（机械制造及其自动化专业论文）基于cfd的推力轴承表面微造型动压润滑性能研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 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 基于卅s 方程的c f d 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c f d 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c f d 商业化 软件f l u e n t 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 江苏大学硕士学位论文 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。 关键词：表面微造型，推力轴承，c f d ，动压润滑，雷诺方程，n - s 方程， 组合表面微造型，粘一温关系 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i tc a l lb es e e nf r o mr e s e a r c h ，s u r f a c et e x t u r eh a sh y d r o d y n a m i ce f f e c t s ， t h u si m p r o v et h el u b r i c a t i o np e r f o r m a n c eo fk i n e m a t i cp a i r ，a n dr e d u c et h e f r i c t i o na n dw e a r t h er e s e a r c ho ns u r f a c et e x t u r eo ft h r u s tb e a r i n gi s p r e l i m i n a r y ，a n dm a n yq u e s t i o n sa r et m d e a r s oi ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c h t h eh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o np e r f o r m a n c eo fs u r f a c et e x t u r e dt h r u s tb e a r i n g ， a n dd e s i g nt h es u r f a c et e x t u r eo nt h r u s tb e a r i n gf o rt h eb e s th y d r o d y n a m i c l u b r i c a t i o np e r f o r m a n c e t h i sr e s e a r c hp r o v i d e san e wm e t h o df o rt h r u s t b e a r i n gl u b r i c a t i o n ，a n dh a si m p o r t a n tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u ef o r i m p r o v i n g t h r u s tb e a r i n gl u b r i c a t i o np e r f o r m a n c e i no r d e rt oo v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so fr e y n o l d s e q u a t i o n f o r r e s e a r c h i n gt h r u s tb e a r i n g l u b r i c a t i o np e r f o r m a n c e ，n u m e r i c a l a n a l y s i s m e t h o db a s e do nn se q u a t i o ni su s e di nt h i sp a p e r t h eh y d r o d y n a m i c l u b r i c a t i o np e r f o r m a n c eo fs u r f a c et e x t u r e dt h r u s tb e a r i n gi sr e s e a r c h e dw i t h c f dm e t h o d ，a n dt h eg e o m e t r i cs h a p eo fs u r f a c et e x t u r ei so p t i m i z e d i nt h i s p a p e r ，t h el u b