表面微织构对滑动轴承润滑特性影响的理论分析及实验研究

摘要

随着机械设备越来越趋于超高速、大功率、重载荷的方向发展，机械系统中摩擦副的摩擦学性能的提高显得尤为重要。随着机械加工技术的不断发展，起源于生物仿生学的表面微织构加工技术逐渐成为改善摩擦副工作性能的重要优化方式。摩擦副表面微织构对于摩擦副摩擦性能提高的主要作用机理表现为：流体润滑条件下，能有效产生流体动压润滑效应；混合摩擦条件下能作为储油槽，使润滑更加充分有效；在边界润滑和干摩擦条件下能有效储存磨损磨粒，减少二次磨损的产生。本文主要以滑动轴承为研究对象，通过微织构滑动轴承流体方程的建立分析微织构的动压效应，建立三维滑动轴承油膜的有限元模型分析不同工况参数和微织构几何参数的不同作用效果，并通过摩擦磨损实验分析了微织构在实际工况中对摩擦副表面的减磨作用规律。具有研究内容如下：
　　首先，建立微织构无限宽滑动轴承的流体润滑方程，通过油膜压力以及承载力分布方程等分析研究了微织构深度、覆盖率等参数对轴承润滑特性的影响规律，从流体润滑理论方面说明了微织构的动压效应能有效提升轴承油膜润滑性能。
　　其次，通过不同形状二维微织构有限元模型的建立分析研究了不同形状微织构的动压效果，结果显示微织构能有效提升油膜的承载性能，矩形和三角形微织构的作用效果最为明显有效。
　　再次，通过Gambit建立三维微织构滑动轴承有限元模型，分析了不同工况参数和不同微织构分布参数下的滑动轴承润滑特性，并对比分析了计入空化效应时滑动轴承的油膜空化区域特征，结果表明位于油膜收敛间隙出口位置的微织构作用效果最为明显。
　　最后，利用万能摩擦磨损试验机进行摩擦实验，研究不同布置形式微织构在不同工况参数下的减磨作用效果。实验结果显示径向沟槽微织构和凹坑状微织构能起到明显的减磨效果；微织构的存在能存储润滑介质和磨损磨粒，减少摩擦副二次磨损的产生，明显提高摩擦副的摩擦性能。

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ABSTRACT

Contents

1 绪论

1.1课题研究背景及意义

1.2滑动轴承性能优化方式研究现状

1.3表面微织构研究现状

1.3.1表面微织构加工方法及应用

1.3.2表面微织构理论及实验研究现状

1.4表面微织构轴承研究现状

1.4.1表面微织构轴承数值计算研究现状

1.4.2表面微织构轴承有限元仿真计算研究现状

1.5本课题的主要研究内容

2 微织构滑动轴承油膜特性计算模型

2.1滑动轴承流体润滑模型建立

2.1.1流体动压润滑效应的原理

2.1.2无限宽滑动轴承几何模型建立

2.2无限宽滑动轴承压力分布方程

2.2.1滑动轴承Reynolds方程的建立和无量纲化

2.2.2 Sommerfeld边界条件下的压力分布方程

2.2.3雷诺边界条件下的压力分布方程

2.3微织构轴承特性方程

2.4计算结果分析

2.4.1光滑滑动轴承计算结果

2.4.2微织构滑动轴承计算结果

2.5 本章小结

3 微织构动压效应分析及最优位置研究

3.1微织构滑动轴承计算流体动力学理论基础

3.1.1流体动力学控制方程及方程离散方法

3.1.2微织构滑动轴承模型假设条件及流体状态判断

3.2表面微织构滑动轴承的油膜空化效应

3.3 微织构轴承模型的FLUENT求解算法及流程

3.3.1模型求解算法

3.3.2模型计算流程

3.4微织构模型的建立及边界条件设置

3.4.1单个微织构模型建立及边界条件设置

3.4.2微织构滑动轴承模型网格划分及边界条件设置

3.5仿真结果分析

3.5.1模型求解算法验证

3.5.2 不同形状的单个微织构动压效应研究

3.5.3计入空化效应的滑动轴承油膜特性分析

3.5.4微织构不同布置位置对滑动轴承油膜特性的影响

3.6本章小结

4微织构滑动轴承润滑性能研究

4.1不同工况参数下微织构滑动轴承润滑性能分析

4.1.1转速对微织构轴承性能的影响

4.1.2 润滑油粘度对微织构轴承性能的影响

4.1.3非凝结气体（NCG）含量对微织构轴承性能的影响

4.2微织构几何参数对滑动轴承润滑性能影响

4.2.1微织构几何参数的影响

4.2.2沟槽微织构截面形状的影响

4.2.3凹坑微织构形状的影响

4.3 本章小结

5微织构对滑动轴承摩擦副润滑性能影响的实验研究

5.1微织构摩擦副摩擦磨损实验设计

5.1.1实验摩擦副选取及表面微织构设计

5.1.2主要实验设备

5.1.3微织构摩擦副摩擦磨损实验方案

5.2表面微织构几何参数对摩擦副摩擦性能影响

5.2.1表面微织构分布形状对摩擦性能的影响

5.2.2不同微织构试件表面磨损情况分析

5.2.3表面微织构不同覆盖密度的影响

5.3润滑介质对表面微织构的减磨作用效果影响

5.4不同工况参数下表面微织构对摩擦副润滑性能的影响

5.4.1转速对微织构摩擦副性能的影响

5.4.2载荷对微织构摩擦副性能的影响

5.5表面微织构分布位置对摩擦副润滑性能的影响

5.6本章小结

6 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间的科研成果