在现代工业中，轴承的应用已经越来越广泛，大型机械如航空发动机、汽轮机，小型机械如减速器、阻尼器。轴承（bearing）已经成为当代机械设备中一种重要的零部件，它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。按照运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。其中滚动轴承已经标准化、系列化，但与滑动轴承相比它的径向尺寸、振动和噪声较大，价格也较高。滑动轴承（sliding bearing），即指在滑动摩擦下工作的轴承。滑动轴承工作平稳、可靠、无噪声。在液体润滑条件下，滑动表面被润滑油分开而不发生直接接触，还可以大大减小摩擦损失和表面磨损，油膜还具有一定的吸振能力。但起动摩擦阻力较大。轴被轴承支承的部分称为轴颈，与轴颈相配的零件称为轴瓦。为了改善轴瓦表面的摩擦性质而在其内表面上浇铸的减摩材料层称为轴承衬。轴瓦和轴承衬的材料统称为滑动轴承材料。滑动轴承应用场合一般在低速重载工况条件下，或者是维护保养及加注润滑油困难的运转部位。 理论上认为滑动轴承寿命是无限长的，如果维护好，其寿命会更长。正确维护的滑动轴承只有在长期低速运转时才会受到明显的磨损。在低速运转期间，油膜不是处于所希望的厚度，从而使轴承磨损增加；静止时，油膜厚度为零，因此在慢速启动和惯性停车期间会加重滑动轴承的磨损。 轴承的润滑非常重要，如果润滑不当，滑动轴承会发生预警，尤其是配有轴承检温计的轴承。选择油的黏度时必须考虑油膜厚度、发热、轴承性能等因素。滑动轴承采用优质汽轮机油润滑，油的黏度非常重要。如果所用油的黏度与轴承设计用的不同，就会发生几种情况：转子动态性能差，轴承油膜厚度改变，或轴承发热增加。 对滑动轴承进行润滑冷却是减少轴承磨损，增加轴承使用寿命的有效途径，尤其在高速重载工况，过高的温升会造成滑油粘度急剧降低甚至使其丧失承载能力，严重影响其定位精度。合理的润滑方式是改善滑动轴承摩擦性能、降低轴瓦温升、提高转子工作可靠性的关键。有研究表明，在相同工况下结构形式对轴承的工作性能有着重要影响，不同的供油位置，轴瓦凹槽结构对轴瓦温升值有着不能忽视的影响。 在轴承中润滑油会因为轴本身的重量在下部形成锲形，从而形成油膜。轴承内的润滑油会因为旋转机械的旋转摩擦以及高温等影响而产生流场，这一流场是极为复杂的，但是对润滑油的润滑作用以及化学性质有着重要的影响，因此对滑动轴承内润滑油的流场特性分析对于提高润滑效率以及减少轴承磨损增加轴承寿命有着重要的意义。 |
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关键问题：
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Zenglin Guo，Toshio Hirano，R. Gordon Kirk等人采用CFX-TASCflow仿真模拟，利用CFD技术来分析动压、静压轴承以及压膜阻尼器的压力场分布以及它们的动态、静态特性，并把CFX-TASCflow仿真模拟的结果和那些公认的标准计算软件结果进行比较。动压轴承的静态性能分析结果是一致的；动压轴承的动态分析结果中，CFX-TASCflow得到的刚度系数和VT-FAST最为接近，但是阻尼系数比其他标准软件结果都要高；对外部密封轴承的CFD模拟中，在静压和混合操作情况下的大部分静态性能结果都和标准软件的计算结果取得了一致，另外在静压操作情况下的负载能力比标准软件的计算结果要高。他们还说明了CFX-TASCflow的重要性，那就是某些CFX-TASCflow的性能可以用于轴承和阻尼器的分析。但是CFX-TASCflow适用于较为复杂以及要求精度较高的情况下，因为CFX-TASCflow仿真模拟运算需要大量的CPU运算时间。 M.J. Braun和W.M. Hannon阐述了润滑油中可能会产生的汽蚀现象。