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《机械科学研究总院》 2011年
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水润滑轴承数值仿真及其材料摩擦学性能研究

段海涛  
【摘要】:水润滑轴承具有成本低、结构简单、维修方便等优点。以水作为工作介质,既可以节省大量油料和贵重有色金属等战略资源,又能从根本上避免漏油对水资源的污染,在船舶、水工和深海机械中有广泛的应用前景。因此,水润滑轴承,作为环境科学、材料学和机械学研究领域的重要对象,已引起了高度关注。但是,从基础理论到工程应用,水润滑轴承都还不如油润滑轴承成熟,存在一些不完善之处。特别是水润滑轴承间隙内流场分布情况、流体压力与轴套变形的相互影响等问题至今没有进行过系统的研究,水润滑轴承材料耐空蚀性能的研究尚处于空白,新型聚合物材料用于水润滑轴承的摩擦学基础研究还不够透彻,制约了水润滑轴承技术的发展。 本文以船舶艉轴水润滑轴承的结构、材料设计所面对的关键基础问题为对象,运用计算流体力学方法,通过数值仿真,系统的研究了水润滑轴承的间隙内流场分布特征、流体压力与沟槽结构、轴套变形等之间的相互关系;在大量试验的基础上探讨了典型水润滑轴承材料的抗气蚀性能及其在淡水、海水环境下的滑动摩擦性能变化规律,为水润滑轴承的结构设计、科学选材与合理应用提供理论依据和实验数据。主要研究内容和结论如下: (1)运用二维数值模拟计算研究了水润滑轴承间隙大小、沟槽形状和数量、开槽位置以及偏心率的大小对流体流场分布的影响。结果发现:流体压力均随着轴颈偏心率的增加而增加,随着间隙的增加而降低。间隙、偏心率、沟槽形状和分布对流场压力分布的交互影响作用较大,偏心率为0时,沟槽形状对间隙内流体压力影响规律为:圆弧形矩形矩弧形;偏心率为0.8时,矩弧形矩形圆弧形;圆弧形槽偏心率为0.8时间隙内流场压力随着间隙的增加呈波浪型降低;间隙为1mm时,四矩形槽、六矩弧形槽和六圆弧形槽承载能力最差;与矩形槽相比,在矩弧形沟槽的沟槽处,流体流动方向相对平稳。 (2)采用流固耦合算法以矩弧形水槽水润滑轴承为对象,深入研究了轴套材料变形条件下,水润滑轴承偏心率与轴套材料的变形特征对流场分布规律的影响。结果发现:随着偏心率增大,轴套的最大变形量可增加2个数量级;偏心率较小时,轴套变形对速度场影响较小,对压力场影响较大;偏心率较大时,轴套变形对速度场和压力场影响都很大。 (3)设计了一种基于磁致伸缩仪的反击式聚合物材料空蚀试验方法,试验研究水润滑轴承材料的空蚀性能,结合表面形貌、能谱等分析,探讨其空蚀机理。试验证实:由于粘弹性和非晶特征,超高分子量聚乙烯材料具有极佳的抗空蚀性能;赛龙材料的成分不均匀,导致部分颗粒状材料在气蚀作用下松动脱落,形成深度和直径较大的坑,抗空蚀性能较差;飞龙材料空蚀试验中,部分粘结剂产生裂纹,在气泡冲击作用下,粘结剂脱落,导致编织物纤维裸露、脱落,抗空蚀性能最差。 (4)试验研究了赛龙、飞龙、超高分子量聚乙烯在淡水介质和人工海水介质中的滑动摩擦磨损性能。结果发现: a、超高分子量聚乙烯/GCr15摩擦副在人工海水介质中的摩擦系数(0.069-0.082)低于在淡水介质中的摩擦系数,随转速的增加而降低,磨损体积较小;磨损机制主要为磨粒磨损、塑性变形和材料变形。 b、飞龙/GCr15摩擦副在人工海水介质中的摩擦系数(0.148-0.192)略低于在淡水介质中的摩擦系数(0.15-0.21),随时间增加呈现先升高后缓慢降低的趋势,随转速的增加而降低,磨损体积较大;磨损机制主要为磨粒磨损和材料疲劳磨损。 c、赛龙/GCr15摩擦副在淡水介质中的摩擦系数比较大(0.345-0.425),随时间的增加呈上升趋势,随转速的增加呈降低,磨损机制主要是磨粒磨损、材料剥落磨损、材料疲劳磨损和材料变形;在人工海水介质中摩擦系数(0.185-0.335)随时间和转速的增加呈现逐渐下降趋势,磨损机制主要为磨粒磨损、材料疲劳磨损和材料变形。 (6)基于材料在一定工况下承载能力、变形量、磨损量、摩擦系数和空蚀性能与转速、时间的定量关系研究,建立了水润滑承载材料综合性能评估模型。
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