水润滑橡胶合金轴承接触及润滑特性分析

论文摘要

对于水润滑橡胶合金轴承,低粘度的润滑介质和橡胶衬层特殊的材料性质,使得其润滑机理较一般油润滑金属滑动轴承产生了很大的差异。多沟槽的几何结构,加上水的粘性小,水润滑橡胶合金轴承中水膜的压力普遍较低。但由于橡胶材料的弹性模量较小,在较低的水膜压力下会产生明显的变形,从而对润滑水膜的厚度和形状将产生显著的影响,并进一步影响水膜中的压力分布。因此,对水润滑橡胶合金轴承润滑机理的研究上,既要考虑多曲面、多沟槽的几何结构,也要充分考虑衬层材料性能对润滑性能的影响。为了了解水润滑橡胶合金轴承在重载、干摩擦状态下的润滑特性,论文利用有限元方法对不同载荷、不同摩擦系数条件下的水润滑橡胶合金轴承进行了动态接触分析。计算的结果表明,由于摩擦力的存在,最大接触应力、最大接触位移和最大接触应变一般出现在轴承两端或底部板块沿旋转方向下游的区域。之后,采用直接流固耦合求解方法从全周向尺度对水润滑橡胶合金轴承进行了润滑性能分析。首先从水润滑橡胶合金轴承的特殊性出发,结合Navier-Stokes方程和弹性变形等理论,建立了水润滑橡胶合金轴承的润滑求解模型,对不同偏心率、不同转速下的水润滑橡胶合金轴承进行了数值仿真,得到了不同状态下的水膜压力分布、橡胶变形分布规律,并在此基础上计算了相应的水膜厚度分布、承载能力和摩擦系数。接着,从过渡圆弧尺寸、橡胶衬层厚度和衬层材料性能几个方面出发,研究了不同因素对水润滑橡胶合金轴承润滑性能的影响。流固耦合的求解结果表明,在偏心率小于等于1的情况下,水润滑橡胶合金轴承的承载能力普遍较低（计算范围内的最大比压约为0.08MPa）;采用较小的过渡圆弧尺寸会增加收敛楔形的长度,从而有利于承载能力的提高;在偏心率较大的情况下,较小的衬层厚度有助于水膜压力的提高,其承载能力也相应增大;在轴承刚性间隙相同的条件下,衬层材料弹性模量越低,对应的水膜厚度越厚,但承载能力也会相应降低。本文内容是国家自然科学基金面上项目“大尺寸高比压水润滑轴承的创新设计理论与方法”（项目编号:50775230）的一部分,拟通过上述研究对水润滑轴承的润滑机理及相关研究方法提供新的借鉴。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 水润滑橡胶轴承的润滑机理
• 1.2.1 流体动压润滑基本原理
• 1.2.2 水润滑橡胶轴承润滑机理的特点
• 1.2.3 水润滑橡胶轴承润滑机理的研究现状
• 1.3 本文研究的主要内容
• 2 橡胶合金材料基本参数的试验研究
• 2.1 试验方案的确定
• 2.1.1 试验方法
• 2.1.2 试验装置及试样结构参数
• 2.1.3 试验参数设置
• 2.2 试验结果处理
• 2.3 材料基本参数的确定
• 2.4 本章小结
• 3 轴承的动态接触特性分析
• 3.1 接触模型的确定
• 3.1.1 几何及材料参数
• 3.1.2 有限元模型的建立
• 3.2 动态接触特性及结果分析
• 3.2.1 应力分布状况
• 3.2.2 接触变形分布状况
• 3.2.3 摩擦系数对接触特性的影响
• 3.3 本章小结
• 4 水润滑橡胶合金轴承的流体润滑求解模型
• 4.1 流体求解数学模型
• 4.1.1 计算流体动力学概述
• 4.1.2 基本方程及其离散化
• 4.1.3 计算模型的假设及计算条件
• 4.1.4 水润滑橡胶合金轴承的边界条件
• 4.2 流固耦合求解模型的建立
• 4.2.1 流固耦合的计算理论
• 4.2.2 水润滑橡胶合金轴承润滑性能参数计算
• 4.3 本章小结
• 5 水润滑橡胶合金轴承的润滑性能分析
• 5.1 ADINA 软件概述
• 5.1.1 ADINA 软件结构及应用
• 5.1.2 ADINA 求解流程
• 5.2 轴承几何结构
• 5.3 有限元模型
• 5.3.1 网格结构
• 5.3.2 边界条件的确定
• 5.4 2D 仿真结果及分析
• 5.4.1 水膜压力分布状况
• 5.4.2 弹性变形分布状况
• 5.4.3 承载能力及偏位角
• 5.4.4 摩擦系数
• 5.5 本章小结
• 6 结构及材料参数对轴承性能的影响
• 6.1 过渡圆弧尺寸对性能的影响
• 6.1.1 圆弧尺寸对压力分布的影响
• 6.1.2 圆弧尺寸对水膜厚度的影响
• 6.1.3 圆弧尺寸对承载能力及摩擦系数的影响
• 6.2 橡胶衬层厚度对性能的影响
• 6.2.1 橡胶厚度对压力分布的影响
• 6.2.2 橡胶厚度对水膜厚度的影响
• 6.2.3 橡胶厚度对承载能力及摩擦系数的影响
• 6.3 橡胶弹性模量对性能的影响
• 6.3.1 弹性模量对压力分布的影响
• 6.3.2 弹性模量对水膜厚度的影响
• 6.3.3 弹性模量对承载能力及摩擦系数的影响
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录