汽蚀现象产生的原因是在液体中溶解了大量的气体后，当动态情况下液体压力低于气体的饱和压力时，气体会逸出会形成空腔。形成的空腔会引起液体的剧烈震荡，从而对轴承产生较大的损伤。液体能够承受较高的张应力，并且承受的张应力的大小取决于空穴的成核位置。汽蚀现象可以分为气态汽蚀、蒸汽汽蚀和虚假汽蚀。气态汽蚀受润滑油化学性质、气泡的不饱和温度和压力影响，轴承内环境的变化、润滑油的剪切率和散热情况都会影响核心的数量和大小，从而影响汽蚀。蒸汽汽蚀是由剧烈的两相变化引起的。实验证明，汽蚀现象和固体的破裂存在一定的相似性。早期的分析方法并没有严格的遵守质量守恒定律，但是也得出了较好的关于压力和油膜厚度的结果。现代的分析方法严格遵守了质量守恒定律，但也仅是在热力性质和能量损耗方面得出了和早期方法不同的结果。 K.P. Gertzos，P.G. Nikolakopoulos和C.A. Papadopoulos等人介绍了由电流变和磁流变构成的油脂润滑剂，也被称为“智能润滑剂”。这种润滑剂是Bingham流体，和牛顿流体不同之处在于两个参数：屈服应力和粘度。利用CFD技术分析牛顿流体和Bingham流体的结果，和之前的方法得到的结果一致。特定的相对偏心率会生成气态核心，核心会从入口侧向出口侧移动，因为出口侧的相对偏心率更大。Bingham流体的负载能力、膜压和摩擦力都大于牛顿流体，并且都随着屈服应力的增大而增大。对于低偏心率的流体，屈服应力对轴颈的作用较小。在电流变和磁流变流体中，通过电流场和磁场的变化来增大屈服应力。因此可以通过改变这些参数来实现半主动控制轴颈。想要实现轴承的智能控制，就需要选择最为合适与平衡的轴颈的长径比。 张楚，杨建刚，郭瑞，孙丹等人提出采用计算流体力学(CFD)两相流理论建立滑动轴承流场求解模型。该模型认为负压区内油与油汽混合存在，更符合实际情况。比较了两相流模型计算结果和实验结果的差别以及雷诺方程求解模型、三维CFD单相流模型和三维CFD两相流模型这三种模型计算结果之间的差别。三种模型求出的最大油膜压力基本相同，而载荷有所差别。考虑负压区内的油膜作用后，两相流模型求出的有效载荷与实验数据更加吻合。考虑两相流效应后，求出的轴承承载力、油膜分布等更加符合实际情况，与实验结果吻合较好。虽然两相流模型每步迭代所需时间稍长，但是该模型收敛速度快，迭代次数少，总的计算时间大约只是单相流模型的一半。两相流模型无需假设油膜破裂边界条件，使用起来非常方便。计算表明，汽化比例随转速、偏心率和汽化压力的增大而增大，随着进油压力的增大而减小。因此，三维CFD两相流模型是最为合适的分析模型。 郭关柱，范毓润，贾风昌等人研究了空气在二甲基硅油和液压油中的溶解度。由此提出, 对于小分子的非极性溶质在聚合物溶剂中的溶解度，用聚合物单体的摩尔数而不是聚合物分子摩尔数来表示摩尔浓度更有利于实验数据的外推和工程应用。在实验中发现以摩尔分数表示的20cSt和500cSt 二甲基硅油对空气的溶解度可用Krichevsky-Ilinskaya 方程较好地关联，并且意外地发现分子量差异很大的两种二甲基硅油，空气的本生溶解度近似相同。因此提出分子链基团相同而聚合度不同的聚合物溶剂，对于非极性小分子溶质具有相同的溶解性质, 因而采用基团摩尔数的摩尔分数来表达气体的溶解度更有利于实验数据的实际工程应用。对于分子量差别较大或是无法确定分子量的复杂溶剂(如液压油、润滑油等)，用本生溶解度来表示与气相压力的关系是适宜的。 李元生，敖良波，李磊和岳珠峰等人研究了滑动轴承动力特性系数的动态分析方法。在实验中他们分别采用了有限元法与有限差分法分析转子瞬态响应与油膜流场压力分布；数值积分油膜压力关于扰动的偏微分项求解滑动轴承动力特性系数；在每个时刻采用学科间迭代方法实现转子响应分析与滑动轴承动力特性系数分析之间的耦合。