基于界面滑移理论的摩擦副润滑性能优化研究

发布时间：2020-06-18 00:57

【摘要】：液体动压轴承被广泛应用于工程机械、汽车、航空航天、风力发电等工业领域。其中,摩擦副作为液体动压轴承的关键部位,其润滑性能直接影响到机械设备整体性能的优劣。随着现代工业技术的迅猛发展,人们对节能、环保要求的不断提高,因此对于摩擦副的性能提出了更高的要求。至今为止,高速率、高承载力的流体润滑摩擦副的设计和应用一直是比较热门的课题,然而润滑介质所固有的特性以及摩擦副表面的加工精度极大的限制了这类性能的进一步提升。针对这类问题,本文提出了将具有低表面能的非润湿性材料应用在流体润滑摩擦副表面,以这类材料所具有的界面滑移性质作为理论基础,以处于摩擦副间的流体膜作为研究对象,建立耦合滑移边界条件的液膜能量方程和扩展式雷诺方程,构建在有限的区域内优化基于滑移/非滑移异质界面动压润滑特性的数学模型,通过模型的仿真以及试验的验证,取得如下研究成果:将Navier提出的界面滑移理论模型与瞬态能量方程耦合,建立新的适用于描述这类非润湿性材料应用的数学模型,选取处于旋转圆盘间的层流作为研究对象,以具有低表面能的聚四氟乙烯薄膜作为滑移材料,采用模型仿真预测圆盘在连续转动条件下,流体的温升和阻力变化机制,并解释壁面的界面滑移性质如何在圆盘的长期运行期间实现温度的控制功能,并结合旋转流变仪搭建试验平台对温度进行监测,以验证数学模型所预测的温度场的有效性。以聚四氟乙烯板为滑移材料和有机玻璃为非滑移材料制备了滑移/非滑移异质界面的试验样品,采用旋转流变仪结合两个镜像分布的力传感器搭建试验平台,分别对正向和逆向流经异质界面的液膜法向力进行监测,在排除楔形效应即均匀膜厚条件下定性分析液膜的动压效应。将界面滑移理论模型与经典雷诺方程耦合,建立适用于描述滑移/非滑移异质界面的柱坐标形式的扩展式雷诺方程,基于试验模型设定边界条件进行仿真求解。对转速线性提升的斜坡模式下将试验所监测的承载力与数学模型求解结果进行对比分析,以验证无楔形效应的扩展式雷诺方程求解的准确性。提出曲线拼接式滑移/非滑移异质界面的设计方案,构建两种离散式数学模型,即二次抛物线方程和正弦曲线方程,将滑移区和非滑移区的拼接轨迹参数化。采用MATLAB软件进行参数化仿真计算,分别以液膜承载力、摩擦因数、液膜刚度作为优化目标参数进行仿真求解,针对不同的工况需求得出所对应的滑移区和非滑移区的最优拼接方案,在现有的滑移/非滑移异质界面应用的基础上,通过合理的优化具有针对性的滑移区和非滑移区间的拼接方案能进一步改善液膜的润滑性能。提出一种非对称分布形式的滑移/非滑移异质界面在摩擦副表面上应用的方法。以该种形式分布的异质界面应用在滑动副表面上,能够使处于滑动副间的液膜产生动压的同时,并向摩擦副表面提供单方向的侧向牵引力。同时设计了一种参数化的滑移区和非滑移区的拼接轨迹的仿真模型,实现了多样本优化的方法,应用该方法可以设计出更加合理的滑移区和非滑移区的组合方案。定义了一种可用于表征液膜产生的整个切向力中侧向牵引力的占比的无量纲参数,并以计算区域的横纵比和描述滑移区和非滑移区的拼接轨迹的幂函数的指数为变量,对该无量纲参数进行优化,得出了使横向牵引力更加显著的异质界面组成方案。
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH133.3
【图文】：

图 1.1 氟塑轴承图 1.2 氟塑瓦技术的发展，机器转速不断提高，例如氟塑料等具有低型润滑剂已被广泛使用，如图 1.1、图 1.2 所示，使得相对滑移速度[38-43]，构成了界面滑移条件。这类具有低道减阻[44-48]、机械密封[49-50]、人工关节[51-52]等领域都获

2图 1.2 氟塑瓦技术的发展，机器转速不断提高，例如氟塑料等具有低型润滑剂已被广泛使用，如图 1.1、图 1.2 所示，使得相对滑移速度[38-43]，构成了界面滑移条件。这类具有低道减阻[44-48]、机械密封[49-50]、人工关节[51-52]等领域都获通常在苛刻的工况下长期运行，当摩擦副处于非常高的流体润滑状态时，液膜的阻力起到了很大的制约，并且做功基本上转化为流体的内能，导致整个系统的温度升理论能够在现有的基于楔形效应改善摩擦副润滑性能的润滑性能的进一步的优化。现有的基于楔形效应动压润

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本文编号：2718439