r i c a t i o nm o d e lo ft h r u s tb e a r i n gi ss i m p l i f i e df i r s t l y ，a n dt h e g e o m e t r ym o d e la n dg o v e r n i n ge q u a t i o n sa d a p tt oc f da n a l y s i sa r eb u i l t ， t h e nt h em a i np a r a m e t e r so fs u r f a c et e x t u r ea r es e t ，a n dt h e ya r ea l lc h a n g e d i n t od i m e n s i o n l e s sf o r m t h eb o u n d a r yc o n d i t i o no fg e o m e t r ym o d e li ss e t ， a n dt h em e s hg e n e r a t i o ns c h e m ei sc o n f i r m e d ，t h eh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n p e r f o r m a n c eo fr e c t a n g l e ，i n c l i n e dp l a n e ，c i r c u l a r a r c ，t r i a n g l e ，m u l t i a r ca n d s i n es u r f a c et e x t u r ei sa n a l y z e dw i t hc o m m e r c i a ls o f t w a r ef l u e n t ，a n dt h i s s i xs u r f a c et e x t u r e sa r eo p t i m i z e d s u m m a r yf r o mt h er e s e a r c h ：a p p r o p r i a t es u r f a c et e x t u r ec a l lb r i n gg o o d h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o np e r f o r m a n c e ；w i t ht h ei n c r e a s eo fr e 木，t h e h y d r o d y n a m i c l u b r i c a t m n p e r f o r m a n c e o f r e c t a n g l e ， i n c l i n e d p l a n e ， c i r c u l a r a r c ，t r i a n g l e ，m u l t i a r ca n ds i n es u r f a c et e x t u r ea l lt r e n d st oi n c r e a s e ； u n d e rp a r t i c u l a rl u b r i c a t i o nc o n d i t i o n s ，t h e c h a n g eo fs u r f a c et e x t u r e g e o m e t r ys h a p es i g n i f i c a n t l y e f f e c t s t h e h y d r o d y n a m i e l u b r i c a t i o n 江苏大学硕士学位论文 p e r f o r m a n c e ，b u t t h e r ei st h ed i m e n s i o n l e s s p a r a m e t e r f o rt h eb e s t p e r f o r m a n c e ， s i n u s o i d a ls u r f a c et e x t u r ec a l l b r i n gg o o dh y d r o d y n a m i c l u b r i c a t i o np e r f o r m a n c ei nab i gr a n g e ，m u l t i a r cs u r f a c et e x t u r ec a nb r i n g b e r e r h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o np e r f o r m a n c et h a no t h e r s ；t h eh y d r o d y n a m i c l u b r i c a t i o np e r f o r m a n c eo fa p p r o p r i a t ec o m b i n a t i o n a ls