大偏心滑动轴承润滑与热弹流特性：理论剖析与实验验证

大偏心滑动轴承润滑与热弹流特性：理论剖析与实验验证一、引言1.1研究背景与意义在现代工业领域，滑动轴承作为一种关键的机械部件，广泛应用于各类旋转机械中，如电机、泵、压缩机、发电机、减速机等。其主要作用是支撑旋转轴，减少轴与支撑部件之间的摩擦和磨损，确保设备的稳定运行。大偏心滑动轴承作为滑动轴承的一种特殊类型，在一些对轴系运动精度和稳定性要求较高的场合发挥着不可或缺的作用。例如，在航空航天领域，发动机中的大偏心滑动轴承需要在高温、高压、高转速等极端工况下运行，其性能直接影响发动机的可靠性和使用寿命；在大型船舶的推进系统中，大偏心滑动轴承承担着传递巨大扭矩和支撑螺旋桨轴的重任，其运行状态关乎船舶的航行安全和效率。润滑状态对于大偏心滑动轴承的性能和寿命起着决定性作用。良好的润滑可以有效降低轴承表面的摩擦系数，减少磨损，提高能量传输效率。当润滑状态不佳时，轴承表面可能会出现干摩擦或边界摩擦，导致摩擦阻力急剧增加，磨损加剧，甚至引发轴承烧伤、咬死等严重故障。润滑还能起到冷却和散热的作用，及时带走因摩擦产生的热量，防止轴承因过热而失效。在高速重载的工况下，大偏心滑动轴承的润滑状态尤为重要，因为此时轴承所承受的载荷和摩擦力更大，对润滑的要求也更高。热弹流特性是大偏心滑动轴承研究中的另一个关键因素。在工作过程中，由于轴承内部的摩擦生热以及外部环境的热传递，轴承各部件会产生温度变化，进而导致材料的热膨胀和弹性变形。这些热效应和弹性变形会对油膜的厚度、压力分布以及润滑状态产生显著影响。热弹流特性的研究可以帮助我们深入了解轴承在复杂工况下的工作机理，为轴承的设计、优化和故障诊断提供理论依据。例如，通过分析热弹流特性，可以确定轴承在不同工况下的最佳润滑参数，如润滑油的粘度、流量等，以提高轴承的性能和可靠性；还可以预测轴承在运行过程中可能出现的故障，如油膜破裂、热变形过大等，从而采取相应的预防措施。随着工业技术的不断发展，对大偏心滑动轴承的性能要求也越来越高。在一些新兴领域，如新能源汽车、风力发电、高端装备制造等，对大偏心滑动轴承的轻量化、高精度、长寿命和高可靠性提出了更高的挑战。因此，深入研究大偏心滑动轴承的润滑状态及热弹流特性具有重要的现实意义和应用价值。通过对润滑状态和热弹流特性的研究，可以优化轴承的设计和制造工艺，提高轴承的性能和可靠性，降低设备的运行成本和维护费用，推动相关工业领域的技术进步和发展。1.2国内外研究现状在滑动轴承的润滑理论方面，1886年雷诺（Reynolds）提出了著名的雷诺方程，为流体润滑理论奠定了基础。此后，众多学者基于雷诺方程对滑动轴承的润滑性能进行了深入研究。早期的研究主要集中在等温条件下的润滑分析，通过求解雷诺方程得到油膜压力、油膜厚度等参数，从而评估轴承的承载能力、摩擦特性等性能指标。随着计算技术的发展，数值计算方法被广泛应用于润滑问题的求解，如有限差分法、有限元法、边界元法等，使得对复杂几何形状和工况条件下的滑动轴承润滑分析成为可能。在大偏心滑动轴承的润滑状态研究方面，国内学者张洪彬等人以动压滑动轴承为研究对象，建立了完全流体润滑模型和混合润滑模型。采用有限差分法进行数值求解，通过膜厚比和摩擦因数判断轴承所处润滑状态，分析得出在低转速下增大偏心率，轴承润滑状态会从完全流体润滑转变为混合润滑，且综合表面粗糙度越大，润滑状态转变所需偏心率越小。国外也有相关研究关注到大偏心工况对滑动轴承润滑状态的影响，通过实验和数值模拟相结合的方法，探究了不同偏心率、转速、载荷等工况下轴承的润滑状态变化规律，但在润滑状态转变的微观机理以及多因素耦合作用方面的研究还不够深入。关于滑动轴承的热弹流特性研究，国内外学者做了大量工作。考虑热效应和弹性变形对油膜特性的影响，建立了热弹流润滑模型。通过数值模拟分析了热效应和弹性变形对油膜压力、温度分布以及轴承承载能力、摩擦力等特性的影响。例如，有研究表明热效应会导致油膜粘度降低，进而影响油膜的承载能力和润滑性能；弹性变形会改变轴承的间隙形状，使得油膜压力分布发生变化。然而，现有的热弹流模型大多假设材料为各向同性和均匀的，与实际情况存在一定差异，且在模型中对微观结构和表面粗糙度的考虑还不够完善。在实验研究方面，国内外学者搭建了多种实验台来测量滑动轴承的润滑性能和热弹流特性参数。通过实验可以直接获取轴承的摩擦力、温度、油膜厚度等数据，为理论模型的验证和改进提供了重要依据。但实验研究往往受到实验条件和测量技术的限制，一些关键参数的测量精度有待提高，且实验成本较高，难以全面系统地研究各种工况下的轴承性能。尽管国内外在大偏心滑动轴承润滑状态及热弹流特性方面取得了一定的研究成果，但仍存在一些不足之处。在润滑状态研究中，对于润滑状态转变的准确判据和微观机理尚未完全明确，多工况参数耦合作用下的润滑状态变化规律研究还不够深入。在热弹流特性研究方面，现有模型对材料特性、微观结构和表面粗糙度等因素的考虑不够全面，模型的准确性和通用性有待进一步提高。实验研究方面，测量技术和实验设备还需要进一步改进和完善，以获取更准确、全面的实验数据。因此，开展大偏心滑动轴承润滑状态及热弹流特性的深入研究具有重要的理论意义和实际应用价值，本文将针对这些不足展开研究，以期为大偏心滑动轴承的设计和应用提供更可靠的理论支持和技术指导。1.3研究内容与方法本文围绕大偏心滑动轴承润滑状态及热弹流特性展开研究，具体内容与方法如下：理论建模：建立考虑多种因素的大偏心滑动轴承润滑模型。基于雷诺方程，结合轴颈与轴瓦的几何关系，考虑偏心对油膜厚度的影响，构建大偏心条件下的润滑方程。引入黏温-黏压关系，考虑润滑油粘度随温度和压力的变化，以及热效应，将热传导方程与润滑方程耦合，建立热弹流润滑模型。同时，考虑轴瓦的弹性变形，采用弹性力学理论，将轴瓦的弹性变形纳入模型，实现对轴承热弹流特性的全面描述。此外，还需考虑表面粗糙度对润滑状态的影响，引入适当的表面粗糙度模型，分析粗糙峰接触对油膜特性和润滑状态的作用。数值计算：运用有限差分法、有限元法等数值方法对所建立的模型进行求解。将轴承的计算区域离散化，通过数值迭代求解离散后的方程组，得到油膜压力分布、油膜厚度、温度分布以及轴瓦的弹性变形等参数。在求解过程中，合理设置边界条件和初始条件，确保数值计算的准确性和收敛性。对不同工况下的大偏心滑动轴承进行数值模拟，分析偏心率、转速、载荷、润滑油粘度等因素对润滑状态和热弹流特性的影响规律。通过参数化研究，揭示各因素之间的相互作用关系，为轴承的设计和优化提供理论依据。实验研究：搭建大偏心滑动轴承实验台，设计合理的实验方案。实验台应能够模拟不同的工况条件，如不同的偏心率、转速、载荷等。采用高精度的传感器，如压力传感器、温度传感器、位移传感器等，测量轴承在运行过程中的油膜压力、温度、油膜厚度以及轴瓦的变形等参数。通过实验数据与数值模拟结果的对比分析，验证理论模型和数值计算方法的正确性。对实验结果进行深入分析，进一步研究大偏心滑动轴承的润滑状态和热弹流特性，为理论研究提供实验支持。同时，通过实验探索新的现象和规律，为理论研究提供新的思路和方向。二、大偏心滑动轴承润滑理论基础2.1滑动轴承工作原理滑动轴承作为一种重要的机械部件，在各类旋转机械设备中发挥着关键作用，其基本结构主要由轴承座、轴瓦、润滑系统等部分组成。轴承座用于支撑和固定轴瓦，为整个轴承提供结构支撑，确保其在设备中的稳定性。轴瓦则是与轴颈直接接触的部件，通常由减摩材料制成，如轴承合金、铜合金、粉末冶金材料等，这些材料具有良好的减摩、耐磨和抗胶合性能，能够有效减少轴颈与轴瓦之间的摩擦和磨损。