【摘要】：液體動壓軸承被廣泛應(yīng)用于工程機械、汽車、航空航天、風(fēng)力發(fā)電等工業(yè)領(lǐng)域。其中,摩擦副作為液體動壓軸承的關(guān)鍵部位,其潤滑性能直接影響到機械設(shè)備整體性能的優(yōu)劣。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展,人們對節(jié)能、環(huán)保要求的不斷提高,因此對于摩擦副的性能提出了更高的要求。至今為止,高速率、高承載力的流體潤滑摩擦副的設(shè)計和應(yīng)用一直是比較熱門的課題,然而潤滑介質(zhì)所固有的特性以及摩擦副表面的加工精度極大的限制了這類性能的進(jìn)一步提升。針對這類問題,本文提出了將具有低表面能的非潤濕性材料應(yīng)用在流體潤滑摩擦副表面,以這類材料所具有的界面滑移性質(zhì)作為理論基礎(chǔ),以處于摩擦副間的流體膜作為研究對象,建立耦合滑移邊界條件的液膜能量方程和擴展式雷諾方程,構(gòu)建在有限的區(qū)域內(nèi)優(yōu)化基于滑移/非滑移異質(zhì)界面動壓潤滑特性的數(shù)學(xué)模型,通過模型的仿真以及試驗的驗證,取得如下研究成果:將Navier提出的界面滑移理論模型與瞬態(tài)能量方程耦合,建立新的適用于描述這類非潤濕性材料應(yīng)用的數(shù)學(xué)模型,選取處于旋轉(zhuǎn)圓盤間的層流作為研究對象,以具有低表面能的聚四氟乙烯薄膜作為滑移材料,采用模型仿真預(yù)測圓盤在連續(xù)轉(zhuǎn)動條件下,流體的溫升和阻力變化機制,并解釋壁面的界面滑移性質(zhì)如何在圓盤的長期運行期間實現(xiàn)溫度的控制功能,并結(jié)合旋轉(zhuǎn)流變儀搭建試驗平臺對溫度進(jìn)行監(jiān)測,以驗證數(shù)學(xué)模型所預(yù)測的溫度場的有效性。以聚四氟乙烯板為滑移材料和有機玻璃為非滑移材料制備了滑移/非滑移異質(zhì)界面的試驗樣品,采用旋轉(zhuǎn)流變儀結(jié)合兩個鏡像分布的力傳感器搭建試驗平臺,分別對正向和逆向流經(jīng)異質(zhì)界面的液膜法向力進(jìn)行監(jiān)測,在排除楔形效應(yīng)即均勻膜厚條件下定性分析液膜的動壓效應(yīng)。將界面滑移理論模型與經(jīng)典雷諾方程耦合,建立適用于描述滑移/非滑移異質(zhì)界面的柱坐標(biāo)形式的擴展式雷諾方程,基于試驗?zāi)Ｐ驮O(shè)定邊界條件進(jìn)行仿真求解。對轉(zhuǎn)速線性提升的斜坡模式下將試驗所監(jiān)測的承載力與數(shù)學(xué)模型求解結(jié)果進(jìn)行對比分析,以驗證無楔形效應(yīng)的擴展式雷諾方程求解的準(zhǔn)確性。提出曲線拼接式滑移/非滑移異質(zhì)界面的設(shè)計方案,構(gòu)建兩種離散式數(shù)學(xué)模型,即二次拋物線方程和正弦曲線方程,將滑移區(qū)和非滑移區(qū)的拼接軌跡參數(shù)化。采用MATLAB軟件進(jìn)行參數(shù)化仿真計算,分別以液膜承載力、摩擦因數(shù)、液膜剛度作為優(yōu)化目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行仿真求解,針對不同的工況需求得出所對應(yīng)的滑移區(qū)和非滑移區(qū)的最優(yōu)拼接方案,在現(xiàn)有的滑移/非滑移異質(zhì)界面應(yīng)用的基礎(chǔ)上,通過合理的優(yōu)化具有針對性的滑移區(qū)和非滑移區(qū)間的拼接方案能進(jìn)一步改善液膜的潤滑性能。提出一種非對稱分布形式的滑移/非滑移異質(zhì)界面在摩擦副表面上應(yīng)用的方法。以該種形式分布的異質(zhì)界面應(yīng)用在滑動副表面上,能夠使處于滑動副間的液膜產(chǎn)生動壓的同時,并向摩擦副表面提供單方向的側(cè)向牽引力。同時設(shè)計了一種參數(shù)化的滑移區(qū)和非滑移區(qū)的拼接軌跡的仿真模型,實現(xiàn)了多樣本優(yōu)化的方法,應(yīng)用該方法可以設(shè)計出更加合理的滑移區(qū)和非滑移區(qū)的組合方案。定義了一種可用于表征液膜產(chǎn)生的整個切向力中側(cè)向牽引力的占比的無量綱參數(shù),并以計算區(qū)域的橫縱比和描述滑移區(qū)和非滑移區(qū)的拼接軌跡的冪函數(shù)的指數(shù)為變量,對該無量綱參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得出了使橫向牽引力更加顯著的異質(zhì)界面組成方案。
【學(xué)位授予單位】：武漢科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TH133.3
【圖文】：

圖 1.1 氟塑軸承圖 1.2 氟塑瓦技術(shù)的發(fā)展，機器轉(zhuǎn)速不斷提高，例如氟塑料等具有低型潤滑劑已被廣泛使用，如圖 1.1、圖 1.2 所示，使得相對滑移速度[38-43]，構(gòu)成了界面滑移條件。這類具有低道減阻[44-48]、機械密封[49-50]、人工關(guān)節(jié)[51-52]等領(lǐng)域都獲

2圖 1.2 氟塑瓦技術(shù)的發(fā)展，機器轉(zhuǎn)速不斷提高，例如氟塑料等具有低型潤滑劑已被廣泛使用，如圖 1.1、圖 1.2 所示，使得相對滑移速度[38-43]，構(gòu)成了界面滑移條件。這類具有低道減阻[44-48]、機械密封[49-50]、人工關(guān)節(jié)[51-52]等領(lǐng)域都獲通常在苛刻的工況下長期運行，當(dāng)摩擦副處于非常高的流體潤滑狀態(tài)時，液膜的阻力起到了很大的制約，并且做功基本上轉(zhuǎn)化為流體的內(nèi)能，導(dǎo)致整個系統(tǒng)的溫度升理論能夠在現(xiàn)有的基于楔形效應(yīng)改善摩擦副潤滑性能的潤滑性能的進(jìn)一步的優(yōu)化�，F(xiàn)有的基于楔形效應(yīng)動壓潤

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