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《山东大学》 2007年
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螺旋油楔滑动轴承润滑机理的理论与实验研究

陈淑江  
【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——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,0.3~0.5rad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:50275089)
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TH133.31

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