等差分布微槽平行滑动轴承油膜承载力分析.pdf
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1、 年 月第 卷 第 期润滑与密封 :文献引用:段宗幸,赵强,陈志,等等差分布微槽平行滑动轴承油膜承载力分析润滑与密封,():,():基金项目:西藏自治区高层次人才引进项目(;藏财科教指 号)收稿日期:;修回日期:作者简介:段宗幸(),男,硕士研究生,研究方向为流体机械。:。通信作者:吉华(),博士,副教授,研究方向为流体机械。:。等差分布微槽平行滑动轴承油膜承载力分析段宗幸 赵 强 陈 志 叶通骑 吉 华(四川大学化学工程学院 四川成都;西藏农牧学院,西藏土木水利电力工程技术研究中心 西藏林芝)摘要:为提升平行滑动轴承的油膜承载力,在平行滑动轴承上加工了间距为等差数列的槽织构,并建立轴承的油膜
2、模型;基于入口吸入理论和连续性方程,对轴承的油膜承载力进行解析计算。解析解表明,在各个槽都空化的前提下,与均匀分布的槽织构相比,槽间距为等差分布的槽织构能提升油膜承载力,且油膜承载力随织构等差分布的公差的增大呈抛物线形式增大。基于 多相流空化模型,计算了带有等差分布微槽轴承的油膜承载力,并结合解析计算和数值计算结果分析不同因素对油膜承载力的影响。结果表明:在满足空化条件时,解析计算与数值计算结果均显示出相同规律,验证了解析计算的正确性;与均布槽织构比较,在不同压差下,等差分布槽织构最大使油膜承载力提升了 ,在不同槽深时,等差分布槽织构最大使油膜承载力提升了 ,在不同油膜厚度下,等差分布槽织构最
3、大使油膜承载力提升了 。关键词:平行滑动轴承;等差分布;槽织构;承载力;空化中图分类号:(,;,):(),:;表面微织构已被证实能有效地改善滑动摩擦副的摩擦学性能,并认为其具有储油、容渣以及动压效应的作用。研究表明,改变织构本身的几何形状和优化织构的排布方式,都可以提高织构的油膜承载力。在改变织构本身形状方面,目前研究主要有寻求合理的面积比、深径比、膜厚槽深比,以及采用椭圆形、矩形、三角形、形等形状。在优化织构排布方面,等采用有限差分法离散二维雷诺方程,对径向部分开孔的推力轴承进行了参数化研究。研究表明,部分开孔表面由于微孔的“富集效应”而产生附加流体压力,相较于全织构有更优的摩擦性能。朱华等
4、人采取实验的方法研究了变密度微孔的减摩作用。结果表明,“高低高”的密度分布方式比“低高低”的密度分布方式的减摩效果好。这表明并非所有的非均匀排布表面微织构都有利于摩擦学性能的改善。战琳月等将不同方向角的椭圆形微孔应用到机械密封上,发现方向角为 以及的椭圆形微孔均有 个时,开启力最大。等研究了人字形织构排布方式对油膜承载力的影响,发现相较于矩形排布,形排布对油膜承载力有显著提升。表面微织构的研究方法主要有解析法、数值计算法和实验研究。一般而言,数值计算和实验都只能采用穷举法寻找最优值,因而并不容易找到最优值。虽然解析法计算精度往往不及数值计算法,但在寻找最优解上有优势。解析法可有效简洁地表达各物
5、理量间的关系,揭示科学规律,同时也可避免 建模或者程序编写所需的大量工作,为研究人员提供了一种高效省时的解决方案。等考虑空化,采用一维单孔模型针对开槽平行滑动轴承进行解析求解,提出了“”理论,认为润滑油由于楔形效应而在织构入口处形成低压区,将润滑剂“吸入”轴承,这些额外吸入的流体给滑动轴承带来了额外的承载力。吉华等人基于“”理论,解析计算了均匀分布圆柱形孔的活塞环的油膜承载力,揭示了活塞环油膜承载力与各物理量之间的关系。等采用一维雷诺方程,针对开单槽和多槽的平行滑动轴承进行解析计算,发现当非空化区域长度等于槽宽时,槽入口处的压力等于空化压力,此时油膜承载力最大。因此,本文作者首先采用解析法得到