u r f a c et e x t u r ei sb e t t e r t h a ns i n g l es u r f a c et e x t u r e ；t e m p e r a t u r ec h a n g ee f f e c t sh y d r o d y n a m i c l u b r i c a t i o np e r f o r m a n c e ，s ot h el u b eo i lw h o s ev i s c o s i t ye f f e c t e db yt h e t e m p e r a t u r es l i g h t l ys h o u l db ec h o s e n ，a n dt h ec h a n g eo ft e m p e r a t u r ei n t h r u s tb e a r i n gw o r k i n g p r o c e s ss h o u l d b ec o n t r o l l e d t h er e s u l to ft h i sp a p e ri sa l s os u i t a b l ef o rp i s t o nr i n g s ，m e c h a n i c a ls e a l s ， a n da n yo t h e rt y p i c a la p p l i c a t i o nf i e l d so fs u r f a c et e x t u r eh y d r o d y n a m i c l u b r i c a r l o n k e y w o r d s ：s u r f a c et e x t u r e ，t h r u s tb e a r i n g ，c f d ，h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n , r e y n o l d se q u a t i o n ，n - se q u a t i o n ，c o m b i n a t i o n a l s u r f a c e t e x t u r e ，v i s c o s i t y t e m p e r a t u r er e l a t i o n s h i p 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 习辉 一 j 日期：办夕年肜月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名： 冲少刖妒日 刁野 指导教师签名：乞宵 汹年； 艮| 憾 ， 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景与意义 润滑是降低摩擦力的最主要方法，而在摩擦副之间进行表面微造型以改善润滑性 能是一种新兴方法。表面微造型能够减少接触表面的摩擦系数，并能够提高运动副 的承载能力。另外微观造型还能作为储油孔，为边界润滑提供润滑或为刚启动的摩 擦表面提供润滑油。早在2 0 世纪中叶，s a l a m a 等人3 、h a m i l t o n 等人乜1 先后对表面 微造型技术进行了研究。在随后的5 0 多年时间里，许多学者都对这方面做了大量的 理论和实验研究。近阶段的研究主要将表面微造型技术应用于机械密封钉儿阳、活 塞环眈嘲嘲以及滑动轴承n 邮1 m 幻中以改善润滑性能。 推力轴承工作时主要承受轴向力作用，推力轴承能否建立动压润滑，对轴承的承 载能力、机械效率、轴承使用寿命等具有重要影响。为了提高推力轴承的承载能力， 应使轴承表面尽可能多地构成收敛楔形。对非平行的推力轴承来说，轴承本身具有 收敛的楔形间隙，具备形成动压润滑的结构条件。而对平行推力轴承来说，轴承两 滑动表面相互平行，轴承本身没有收敛问隙，不具备形成动压润滑的结构条件。平 行推力轴承结构简单，加工制造相对容易，在许多场合都有所运用。这种轴承靠摩 擦热引起润滑油密度变化，从而使油膜产生一定压力以承受载荷，但这种方式产生 的压力有限，故平行推力轴承承受载荷的能力较低。为改善平行推力轴承的承载能 力，在平行推力轴承瓦面上开有径向油沟，以改善其润滑状况。另外适当的表面微 造型能够改善润滑性能已经成为共识，目前已有将表面微造型应用在摩擦副中，从 而改善摩擦副的润滑性能的应用，国外开始有学者尝试运用表面微造型来改善平行 推力轴承的承载能力。 与国外相比较，我国在表面微造型改善润滑性能方面的研究起步较晚，将表面微 造型应用到平行推力轴承中的研究还尚未见报道。本文采用c f d 方法对推力轴承表 面微造型动压润滑性能进行研究，分析表面微造型产生的动压润滑效果，并根据计 算结果对表面微造型进行优化。通过对本课题的研究，可以提高平行推力轴承的承 载能力，将这种结构简单、容易制造的轴承应用于更多场合。本课题的研究，有助 于推力轴承表面微造型润滑理论的完善，有助于推动推力轴承表面微造型技术的发 江苏大学硕士学位论文 展，有助于提高推力轴承的润滑性能，提高推力轴承的可靠性，对降低材料消耗、 提高机器使用寿命具有一定意义。 