基于CFD的推力轴承表面微造型动压润滑性能研究

摘要

研究表明，表面微造型可以产生动压润滑效果，从而提高运动副的润滑性能，降低运动副表面的摩擦与摩损。在推力轴承瓦块上进行表面微造型的研究刚刚起步，许多问题还不明朗，所以有必要对推力轴承表面微造型产生的动压润滑性能进行系统研究，以便针对一定润滑条件，在推力轴承瓦块上设计出动压润滑效果最好的表面微造型。这一研究为推力轴承润滑方式提供了新的思路，对提高推力轴承润滑性能具有重要的理论研究价值与实际应用价值。 为克服雷诺方程研究表面微造型动压润滑性能问题的不足，本文采用基于N-S方程的CFD数值分析方法，研究推力轴承表面微造型动压润滑性能，并对表面微造型几何形状进行优化。本文首先对推力轴承润滑模型进行简化，建立适用于CFD分析的几何模型及流体力学基本控制方程，设定用于数值分析的表面微造型主要参数，并对它们进行无量纲化。设定表面微造型几何模型的边界条件，确定网格划分方案，用CFD商业化软件FLUENT对矩形、斜面台阶形、圆弧形、三角形、多圆弧形及正弦形表面微造型的动压润滑性能进行分析，并对这六种表面微造型进行几何形状优化。 通过研究发现：在推力轴承表面进行适当的表面微造型能够产生较好的动压润滑效果；随着特征雷诺数的增加，矩形、斜面台阶形、圆弧形、三角形、多圆弧形和正弦形表面微造型的动压润滑效果都呈上升趋势；在一定润滑条件下，特定微造型的几何参数变化对动压润滑产生较大的影响，但都能找到最大动压润滑效果的无量纲参数，正弦形表面微造型能够在参数较大变化范围内产生较好动压润滑效果，多圆弧形表面微造型比其它表面微造型的动压润滑效果更好；适当的组合表面微造型的动压润滑效果要好于单一表面微造型；论文还就温度变化对推力轴承表面微造型动压润滑性能的影响进行了研究，结果表明随着温度升高，推力轴承表面微造型动压润滑性能有所下降，因此应尽可能选用粘度受温度影响较小的润滑油，并控制推力轴承工作过程中的温度变化。 本文研究的成果对表面微造型在活塞环、机械密封等典型的动压润滑应用领域也同样适用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1 本课题的研究背景与意义

1.2 本课题来源

1.3 表面微造型改善润滑性能的研究现状

1.3.1 表面微造型改善润滑性能的国外研究现状

1.3.2 表面微造型改善润滑性能的国内研究现状

1.3.3 表面微造型在轴承中应用的研究现状

1.4 本课题研究的主要内容及论文结构安排

第二章 数学模型的建立

2.1 CFD方法求解表面微造型动压润滑性能的可行性分析

2.2 几何模型的建立

2.2.1 推力轴承润滑模型研究

2.2.2 推力轴承表面微造型几何模型的建立

2.3 基本控制方程

2.3.1 连续性方程

2.3.2 动量守恒方程和N—S方程

2.3.3 能量守恒方程

2.3.4 Stokes方程

2.3.5 雷诺方程

2.3.6 油膜厚度方程

2.4 无量纲化分析

2.4.1 数值模拟主要参数的设定及无量纲化

2.4.2 N—S方程的无量纲化

2.5 本章小结

第三章 推力轴承表面微造型动压润滑性能研究

3.1 CFD常用软件介绍

3.2 边界条件的设定

3.3 网格生成技术

3.3.1 网格的类型

3.3.2 自适应网格(Adaptive grid)

3.3.3 推力轴承表面微造型网格划分

3.4 控制方程的求解

3.4.1 控制方程的离散

3.4.2 离散初始条件和边界条件

3.4.3 确定求解器与计算模型

3.4.4 设置求解控制参数

3.4.5 求解离散方程与判断解的收敛性

3.5 计算结果分析

3.5.1 表面微造型动压润滑性能分析

3.5.2 特征雷诺数对流动的影响

3.5.3 三维表面微造型对计算结果的检验

3.6 对控制方程的进一步研究

3.6.1 对流惯性的影响

3.6.2 Stokes数学模型

3.7 本章小结

第四章 推力轴承表面微造型动压润滑性能优化

4.1 微造型几何尺寸优化

4.1.1 dp*对动压润滑的影响

4.1.2L*对动压润滑的影响

4.2 不同微造型对动压润滑的影响

4.3 组合表面微造型的动压润滑效果

4.4 温度变化对推力轴承表面微造型动压润滑的影响

4.4.1 流体的粘性

4.4.2 流体的粘—温关系

4.4.3 计算结果分析

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 研究结果总结

5.2 研究展望

参考文献

致 谢

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