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水润滑轴承动静特性研究

王莉  
【摘要】:轴承是旋转类机械转子系统的关键支承部件。绿色工业时代,以水为润滑介质的轴承不仅节能环保,而且成本更为低廉。水润滑轴承因承载特性好、结构简单、维修便利、环境友好及防燃爆等优良性能,已经在诸多领域得到了广泛应用。因此针对水润滑轴承的结构特点、润滑机理以及动静特性等进行系统性的深入研究具有重要意义。本文针对应用范围较广、结构较为典型的三种水润滑滑动轴承(圆柱、椭圆、可倾瓦),分别建立了不同结构参数的水膜模型,通过数值计算探究其动静特性,并采用试验手段进行验证,系统地对三种类型的轴承进行分析。本文主要工作与研究成果如下:1.概述了润滑理论的发展历程与研究现状,介绍了不同类型滑动轴承动静特性及承载性能的相关研究进展。2.针对圆柱水润滑轴承,在流体动压润滑理论的基础上,以半径间隙、轴颈转速、载荷大小及长径比为变量,采用有限元与数值模拟相结合的方法,结合动网格技术,对轴承动静特性进行分析,并通过试验进行验证。结果表明:(1)相同长径比时,轴承半径间隙越小,承载性能越好,轴心轨迹的波动越小,转子的运转更为稳定,但会导致温升增加;(2)转速对轴承的影响相对较弱,高转速更利于轴承的承载性能,但综合来看转子的稳定性有所下降;(3)施加少量载荷对轴承性能就有显著影响,但随着载荷的增大,轴颈偏心率增大,载荷的增量对轴承特性的影响力减小;(4)相同半径间隙时,长径比的增大有利于提升轴承承载能力,但以最小水膜厚度为选型标准时,不同半径间隙所对应的最优长径比不同,轴承的间隙比与长径比的比值区间为0.0065~0.007时对应的轴承结构最优。3.以椭圆水润滑轴承为研究对象,在圆柱水润滑轴承研究的基础上,选取其独特的结构参数——椭圆度作为变量,分析该参数对轴承动静特性及承载能力的影响。结果表明:椭圆度在2~3时,轴承的水膜更稳定,能更好地抑制转子失稳,较高或较低的椭圆度都将降低转子的稳定性。因此,选定椭圆度为3的模型来探究进水口压力对轴承润滑及运转性能的影响。结果表明:进水压力对其性能影响不大,在轴承的设计优化过程中,如果需要提升轴承性能,应优先从结构参数上进行改进。4.由于可倾瓦水润滑轴承结构的特殊性,分别改变预负荷系数、支点偏置率、瓦块张角和承载方式,探究这些结构参数对可倾瓦水润滑轴承承载及运转性能的影响。结果表明:(1)预负荷系数的增大能够减小轴承的不稳定振动,增强转子稳定性,并且提升轴承的承载能力;(2)对无需逆转的转子系统中的水润滑可倾瓦轴承采用支点偏置设计,可以使转子系统更加稳定,支点偏置率为0.6左右时,轴承性能达到最优;(3)轴承瓦块张角的增大使得轴承的承载能力升高,但稳定性下降,综合来看,可以仅增大承载瓦瓦块张角来提升轴承整体性能;(4)载荷作用在瓦间时,轴承的最大压力小于瓦上承载,压力分布更为均匀且轴承稳定性更好,但对比两种承载方式的Sommerfeld数,载荷作用在瓦上的轴承表现出更好的承载性能。


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