凹坑织构化径向滑动轴承-转子系统非线性动力学特性研究

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机械装置摩擦部件中常用的有常规滑动轴承系统,即具有光滑工作表面的滑动轴承。滑动轴承一个非常重要的因素是借助润滑剂形成油膜,润滑油膜的形成过程受到轴颈和轴瓦的宏观和微几何参数的影响。在微观几何情况下,适当的表面形貌可能导致滑动轴承增加承载能力和减少摩擦扭矩,这种表面形貌(织构)可以直接影响滑动轴承的性能。在研究滑动轴承—转子系统的动力特性中,油膜起到的作用有支承外载、降低摩擦、减少磨损、减振降噪、冷却降温等,而且油膜作为轴承—转子—基础系统中的一个环节,影响着系统的稳定性。本课题将表面织构化技术应用于径向滑动轴承,在轴瓦内表面制备凹坑织构。通过数值模拟的方法,研究织构几何参数、凹坑区域分布并结合轴承结构参数对滑动轴承动、静特性的影响规律,探究其润滑减摩机理、油膜承载机制以及油膜涡动影响因素。首先,基于雷诺边界条件,建立凹坑织构化径向滑动轴承流体动力润滑理论模型,表征凹坑织构膜厚方程。量纲归一化处理后,利用有限差分法离散无量纲Reynolds方程,采用Gauss-Seidel松弛迭代方法进行数值求解。探讨轴承结构参数和凹坑几何参数、分布位置对滑动轴承润滑性能参数的影响。结果表明:凹坑织构能提升滑动轴承发散区的承载力,降低了摩擦力和端泄流量,起到了润滑、减摩、储油的积极作用,并且确定了凹坑织构的最佳分布位置;滑动轴承的偏心率和宽径比对滑动轴承润滑性能影响较大,结合实际工况采取适当的设计参数。然后,设定轴承工作状态,选定轴承结构参数、凹坑几何参数,考虑润滑油温度、粘度等因素,根据定常运动Reynolds方程,确定轴承—转子系统稳定状态下的油膜压力场,并沿轴颈表面积分得到油膜力。将油膜力简化为线性的弹簧和阻尼,采用小参数法求解非定常运动Reynolds方程,分别获得关于位移和速度的扰动压力场,由此可得轴承的动力系数。研究表明:凹坑织构化滑动轴承的八个动力特性系数相较于光滑表面轴承都有所降低,并且随着凹坑深度的增加而下降。凹坑织构的存在改变了轴承的油膜力对轴颈的影响,尤其降低油膜交叉刚度和交叉阻尼对轴承产生涡动的可能性。最后,将凹坑织构化径向滑动轴承油膜力模型和转子运动学方程进行耦合,由求解得到的四个油膜刚度系数和四个阻尼系数,并相应地代入转子运动学方程矩阵中,求解出转子各个模态下的特征值,进行模态分析,根据Campbell图、转子轨道图、模态振型图、幅频特性曲线来表示不同工况下轴承—转子系统的非线性特征。比较不同凹坑织构深度下的轴承—转子系统的运动,研究表明:凹坑织构化轴承可以改变轴承—转子系统的临界转速,并且随着凹坑深度的增加,系统的涡动频率也随之增大,系统的稳定性有所增加。
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