径向滑动轴承层流与湍流润滑特性研究

摘要

随着经济的发展与科技的进步，我国对电力的需求也越来越大。现今国内电力的主要来源是火力发电和水力发电，由于火力发电不符合国家可持续发展战略，水利发电得到了国家的大力支持。水轮机是水利发电的核心部件，水轮机的滑动轴承润滑特性是众多学者一直研究课题。对于水轮机轴承，水的侵入是不可避免的，因此研究油水混合润滑具有重要的工程意义;同时通过主动设计表面织构提高滑动轴承承载能力和稳定性，对提高水轮机轴承性能也具有重要的意义。
　　论文第一部分绪论介绍了水轮机轴承研发设计的工程背景，以及研究油水混合润滑和表面织构对径向滑动轴承润滑性能影响的工程意义。总结了主要的混合液粘度模型的发展历程，对国内外关于表面织构在润滑上的影响研究进行了综述，归纳了至今主要的湍流润滑模型，并比较了它们的优缺点。最后简述了本文的主要研究内容。
　　第二部分实验研究了油水混合液的粘度特性，测试不同含水量油水混合液在不同温度下的粘度值，拟合得到水含量、温度和混合物粘度三者间的关系函数。建立了五瓦可倾瓦径向滑动轴承瞬态热弹流润滑的数学模型，用Fortran软件编程计算了在油水混合液润滑下滑动轴承润滑性能，研究了在不同水含量下，轴承轴心轨迹变化情况，以及轴承达到平衡位置时轴承的液膜厚度、液膜压力、瓦面温度等特性。
　　第三部分研究了初始条件（初始载荷、初始转速和初始温度）对启动阶段和稳定阶段轴承润滑性能影响，以及突变载荷对液膜压力、温度和厚度的影响，总结其变化规律，分析轴承启动阶段发生故障的原因。
　　第四部分主动设计表面织构以提高径向滑动轴承承载性能。基于RNG k-ε湍流理论，用Fluent软件模拟计算了在水润滑下轴瓦表面加工不同形状表面织构对轴承承载能力和湍流特性的影响。研究了织构的尺寸、分布位置以及边尺寸等特性对轴承湍流特性的影响。
　　第五部分利用Fluent软件中的UDF编译器定了一种新的油水混合液流体介质，这种新介质的物理特性参照之前研究的油水混合液进行设置，并将其代入到第四部分的轴承模型中进行润滑特性分析，研究了在油水混合液润滑下，表面织构形状、轴承转速和水含量对轴承承载能力和湍流特性的影响。
　　第六部分是总结与展望，首先是介绍了本文的主要研究工作和结论，然后是提出了今后需要进一步研究的内容和方向。

目录

声明

致谢

摘要

图目录

表目录

符号表

1 绪论

1．1 工程意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 混合液润滑的研究进展

1．2．2 表面织构研究进展

1．2．3 湍流润滑研究进展

1．3 本文主要研究内容

1．4 本章小结

2 水的加入对径向滑动轴承润滑特性的影响

2．1 前言

2．2 油水混合物的粘度特性

2．2．1 主要试验仪器

2．2．2 试验结果与分析

2．3 轴承的数学模型

2．3．1 假设条件

2．3．2 瞬态雷诺方程

2．3．3 瞬态能量方程

2．3．4 瞬态热传导方程

2．3．5 膜厚方程

2．3．6 力及力矩方程

2．3．7 混合液物理特性方程

2．4 方程处理和程序设计

2．4．1 方程无量纲处理

2．4．2 方程离散化处理

2．4．3 超松弛迭代求解

2．4．4 程序计算流程

2．5 混合液润滑特性研究

2．5．1 轴心轨迹

2．5．2 液膜厚度

2．5．3 液膜压力

2．5．4 液膜温度

2．5．5 分析总结

2．6 本章小结

3 初始条件与突变载荷的影响

3．1 前言

3．2 数学模型

3．3 案例分析

3．3．1 启动阶段轴承瞬态特性

3．3．2 初始条件对轴承润滑的影响

3．3．3 突变载荷对轴承润滑特性的影响

3．3．4 分析总结

3．4 本章小结

4 表面织构对轴承湍流润滑性能的影响

4．1 前言

4．2 表面织构设计

4．2．1 物理模型

4．2．2 织构参数

4．3 基于Gambit软件的网格划分

4．3．1 网格划分

4．3．2 定义边界条件

4．4 基于Fluent软件的湍流模型建立

4．4．1 模型计算条件

4．4．2 基于Fluent软件的模型设置

4．5 计算结果与分析

4．5．1 织构形状影响

4．5．2 分布位置影响

4．5．3 变尺寸织构影响

4．5．4 织构尺寸影响

4．5．5 分析总结

4．6 本章小结

5 油水混合液对织构轴承润滑性能的影响

5．1 前言

5．2 模型建立

5．2．1 物理模型

5．2．2 数学模型

5．3 基于Fluent软件建立油水混合润滑模型

5．3．1 UDF使用简介

5．3．2 用UFD编译模型函数

5．4 计算案例与分析

5．4．1 织构形状影响

5．4．2 轴承转速影响

5．4．3 水含量影响

5．4．4 分析总结

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位论文期间所取得的科研成果