1 2 本课题来源 本课题来源于国家自然科学基金项目5 0 4 7 5 1 2 2 ：规则微观几何形貌表面的设 计与制造机理研究；江苏省高校自然科学研究计划重点项同0 3 k i a 4 6 0 0 2 0 ：基 丁摩擦学理论的激光表面微观造型改性机理研究。 1 3 表面微造型改善润滑性能的研究现状 131 表面微造型改善润滑性能的国外研究现状 ( 1 ) 实验研究以及基丁雷诺方程与n - s 方程的研究现状 在运动副表面进行微观造型，以改善表面润滑性能的研究始于2 0 世纪中叶，最 早由s a l a m a 等人“3 和h a m i l t o n 等人“开始研究。s a l a m a 等人的研究发现，在运动副 表面上进行表面微造型对运动副的润滑性能有很大的影响，由于表面微造型的存 在，能够在相对滑动的平行表面上形成支撑载荷的流体压力，改善了运动副表面的 润滑性能。h a m i l t o n 等人研究了在平行旋转轴密封中，表面不规则造型对密封性能 的影响，提出在相对滑动的条件下机械密封环内能够形成液体润滑的理论。如图 1 1 所示为一种激光表面微造型形貌分布特征“”。 凹1 - 1 激光表面微造型形貌分布特，祉 以上两位学者的研究证明了表面微造型是能够改善润滑性能的，这为研究表面微 造型动压润滑性能开了先河，对研究表面微造型改善润滑性能具有重要意义。然而， s a l a r n a 和h a m i l t o n 等人的研究尚处在初始阶段，他们仅仅是用实验的方法证明了表 面微造型能够改善润滑性能咀及机械密封性能，对产生这种现象的具体原尉没有进 行深入研究。2 0 世纪6 0 年代，人们逐渐认识到表面微造型改善润柑性能的原岗这 江苏大学硕士学位论文 主要是由于流体在表面微造型的影响下，能够在运动副表面上产生支撑载荷，形成 动压润滑，从而改善润滑性能。1 9 6 8 年，a n n o n 4 1 在实验和理论计算结果的基础上， 提出了表面微造型的润滑理论，指出在表面微造型区域内的压强分布有别于其它区 域的压强分布，并认为表面微造型区域产生的压强分布能够有效支撑外载荷。a n n o 通过研究认为表面微造型润滑理论有别于经典润滑理论。经典润滑理论认为在相互 平行的表面和牛顿流体条件下，不能形成流体动压润滑，而表面微造型能够使流体 在相互平行的表面上产生动压润滑。 自英国科学家雷诺于1 8 8 6 年推导出雷诺方程，一百多年来，流体力学润滑围绕 雷诺方程取得了长足的发展。直到今天，雷诺方程仍然是流体润滑理论的研究基础， 并且在大多数情况下使用雷诺方程可以得到相当高的精度。如e t s i o n 等人在1 9 9 9 年 用数值分析和实验两种方法研究了激光表面微造型机械密封的性能n 酗，e t s i o n 等人 采用稳态雷诺方程和雷诺边界条件建立理论模型，通过有限差分法将润滑问题线性 化，并且求解代数方程组。他们的研究证明，实验的结果与数值分析的结果能够较 好的吻合。 然而随着研究的深入，人们发现雷诺方程并不是适用于所有问题。因为雷诺方程 在推导过程中做了许多假设，而这些假设在一定条件下可能并不成立，例如在油膜 润滑中，由于雷诺数较小而允许忽略惯性项。只要油膜的厚度与其它相关尺寸相比 是足够小的，这种假设就是可行的。但是如果表面存在微造型，这种微造型改变了 油膜的厚度，从而改变了油膜厚度与其它相关尺寸的比值。在这种情况下忽略惯性 项的假设可能是不成立的，雷诺方程也将变得不再适用了。 实际上从2 0 世纪8 0 年代开始，就有许多学者意识到雷诺方程求解表面微造型动 压润滑性能问题的局限性，转而开始使用n - s 方程和连续性方程来研究轴承润滑问题， 起初的研究集中在惯性项对滑动轴承表面微造型性能的影响，研究证明惯性项对表面 微造型动压润滑研究具有特别重要的意义n 叭忉n 刚。随后一些学者n 钔嘲使用卜s 方程来 解决两平行平面间的流动问题，即一个平面光滑，另一平面具有表面微坑。研究发现， 除了一些局部气穴现象以外，完全油膜润滑下表面微造型产生举升力的效应主要是由 于对流惯性( c o n v e c t i v ei n e r t i a ) 。因此，一般情况下雷诺方程并不适用这类问题，因为 对流惯性项已经从n - s 方程的转化中省略掉了。这也再次证明了对流惯性的重要性， 以及雷诺方程并不适用于表面微造型动压润滑问题的研究。2 0 0 3 年，m i h a ia r e , h i r 等 3 江苏大学硕士学位论文 人研究了两平行平面间不可压层流剪应力驱动流动模型的问题硷，其中一个平面具有 宏观粗糙度，另一个平面有水平方向的速度。研究显示，随着雷诺数的增大，对流惯 性将占据主要地位，而r e y n o l d s 方程省略了惯性项，从而将不再适用于表面微造型润 滑问题。而s t o k e s 方程只适用于非常慢速的运动情况，对应的雷诺数也非常小，一般 r e 1 ，r e 1 则可以忽略惯性力，因此微分方程可以线性化，且保留了数量级及适 应完整边界条件的可能。