6、等差分布槽织构的油膜承载力,利用其能简洁有效地表达各物理量关系的特点,分析证明了等差分布的优势。然后,利用数值计算验证解析结果的正确性。最后,将解析结果与数值计算结果结合,分析了工况和几何参数对等差分布槽织构油膜承载力的影响。研究思路文中研究思路如图 所示,主要包括:油膜承载力的解析计算。首先,假设槽内产生空化,在进口段、出口段和间距段应用连续性方程和一维雷诺方程来求解每个槽出口处的末端压力。然后,在槽非空化区间内应用连续性方程和一维雷诺方程来求解非空化区域长度,接着利用槽宽 解得空化区域长度。若,则槽内并不发生空化。此时,在槽区和进口段建立流量连续性方程可以解得槽内最小压力。若,则假设空化正
7、确。根据油膜压力为线性分布、和、和即可得到整个油膜的压力分布,对该压力分布进行积分即可得到等差分布槽织构的油膜承载力解析解。最后,将 与均匀分布槽织构的油膜承载力作对比,分析证明了等差排布的优势。油膜承载力的数值计算。首先建立不同参数的油膜模型,然后划分网格并验证网格的独立性和计算方法的正确性,最后利用 进行数值计算得到不同参数的油膜的压力分布,积分可得到油膜承载力的数值解。比较解析计算与数值计算的结果,验证解析计算结果,并得到各因素对等差分布槽织构油膜承载力的影响。图 研究思路 年第 期段宗幸等:等差分布微槽平行滑动轴承油膜承载力分析 等差分布槽织构油膜承载力的解析解 几何模型图 ()所示为
8、等差分布槽织构的平面示意图,在运动方向(向)有 个槽,向无限延展。取单位宽度的油膜(截面)作为一维模型,如图()所示。间隙内充满润滑油,滑移壁面相对于织构有 正方向的速度,左侧压力,右侧压力,油膜厚度,槽深,槽宽,间距。图 几何模型 空化模型空化模型大致分为 种。在 等的研究中,解析解是用空化压力替代负压侧的压力来求得的。由于没有考虑空化对非空化区域内压力分布的影响,因此由解析求解得到的油膜承载力高于实际情况。而 等认为空化发生在槽内部,让入口区域与出口区域的压力梯度增大,从而导致最大压力降低。同时,的模型是基于质量守恒方程,能反映空化对整体压力分布的影响,因此文中采用 的空化模型。图 显示了
9、 个模型之间的差异。图 两空化模型压力分布对比 一维模型只会出现 种情况:()所有槽都产生空化;()部分槽产生空化;()所有槽均未产生空化。当所有槽都产生空化时,一维模型如图 所示。图 所有槽都空化的一维模型 等差分布槽织构的油膜承载力解析求解所做的假设为:()雷诺方程的所有假设;()不考虑 方向上的流动。间隙内流量 的一维雷诺方程:()式中:为任意 位置处的厚度;为黏度。将式()和连续性方程应用于进口段,、出口段,和间距段,可得第 个槽的末端压力:(),(),()以及非空化区域长度:()()()式中:;为空化压力。由于 与、数量级差异较大,因此将 忽略后对油膜沿 正方向积分得间距分布为任意形
10、式的油膜承载力:()式中:()()();()。文中所有油膜承载力都是二维油膜承载力,所以单位为。设等差数列分布公式为 ()()润滑与密封第 卷式中:为等差分布槽织构第 槽与第 槽之间的间距;为公差;,为槽数。将式()代入式()可得等差分布槽织构的油膜承载力:()()()()()()值得一提的是,非空化区域长度 是受到槽织构几何参数限制的,应在大于,小于槽宽 的范围内,否则无法空化。因此对于 有 因此,空化需满足的条件为 ()()()等差分布与均匀分布槽织构油膜承载力比较使等差分布与均匀分布槽织构油膜承载力的比较有意义的前提为,二者的总长、槽数及槽宽相等,因此二者的间距总长相等。设均布槽织构的间
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