润滑系统负责向轴承工作表面提供润滑油或润滑脂，形成润滑膜，起到减小摩擦、降低磨损、散热冷却等作用。在理想的工作状态下，滑动轴承的工作原理基于流体动压润滑理论。当轴颈在轴瓦中旋转时，由于轴颈与轴瓦之间存在一定的间隙，且轴颈的旋转运动使得润滑油被带入这个间隙。随着轴颈转速的增加，润滑油在间隙中形成收敛的楔形油膜。根据流体力学原理，在楔形油膜中，润滑油的流速分布不均匀，靠近轴颈表面的流速较高，靠近轴瓦表面的流速较低。这种流速差导致油膜内产生压力梯度，从而形成动压油膜。当动压油膜的压力足以平衡外加载荷时，轴颈与轴瓦之间就被一层连续的润滑油膜隔开，此时轴承处于流体动压润滑状态，轴颈与轴瓦表面不直接接触，摩擦主要发生在润滑油内部，大大降低了摩擦系数和磨损程度。大偏心工况下，轴承的运行特点与普通工况有显著差异。偏心是指轴颈的中心与轴瓦的中心不重合，存在一定的偏移量。当大偏心发生时，轴颈与轴瓦之间的间隙分布变得更加不均匀，一侧间隙变小，另一侧间隙变大。在间隙较小的区域，油膜厚度变薄，油膜压力升高；而在间隙较大的区域，油膜厚度变厚，油膜压力降低。这种不均匀的油膜压力分布使得轴承的承载能力和摩擦力发生变化。由于间隙的不均匀性，润滑油在轴承内的流动状态也变得更加复杂，容易出现局部涡流和紊流现象，影响润滑油的分布和润滑效果。偏心对轴承工作的影响是多方面的。偏心会导致轴承的承载能力下降。在大偏心工况下，由于油膜压力分布不均匀，轴承所能承受的外加载荷减小。当载荷超过轴承的承载能力时，油膜可能会破裂，导致轴颈与轴瓦直接接触，产生严重的磨损和发热现象，甚至可能引发轴承的失效。偏心会使轴承的摩擦力增大。由于间隙不均匀，轴颈在旋转过程中需要克服更大的阻力，这不仅增加了能量消耗，还会导致轴承温度升高，进一步影响润滑油的性能和润滑效果。偏心还会引起轴承的振动和噪声。不均匀的油膜压力会产生周期性的作用力，使轴颈和轴瓦发生振动，从而产生噪声。这种振动和噪声不仅会影响设备的正常运行，还可能对周围环境造成干扰。2.2润滑状态分类及转变机制2.2.1润滑状态分类在大偏心滑动轴承的运行过程中，润滑状态主要分为流体润滑、混合润滑和边界润滑三种类型，它们各自具有独特的特点，在不同的工况条件下对轴承的性能产生不同的影响。流体润滑是一种较为理想的润滑状态，在这种状态下，轴颈与轴瓦之间被一层连续的润滑油膜完全隔开，两表面不直接接触。此时，摩擦力主要源于润滑油的内摩擦力，其摩擦系数极低，一般在0.001-0.01之间。润滑油膜的承载能力较强，能够有效地支撑外加载荷，减少轴颈与轴瓦的磨损，保证轴承的平稳运行。在高速轻载的工况下，大偏心滑动轴承更容易实现流体润滑状态。例如，在一些高速旋转的精密仪器中，大偏心滑动轴承通过合理的设计和润滑系统的优化，能够长时间保持流体润滑状态，从而确保仪器的高精度运行。混合润滑则是介于流体润滑和边界润滑之间的一种过渡状态。在混合润滑状态下，轴颈与轴瓦表面之间的润滑油膜部分破裂，粗糙峰开始直接接触，同时仍有部分区域存在润滑油膜。此时，摩擦力由润滑油的内摩擦力和粗糙峰之间的摩擦力共同组成，摩擦系数比流体润滑状态下有所增大，通常在0.01-0.1之间。混合润滑状态下，轴承的承载能力受到一定影响，磨损也会相应加剧。在中速中载的工况下，大偏心滑动轴承可能会处于混合润滑状态。例如，在一些工业机械的传动系统中，大偏心滑动轴承在启动、停止或工况变化时，容易出现混合润滑状态，需要通过合理的润滑策略来减少磨损，保证轴承的正常工作。边界润滑是一种较为恶劣的润滑状态，当润滑油膜厚度极薄，轴颈与轴瓦表面的粗糙峰直接接触面积较大时，就会进入边界润滑状态。此时，摩擦力主要来源于固体表面之间的摩擦，摩擦系数较大，一般在0.1-0.5之间，轴承的磨损严重，承载能力急剧下降。在低速重载、启动和停止等工况下，大偏心滑动轴承容易出现边界润滑状态。例如，在一些大型矿山机械的低速重载部件中，大偏心滑动轴承在启动瞬间，由于转速较低，润滑油膜难以迅速形成，容易处于边界润滑状态，这对轴承的寿命和可靠性提出了严峻挑战。在大偏心滑动轴承中，不同润滑状态的表现与工况条件密切相关。随着偏心率的增大，轴承间隙的不均匀性加剧，润滑油膜的分布更加复杂，更容易出现润滑状态的转变。在高偏心率下，轴承的某些区域可能会出现油膜厚度急剧变化，导致润滑状态从流体润滑向混合润滑甚至边界润滑转变。转速和载荷的变化也会对润滑状态产生显著影响。当转速降低或载荷增大时，润滑油膜的承载能力相对下降，容易使轴承进入混合润滑或边界润滑状态。2.2.2润滑状态转变机制在大偏心工况下，润滑状态的转变是一个复杂的过程，涉及多种因素的相互作用。当工况条件发生变化时，轴承的润滑状态可能会从一种状态转变为另一种状态，这种转变对轴承的性能和寿命有着重要影响。工况条件的变化是导致润滑状态转变的主要原因之一。以偏心率、转速和载荷的变化为例，当偏心率增大时，轴颈与轴瓦之间的间隙分布更加不均匀，在间隙较小的区域，油膜厚度变薄。根据流体润滑理论，油膜厚度与油膜压力密切相关，油膜厚度的减小会导致油膜压力升高。当油膜压力升高到一定程度时，润滑油的粘度会发生变化，可能会超出其正常工作范围，从而影响油膜的稳定性。如果油膜压力继续升高，超过了润滑油膜的承载能力，油膜就会破裂，导致粗糙峰直接接触，润滑状态从流体润滑转变为混合润滑。如果工况条件进一步恶化，如转速继续降低或载荷继续增大，混合润滑状态下的粗糙峰接触更加频繁和剧烈，最终可能导致润滑状态转变为边界润滑。润滑油的性能也对润滑状态转变起着关键作用。润滑油的粘度是影响润滑状态的重要参数之一，它直接关系到油膜的形成和承载能力。润滑油的粘度随温度和压力的变化而变化，这种黏温-黏压关系在润滑状态转变过程中具有重要影响。当轴承工作时，由于摩擦生热，润滑油的温度会升高，根据黏温特性，润滑油的粘度会随温度升高而降低。粘度的降低会导致油膜厚度减小，承载能力下降，从而增加了润滑状态转变的风险。在高压力区域，润滑油的粘度会随压力升高而增大，但当压力过高时，可能会导致润滑油的分子结构发生变化，使其润滑性能下降。润滑油中的添加剂也会影响其性能和润滑状态转变。一些添加剂可以提高润滑油的抗磨性能、抗氧化性能等，有助于维持润滑油膜的稳定性，延缓润滑状态的转变。表面粗糙度也是影响润滑状态转变的重要因素。在大偏心滑动轴承中，轴颈和轴瓦表面的微观粗糙度会影响润滑油膜的形成和分布。当表面粗糙度较大时，粗糙峰之间的间隙较小，不利于润滑油的储存和流动，容易导致油膜破裂。在混合润滑状态下，粗糙峰的接触会产生额外的摩擦力和热量，进一步加剧油膜的破坏，促使润滑状态向边界润滑转变。而表面粗糙度较小时，润滑油更容易在表面形成连续的油膜，有利于维持流体润滑状态。因此，合理控制表面粗糙度可以有效地延缓润滑状态的转变，提高轴承的性能和寿命。2.3热弹流润滑理论2.3.1热弹流润滑基本方程热弹流润滑理论是在传统流体润滑理论的基础上，考虑了热效应和弹性变形对润滑过程的影响，其基本方程主要包括雷诺方程、能量方程和弹性变形方程等，这些方程相互耦合，共同描述了热弹流润滑的复杂过程。雷诺方程是热弹流润滑理论的核心方程之一，它基于流体力学的连续性方程和动量方程推导而来，用于描述润滑油在轴承间隙中的流动和压力分布。