表面微造型流体膜润滑的雷诺数的数量级一般都很大，这与 s t o k e s 模型存在显著差异。a l e xd ek r a k e r 乜2 3 等人在采用多尺度方法对表面微造型效应 进行研究时得出了相似的结论。a l e xd ek r a k e r 考查油膜厚度变化对两种计算方法结果 产生的影响，当油膜厚度l l o 与微造型深度d p 的比值从0 0 1 变化到1 0 时，对雷诺方程 求得的压力值与n s 方程求得的压力值进行分析，当油膜厚度与最大微坑深度相当或 大于最大微坑深度，两种方式求得的压力值有巨大的不同，这主要是由于对流惯性的 原因。当油膜厚度比最大微坑深度小时，对流惯性的作用是微不足道的，并且可以使 用雷诺方程。f e l d m a n 凹1 等人对此也持有相同的观点。 ( 2 ) 表面微造型改善润滑性能的c m 研究现状 以往关于表面微造型的研究大多建立在实验的基础上，但实验研究耗资昂贵、实 验条件也会受到许多客观条件限制，并不能完全模拟真实环境，特别对表面微造型 动压润滑问题的研究更是如此，因此许多学者开始采用数值分析的办法来研究表面 微造型对润滑性能的影响。 近年来，随着电子计算机技术的发展，以及雷诺方程在求解表面微造型动压润滑 性能问题上的局限性得到足够认识，采用基于n - s 方程的c f d 方法求解表面微造型 改善润滑性能的问题越来越成为人们的研究热点。pypc h e n 等人将r e = l 和 r e = 1 0 0 0 时的雷诺方程求得的结果与c f d 方法求得的结果进行比较汹3 ，结果表明在 r e 较小时，c f d 方法求得的结果和雷诺方程的结果基本上是重合的，而当r c 增大 时二者的压力分布和最高承载压力出现了偏差。出现偏差的主要原因是由于雷诺方 程忽略了惯性项，由此可见，用基于n s 方程的c f d 方法求解表面微造型动压润滑 性能更为可靠。随后就有学者用c f d 方法证实表面微造型能够产生动压润滑效应， 如2 0 0 3 年，f r e d r i ks a h l i n 采用了c f d 方法研究了表面微造型动压润滑问题，研究 结果表明适当的表面微造型能够产生动压润滑性能口朝。2 0 0 5 年，f r e d r i ks a h l i n 等人 用c f d 方法对两种类型的二维表面微造型动压润滑性能进行了进一步研究，得出了 4 江苏大学硕士学位论文 与以上相类似的结论嘲1 。另外c f d 技术还应用在求解弹流润滑中，早就有学者利用 商品化c f d 软件模拟弹流润滑问题叼矧。 1 3 2 表面微造型改善润滑性能的国内研究现状 国内对表面微造型改善润滑性能的研究起步较晚，目前对这方面进行研究的单位 主要有吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室、西北工业大学、清华大学摩 擦学国家重点实验室、西安交通大学等。1 9 9 5 年，林子光、谢辉用激光微精处理方 法对零件表面进行激光扫描啪1 ，使其表面产生有规律的微凸体或微凹体。然后二人 用擦伤性实验证实，用激光微精处理的零件表面比未经处理的光滑试件具有良好的 润滑性及抗擦伤性能。随后林子光、郭炎通过实验证明具有微造型的表面比光滑面 更有利于润滑，这是因为在具有微造型的表面中，微造型能够起到“微油池 的作 用 a o o 另外，吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室对仿生学在减阻、润滑 领域的应用进行了大量的研究妇口2 3 3 1 。研究表明，在摩擦副之间进行仿生微造型， 能够起到减阻润滑的作用。 以上研究证明了表面微造型能够改善润滑性能，但都没有对表面微造型进行优 化，随后随着国外对表面微造型优化的研究，国内对这方面的研究也取得了一定的 进展。2 0 0 1 年清华大学摩擦学国家重点实验室汪家道，陈大融等人在流体润滑计算 的基础上，提出了表面规则凹坑深度尺寸的优化方案阻1 。规则凹坑深度优化过程中， 对凹坑其它尺寸及润滑计算的边界条件等因素的影响进行了详细讨论，最后采用三 销环实验方案，对激光加工不同尺寸规则凹坑表面进行了润滑实验，实验结果与理 论计算结果比较表明，理论与实验关于规则凹坑尺寸对润滑的影响基本一致。2 0 0 3 年，汪家道、陈大融等人对规则凹坑表面微造型进行了进一步研究阱1 ，给出了一个 研究规则凹坑对表面摩擦性能影响的三销环试验方案，考察了面接触下不同尺寸的 规则凹坑对表面润滑性能的影响，研究表明当规则凹坑表面尺寸适当时，其润滑效 果比无规则凹坑表面有较大提高。 近年来，国内对表面微造型改善润滑性能的应用主要集中在活塞环、机械密封和 推力轴承上。2 0 0 2 年，浙江大学胡雄海、洪玉芳等分析了微沟槽表面滑动轴承的润 滑性能啪1 ，计算结果表明，微沟槽表面轴承的压力分布与光滑表面轴承有着显著的 不同。2 0 0 4 年，于新奇、蔡仁良建立了激光加工多孔端面机械密封的计算模型钉， 采用有限差分法求解雷诺方程，获得在不同工况和表面微孔结构参数下密封面的无 5 江苏大学硕士学位论文 量纲动压力分布，进而得到了产生最大端面动压力时的优化结构参数，且与试验结 果接近，分析结果表明密封面上的微孔可产生明显的动压效应。 