，上海大学的张直明教授等人【4 2 - 4 , 1 对椭圆、多油楔、阶梯腔等不同结 构和工作原理的滑动轴承进行过大量研究，取得了一大批具有理论指导和实 际应用价值的研究成果。洛阳轴承研究所的王云飞 4 5 1 提出了一种人字型螺旋 3 山东大学博七学位论文 槽动静压滑动轴承，由于这种轴承具有阶梯和泵唧双重动压效应，因而静、 动态特性优于一般的滑动轴承。范中磊【4 6 4 7 1 等人对人字型螺旋槽滑动轴承在 计算机中的应用进行了研究，设计了一种具有螺旋槽的径向轴承和止推轴承 一体的结构，用以取代信息直接存取存储器中的滚珠轴承。范体贵等【4 8 】采用 边界元法对一种三叶错位轴承进行分析并与普通三叶轴承进行了对比。西安 交通大学的郭增林【4 9 】提出一种新型结构的动静压混合径向滑动轴承，该轴承 结构上采用了油腔二次节流，这种结构增强了轴承的静压支承能力，接着对 轴承进行理论计算与分析和实验研究，并将该轴承与缝隙式、小孔式、u 型 油腔、组合式、浅油腔、和环面节流式等其它动静压轴承进行了比较。苏红 等人【5 0 】介绍了一种带有可径向位移挡板的复合式滑动轴承，经过实验证明了 其在油膜最高温度、最小油膜厚度、润滑油流量等方面与其它轴承的优越性。 此外，西安交通大学的王凤才等人【5 1 巧3 1 对变阶梯结构自适应径向滑动轴承的 研究、合肥工业大学的金卓仁等【“】对梯度自润滑滑动轴承的研制、郑州工业 大学的华绍杰、岑少起等5 5 d 7 1 对具有深浅腔的圆柱浮环动静压混合滑动轴承 特性及其应用性分析都分别提出了各种各样的新型结构轴承。李树森、荣涵 锐等5 8 巧3 1 对滑动轴承的多种节流形式进行了对比研究。路长厚、刘建中等f 6 舢6 6 针对精密机床主轴中应用广泛的圆锥滑动轴承，建立起了圆锥动态雷诺方程， 给出了这类轴承的静、动特性计算的数学模型与计算方法。 1 2 2 流体润滑理论研究 自雷诺方程发现至今的1 0 0 多年中，各种新结构滑动轴承，如多油叶轴 承、多孔轴承、浮环轴承、螺旋槽轴承等相继问世，并有层出不穷的趋势。 每种新轴承的发明，不仅推动了旋转机械的发展，而且带来了新的润滑理论 问题。对新型轴承的研究，不仅丰富了润滑理论，充分挖掘轴承性能，而且 能促使其应用范围的不断扩大，如近年来滑动轴承已被应用于计算机硬盘的 主轴电机中6 7 ，6 8 1 。因此，新轴承一新理论一新应用，相辅相成，成为推动旋 转机械及润滑理论的不竭动力。 经典润滑理论是英国科学家r e y n o l d s 于1 8 8 6 年应用数学和流体力学理论 完善地解释了t o w e r 的实验，推导了著名的雷诺方程，奠定了流体润滑理论 的基础。对滑动轴承的早期研究，除r e y n o l d s 夕l ，s o m m e r f e l d ，h o p k i n s ，m i c h e u 4 第l 章绪论 等也做了深入分析【6 9 1 。限于当时机械结构对轴承的要求和所能提供的数值计 算技术，提出了一系列基本假设以求简化计算、分析，随着工业的进步和计 算技术的快速发展，原来采用的许多假设与实际机械运行工况不相适应，因 此需要根据具体的工况对经典润滑理论中所作的假设进行修改和完善，以适 应生产发展的需要。 在滑动轴承的润滑分析中，雷诺方程的数值计算是一个重要内容，而其 中的流动边界条件又影响着计算结果的准确性。 雷诺早在1 8 8 6 年就提出流体连续流动和不能承受明显的负压两个物理 条件【7 0 1 。他认为，压力终点应位于最小润滑间隙之后，经过多年的研究和令 人信服的实验结果证明，雷诺边界条件是合理的，但鉴于当时的计算水平， 这个边界条件很难应用到压力分布的求解中 在1 9 0 4 年，s o m m e r f e l d 第一次对雷诺方程进行解析积分时，选择了周 期性边界条件，认为整个轴承间隙内充满完整的油膜，即间隙收敛区压力为 正，而间隙扩散区为负压，这样当偏心率不很小时，间隙扩散区将出现较大 的负压，这与流体不能承受较大负压是不相符的。1 9 2 5 年g u m b e l 在 s o m m e r f e l d 边界条件的基础上舍弃了负压区，即将负压当作零压力，即认为 只在间隙的收敛区内存在完整的油膜，扩散区内油膜完全破裂，故又称为半 s o m m e r f e l d 边界条件，这种边界条件使用简单，但在间隙最小处压力导数是 不连续的，这与流体流动的连续性条件是不相容的。 随着润滑理论及计算机技术的发展，研究人员在计算轴承性能的过程中， 除雷诺边界条件外，又发展出多个边界条件，如双雷诺边界条件、油膜再形 成边界条件等。雷诺边界条件考虑了油膜破裂处的压力及压力的导数均为零 的条件，但没有考虑破裂区的上游边界，双雷诺边界条件是对雷诺边界条件 的一种推广，它不仅考虑了油膜的自然破裂，也考虑了油膜的上游边界形成 的条件。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( j f o 理论) 是建立在油膜破裂和再形成边界处保持质量守恒的基础上的，与雷诺边界条 件相比更为符合实际工况。它较好地描述了整个润滑流场，认为整个润滑区 可分为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，并假设 流体在空穴中以条状形式流动并且与轴承和转子表面均不脱离开，且空穴区 内压力为常量。质量守恒边界条件的数值实现比较困难，需要跟踪动态油膜 山东大学博十学位论文 边界。许多学者对其数值实现进行了研究【7 1 4 4 1 。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。其后，一些研究者对e l r o d 算法进行 了改进 7 3 - 7 6 】。b o o k e r 等提出了基于质量守恒边界条件的有限元空穴算法。并 考察了与雷诺边界条件计算结果上的差别。j e r z yts a w i c h i 7 7 1 利用j f o 理论 对动载多油叶轴承的空穴效应进行了研究，并得出了和实验结果较一致的结 论，同时认为供油压力对轴承的稳定性影响较大；t o m o k o 7 s 等采用小扰动假 设对人字形螺旋槽轴承的空穴效应进行了研究，发现考虑空穴效应后的主刚 度系数变大，而交叉刚度系数则变小，同时空穴效应对半频涡动也有影响。 在理论研究的同时，各国学者在润滑油膜的破裂与再形成的实验研究也 进行了大量工作。c o l e 和h u g h e s 在1 9 5 6 、1 9 5 7 年最早使用玻璃做的轴承套直 接观察了径向轴承内油膜的流动状态。实验指出，供油压力对油膜上游边界 的形状影响很大，但在进油孔处添设一个轴向油槽并不能有效地加速油膜的 铺开；在旋转