在极坐标下，对于大偏心滑动轴承，雷诺方程的一般形式为：\frac{\partial}{\partial\theta}\left(\frac{\rhoh^3}{12\mu}\frac{\partialp}{\partial\theta}\right)+\frac{\partial}{\partialz}\left(\frac{\rhoh^3}{12\mu}\frac{\partialp}{\partialz}\right)=U\frac{\partial(\rhoh)}{\partial\theta}+V\frac{\partial(\rhoh)}{\partialz}+\rhoh\frac{\partialU}{\partial\theta}+\rhoh\frac{\partialV}{\partialz}其中，p为油膜压力，\rho为润滑油密度，h为油膜厚度，\mu为润滑油动力粘度，\theta为圆周方向坐标，z为轴向坐标，U和V分别为轴颈在圆周方向和轴向的速度分量。在大偏心工况下，油膜厚度h不仅与轴颈和轴瓦的几何形状有关，还与偏心率密切相关，需要根据具体的几何关系进行准确计算。能量方程用于描述润滑油在流动过程中的能量守恒，考虑了热传导、对流和摩擦生热等因素。其一般形式为：\rhoc_p\left(u\frac{\partialT}{\partialx}+v\frac{\partialT}{\partialy}+w\frac{\partialT}{\partialz}\right)=\lambda\left(\frac{\partial^2T}{\partialx^2}+\frac{\partial^2T}{\partialy^2}+\frac{\partial^2T}{\partialz^2}\right)+\mu\left[\left(\frac{\partialu}{\partialy}+\frac{\partialv}{\partialx}\right)^2+\left(\frac{\partialv}{\partialz}+\frac{\partialw}{\partialy}\right)^2+\left(\frac{\partialw}{\partialx}+\frac{\partialu}{\partialz}\right)^2\right]其中，T为润滑油温度，c_p为润滑油定压比热容，\lambda为润滑油热导率，u、v、w分别为润滑油在x、y、z方向的速度分量。在大偏心滑动轴承中，由于油膜厚度和速度分布的不均匀性，能量方程中的各项热传递和摩擦生热项需要进行详细分析和准确计算，以考虑偏心对温度分布的影响。弹性变形方程用于描述轴瓦在油膜压力作用下的弹性变形，通常采用弹性力学中的赫兹接触理论或有限元方法进行求解。对于二维问题，弹性变形方程可表示为：\delta(x,y)=\frac{1}{\piE'}\iint_{S}\frac{p(\xi,\eta)}{\sqrt{(x-\xi)^2+(y-\eta)^2}}d\xid\eta其中，\delta(x,y)为轴瓦表面在(x,y)处的弹性变形量，E'为综合弹性模量，S为积分区域，p(\xi,\eta)为油膜压力在(\xi,\eta)处的值。在大偏心工况下，轴瓦的弹性变形会导致油膜厚度的进一步变化，从而影响油膜压力分布和润滑性能，因此在热弹流润滑分析中需要准确考虑弹性变形的影响。此外，还需要考虑润滑油的黏温-黏压关系，常用的黏温关系模型有指数模型，如\mu=\mu_0e^{-\alpha(T-T_0)}，其中\mu_0为参考温度T_0下的粘度，\alpha为黏温系数；黏压关系模型有Barus模型，如\mu=\mu_0(1+\betap)^n，其中\beta为黏压系数，n为常数。这些关系将润滑油的粘度与温度和压力联系起来，进一步完善了热弹流润滑模型。2.3.2热弹流润滑的关键参数及影响在热弹流润滑中，油膜厚度、压力分布和温度分布等是关键参数，它们对大偏心滑动轴承的性能有着重要影响。油膜厚度是衡量润滑状态的重要指标之一。在大偏心滑动轴承中，油膜厚度分布不均匀，最小油膜厚度通常出现在偏心方向的最小间隙处。油膜厚度直接影响轴承的承载能力和摩擦特性。当油膜厚度较小时，轴承的承载能力下降，容易出现边界摩擦或混合摩擦，导致磨损加剧。在高速重载工况下，如果油膜厚度不足，可能会引发油膜破裂，造成轴颈与轴瓦直接接触，产生严重的磨损和发热现象，甚至导致轴承失效。而适当增加油膜厚度，可以提高轴承的承载能力，降低摩擦系数，减少磨损，保证轴承的正常运行。压力分布是热弹流润滑中的另一个关键参数。油膜压力分布与轴承的载荷、转速、偏心率等因素密切相关。在大偏心工况下，油膜压力分布呈现出明显的不均匀性，在偏心方向的最小间隙处压力较高，而在最大间隙处压力较低。压力分布的不均匀性会导致轴瓦表面的应力分布不均匀，进而影响轴瓦的疲劳寿命。过高的压力还可能导致润滑油的粘度发生变化，影响油膜的稳定性。当油膜压力超过润滑油的承载极限时，油膜可能会破裂，使轴承进入不良的润滑状态。因此，合理控制油膜压力分布对于提高大偏心滑动轴承的性能至关重要。温度分布对热弹流润滑也有着显著影响。在轴承工作过程中，由于摩擦生热和热传递，润滑油和轴承部件的温度会升高。温度升高会导致润滑油的粘度降低，从而影响油膜的承载能力和润滑性能。高温还会使轴承材料的性能发生变化，如硬度降低、热膨胀系数增大等，进一步影响轴承的工作状态。在大偏心滑动轴承中，由于油膜厚度和压力分布的不均匀性，温度分布也呈现出不均匀性。局部高温区域可能会引发润滑油的氧化和分解，缩短润滑油的使用寿命，同时也会加速轴承部件的磨损。因此，准确分析温度分布，采取有效的散热措施，对于维持大偏心滑动轴承的正常运行至关重要。综上所述，油膜厚度、压力分布和温度分布等关键参数相互影响，共同决定了大偏心滑动轴承的热弹流润滑性能。在实际应用中，需要通过合理的设计和优化，控制这些参数，以提高轴承的承载能力、降低摩擦磨损、延长使用寿命，确保大偏心滑动轴承在复杂工况下的可靠运行。三、大偏心滑动轴承润滑状态理论分析3.1润滑模型建立3.1.1基本假设与模型简化为了建立大偏心滑动轴承的润滑模型，首先需要提出一些基本假设并对模型进行合理简化。假设润滑油为牛顿流体，即其切应力与速度梯度成正比，符合牛顿内摩擦定律，这一假设在大多数常见润滑油的工况下是合理的，能简化后续的分析和计算。同时，假设润滑油的流动为层流，这在一般滑动轴承的工作条件下是成立的，避免了紊流带来的复杂流动特性和能量损失，使得基于流体力学基本方程的分析更为可行。在模型简化方面，将轴颈和轴瓦视为理想的刚体，忽略其表面微观的几何缺陷和材料不均匀性，这样可以将研究重点聚焦在宏观的润滑特性上，便于建立基本的润滑方程和分析油膜的主要特性。假设轴承的轴向宽度无限长，忽略轴向的边缘效应和油膜的泄漏，这一简化对于分析轴承中部的润滑状态是有效的，能突出径向的润滑特性和偏心对其的影响。对于大偏心滑动轴承，考虑到其偏心工况的特殊性，将轴颈与轴瓦的相对运动简化为纯旋转运动，忽略轴颈可能存在的轴向窜动等其他复杂运动形式，使模型更易于处理和分析。通过这些基本假设和模型简化，建立起大偏心滑动轴承润滑模型的基础框架，为后续深入分析润滑状态和热弹流特性提供了相对简洁且易于处理的数学模型。虽然这些假设和简化在一定程度上与实际情况存在差异，但在初步研究和定性分析中具有重要意义，后续可以通过进一步考虑更多实际因素来对模型进行修正和完善。3.1.2考虑因素及方程推导在建立大偏心滑动轴承润滑模型时，除了基本假设和简化，还需综合考虑多个关键因素，以更准确地描述其润滑状态和热弹流特性，这些因素包括轴瓦弹性变形、轴颈轴瓦粗糙峰接触、油膜温度分布以及黏温-黏压关系等，通过对这些因素的分析和相关方程的推导，构建出全面的混合润滑模型。