以上研究多是基于实验的方法，但实验研究耗资昂贵、实验条件也会受到许多客 观条件限制，并不能完全模拟真实环境。c f d 技术克服了实验耗资昂贵的缺点，能 够较好的模拟实验条件，并且c f d 技术是基于n s 方程的研究方法，它避免了用雷 诺方程求解表面微造型动压润滑性能问题的局限性。因此用c f d 技术研究表面微造 型动压润滑性能是一种方便可靠的方法。目前国外已经开始了c f d 技术对表面微造 型的研究，国内有些学者也开始了这方面的研究啪儿3 9 1 。文献【3 8 】在分析雷诺方程求 解流体润滑问题上的不足与局限性的基础上，给出了基于n s 方程的计算流体动力 学( c f d ) 求解流体润滑问题的方法。最后指出了c f d 方法求解流体润滑问题时可能 的发展趋势。刘东雷1 等人基于n s 方程对五种常见的表面微造型动压润滑性能进 行研究，研究表明适当的表面微造型能够产生动压润滑。然而文献f 4 0 1 考虑的微造型 形状单一，研究的系统性不强，且没有考虑温度变化对润滑油的影响，这些都是目 前需要解决的问题。 1 3 。3 表面微造型在轴承中应用的研究现状 早期表面微造型的应用场合主要有轴承，研究的模型也集中在两平行平板间的流 体流动情况，其中一个平板为光滑表面且具有移动速度，另一个平板为静止的带有 微造型的表面。这类模型类似于平板库艾特( c o u e t t e ) 流动模型，只是其中一个表面进 行了微造型。实际上s a l a m a 等人就是将表面微造型应用在推力轴承上进行研究的， 然而他们的研究都是较早期较初级的。1 9 5 8 年，w h i p p l e 首次在轴承中使用槽形表 面来获得动压效应( 自润滑效应) 阻，这种模型首先应用在气体轴承中，然后应用 在液体和油脂轴承中，尤其是小尺寸的轴承当中。 随着表面微造型研究的进展，表面微造型技术的应用也得到相应的发展。a l e xd e k r a k e r 等人采用多尺度方法，研究了轴承表面微造型中微气穴现象( m i c r o c a v i t a t i o n ) 、 对流惯性( c o n v e c t i v ei i l e n i a ) 对润滑性能的影响乜2 1 。a l e xd ek r a k e r 等人使用微观和宏 观两种尺度方法，单一表面微坑的局部( 微) 流动效应使用n s 方程分析，而相似 的光滑表面使用雷诺方程来分析。c e ms i n a n o g l u “羽等人用实验的方法分析了滑动轴 承轴颈上进行表面微造型的润滑效应，研究证明在轴颈上进行适当的表面微造型也 能改善轴承的承载能力。 6 江苏大学硕士学位论文 随后国外出现了对平行推力轴承表面微造型的研究。x i a o l e iw a n g h 3 1 等人对s i c 水润滑推力轴承表面微造型改善承载能力进行了研究，他们的研究表明，在轴承表 面设计出表面微造型是提高s i c 水润滑推力轴承承载能力的有效方法，适当的表面 微造型能够使承载能力提高1 5 2 o 倍。b d z m e r 阻1 等人研究了激光表面微造型推力轴 承的润滑性能，b r i z m e r 等人在平行推力轴承瓦块上设计出一种球冠形的表面微造 型，并基于雷诺方程求解表面微造型产生的无量纲压力，结果表明表面微造型提高 了平行推力轴承的承载能力，随后e t s i o n 等人用实验的方法验证了上述结论。 x i a o l e iw a n g ，b d z m e r 和e t s i o n 等人的研究说明在平行推力轴承上设计出表面微造 型可以改善动压润滑性能，证明用表面微造型提高平行推力轴承的承载能力是可行 的。但是他们研究的表面微造型形状都比较单一，没有研究其它类型的表面微造型 动压润滑性能。b r i z m e r 等人注意到几何参数对表面微造型动压润滑性能的影响，对 表面微造型几何参数进行了优化，但他们研究的表面微造型也只限于球冠形造型， 因此对表面微造型在平行推力轴承中应用还需要进一步研究。 1 4 本课题研究的主要内容及论文结构安排 随着表面微造型动压润滑性能研究的深入，表面微造型能够改善润滑性能已经成 为一种共识。关于表面微造型的研究起源于上世纪中叶，经过对目前国内外表面微 造型动压润滑性能研究现状的分析，到目前为止很多问题还需要解决： ( 1 ) 大部分文献研究表面微造型都是采用实验的方法或者基于雷诺方程的数值 分析方法。但是实验过程耗资昂贵，实验条件也会受到许多客观条件限制，并不能 完全模拟真实环境。另外由于雷诺方程忽略了惯性项，用基于雷诺方程的数值分析 方法研究表面微造改善润滑性能问题存在一定误差； ( 2 ) 在各种不同运动条件下和几何外形条件下，选择哪些参数对微造型进行优化 设计的研究尚无统一看法； ( 3 ) 研究微造型类型还比较单一，由于微造型几何形状具有不确定性，所以一定 运动条件下的最优造型类型还有待研究。