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新型轧机油膜轴承磁流体润滑理论与实验研究

孙建召  
【摘要】:油膜轴承作为轧机的支撑轴承已经获得了较成功的应用,其工作时利用巴氏合金内表面与轧辊的外表面所形成的油膜支撑外载。磁流体具有磁性和流动性两种特性,并能够通过改变磁场强度大小与方向来改变磁流体的粘度。本课题利用磁流体,智能控制润滑油的粘度,适应不同的轧制力,改善油膜轴承润滑环境,延长油膜轴承使用寿命,同时还能提高油膜轴承的密封能力。 本课题基于磁流体润滑理论和油膜轴承润滑理论,探讨了磁流体润滑油膜轴承动力润滑理论。分析了磁流体动力润滑的磁流体力学方程组,给出了不同坐标系下的磁流体力学方程组。利用VB.NET开发了油膜轴承磁流体润滑油膜分析系统,应用ANSYS分析了磁流体润滑油膜轴承油膜的特性,为油膜轴承的进一步理论计算和仿真模拟开拓了一条新思路。下面将本课题研究的主要内容简述如下: 首先,通过电磁学三大方程与流体力学三大方程,再加上本构方程推导出磁流体动力学润滑方程组,给出了积分形式和微分形式的磁流体力学方程组,同时导出了不同坐标系下的磁流体力学方程组。磁流体方程组将流场与磁场联系起来,流场通过速度场对磁场产生影响,而磁场通过磁感应强度与流场发生关系。此外,给出了磁流体力学方程组的边界条件与初始条件,并对方程组进行了无量纲化,以便于方程组的求解。 其次,本文将VB.NET、ANSYS Mechanical、ANSYS CFX完美结合,通过APDL语言和CEL语言编写内部分析程序,实现了磁流体润滑油膜轴承油膜的数值模拟,开发了磁流体润滑油膜轴承油膜分析系统。利用该分析系统可以大大减少油膜轴承数值模拟的分析时间,节省了人力资源,减少了设计成本,为油膜轴承的设计提供了科学的设计方法与设计参数。采用基于有限元法的有限体积法对油膜轴承磁流体润滑油膜进行了数值计算,对不同润滑环境、不同工况,分别求解出了油膜温度场分布、油膜压力场分布以及其它油膜特性。 最后,根据油膜数值计算结果,利用油膜轴承试验台和粘度仪,对磁流体润滑油膜轴承进行了实验测试,实验结果基本与数值计算结果匹配。证实了磁流体润滑油膜轴承确实可以增大油膜轴承承载能力,减小摩擦,同时可在一定程度上减少温升。通过实验同时证实了对磁流体施加适当的磁场能够增大磁流体的粘度,并且磁流体的粘度与磁场强度的大小成正比。


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