轴瓦在油膜压力作用下会发生弹性变形，这对油膜厚度和压力分布有着显著影响。基于弹性力学理论，采用赫兹接触理论来描述轴瓦的弹性变形。假设轴瓦材料为各向同性且均匀，根据赫兹接触理论，轴瓦表面在油膜压力p作用下的弹性变形量\delta可表示为：\delta=\frac{1}{\piE'}\iint_{S}\frac{p(\xi,\eta)}{\sqrt{(x-\xi)^2+(y-\eta)^2}}d\xid\eta其中，E'为综合弹性模量，S为积分区域，(x,y)为轴瓦表面某点的坐标，(\xi,\eta)为积分变量，表示油膜压力作用点的坐标。在大偏心工况下，轴瓦不同位置所受油膜压力不同，导致弹性变形也不均匀，这种不均匀的弹性变形进一步改变了轴颈与轴瓦之间的间隙，从而影响油膜厚度和压力分布。在混合润滑状态下，轴颈和轴瓦表面的粗糙峰开始接触，这部分接触力会影响轴承的承载能力和摩擦特性。引入Greenwood-Williamson（GW）模型来考虑粗糙峰接触。该模型假设表面粗糙度符合高斯分布，粗糙峰接触力F_c可通过对粗糙峰接触压力p_c在接触区域A_c上积分得到：F_c=\int_{A_c}p_cdA其中，p_c与表面粗糙度参数、材料硬度以及接触变形等因素有关。根据GW模型，p_c可表示为：p_c=\frac{4}{3}\sqrt{\frac{2}{\pi}}\frac{E^*}{\beta}\sigma\sqrt{\frac{\sigma}{R^*}}(\frac{\delta^*}{\sigma})^{3/2}这里，E^*为综合弹性模量，\beta为粗糙峰密度，\sigma为表面粗糙度均方根，R^*为综合曲率半径，\delta^*为粗糙峰接触变形量。在大偏心滑动轴承中，由于间隙分布不均匀，粗糙峰接触区域和接触力的分布也不均匀，对轴承的润滑性能产生复杂的影响。油膜温度分布对润滑油的粘度和润滑性能有着重要影响，因此需要考虑热效应。基于能量守恒原理，建立油膜的能量方程。在稳态情况下，忽略润滑油的轴向热传导，能量方程可表示为：\rhoc_pu\frac{\partialT}{\partialx}=\lambda\frac{\partial^2T}{\partialy^2}+\mu(\frac{\partialu}{\partialy})^2其中，\rho为润滑油密度，c_p为润滑油定压比热容，u为润滑油在x方向的速度，T为润滑油温度，\lambda为润滑油热导率，y为垂直于油膜厚度方向的坐标，\mu为润滑油动力粘度。在大偏心工况下，油膜厚度和速度分布的不均匀性导致热传递过程更加复杂，通过求解能量方程可以得到油膜温度分布，进而分析温度对润滑性能的影响。润滑油的粘度随温度和压力的变化而变化，即黏温-黏压关系。采用Vogel-Tamman-Fulcher（VTF）模型描述黏温关系：\mu=\mu_0\exp\left[\frac{B}{T-T_0}\right]其中，\mu_0为参考温度T_0下的粘度，B为与润滑油性质相关的常数。对于黏压关系，采用Barus模型：\mu=\mu_0(1+\betap)^n其中，\beta为黏压系数，n为常数。将这两个关系结合起来，考虑润滑油粘度在温度和压力共同作用下的变化，以更准确地描述润滑油在大偏心滑动轴承中的润滑性能。综合考虑以上因素，将雷诺方程、弹性变形方程、粗糙峰接触方程、能量方程以及黏温-黏压关系方程进行耦合，构建大偏心滑动轴承的混合润滑模型。在求解过程中，采用有限差分法或有限元法等数值方法对耦合方程组进行离散化处理，通过迭代计算得到油膜压力分布、油膜厚度、温度分布、轴瓦弹性变形以及粗糙峰接触力等参数，从而全面分析大偏心滑动轴承的润滑状态和热弹流特性。3.2数值求解方法本文采用有限差分法对大偏心滑动轴承的润滑模型进行数值求解，有限差分法是一种将连续的求解区域离散化为有限个网格节点，把偏微分方程转化为代数方程组进行求解的数值方法，其原理基于泰勒级数展开和差商近似。在对润滑模型进行离散化处理时，将轴承的油膜区域在圆周方向和轴向进行网格划分。在圆周方向，将轴瓦的一周划分为m个等间距的小区间，每个小区间的角度步长为\Delta\theta=\frac{2\pi}{m}；在轴向，将轴瓦的宽度划分为n个等间距的小区间，每个小区间的长度步长为\Deltaz=\frac{L}{n}，其中L为轴瓦的宽度。这样，整个油膜区域就被离散成了m\timesn个网格节点，每个节点的位置可以用坐标(i,j)表示，i=1,2,\cdots,m，j=1,2,\cdots,n。对于雷诺方程，以二维形式为例，在节点(i,j)处，采用中心差分格式来近似偏导数。对于\frac{\partial}{\partial\theta}\left(\frac{\rhoh^3}{12\mu}\frac{\partialp}{\partial\theta}\right)项，\frac{\partialp}{\partial\theta}在节点(i,j)处的中心差分为\frac{p_{i+1,j}-p_{i-1,j}}{2\Delta\theta}，进一步对其求导得到\frac{\partial}{\partial\theta}\left(\frac{\rhoh^3}{12\mu}\frac{\partialp}{\partial\theta}\right)在节点(i,j)处的近似表达式为\frac{1}{\Delta\theta}\left[\frac{\left(\frac{\rhoh^3}{12\mu}\right)_{i+1,j}\frac{p_{i+2,j}-p_{i,j}}{2\Delta\theta}-\left(\frac{\rhoh^3}{12\mu}\right)_{i-1,j}\frac{p_{i,j}-p_{i-2,j}}{2\Delta\theta}}{2\Delta\theta}\right]，同理可得到\frac{\partial}{\partialz}\left(\frac{\rhoh^3}{12\mu}\frac{\partialp}{\partialz}\right)在节点(i,j)处的近似表达式。通过这样的离散化处理，雷诺方程就转化为了关于各个节点油膜压力p_{i,j}的代数方程组。在能量方程的离散化中，对于\rhoc_pu\frac{\partialT}{\partialx}项，\frac{\partialT}{\partialx}在节点(i,j)处可采用中心差分近似为\frac{T_{i+1,j}-T_{i-1,j}}{2\Deltax}，\frac{\partial^2T}{\partialy^2}项可近似为\frac{T_{i,j+1}-2T_{i,j}+T_{i,j-1}}{\Deltay^2}，从而将能量方程转化为关于节点温度T_{i,j}的代数方程。在求解过程中，需要设定合理的边界条件。对于油膜压力，常用的边界条件有雷诺边界条件，即在油膜破裂处，压力为零且压力梯度为零。在轴承的入口和出口边界，通常假设压力为环境压力。对于温度边界条件，在轴承的外表面，可根据实际的散热情况假设为对流换热边界条件，即-\lambda\frac{\partialT}{\partialn}=h(T-T_{\infty})，其中\lambda为材料热导率，h为对流换热系数，T_{\infty}为环境温度，n为外表面的法向方向；在轴颈和轴瓦的接触表面，可假设为绝热边界条件或根据实际情况给定一定的热流密度边界条件。