另外研究的问题往往只限于规则单一的造 型，不同种造型的结合产生的效果还不明朗； ( 4 ) 许多问题的研究都忽视了温度变化对动压润滑性能的影响，且把润滑油的粘 度看成是常量值，因此有必要试着研究温度变化对粘度的影响，进而对动压润滑性 能的影响。 7 江苏大学硕士学位论文 通过对以上不足的分析，本文采用基于n s 方程的c f d 方法对表面微造型动压 润滑性能进行分析。本课题主要针对不同的表面造型及其参数，分析各种表面微造 型的动压润滑性能，以期得到一种最优的表面微造型，从而使具有表面微造型的平 行推力轴承动压润滑性能得到改善。本文首先建立适合c f d 分析的平行推力轴承几 何模型，然后对六种形状的表面微造型对平行推力轴承动压润滑的影响做具体分析， 六种造型特征分别是矩形、斜面台阶形、圆弧形、三角形、多圆弧形和正弦形。微 观造型的几何参数主要有造型直径、造型深度等。本文还研究了两种不同表面微造 型组合成的混合造型产生的动压润滑性能，以及温度变化对表面微造型动压润滑性 能的影响。 本文各章内容安排如下： 第一章：绪论。首先阐述了本课题的研究背景和意义，介绍了课题的来源，然 后分析了表面微造型改善润滑性能的研究现状，包括表面微造型改善润滑性能的国 内外研究现状，以及表面微造型在轴承中应用的研究现状，在此基础上进行本课题 的主要内容及各章结构安排； 第二章：首先分析用c f d 技术研究表面微造型动压润滑性能问题的可行性，然 后建立用于研究推力轴承表面微造型动压润滑的数学模型。从推力轴承润滑模型的 研究入手，建立推力轴承表面微造型几何模型。介绍进行c f d 分析常用的控制方程， 对控制方程进行无量纲转换； 第三章：对简化的几何模型进行网格划分，设定表面微造型边界条件，从而建立 c f d 模型，为数值分析提供条件。对计算结果进行分析，研究表面微造型是否能够 在两平行平面间产生动压润滑，研究对流惯性项、特征雷诺数对表面微造型动压润 滑效果的影响。最后用三维表面微造型动压润滑性能问题验证二维表面微造型的计 算结果，并进一步讨论几种控制方程的适用范围； 第四章：对推力轴承表面微造型进行几何优化，比较一定润滑条件下，微造型几 何参数变化对动压润滑的影响，以及产生动压润滑效应最大的表面微造型。在此基 础上研究组合表面微造型的动压润滑效果，以及润滑油温度变化对推力轴承表面微 造型动压润滑效果的影响； 第五章：对本文的研究内容进行了总结，阐述本文研究工作的价值及今后需要进 一步深入研究的工作。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章数学模型的建立 本章讨论了用于分析推力轴承表面微造型动压润滑的数学模型，在分析推力轴承 润滑模型的基础上，建立推力轴承表面微造型的几何模型，选取矩形、斜面台阶形、 圆弧形、三角形、多圆弧形和正弦形六种形状的微造型作为研究对象。研究用于数 值分析的基本控制方程，进一步研究各控制方程之间的关系与适用范围。设定用于 c f d 分析的表面微造型主要参数，对各参数和控制方程进行无量纲处理，用c f d 方 法研究六种表面微造型在一定润滑条件下的动压润滑性能。 2 1c f d 方法求解表面微造型动压润滑性能的可行性分析 计算流体动力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，简称c f d ) 的主要用途是对流体 进行数值仿真模拟计算。c f d 技术的基本思想是将连续的物理量场，用一系列有限 离散点上的变量值的集合来代替，从而建立起这些离散点上场变量之间关系的代数 方程组，然后通过数值计算的方法求解这些方程组获得场变量的近似值。从2 0 世纪 6 0 年代开始，以计算和数值分析为手段，求解n s 方程组成为现代c f d 技术的主要 特征。它的发展经历了三个主要的历史阶段，( 1 ) 初始阶段( 1 9 6 5 1 9 7 4 年) 。主要解 决计算流体动力学中的一些基本的理论问题，如模型方程、网格划分、程序编写与 实现等。( 2 ) 工业实用阶段( 1 9 7 5 年。1 9 8 4 年) 。主要探讨c f d 在工程应用中的可行性、 及工业化推广应用。( 3 ) 快速发展阶段( 1 9 8 5 年以后) 。c f d 在工程设计的应用及成果， 在学术界得到了充分的认可，产生了f l u e n t 、p h o e n i c s 、c f x 、s t a r c d 等c f d 商业软件。 控制流体流动的三大基本方程为质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。 c f d 技术即是通过求解这些控制方程来得到流体的流动状态的。根据对控制方程离 散方式的不同，c f d 发展出三个分支，分别为有限差分法、有限元法和有限体积法。 有限差分法是最早产生的c f d 方法，该方法把控制方程中的导数用网格节点上的函 数值的差商代替进行离散，从而建立以网格节点上的值为未知数的代数方程组，它 是一种直接将微分问题变为代数问题的近似数值解法。有限元法是2 0 世纪8 0 年代 开始应用的一种数值解法，它吸收了有限差分法的特点，同时选择了插值函数表达 网格点之间的变化规律。