面向轴承润滑的压电微喷装置耦合仿真与实验研究

【摘要】：随着我国航天技术的发展,越来越多的航天器相继被投入太空服役。同时航天器的发射密度也越来越大,我国有一半航天器都是在近十年发射的。但是每发射一个航天器都耗资不菲,因此如何提高航天器额服役寿命成为目前国际上研究的重点。近几十年来,电子元器件的使用寿命有了极大的提高,但是航天器机械失效仍是限制航天器寿命的重要因素。其中轴承因为润滑油劣化失效从而过度磨损是导致航天器机械失效的重要原因之一。润滑油技术的发展还需要较长时间,因此很多研究者将视线转移到补充润滑装置的研究中。补充润滑装置可以分为主动补充润滑装置和被动补充润滑装置,其中被动补充润滑装置结构简单但是储油量小且供油速度不易控制。而主动补充润滑装置由于其储油量大且可控性强逐渐成为研究的重点。压电微喷装置具有响应快、单次喷射液滴量、可控性强、对润滑油性能影响小以及抗电磁干扰能力强等优点,因此能够成为一种轴承主动补充润滑解决方案。本文首先对国内外微喷装置进行介绍和简析,针对航天器轴承主动补充润滑问题,设计了一种可嵌入式的压电微喷润滑装置。该装置与一般轴承安装方式有较强通用性,同时具有体积小、结构紧凑等优点,因此可以嵌入到轴承原有结构中。微喷装置中的压电振子采用悬臂梁式结构以减小振子刚度,提高喷射性能。本文还设计了轴承润滑状态检测实验平台,该平台系统误差小且实验方便。其检测原理为,通过测量轴承内外圈之间的摩擦转矩来检测轴承的润滑状态。文中利用ANSYS软件对压电微喷装置进行流固耦合仿真分析,得到压电振子工作模态以及最优工作频率。将ANSYS流固耦合和FLUENT两相流串联仿真,分析在激励信号作用下微喷装置润滑油喷射过程,并通过该仿真分析方法研究不同激励条件以及不同流体属性对微喷装置喷射性能的影响。文中实验分析了单脉冲激励下激励信号以及流体属性对微喷装置喷射性能的影响并与仿真相对比,验证了微喷装置的可行性以及仿真结果的可靠性。结合轴承润滑检测实验平台,测试了压电微喷装置用于轴承主动供油润滑的可行性,并分析了不同信号激励条件以及不同轴承工作条件下轴承达到微冗余润滑状态,微喷装置所需激励脉冲数。