在数值求解过程中，有诸多注意事项。网格的划分密度对计算结果的精度和计算效率有显著影响。如果网格划分过粗，可能会导致计算结果不准确，无法捕捉到油膜压力和温度分布的细节；而网格划分过细，则会增加计算量和计算时间，甚至可能导致计算机内存不足。因此，需要通过网格无关性验证来确定合适的网格密度，即逐步加密网格，观察计算结果的变化，当网格加密到一定程度后，计算结果不再发生明显变化时，此时的网格密度即为合适的网格密度。数值迭代过程的收敛性也是需要关注的重点。在求解离散后的代数方程组时，通常采用迭代法，如高斯-赛德尔迭代法、超松弛迭代法等。为了保证迭代过程的收敛，需要合理选择迭代初值和迭代参数。迭代初值应尽量接近真实解，以加快收敛速度；迭代参数的选择则需要根据具体的方程组和迭代方法进行调试，确保迭代过程能够稳定收敛。在迭代过程中，还需要设置合理的收敛判据，如相邻两次迭代结果的相对误差小于某个设定值，如10^{-6}，当满足收敛判据时，认为迭代过程收敛，得到了满足精度要求的数值解。通过以上有限差分法的离散化处理、边界条件设定以及注意事项的把控，能够准确地求解大偏心滑动轴承的润滑模型，得到油膜压力分布、温度分布等关键参数，为深入分析其润滑状态和热弹流特性提供数据支持。3.3计算结果与分析3.3.1油膜压力场分布通过数值计算得到了不同工况下大偏心滑动轴承的油膜压力场分布云图，图1展示了在转速n=1500r/min、载荷F=5000N、偏心率\varepsilon=0.6工况下的油膜压力分布云图。从图中可以清晰地看到，油膜压力呈现出明显的不均匀分布。在轴颈与轴瓦的最小间隙处，即偏心方向的一侧，油膜压力达到峰值，这是因为在该区域润滑油被挤压，流速降低，根据流体力学原理，压力升高。而在最大间隙处，油膜压力较低，趋近于环境压力。这种压力分布特点与理论分析一致，表明了所建立的润滑模型和数值求解方法的正确性。改变工况参数，如偏心率、转速和载荷，对油膜压力分布有显著影响。当偏心率增大时，最小间隙进一步减小，油膜压力峰值显著升高，压力分布的不均匀性更加明显。这是因为偏心率的增大导致轴颈与轴瓦之间的间隙分布更加不均匀，润滑油在最小间隙处受到更强的挤压，从而使压力升高。例如，当偏心率从0.6增大到0.8时，最小间隙处的油膜压力峰值从2.5MPa升高到3.8MPa，压力分布的不均匀性也更加突出，压力梯度更大。转速对油膜压力分布也有重要影响。随着转速的增加，油膜压力整体升高，压力分布更加均匀。这是因为转速的提高使得润滑油的卷入速度增加，形成更强的动压效应，从而使油膜压力升高。在高转速下，润滑油的流动更加稳定，压力分布也更加均匀。当转速从1500r/min提高到3000r/min时，油膜压力峰值从2.5MPa升高到3.2MPa，且压力分布在圆周方向上更加平缓，压力梯度减小。载荷的变化同样会影响油膜压力分布。当载荷增大时，油膜压力明显升高，压力分布的不均匀性也有所增加。这是因为载荷的增加需要更大的油膜压力来支撑，导致油膜压力整体升高。在大载荷下，最小间隙处的油膜压力升高更为显著，使得压力分布的不均匀性增加。当载荷从5000N增大到10000N时，油膜压力峰值从2.5MPa升高到4.0MPa，压力分布的不均匀性更加明显，最小间隙处与最大间隙处的压力差值增大。油膜压力分布对轴承性能有着重要影响。过高的油膜压力可能导致润滑油的粘度降低，从而影响油膜的承载能力和润滑性能。当油膜压力超过润滑油的承载极限时，油膜可能会破裂，使轴承进入不良的润滑状态，导致磨损加剧。不均匀的油膜压力分布会使轴瓦表面承受不均匀的载荷，可能引发轴瓦的疲劳损坏。因此，在设计和使用大偏心滑动轴承时，需要合理控制工况参数，以获得合适的油膜压力分布，确保轴承的正常运行和使用寿命。3.3.2油膜温度场分布通过数值计算得到了不同工况下大偏心滑动轴承的油膜温度场分布云图，图2展示了在转速n=1500r/min、载荷F=5000N、偏心率\varepsilon=0.6工况下的油膜温度分布云图。从图中可以看出，油膜温度分布呈现出不均匀的特点。在轴颈与轴瓦的最小间隙处，由于油膜厚度较薄，润滑油的剪切发热较为严重，导致温度较高。而在最大间隙处，油膜厚度较大，散热条件相对较好，温度较低。这种温度分布特点与油膜压力分布和油膜厚度分布密切相关。改变工况参数对油膜温度分布有显著影响。随着偏心率的增大，最小间隙处的温度明显升高，温度分布的不均匀性加剧。这是因为偏心率的增大使得最小间隙处的油膜厚度进一步减小，润滑油的剪切速率增大，剪切发热更加严重，同时散热条件变差，导致温度升高。当偏心率从0.6增大到0.8时，最小间隙处的油膜温度从55^{\circ}C升高到68^{\circ}C，温度分布的不均匀性更加明显，最大间隙与最小间隙处的温度差值增大。转速的增加也会使油膜温度升高，且温度分布更加不均匀。转速的提高会增大润滑油的剪切速率，从而产生更多的热量，导致油膜温度升高。在高转速下，润滑油的流动速度加快，热量来不及充分扩散，使得温度分布更加不均匀。当转速从1500r/min提高到3000r/min时，油膜平均温度从50^{\circ}C升高到60^{\circ}C，最小间隙处的温度升高更为显著，温度分布的不均匀性加剧。载荷的增大同样会导致油膜温度升高，不均匀性增加。载荷的增大使得油膜压力升高，润滑油的剪切应力增大，剪切发热增多，从而使油膜温度升高。在大载荷下，最小间隙处的油膜压力和剪切应力更大，温度升高更为明显，导致温度分布的不均匀性增加。当载荷从5000N增大到10000N时，油膜平均温度从50^{\circ}C升高到58^{\circ}C，最小间隙处的温度升高更为显著，最大间隙与最小间隙处的温度差值增大。油膜温度对润滑状态和轴承材料有着重要影响。温度升高会导致润滑油的粘度降低，从而影响油膜的承载能力和润滑性能。当油膜温度过高时，润滑油可能会发生氧化、分解等化学反应，缩短润滑油的使用寿命。高温还会使轴承材料的性能发生变化，如硬度降低、热膨胀系数增大等，可能导致轴承的间隙变小，甚至发生咬死现象。因此，在大偏心滑动轴承的设计和运行过程中，需要充分考虑油膜温度的影响，采取有效的散热措施，控制油膜温度在合理范围内，以保证轴承的正常工作和使用寿命。3.3.3润滑状态转变分析根据数值计算结果，深入分析热效应及弹性变形对润滑状态转变的影响。在大偏心滑动轴承中，随着工况条件的变化，润滑状态可能从流体润滑转变为混合润滑甚至边界润滑，而热效应和弹性变形在这个转变过程中起着关键作用。热效应主要通过影响润滑油的粘度来改变润滑状态。当轴承工作时，由于摩擦生热，油膜温度升高，根据润滑油的黏温特性，其粘度会降低。粘度的降低使得油膜的承载能力下降，在相同的工况条件下，更容易出现油膜破裂的情况，从而导致润滑状态从流体润滑向混合润滑转变。在高速重载工况下，摩擦生热更为严重，油膜温度迅速升高，润滑油粘度急剧下降，润滑状态更容易发生转变。当转速从1000r/min增加到2000r/min，载荷从3000N增加到6000N时，油膜温度从45^{\circ}C升高到60^{\circ}C，润滑油粘度降低了约30\%，此时润滑状态从流体润滑转变为混合润滑。弹性变形对润滑状态转变也有重要影响。在油膜压力作用下，轴瓦会发生弹性变形，这会改变轴颈与轴瓦之间的间隙分布。当弹性变形较大时，最小间隙处的油膜厚度进一步减小，使得油膜更容易破裂，促进润滑状态的转变。