凸度滾子的穩(wěn)態(tài)熱彈流設計和動態(tài)等溫特性研究.pdf

1、工程中應用十分廣泛的滾子類摩擦副通常在潤滑條件下工作，其壓力分布、膜厚膜形及溫度分布對機器零部件的性能和壽命有很大影響，需進行凸度設計以改善此類摩擦副的承載能力和潤滑狀況。本文以滾子類摩擦副為應用對象，研究了有限長線接觸彈性流體動力潤滑問題，探討了凸度滾子的穩(wěn)態(tài)熱彈流設計和動態(tài)等溫特性，考察了潤滑劑、載荷、速度等工況參數(shù)和凸度修形參數(shù)對壓力分布、膜厚膜形、溫度分布的影響，討論了加減速、起停、急停以及擺動等特殊變速運動下的壓力分布和成膜特

2、性。完成的主要工作如下：一.基于多重網(wǎng)格技術，通過引入附加項強制構造溫度分析矩陣主對角優(yōu)勢，限制壓力溫度的合理范圍以及對于苛刻工況由工況參數(shù)接近的相對溫和工況的計算結(jié)果提供良好初值等數(shù)值技巧，構建了適用于有限長線接觸熱彈流分析的高效穩(wěn)定的計算方法，可在接觸長寬比達到100，接觸壓力達到2.0GPa的苛刻工況下得到收斂解。以此為工具，系統(tǒng)完整的定量模擬了Wymer等在此領域完成的經(jīng)典光干涉試驗，分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合很好，從而驗證了分析程

3、序的正確性。 二.系統(tǒng)深入分析了工程中常用的相交圓弧修形滾子的重載穩(wěn)態(tài)熱彈流特性，包括此種滾子的兩個修形參數(shù)：修形長度和修形半徑的影響；速度、載荷和滑滾比等工況參數(shù)的影響；Eyring非牛頓效應的影響；并探討了彈流溫度場與壓力場分布的一致性以說明凸度設計對彈流溫度分布的影響。研究表明：只要修形參數(shù)合適，相交圓弧修形滾子將分別在修形起始位置以及靠近軸向出口位置出現(xiàn)兩次軸向頸縮，軸向頸縮與徑向頸縮共同阻礙了潤滑油流出接觸區(qū)從而增加膜

4、厚，即“封油效應”。合理修形的此類滾子可對工況有較好的自適應性，從成膜的角度講，潤滑失效與“封油效應”的無法建立是對應的；端部的壓力集中程度主要由修形半徑和載荷決定。使用Eyring非牛頓流體有利于改善此類接觸副的承載能力和潤滑狀況，但Eyring非牛頓效應對這種滾子的凸度設計沒有明顯影響。壓縮功是導致彈流溫度梯度與壓力梯度相似性的主要原因。凸度設計在改善壓力分布的同時也將改善溫度分布，進而改善由熱效應導致的各種疲勞現(xiàn)象。 三.

5、系統(tǒng)全面研究了Lundberg對數(shù)滾子的重載穩(wěn)態(tài)熱彈流特性。研究表明干接觸狀態(tài)下的理想輪廓-Lundberg對數(shù)滾子在彈流狀態(tài)下存在凸度量不足的問題，指出彈流狀態(tài)的凸度設計應從壓力分布和膜厚分布兩方面進行。定義了膜厚均布系數(shù)和壓力均布系數(shù)，對LLundberg對數(shù)滾子進行了線性修正，并研究了凸度量修正系數(shù)隨載荷、速度、潤滑油參數(shù)的變化規(guī)律：發(fā)現(xiàn)凸度量修正系數(shù)δ的下限δ1隨載荷的增加、速度的降低以及潤滑油粘度的降低而增加，凸度量修正系數(shù)δ

6、的上限δ2隨速度的降低以及潤滑油粘度的降低而增加，δ2隨載荷的增加有微幅增加但受載荷的影響不顯著。研究指出：使用大粘壓系數(shù)的潤滑油時，線性修正Lundberg輪廓無法得到理想的壓力分布，并討論了表面劃痕對接觸副承載能力和潤滑狀況的影響。 四.構建了適用于動態(tài)等溫有限長線接觸彈流分析的算法，突破了擺動問題的研究。分析了加減速、起停、急停幾種特殊的運動形式，并用點接觸彈流試驗結(jié)果進行了定性驗證，分析結(jié)果與試驗結(jié)果的規(guī)律一致。研究表明

7、：在速度為零的瞬間膜厚可以存在，這是動態(tài)效應的作用。對于復雜的擺動問題，用建立兩套坐標系統(tǒng)的方法解決了潤滑區(qū)入口和出口周期變換造成分析的困難，并用網(wǎng)格鏡象和延拓的方法，建立了任意擺動運動的求解方法。分析了正弦運動的彈流特性，并研究了擺動頻率、不同凸型以及凸度量對其壓力分布、膜厚膜形的影響。研究指出：在擺動過程中，中部膜厚的變化顯著滯后于速度的變化，端部膜厚的變化對速度變化的滯后性不明顯。速度的變化導致總承載面積的變化并在載荷平衡條件的約

8、束下引起壓力大小的變化，而壓力大小的變化反過來又改變了滾子軸向壓力分布，影響了邊緣效應的出現(xiàn)?？偝休d面積的變化與卷吸速度方向承載寬度的變化一致而與滾子軸向承載長度的變化相反。低速時滾子端部的載荷分布和潤滑狀況較高速時惡劣。 五.通過對對數(shù)輪廓和相交圓弧修形輪廓兩種凸型，以及不同凸度量的對數(shù)凸型滾針軸承的擺動疲勞壽命試驗證實：對數(shù)輪廓優(yōu)于相交圓弧修形輪廓，滾針凸度量對接觸副擺動疲勞壽命影響顯著。修形量合適的滾針軸承擺動壽命遠高于修