有限体积法是在有限差分法的基础上发展起来的，同时它 9 江苏大学硕士学位论文 又吸收了有限元法的一些优点，它将计算区域划分为一系列控制体积，将待解微分 方程对每一个控制体积积分得出离散方程。除了以上三种控制方程离散方法外，常 见的离散方法还有有限分析法、谱分析法、数值积分变换法等。 自从雷诺发现雷诺方程以来，雷诺方程在流体力学领域一直占有统治地位，传统 方法研究流体油膜润滑多是基于雷诺方程求解的。但当润滑表面上存在微造型时， 雷诺方程的适用性受到了限制。主要原因是由于雷诺在推导雷诺方程时做了许多简 化假设，而有些假设在表面存在微造型时可能并不适用。这方面的内容在本文第一 章内已经作了分析，本章也将对此作进一步研究。由于雷诺方程在求解表面微造型 动压润滑性能问题上的局限性，许多学者开始采用n s 方程来研究表面微造型动压 润滑性能。 随着电子计算机技术的发展，c f d 技术得到了快速发展。由于c f d 技术是基于 n - s 方程的数值分析方法，因此用c f d 技术求解表面微造型动压润滑性能成为研究 热点。但由于c f d 技术是在处理相对比较厚的油膜上发展起来的，并被证明在处理 厚油膜问题时可以得到精确的数值解。而流体润滑问题，特别是存在表面微造型的 流体润滑问题，属于薄油膜问题。因此有必要在具体研究表面微造型动压润滑之前， 对c f d 方法研究表面微造型动压润滑问题进行可行性论证。 江苏大学刘东雷曾对c f d 方法求解流体润滑问题进行了可行性研究，将解析 方法和c f d 方法得到的结果进行对比，研究表明c f d 方法的结果与解析解比较吻 合，表明c f d 方法求解流体润滑问题是可行的。n 俾c h c n 等人堙钔得出的滑动轴承、 阶梯轴承和径向轴承的解析解与c f d 解对比如图2 1 所示。分别取雷诺数r c = 1 和 r e = 1 0 0 0 时的雷诺方程解析解与c f d 解进行比较，图中实线为雷诺方程的结果，虚 线为c f d 方法得出的结果。结果表明在r e 较小时，c f d 方法得出的解和雷诺方程 解析解基本上是吻合的，而当r e 增大时二者的压力分布和最高承载压力出现了偏差。 这主要是由于随着雷诺数的增加，对流惯性项的作用导致的结果，这也表明用c f d 方法求解流体润滑问题是更精确的。 1 0 江苏大学硕士学位论文 轴零表露距骞 图2 1 解析解与c f d 解对比图州 文献【4 0 】虽然对c f d 方法求解流体润滑问题进行了可行性论证，但实际上并未对 c f d 方法求解表面微造型动压润滑性能进行可行性分析。而由于表面微造型大小与 润滑油膜厚度大小相当，有时比润滑油膜的厚度还小，并且表面微造型在润滑油流 动过程中造成突然的扰动，所以有必要对c f d 方法求解表面微造型动压润滑性能进 行可行性分析。 将雷诺方程求得的解析解与c f d 方法得到的数值解进行比较仍然是有效的研究 方法，2 0 0 7 年，a l e xd ek r a k e r 等人乜2 3 采用多尺度的方法对表面微造型性能进行了研 究。a l e xd ek r a k e r 考查油膜厚度变化对两种计算方法结果产生的影响，如图2 2 为 相关参数的设置情况。 7 l a j 图2 - 2 参数设置 当油膜厚度l l o 与微造型深度d p 的比值从0 0 1 变化到1 0 时，雷诺方程求得的压 力值与n s 方程求得的压力值如图2 3 所示。从图中可以看出，当油膜厚度与最大 微坑深度相当或大于最大微坑深度，两种方式求得的压力值有所不同，这主要是由 于对流惯性的原因，由于雷诺方程忽略了对流惯性项，用基于雷诺方程的解析法是 不可行的。当油膜厚度比最大微坑深度小时，对流惯性的作用是微不足道的，c f d 的解与雷诺方程解析解比较吻合。 1 1 江苏大学硕士学位论文 霪 翌 萄 篝丸f - 1 霸囊禽蓖鬻 旺f 叠 鹤蠢晦踅鑫 翟 艺 奋 鹚囊肖驻寰 图2 3 解析解与c f d 解的压力值分布情况啪1 2 0 0 3 年，f r e d r i ks a h l i n 采用c f d 方法研究了表面微造型动压润滑问题，f r e d r i k s a h l i n 分别对球冠形和非对称球冠形的表面微造型进行分析，考察它们对润滑油流动 的影响和动压润滑效果。研究结果表明适当的表面微造型能够产生动压润滑效果， 这与之前许多学者用实验方法得到的结果相同乜5 1 。同时他又对c f d 分析问题可能产 生的误差进行了研究，f r e d r i ks a h l i n 认为用c f d 方法分析流体润滑问题可能产生如 下一些误差： ( 1 ) 模型误差( m o d e le r r o r ) ，即真实的流体模型与用于研究的简化流体模型之间的 误差。为了能够用c f d 模拟得到精确的结果，建立精确的计算模型显得非常重要； ( 2 ) 迭代i , 吴差( i t e r a t i o ne r r o r ) ，迭代计算是大多数值计算方法共有的特征，每一个 迭代步骤都会得到新的结果，迭代结果是否完全收