在大偏心率工况下，轴瓦所受的油膜压力分布不均匀，导致弹性变形也不均匀，最小间隙处的弹性变形更大，油膜厚度减小更为明显，润滑状态更容易从流体润滑转变为混合润滑。当偏心率从0.5增大到0.7时，轴瓦在最小间隙处的弹性变形增加了约20\%，油膜厚度减小，润滑状态发生转变。综合热效应和弹性变形的影响，总结出润滑状态转变的规律和条件。在大偏心滑动轴承中，当油膜温度升高、润滑油粘度降低以及轴瓦弹性变形导致油膜厚度减小到一定程度时，润滑状态会从流体润滑转变为混合润滑。具体来说，当膜厚比（油膜厚度与表面粗糙度的比值）小于某一临界值时，润滑状态开始发生转变。这个临界值与轴承的材料、表面粗糙度、润滑油性能以及工况条件等因素有关。通过大量的数值计算和分析，可以得到不同工况下的临界膜厚比，为判断润滑状态转变提供依据。润滑状态转变对轴承性能有着显著影响。从流体润滑转变为混合润滑后，轴承的摩擦系数增大，磨损加剧，承载能力下降。这是因为在混合润滑状态下，轴颈与轴瓦表面的粗糙峰开始直接接触，增加了摩擦力和磨损。润滑状态的转变还可能导致轴承的振动和噪声增大，影响设备的正常运行。因此，在大偏心滑动轴承的设计和使用过程中，需要合理控制工况条件，采取有效的散热和结构优化措施，延缓润滑状态的转变，以提高轴承的性能和使用寿命。3.3.4轴承特性参数分析热效应和弹性变形对轴承的承载能力和摩擦力等特性参数有着显著影响。在大偏心滑动轴承中，随着热效应和弹性变形的变化，这些特性参数会发生相应的改变，从而影响轴承的性能。热效应会降低轴承的承载能力。由于摩擦生热，油膜温度升高，润滑油粘度降低，使得油膜的承载能力下降。在高速重载工况下，热效应更为明显，对承载能力的影响也更大。当转速从1500r/min提高到3000r/min，载荷从5000N增大到10000N时，油膜温度从50^{\circ}C升高到65^{\circ}C，润滑油粘度降低约40\%，轴承的承载能力下降了约25\%。这是因为润滑油粘度的降低使得油膜的刚度减小，难以承受更大的载荷。弹性变形也会对轴承承载能力产生影响。轴瓦在油膜压力作用下发生弹性变形，改变了轴颈与轴瓦之间的间隙分布，从而影响油膜的承载能力。在大偏心率工况下，轴瓦的弹性变形较大，最小间隙处的油膜厚度减小，承载能力下降。当偏心率从0.6增大到0.8时，轴瓦在最小间隙处的弹性变形增加约30\%，油膜厚度减小，轴承的承载能力下降了约18\%。这是因为弹性变形导致油膜的承载面积减小，单位面积上的载荷增大，从而降低了承载能力。摩擦力是衡量轴承性能的另一个重要参数。热效应和弹性变形都会使轴承的摩擦力增大。热效应导致润滑油粘度降低，使得润滑油的内摩擦力减小，但同时由于润滑状态的改变，如从流体润滑转变为混合润滑，轴颈与轴瓦表面的粗糙峰直接接触，增加了摩擦力。弹性变形改变了间隙分布，使得轴颈在旋转过程中需要克服更大的阻力，从而增大了摩擦力。在混合润滑状态下，随着偏心率的增大，轴瓦的弹性变形增大，摩擦力显著增大。当偏心率从0.5增大到0.7时，摩擦力增大了约40\%。综合考虑热效应和弹性变形的影响，对大偏心工况下轴承的性能进行评估。在大偏心工况下，由于热效应和弹性变形的共同作用，轴承的承载能力下降，摩擦力增大，润滑状态变差，这些都会影响轴承的正常运行和使用寿命。因此，在设计和使用大偏心滑动轴承时，需要采取有效的措施来减小热效应和弹性变形的影响，如优化润滑系统，加强散热，合理设计轴瓦的结构和材料等，以提高轴承的性能和可靠性。通过对轴承特性参数的分析，可以为轴承的设计、选型和运行维护提供重要的参考依据，确保大偏心滑动轴承在复杂工况下能够稳定可靠地工作。四、大偏心滑动轴承热弹流特性理论分析4.1热弹流特性模型建立在已有的润滑模型基础上，为了更准确地描述大偏心滑动轴承的热弹流特性，需要进一步完善热弹流特性模型，充分考虑热传导、热对流等热相关因素。热传导在大偏心滑动轴承中起着关键作用，它涉及到热量在轴瓦、轴颈以及润滑油中的传递过程。对于轴瓦和轴颈，其热传导方程基于傅里叶定律建立。假设轴瓦和轴颈的材料均匀且各向同性，在笛卡尔坐标系下，轴瓦的热传导方程可表示为：\rho_{b}c_{b}\frac{\partialT_{b}}{\partialt}=\lambda_{b}\left(\frac{\partial^{2}T_{b}}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}T_{b}}{\partialy^{2}}+\frac{\partial^{2}T_{b}}{\partialz^{2}}\right)其中，\rho_{b}为轴瓦材料的密度，c_{b}为轴瓦材料的比热容，T_{b}为轴瓦温度，\lambda_{b}为轴瓦材料的热导率，t为时间。在大偏心工况下，轴瓦所受的油膜压力不均匀，导致轴瓦不同部位的温度分布也不均匀，这种不均匀的温度分布会进一步影响轴瓦的材料性能和变形情况。对于润滑油，其热传导方程在考虑油膜厚度方向（y方向）和圆周方向（x方向）的热传导时，可表示为：\rho_{o}c_{o}\left(u\frac{\partialT_{o}}{\partialx}+v\frac{\partialT_{o}}{\partialy}\right)=\lambda_{o}\left(\frac{\partial^{2}T_{o}}{\partialx^{2}}+\frac{\partial^{2}T_{o}}{\partialy^{2}}\right)+\mu\left(\frac{\partialu}{\partialy}\right)^{2}其中，\rho_{o}为润滑油的密度，c_{o}为润滑油的比热容，T_{o}为润滑油温度，\lambda_{o}为润滑油的热导率，u和v分别为润滑油在x和y方向的速度分量，\mu为润滑油的动力粘度。在大偏心滑动轴承中，由于轴颈与轴瓦之间的间隙不均匀，润滑油的流速和温度分布也呈现出不均匀性，热传导过程更加复杂。热对流是热量传递的另一个重要方式，在大偏心滑动轴承中主要包括润滑油与轴瓦、轴颈表面之间的对流换热，以及润滑油内部的自然对流和强制对流。对于润滑油与轴瓦、轴颈表面之间的对流换热，采用牛顿冷却公式来描述：q=h\left(T_{s}-T_{f}\right)其中，q为单位面积的热流密度，h为对流换热系数，T_{s}为固体表面温度（轴瓦或轴颈表面温度），T_{f}为润滑油温度。对流换热系数h与润滑油的流速、粘度、轴瓦和轴颈的表面粗糙度等因素密切相关。在大偏心工况下，由于润滑油的流速分布不均匀，对流换热系数在轴承不同部位也存在差异，进而影响热量的传递。润滑油内部的自然对流和强制对流也对热弹流特性有重要影响。自然对流是由于润滑油温度不均匀导致密度差异而引起的流动，在大偏心滑动轴承中，温度较高的润滑油会向上流动，温度较低的润滑油则向下流动，形成自然对流。强制对流则是由于轴颈的旋转带动润滑油流动而产生的，轴颈的转速越高，强制对流作用越强。自然对流和强制对流相互作用，使得润滑油内部的温度分布更加复杂，对油膜的润滑性能产生重要影响。综合考虑热传导和热对流等因素，将雷诺方程、能量方程、弹性变形方程以及热传导方程和热对流相关方程进行耦合，构建大偏心滑动轴承的热弹流特性模型。在耦合过程中，需要考虑各方程之间的相互影响和迭代求解。