他们所得出的结论是滑动轴承动力特性系数随滑动轴承处转轴位置变化而变化，并且当转轴稳定于平衡位置时，滑动轴承动力特性系数在数值上收敛于平衡位置处的动力特性系数；采用定滑动轴承动力特性系数设计的轴承更加安全，因为其偏心率的变化要大于动态滑动轴承；为保证在相同载荷作用下轴承反力相等，随着间隙宽度，轴承长度和润滑油粘度的增加，某些滑动轴承动力系数绝对值会随之增大，且间隙宽度、轴承长度和润滑油粘度对交叉刚度系数和主阻尼系数的影响更加明显。 刘仁志，魏星，宋志佳和蔡林等人应用FLUENT 软件中的空穴模型对纯油润滑状态下的滑动轴承进行了数值模拟，应用SIMPLE 算法求解N-S 方程组，并考虑空穴现象，求解了滑动轴承油膜的温升值，并与实验值相比较，结果吻合良好; 并进一步分析求解了在考虑空穴现象下，不同偏心率、不同长径比、不同转速下，油膜的压力分布。 张旭，李智，杨建刚和高学伟等人应用CFD 工具FLUENT 计算软件中的多相流模型，建立了滑动轴承中实际油膜的模型。多相流模型和单相流模型比较，多出个相和相间界面，因此，从宏观方面看，以气液多相流来说，流场的组成包括气相、液相和气液界面3 部分。界面对多相流的流动特性和传热特性有很大影响。他们还计算了实际油膜的压力分布，探讨了油膜在轴承收敛和开阔楔形区域中的形式；比较了CFD 方法下，实际油膜载荷、全周油膜载荷和半周油膜载荷的差别，并对差别加以分析。最终得出的结论就是利用CFD计算方法，能够更加精确地得到滑动轴承油膜的承载力。 孙丹，张楚，郭瑞和杨建刚等人另外还研究了基于两相流理论的滑动轴承动力特性求解方法。他们重点研究了将计算CFD两相流与动网格技术应用于滑动轴承动力特性数值求解，建立了基于CFD两相流滑动轴承动力特性求解模型，比较了单相流与两相流滑动轴承压力分布特性以及两种模型之间的差异和特点。得出的结论就是，两相流模型和单相流模型相比无需假设油膜破裂边界条件，求解模型更加简单方便；滑动轴承油膜的气化比例随着转速、偏心率和气化压力的增加而迅速增大，随进口压力的增加而缓慢减小；考虑滑动轴承两相流后，直接刚度系数增加，交叉刚度系数减小，直接与交叉阻尼系数均减小．随着偏心率的增加，单相流与两相流求解结果偏差增大。 蔡林在博士学位论文中研究了滑动轴承内部换热机理，并对比了粘温效应与粘度为常数两种粘度模型的数值结果，指出滑动轴承流场及温度分布受到粘性耗散(摩擦生热)、滑油粘温特性、滑油通流特性耦合作用，轴承在各个参数耦合作用中达到热平衡。在对滑动轴承流场进行数值计算时，不能忽略能量方程和滑油的粘温效应。并且还分析了周向凹槽对滑动轴承静特性的影响，证明当凹槽深度为微米量级时，影响较小；当凹槽深度为毫米量级时，影响较大。还分析研究了供油压力、供油温度及空穴压力对滑动轴承静特性的影响规律 从所有的参考文献看，对于滑动轴承内润滑油流场的研究，从经典的Reynolds方程到N-S方程的简化，再到一些标准润滑软件的计算，再到如今采用CFD技术进行建模仿真模拟，对润滑油物性参数的变化的研究越来越细致、精确，尤其是在计算机技术得到广泛应用之后，使复杂而又全面的模拟分析成为了可能。另一个趋势就是，之前的假设均为单相不可压缩流体以及牛顿流体，这样在计算方法并不十分精确的年代起到了很大的帮助，现代研究的假设愈来愈趋于实际，将液体的气化以及液体中的含气量考虑进去，转而采用用两相流模型，并且考虑流体在三维方向上的粘度差异，这也就是现代研究大多采用三维两相流模型的原因。 |
