凸度滾子的穩(wěn)態(tài)熱彈流設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)等溫特性研究.pdf

1、工程中應(yīng)用十分廣泛的滾子類(lèi)摩擦副通常在潤(rùn)滑條件下工作，其壓力分布、膜厚膜形及溫度分布對(duì)機(jī)器零部件的性能和壽命有很大影響，需進(jìn)行凸度設(shè)計(jì)以改善此類(lèi)摩擦副的承載能力和潤(rùn)滑狀況。本文以滾子類(lèi)摩擦副為應(yīng)用對(duì)象，研究了有限長(zhǎng)線接觸彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑問(wèn)題，探討了凸度滾子的穩(wěn)態(tài)熱彈流設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)等溫特性，考察了潤(rùn)滑劑、載荷、速度等工況參數(shù)和凸度修形參數(shù)對(duì)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(dòng)等特殊變速運(yùn)動(dòng)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(shù)，通過(guò)引入附加項(xiàng)強(qiáng)制構(gòu)造溫度分析矩陣主對(duì)角優(yōu)勢(shì)，限制壓力溫度的合理范圍以及對(duì)于苛刻工況由工況參數(shù)接近的相對(duì)溫和工況的計(jì)算結(jié)果提供良好初值等數(shù)值技巧，構(gòu)建了適用于有限長(zhǎng)線接觸熱彈流分析的高效穩(wěn)定的計(jì)算方法，可在接觸長(zhǎng)寬比達(dá)到100，接觸壓力達(dá)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(lǐng)域完成的經(jīng)典光干涉試驗(yàn)，分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合很好，從而驗(yàn)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(gè)修形參數(shù)：修形長(zhǎng)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(yīng)的影響；并探討了彈流溫度場(chǎng)與壓力場(chǎng)分布的一致性以說(shuō)明凸度設(shè)計(jì)對(duì)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(rùn)滑油流出接觸區(qū)從而增加膜

4、厚，即“封油效應(yīng)”。合理修形的此類(lèi)滾子可對(duì)工況有較好的自適應(yīng)性，從成膜的角度講，潤(rùn)滑失效與“封油效應(yīng)”的無(wú)法建立是對(duì)應(yīng)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(lèi)接觸副的承載能力和潤(rùn)滑狀況，但Eyring非牛頓效應(yīng)對(duì)這種滾子的凸度設(shè)計(jì)沒(méi)有明顯影響。壓縮功是導(dǎo)致彈流溫度梯度與壓力梯度相似性的主要原因。凸度設(shè)計(jì)在改善壓力分布的同時(shí)也將改善溫度分布，進(jìn)而改善由熱效應(yīng)導(dǎo)致的各種疲勞現(xiàn)象。 三.

5、系統(tǒng)全面研究了Lundberg對(duì)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(duì)數(shù)滾子在彈流狀態(tài)下存在凸度量不足的問(wèn)題，指出彈流狀態(tài)的凸度設(shè)計(jì)應(yīng)從壓力分布和膜厚分布兩方面進(jìn)行。定義了膜厚均布系數(shù)和壓力均布系數(shù)，對(duì)LLundberg對(duì)數(shù)滾子進(jìn)行了線性修正，并研究了凸度量修正系數(shù)隨載荷、速度、潤(rùn)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(rùn)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(rùn)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(rùn)滑油時(shí)，線性修正Lundberg輪廓無(wú)法得到理想的壓力分布，并討論了表面劃痕對(duì)接觸副承載能力和潤(rùn)滑狀況的影響。 四.構(gòu)建了適用于動(dòng)態(tài)等溫有限長(zhǎng)線接觸彈流分析的算法，突破了擺動(dòng)問(wèn)題的研究。分析了加減速、起停、急停幾種特殊的運(yùn)動(dòng)形式，并用點(diǎn)接觸彈流試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了定性驗(yàn)證，分析結(jié)果與試驗(yàn)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(dòng)態(tài)效應(yīng)的作用。對(duì)于復(fù)雜的擺動(dòng)問(wèn)題，用建立兩套坐標(biāo)系統(tǒng)的方法解決了潤(rùn)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(dòng)運(yùn)動(dòng)的求解方法。分析了正弦運(yùn)動(dòng)的彈流特性，并研究了擺動(dòng)頻率、不同凸型以及凸度量對(duì)其壓力分布、膜厚膜形的影響。研究指出：在擺動(dòng)過(guò)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(duì)速度變化的滯后性不明顯。速度的變化導(dǎo)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(guò)來(lái)又改變了滾子軸向壓力分布，影響了邊緣效應(yīng)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(zhǎng)度的變化相反。低速時(shí)滾子端部的載荷分布和潤(rùn)滑狀況較高速時(shí)惡劣。 五.通過(guò)對(duì)對(duì)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(duì)數(shù)凸型滾針軸承的擺動(dòng)疲勞壽命試驗(yàn)證實(shí)：對(duì)數(shù)輪廓優(yōu)于相交圓弧修形輪廓，滾針凸度量對(duì)接觸副擺動(dòng)疲勞壽命影響顯著。修形量合適的滾針軸承擺動(dòng)壽命遠(yuǎn)高于修