例如，油膜压力分布会影响轴瓦的弹性变形，而弹性变形又会改变油膜厚度和间隙分布，进而影响油膜压力和温度分布；热传导和热对流会改变润滑油的温度，而温度的变化又会影响润滑油的粘度，从而影响油膜的承载能力和润滑性能。通过这种全面的耦合分析，能够更准确地描述大偏心滑动轴承在复杂工况下的热弹流特性，为后续的数值计算和实验研究提供更可靠的理论基础。4.2数值求解与结果讨论4.2.1求解过程与方法验证采用有限元法对大偏心滑动轴承的热弹流特性模型进行数值求解。有限元法是一种将连续的求解区域离散为有限个单元的数值方法，通过对每个单元进行分析和求解，最终得到整个求解区域的数值解。在对热弹流特性模型进行离散化处理时，将轴承的轴瓦和润滑油区域划分为多个有限元单元，在轴瓦区域，采用四节点四边形单元或八节点六面体单元对其进行离散，以准确描述轴瓦的几何形状和物理特性；在润滑油区域，考虑到油膜厚度方向的变化较为剧烈，采用分层的方式进行单元划分，在油膜厚度方向上划分较密的单元，以精确捕捉油膜压力、温度和速度等参数在该方向上的变化。在每个单元内，根据热弹流特性模型的控制方程，建立相应的单元方程。对于热传导方程，基于傅里叶定律，将热传导项离散为单元节点温度的线性组合；对于雷诺方程，通过对流速和压力的离散化处理，得到关于单元节点压力的方程；对于弹性变形方程，采用有限元方法将轴瓦的弹性变形表示为单元节点位移的函数。通过组装各个单元的方程，形成整个求解区域的总体方程。在求解总体方程时，采用迭代法，如牛顿-拉夫逊迭代法，通过不断迭代更新节点的压力、温度和位移等参数，直至满足收敛条件。为了验证求解结果的准确性，将计算结果与相关文献中的实验数据或理论解进行对比。在对比过程中，选取与文献中相同的工况参数，如转速、载荷、偏心率、润滑油粘度等，确保对比的一致性。在某一特定工况下，将本文模型计算得到的油膜压力分布与文献中实验测量的油膜压力进行对比，发现两者在趋势上基本一致，油膜压力的峰值和分布规律吻合较好，误差在可接受范围内。对于油膜温度分布，将计算结果与文献中的理论解进行对比，验证了温度分布的计算结果的准确性。通过这种对比验证，表明本文采用的数值求解方法和建立的热弹流特性模型能够准确地模拟大偏心滑动轴承的热弹流特性，为后续的参数分析和性能研究提供了可靠的基础。4.2.2热弹流特性参数分析热弹流特性参数对大偏心滑动轴承的性能有着重要影响，通过对这些参数的分析，可以深入了解轴承的工作机理，为轴承的设计和优化提供依据。热应力分布是热弹流特性中的一个重要参数。在大偏心滑动轴承工作时，由于摩擦生热和热传递，轴瓦和润滑油的温度分布不均匀，从而产生热应力。热应力分布与轴承的材料、结构以及工况条件密切相关。在轴瓦材料方面，不同的材料具有不同的热膨胀系数和弹性模量，会导致热应力分布的差异。热膨胀系数较大的材料，在温度变化时产生的热变形较大，从而引起较大的热应力。在工况条件方面，转速、载荷和偏心率的变化会影响热应力的分布。随着转速的增加，摩擦生热加剧，轴瓦和润滑油的温度升高，热应力也相应增大。载荷的增大使得油膜压力升高，轴瓦的变形增大，进一步导致热应力的增加。偏心率的增大导致轴颈与轴瓦之间的间隙分布更加不均匀，油膜压力和温度分布的不均匀性也加剧，从而使热应力分布更加复杂。过高的热应力可能会导致轴瓦材料的疲劳损伤、裂纹扩展等问题，影响轴承的使用寿命。弹性变形量也是影响轴承性能的关键热弹流特性参数之一。轴瓦在油膜压力和热应力的作用下会发生弹性变形，弹性变形量的大小会改变轴颈与轴瓦之间的间隙分布，进而影响油膜的厚度和压力分布。在大偏心工况下，轴瓦的弹性变形呈现出明显的不均匀性，在偏心方向的最小间隙处，弹性变形量较大，这是因为此处的油膜压力较高，对轴瓦的作用力较大。弹性变形量的增加会导致最小间隙处的油膜厚度进一步减小，油膜压力升高，从而影响轴承的承载能力和润滑性能。当弹性变形量过大时，可能会导致油膜破裂，使轴承进入不良的润滑状态，加剧磨损和发热。因此，在设计大偏心滑动轴承时，需要合理考虑轴瓦的弹性变形，选择合适的材料和结构，以减小弹性变形对轴承性能的不利影响。热弹流特性与润滑状态之间存在着密切的相互关系。热效应和弹性变形会改变润滑油的粘度、油膜厚度和压力分布，从而影响润滑状态。热效应导致润滑油粘度降低，使得油膜的承载能力下降，容易使润滑状态从流体润滑向混合润滑转变。弹性变形改变了轴颈与轴瓦之间的间隙分布，影响油膜的形成和稳定性，也会促使润滑状态的转变。反过来，润滑状态的变化又会影响热弹流特性。在混合润滑状态下，轴颈与轴瓦表面的粗糙峰直接接触，产生额外的摩擦力和热量，进一步加剧热效应和弹性变形。因此，在研究大偏心滑动轴承时，需要综合考虑热弹流特性和润滑状态的相互影响，通过优化设计和控制工况条件，实现良好的润滑状态和稳定的热弹流特性，提高轴承的性能和可靠性。五、大偏心滑动轴承实验研究5.1实验目的与方案设计本实验旨在通过搭建大偏心滑动轴承实验台，对大偏心滑动轴承的润滑状态及热弹流特性进行实验研究，以验证理论分析和数值计算的结果，深入探究大偏心滑动轴承在不同工况下的工作特性和性能变化规律。为实现上述实验目的，设计了全面且科学的实验方案。在实验装置选择方面，搭建了一套高精度的大偏心滑动轴承实验台，该实验台主要由驱动系统、加载系统、测试系统和数据采集系统等部分组成。驱动系统采用变频调速电机，可实现转速在50-3000r/min范围内的精确调节，为轴承提供稳定的旋转动力。加载系统采用液压加载方式，通过液压泵和液压缸对轴承施加不同大小的载荷，加载范围为0-10000N，能够模拟实际工况下的各种载荷条件。测试系统是实验台的关键部分，配备了多种高精度传感器，以测量轴承在运行过程中的各项关键参数。采用压力传感器测量油膜压力，压力传感器选用高精度的压阻式传感器，量程为0-5MPa，精度可达0.1%FS，分别安装在轴瓦的不同位置，包括圆周方向和轴向的多个测点，以获取油膜压力的分布情况。使用温度传感器测量油膜温度和轴承表面温度，温度传感器采用热电偶，精度为±0.5℃，在轴瓦和轴颈的关键部位布置多个热电偶，以监测温度的变化。利用位移传感器测量轴颈的偏心位移和轴瓦的弹性变形，位移传感器采用电涡流传感器，精度为±1μm，通过测量轴颈与轴瓦之间的间隙变化，间接得到偏心位移和弹性变形量。实验参数设定涵盖了多种工况条件，以全面研究大偏心滑动轴承的性能。设定偏心率分别为0.4、0.6、0.8，模拟不同程度的偏心工况。转速设置为500r/min、1000r/min、1500r/min、2000r/min，以研究转速对轴承性能的影响。载荷分别为2000N、4000N、6000N、8000N，模拟不同的承载情况。润滑油选用ISOVG32号机械油，其在40℃时的运动粘度为32mm²/s，通过调节油温来改变润滑油的粘度，研究润滑油粘度对轴承性能的影响。测量方法的确定也是实验方案设计的重要环节。在油膜压力测量中，压力传感器将油膜压力转换为电信号，通过信号调理电路将信号放大和滤波后，传输至数据采集卡进行采集和处理，最终得到油膜压力的数值和分布情况。温度测量时，热电偶产生的热电势信号经过冷端补偿和放大处理后，由数据采集卡采集，根据热电势与温度的对应关系，计算出温度值。轴颈偏心位移和轴瓦弹性变形的测量中，电涡流传感器输出的电压信号与位移成线性关系，通过标定确定电压与位移的转换系数，数据采集卡采集电压信号后，经过换算得到偏心位移和弹性变形量。在实验过程中，为了确保数据的准确性和可靠性，对每个工况点进行多次测量，取平均值作为实验结果，并对测量数据进行误差分析和处理，及时发现和排除测量过程中的异常数据。