高速极重载热弹性流体动力润滑分析

摘要

针对日本佐贺大学马渡俊文、中岛晃等进行的高速极重载轴承钢的表面疲劳试验,基于Newton模型和Eyring模型,使用多重网格技术,得到了高速极重载下点、线接触热弹流润滑问题的完全数值解,揭示了这种工况的热弹流润滑特性,并对线接触工况材料的表层应力场进行了分析,合理解释了相关试验结果,为正确研制和选用新型润滑剂指出了可能的方向.按照已有的弹流润滑理论,高粘度和大粘压系数的润滑油可以增大油膜厚度从而使润滑状况偏于安全.试验结果却表明:在高速极重载工况下,高粘度和大粘压系数的润滑油很快就导致了材料的表面疲劳,而使用低粘度和小粘压系数润滑油,材料的接触疲劳寿命则长得多.该文的研究指出:高粘度和大粘压系数的润滑油虽能在一定程度上增加膜厚,但会增大表面摩擦力,并由于热效应而导致较高较宽的第二压力峰,从而增加材料在工作中的应力循环次数,恶化其表层的应力状态,同时油膜温度很高,会对材料产生难以预计的不良影响.研究指出:在高速极重载工况下提高材料接触疲劳寿命的主要措施是降低表面不平度而不是使用粘度高和粘压系数大的润滑油.通过在速度主矢量方向使用Eyring模型得到了点接触Eyring流体的完全数值解.点、线接触数值解与试验结果的比较均说明:对于高粘度和大粘压系数的润滑油,Newton模型会在一定程度上夸大热效应而Eyring模型则更为合理,并发现了一定工况下摩擦系数随环境粘度的上升而下降的现象.研究中还讨论了润滑入口区的温升现象,指出极高速和小滑滚比条件下,压缩功是产生入口区高温的主要因素.此外,构造了适用于线接触热弹流润滑问题的不等距多重网格技术.研究表明:虽然不等距多重网格算法没能提高多重网格技术的数值稳定性,但在不增加节点总数的情况下,通过局部加密网格的方法,可以得到较等距多重网格解法更为精确的弹流物理量分布,包括光滑的第二压力峰.

目录

文摘

英文文摘

主要符号表

第1章绪论

1.1引言

1.2弹流理论的发展回顾

1.2.1理论分析的发展

1.2.1试验技术的进步

1.3弹流润滑问题的计算方法概述

1.3.1等温弹流问题的计算方法

1.3.2热弹流问题的求解技术

1.4对疲劳现象的认识历史

1.5研究背景、主要研究内容及意义

1.5.1研究背景

1.5.2主要研究内容

1.5.3本文研究工作的意义

第2章由滚动疲劳试验引出的问题

2.1试验用油的物性参数

2.2摩擦副的组成及工况

2.3试验结果及讨论

2.4试验结论与已有理论的矛盾

第3章不等距多重网格算法研究

3.1线接触热弹流问题的数学模型

3.2数学模型的无量纲化

3.3不等距网格结构

3.3.1 X方向的网格结构

3.3.2 Z方向的网格结构

3.4数学模型的离散

3.4.1差分格式

3.4.2离散形式的数学模型

3.5不等距网格的层间转移算子

3.6结果和讨论

3.6.1不等距多重网格算法与等距多重网格算法的比较

3.6.2加密倍数J的影响

3.7本章结论

第4章线接触高速极重载热弹流润滑分析

4.1 工况参数

4.2数学模型

4.2.1 Newton流体的等效粘度

4.2.2 Eyring流体的等效粘度

4.3数值方法

4.4 Newton流体的结果分析

4.4.1高粘度油(ST 100)的计算结果

4.4.2粘压系数对润滑性能的影响

4.4.3低粘度油(VG 10)的计算结果

4.4.4滚子的最大剪应力分析

4.4.5计算结果与试验结果的比较

4.5 Eyring流体的结果分析

4.5.1高粘度油(ST 100)的计算结果

4.5.2粘压系数对润滑性能的影响

4.5.3低粘度油(VG 10)的计算结果

4.5.4滚子的最大剪应力分析

4.6本章结论

第5章点接触高速极重载热弹流润滑分析

5.1工况分析

5.1.1椭圆Hertz接触的几何参数

5.1.2工况参数

5.2点接触热弹流润滑的数学模型

5.2.1等效粘度的计算

5.2.2控制方程

5.3数学模型的无量纲化

5.3.1 Eyring流体等效粘度的无量纲化

5.3.2控制方程的无量纲化

5.3.3计算域的确定及网格的划分

5.3.4差分格式

5.4数值方法

5.5 Newton流体的结果分析

5.5.1高粘度油(ST 100)的计算结果

5.5.2粘压系数的影响

5.5.3环境粘度的影响

5.5.4低粘度油(VG 10)的计算结果

5.5.5关于入口区温升现象的讨论

5.5.6计算结果与试验结果的比较及分析

5.6 Eyring流体与Newton流体的结果比较

5.7对滚动疲劳寿命的定性分析

5.8本章结论

第6章结论与展望

附录杨沛然导出的新粘-压-温关系式

参考文献

攻读硕士学位期间发表和完成的学术论文

致谢