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主要研究内容： 本课题的主要研究内容是（1）研究润滑油在不同环境下的物性参数变化情况；（2）当润滑油的物性参数发生改变之后，会对滑动轴承产生怎样的影响；（3）不同品质的润滑油对滑动轴承的性能的影响如何。 润滑油的标准参数都是在实验室的标准环境下测得的，但是在实际生产运行中，外部环境会发生各种各样的改变，以至于我们会人为地改变温度、压力等参数以使润滑油的润滑效果达到我们的期望值，从而影响轴承的负载能力。 当温度、压力、含气量这三项参数发生改变时，润滑油的动力粘度和密度毫无疑问会发生改变，变化趋势是怎样的，是呈指数或者线性的变化，这都是我准备研究的要点。当润滑油的动力粘度发生变化时，会使得旋转轴在旋转时所受到的阻力（粘滞力）发生改变，若要保持轴的旋转速度一定的话，那么同一轴承所能承受的转轴的最大重量就会发生变化。也就是说，润滑油的动力粘度的改变会影响到滑动轴承油膜的负载能力。 润滑油是由基础油和添加剂组成的，基础油通常约占90%，剩下是添加剂。基础油质量对于润滑油性能至关重要，它提供了润滑油最基础的润滑，冷却，抗氧化，抗腐蚀等性能。润滑油标准中的数字代表润滑油的粘度等级，其数值相当于40℃时的中间运动粘度值，单位为mm2/s，我在研究中需要重点考虑的是润滑油的粘温特性，也就是润滑油的特性随温度变化的特性。不同品质、不同标准的润滑油的粘温特性是不同的，也就是说其受温度，以及压力、含气量的影响程度是不同的。 经过阅读众多文献和参考资料后，得出的结论是三维CFD两相流模型最为合适，求解模型和单相流模型相比更加简单方便，与传统Reynolds模型相比计算结果更加精确。 研究方案： 本次研究的方案采用的是理论与实际结合的方案，理论就是前期通过查阅和学习各种资料，掌握采用经典的Reynolds方程以及N-S方程推导出轴承内流场的方程，并从中得出影响轴承油膜的几个参数，即温度、压力以及含气量。实际就是在前期理论计算之后，在已确定需要研究的几个参数之后，通过做一些实验并获得足够的数据，从中整理出这些参数与润滑油动力粘度之间的关系。 首先设计研究润滑油物性参数变化的实验方案，采用经典的控制变量法，通过控制其他参数不变，仅改变三个参数中的一个，测得润滑油的粘度大小，从而得出润滑油的温度、压力、含气量对其动力粘度的影响。在这其中温度和压力都可以利用热电偶及压力传感器测得，而含气量的测定方法较为复杂。其中一种方法是采用数字图像处理技术来测量含气量，其原理是液体和气体在图片上的灰度不同，通过滤波、平滑、二值化处理后，就可以较为清晰地在图片上区分出液体和气体，但是这种方法直接对含气液体拍照,无法消除在照相的投影方向上气泡相叠加所带来的误差,而这种误差将直接影响含气量的测量精度；另一种方法是自己搭建一个含气量测量仪，通过测量压力差来获得液体的含气量。 然后需要利用三维CFD技术，利用FLUENT软件建立三维两相流模型，得到轴承的网格图。利用两相流模型可以很好地得出润滑油的动力粘度对滑动轴承油膜的负载能力的影响大小和趋势。最后需要利用到Matlab软件，通过编写程序解矩阵方程，来获得轴承油膜所受到的压力场分布，并最终得到轴承所能承受的负载大小。 所用实验仪器 在实验过程中，温度的测量会用到热电偶测量计，压力的测量使用压敏传感器，含气量的测量则要用到如下图的实验装置。
润滑油的粘度测量，则是会用到特殊的传感器，一个是美国Brookfield公司的DV2T型粘度计，原理就是通过伸入样品的转子的扭矩来测量并计算出液体的粘度，这种粘度计内建了RTD温度探头，能够实时监控样品温度，这样也就不用再使用热电偶去专门测定样品的温度了，其转子快速连接系统能够快速安全地安装及卸除转子，便携式粘度计可避免由于转子更换频繁或多人操作等场合下给粘度计带来的损害；另一种是美国MEAS传感器公司的FPS2800B12C4流体特性传感器模块，这种传感器可以直接和同时测量流体的粘度、密度、介电常数和温度等多个参数，这种多参数的分析能力改善了流体特性的运算法则，并且可以十分容易地与主控制器进行连接，可采用一个简单的 4 引脚连接器进行安装，节约搭建的成本。这两种传感器的优劣特点，需要在后期实验过程中进行进一步的比较和测试，在此仅是选择好两种备用的选项。 |
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