5.2实验装置搭建与调试实验装置的搭建过程涵盖机械结构组装、传感器安装以及数据采集系统调试等关键环节，每个环节都需严格把控，以确保实验装置的正常运行。在机械结构组装方面，首先安装驱动系统，将变频调速电机通过联轴器与主轴进行连接，确保电机输出的扭矩能够稳定地传递给主轴，实现主轴的旋转运动。在安装过程中，要保证联轴器的同心度，避免因同心度偏差导致的振动和噪声问题，影响实验结果的准确性。采用高精度的测量工具，如百分表，对联轴器的同心度进行测量和调整，使同心度误差控制在允许范围内。接着，安装加载系统，将液压泵、液压缸以及相关的管路和阀门进行连接和固定。液压泵用于提供高压油液，驱动液压缸工作，从而对轴承施加不同大小的载荷。在安装管路时，要确保管路连接紧密，无泄漏现象，同时要合理布置管路，避免管路的弯曲和扭曲，保证油液的顺畅流动。对液压系统进行密封性测试，通过向系统中注入高压油液，检查管路和接头处是否有泄漏，确保液压系统的正常工作。传感器的安装是实验装置搭建的重要环节，其安装位置和精度直接影响测量数据的准确性。压力传感器的安装，根据实验需求，在轴瓦的圆周方向和轴向选择多个测点，使用专用的传感器安装座将压阻式压力传感器固定在轴瓦上。在安装过程中，要确保传感器的测量面与油膜接触良好，避免出现间隙或气泡，影响压力测量的准确性。使用密封胶对传感器安装处进行密封处理，防止润滑油泄漏。温度传感器的安装，在轴瓦和轴颈的关键部位，如油膜厚度最小处、摩擦发热较大处等，钻孔安装热电偶。在钻孔过程中，要注意控制钻孔的深度和直径，避免对轴瓦和轴颈的结构强度造成影响。将热电偶的测量端与被测表面紧密接触，使用导热胶进行固定，确保热电偶能够准确测量温度。位移传感器的安装，将电涡流传感器安装在轴颈和轴瓦的特定位置，用于测量轴颈的偏心位移和轴瓦的弹性变形。在安装时，要调整传感器与被测物体之间的距离，使其处于传感器的线性测量范围内，并确保传感器的轴线与被测位移方向垂直，以提高测量精度。数据采集系统的调试是确保实验数据准确可靠的关键步骤。将压力传感器、温度传感器、位移传感器等输出的信号接入数据采集卡的相应通道。在连接过程中，要注意信号的极性和接口的匹配，避免出现信号干扰和损坏数据采集卡的情况。对数据采集卡进行参数设置，包括采样频率、采样精度、量程等。根据实验要求，合理设置采样频率，确保能够准确捕捉到轴承运行过程中的参数变化。对于油膜压力的测量，采样频率设置为1000Hz，以满足对压力动态变化的测量需求。对数据采集软件进行调试，设置数据存储路径、数据显示方式等参数。在调试过程中，模拟传感器输出信号，检查数据采集软件是否能够正确接收、显示和存储数据。通过改变模拟信号的大小，观察软件中显示的数据是否与模拟信号一致，确保数据采集系统的正常工作。对整个实验装置进行试运行，在空载和加载工况下，运行一段时间，检查各部件的运行情况，如电机的转速稳定性、加载系统的可靠性、传感器的测量准确性等。在试运行过程中，实时监测数据采集系统采集到的数据，观察数据的变化趋势是否合理，及时发现并解决出现的问题。对实验装置进行多次调试和优化，确保其能够稳定、准确地运行，为后续的实验研究提供可靠的硬件支持。5.3实验步骤与数据采集按照精心设计的实验方案，严格遵循以下实验步骤展开实验，以确保实验数据的准确性和可靠性。在正式启动实验前，需进行全面细致的准备工作。首先，对实验台进行全面检查，确保各部件连接牢固，无松动、脱落等异常情况。检查驱动系统，包括变频调速电机的接线是否正确，电机的转动是否灵活，无卡滞现象。查看加载系统，确认液压管路连接紧密，无泄漏，液压泵的工作状态是否正常。仔细检查测试系统中各类传感器的安装位置是否准确，固定是否可靠，传感器的接线是否正确，无短路、断路等问题。向实验台的润滑系统中加入适量的ISOVG32号机械油，确保润滑油的清洁度符合要求。使用高精度的过滤设备对润滑油进行过滤，去除其中的杂质和颗粒，避免其对实验结果产生干扰。检查润滑油的液位，使其处于正常工作范围。开启实验台的电源，对各系统进行预热，使系统达到稳定的工作状态。根据实验要求，在数据采集系统中设置好相关参数，如采样频率、采样精度、数据存储路径等。将采样频率设置为1000Hz，以确保能够准确捕捉到轴承运行过程中的参数变化。对数据采集软件进行调试，确保其能够正常接收、显示和存储传感器采集到的数据。完成准备工作后，开始进行实验操作。启动驱动系统，将变频调速电机的转速缓慢调节至设定值，如500r/min、1000r/min、1500r/min或2000r/min。在调节转速的过程中，要密切关注电机的运行状态，确保转速平稳上升，无波动或异常振动。通过加载系统，向轴承施加不同大小的载荷，如2000N、4000N、6000N或8000N。在加载过程中，要缓慢均匀地增加载荷，避免载荷突变对轴承造成冲击。使用压力传感器实时监测加载系统的压力变化，确保施加的载荷准确达到设定值。待轴承运行稳定后，开始采集实验数据。数据采集系统按照设定的采样频率，实时采集压力传感器、温度传感器、位移传感器等输出的信号。压力传感器测量轴瓦不同位置的油膜压力，温度传感器监测油膜温度和轴承表面温度，位移传感器检测轴颈的偏心位移和轴瓦的弹性变形。在每个工况点下，持续采集一段时间的数据，如300s，以获取稳定可靠的数据。对采集到的数据进行实时显示和存储，以便后续分析处理。在数据采集过程中，密切关注数据的变化趋势，若发现数据异常，如突然跳变、波动过大等，应立即停止实验，检查传感器、实验装置及数据采集系统，找出问题并解决后重新进行实验。改变工况参数，如调整偏心率、转速或载荷，重复上述实验步骤，采集不同工况下的实验数据。在改变偏心率时，通过调整实验台的相关机构，使偏心率分别达到0.4、0.6、0.8。在改变转速和载荷时，按照设定的参数值进行调节，确保每个工况点都能得到充分的实验数据。完成所有工况的实验后，停止实验台的运行。首先关闭加载系统，释放轴承所承受的载荷。然后逐渐降低驱动系统的转速，直至电机停止转动。关闭实验台的电源，对实验装置进行清理和维护，如清洗轴承、更换润滑油、检查传感器等，为下一次实验做好准备。在数据采集过程中，要注意数据的准确性和完整性。定期对传感器进行校准，确保其测量精度符合要求。对采集到的数据进行实时检查，剔除异常数据，并对缺失的数据进行补充或修正。在实验结束后，对所有采集到的数据进行整理和分析，运用统计学方法计算数据的平均值、标准差等统计参数，以评估数据的可靠性和稳定性。通过对不同工况下实验数据的对比分析，深入研究大偏心滑动轴承的润滑状态及热弹流特性，为理论分析和数值计算提供有力的实验支持。5.4实验结果与理论对比分析将实验测得的油膜压力分布、温度分布以及润滑状态等数据与理论计算结果进行详细对比分析，以验证理论模型的准确性和可靠性。在油膜压力分布方面，选取转速为1000r/min、载荷为4000N、偏心率为0.6的工况进行对比。实验结果显示，在轴颈与轴瓦的最小间隙处，油膜压力达到峰值，约为2.3MPa，在最大间隙处，油膜压力较低，趋近于环境压力。理论计算得到的最小间隙处油膜压力峰值为2.5MPa，与实验值相比，相对误差约为8.7%。从压力分布趋势来看，实验结果与理论计算结果基本一致，均呈现出在最小间隙处压力高，最大间隙处压力低的特点。但在局部区域，实验值与理论值存在一定差异，这可能是由于实验过程中存在测量误差，如压力传感器的安装位置偏差、测量精度限制等，也可能是理论模型在某些假设和简化过程中忽略了一些实际因素，如轴瓦材料的微观不均匀性、