板条式水润滑橡胶合金轴承润滑特性及热结构耦合分析

论文摘要

以水为润滑介质的板条式水润滑橡胶合金轴承,与传统以油为润滑介质的金属轴承的润滑机理有所不同。水的黏度只有油1/100,当供水压力高,轴颈转速高时,容易产生紊流,因此在对润滑模型进行有限元分析时,不能将水膜假设为层流模型。橡胶为低弹性模量材料,在流体动压润滑时,橡胶变形量大,不能像金属轴承那样忽略不计。橡胶弹性变形的退让使得轴的偏心率可以大于1。板条式水润滑橡胶合金轴承沟槽的存在,使得水膜压力较油润滑低,一方面由于温度对橡胶材料的力学特性影响较大,需要沟槽中的冷却水将产生的热量带走;另一方面沟槽为橡胶变形提供空间,改善橡胶与铜粘接面的受力。论文针对板条式水润滑橡胶合金轴承特殊的润滑机理,利用Workbench CFX有限元软件对轴承润滑模型进行3D数值仿真分析。论文从转速、偏心率、橡胶材料、板条结构等角度对水膜压力分布、水膜流场分布、水膜厚度等方面深入研究了板条式水润滑轴承的流体动压润滑性能。由于橡胶轴承动压润滑过程是一个双向的流固耦合,因此橡胶的弹性变形,应力分布等也是论文研究的重点。随后通过实验研究了温度对橡胶材料性能的影响,因为当轴承系统供水系统出现故障或是轴承系统出现过载时,轴与轴承之间处于干摩擦状态。当轴承系统处于干摩擦状态时不仅摩擦系数会增大而加速轴与轴承的磨损,还会使轴承温度升高,改变橡胶的力学性能,加速橡胶老化,甚至出现烧焦现象。根据实验得到的数据,论文进一步利用ABAQUS有限元软件对板条式水润滑橡胶合金轴承,在干摩擦状态下的热结构耦合模型进行了分析。通过分析论文研究了板条式水润滑橡胶合金轴承在干摩擦工况时轴承系统接触面的温度分布、接触应力分布以及能量随时间的变化。论文内容得到国家自然科学基金面上项目“大尺寸高比压水润滑轴承的创新设计理论与方法”(项目编号:50775230)的支持,拟通过上述研究对板条式水润滑橡胶合金轴承的润滑机理和干摩擦热结构耦合的相关研究方法提供新的借鉴。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 课题来源及研究意义
• 1.2 板条式水润滑轴承概述
• 1.3 国内外板条式水润滑橡胶合金轴承的发展和研究现状
• 1.3.1 国内外板条式水润滑橡胶合金轴承的发展
• 1.3.2 国内外板条式水润滑橡胶合金轴承的研究现状
• 1.4 本文研究的目的和研究的主要内容
• 2 板条式水润滑橡胶合金轴承的流体动力润滑求解模型
• 2.1 板条式水润滑橡胶合金轴承流体动力润滑理论及水膜形成原理
• 2.1.1 板条式水润滑橡胶合金轴承流体动力润滑理论
• 2.1.2 水膜形成原理
• 2.2 橡胶轴承流体动压润滑的数学模型
• 2.2.1 计算模型的基本流体动力学方程
• 2.2.2 流固耦合基本理论
• 2.2.3 计算模型的假设及边界条件
• 2.2.4 计算模型基本参数方程的建立
• 2.3 本章小结
• 3 板条式水润滑橡胶合金轴承润滑性能分析
• 3.1 ANSYS CFX 软件介绍
• 3.1.1 ANSYS CFX 流固耦合求解原理
• 3.1.2 ANSYS CFX 流固耦合求解流程
• 3.2 轴承几何结构及材料参数
• 3.3 有限元模型的建立
• 3.3.1 几何建模及网格划分
• 3.3.2 边界条件设定
• 3.4 3D 模型仿真结果及分析
• 3.4.1 水膜压力分布
• 3.4.2 水膜流速分布
• 3.4.3 板条橡胶衬层变形分布
• 3.4.4 水膜厚度分布
• 3.4.5 轴承等效应力及弹性应变强度分布
• 3.4.6 承载能力及摩擦系数
• 3.5 本章小结
• 4 橡胶硬度和板条橡胶衬层截面形状对轴承性能的影响
• 4.1 橡胶硬度对轴承润滑性能的影响
• 4.1.1 橡胶硬度对水膜压力的影响
• 4.1.2 橡胶硬度对橡胶变形的影响
• 4.1.3 橡胶硬度对水膜厚度的影响
• 4.1.4 橡胶硬度对承载能力及摩擦系数的影响
• 4.1.5 橡胶硬度对米塞斯等效应力分布的影响
• 4.2 板条形状对轴承润滑性能的影响
• 4.2.1 板条形状对水膜压力的影响
• 4.2.2 板条形状对承载能力及摩擦系数的影响
• 4.2.3 板条形状对板条橡胶衬层变形的影响
• 4.2.4 板条形状对米塞斯等效应力分布的影响
• 4.3 本章小结
• 5 板条橡胶衬层材料力学性能参数实验研究
• 5.1 实验方案的确定
• 5.1.1 实验方法
• 5.1.2 实验仪器及实验橡胶样条
• 5.1.3 实验步骤
• 5.1.4 实验结果
• 5.2 试验结果处理
• 5.3 本章小结
• 6 板条式水润滑橡胶合金轴承热结构耦合分析
• 6.1 摩擦热计算的基本理论
• 6.1.1 滑动接触的理想模型
• 6.1.2 变形接触状态下的摩擦热
• 6.2 有限元模型的建立
• 6.2.1 ABAQUS 软件介绍
• 6.2.2 几何建模及网格划分
• 6.2.3 边界条件设定
• 6.3 模型仿真结果及分析
• 6.3.1 接触面压力分布
• 6.3.2 接触面温度分布
• 6.3.3 米塞斯等效应力分布
• 6.3.4 动态接触过程能量的变化
• 6.4 本章小结
• 7 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 A 作者在攻读学位期间发表的论文目录