基于拟动力学的航空发动机主轴球轴承热弹流润滑分析

以航空发动机主轴球轴承高速高温重载典型工况为算例,基于轴承拟动力学分析,得到滚动体与套圈之间的微接触区运动和受力状态,分别用Hamrock-Dowson(H-D)拟合公式和翟文杰热修正公式计算了最小膜厚(MFT),同时结合热弹流润滑分析得到最小膜厚分布,对比了试验测试、H-D拟合、翟文杰热修正和热弹流润滑分析4种算法的最小膜厚,并根据膜厚比判定了轴承的弹流润滑状态.结果表明:H-D拟合和翟文杰热修正最小膜厚与试验测试结果相差较远,热弹流润滑分析结果与试验数据吻合性较好,误差10%以内;探讨了不同工况下的轴承弹流润滑性能.结果表明:存在径向载荷时,润滑膜整体压力增大,膜厚减小;随着转速增大,压力减小,膜厚增大,但是增大的趋势减缓.      

斜面兜孔圆柱滚子轴承的高速防打滑特性

为解决航空发动机主轴圆柱滚子轴承的打滑问题,提出一种具有斜面兜孔结构的圆柱滚子轴承,并对其高速防打滑特性展开研究。利用Hertz接触理论及弹流润滑、流体动力润滑的经验公式,建立了滚子-内外套圈滚道、兜孔-滚子、保持架-外圈引导面的接触模型。运用多体运动学及牛顿-欧拉动力学理论,建立了轴承径向平面内的三自由度动力学模型,在此基础上,利用龙格库塔数值积分法进行了轴承的动力学数值仿真,探讨了兜孔前后壁倾角对轴承打滑的影响规律,分析了兜孔前壁倾角为5°、后壁倾角为10°下轴承的高速打滑特性,结果表明：兜孔的前后壁倾角对轴承打滑有显著影响,通过对其进行优化,可有效抑制轴承的高速打滑。     

基于CFD内流耦合仿真的燃油柱塞泵滑靴副动态润滑特性研究

针对航空燃油柱塞泵滑靴副自适应油膜的动态润滑问题,基于牛顿拉夫逊方法,建立了考虑滑靴副油膜支承作用与其动力学状态动态耦合关系的滑靴副润滑计算模型。在此基础上,计入前级部件内流作用对油膜特性的影响,通过CFD内流分析和Reynolds润滑模型相结合的仿真方法,对航空柱塞泵滑靴副及其前级部件进行了一体式联合仿真研究。研究结果表明:仿真与试验结果的误差保持在4.3%以内,CFD仿真方法可以实现对滑靴副前级部件内流场的准确模拟;转速从4kr/min增至5kr/min时,膜厚的最大倾覆值减小至原数值的27.15%,并且低压区滑靴厚度变化率的增大率最大可达62.02%;而出口压力增大率为66.7%时,引起全周期内膜厚变化率波动幅度不同程度的增大;在转动周期内,滑靴的自适应润滑效果通过油膜厚度场和压力场的耦合变化形成自适应动压支承效应来实现。     

高速滚动轴承弹性流体动力润滑分析

直接采用弹性流体动力润滑（ＥＨＬ）分析方法计算了高速滚动轴承中滚子与内、外套圈接触区的油膜厚度、油膜动压力和润滑油牵引力;分析了载荷、转速及滚子数等参数对轴承打滑损伤的影响。理论分析结果与所作实验结果在较宽的工况范围内吻合较好。     

不同支承结构下同转/对转中介轴承的刚度特性

中介轴承是耦合双转子航空发动机的关键部件，为了探明中介支承结构特征、装配条件和发动机工况对中介轴承刚度特性的影响，建立了中介圆柱滚子轴承刚度特性分析模型。模型综合考虑了中介支承结构形式、轴承内外环相对旋转方向、内外环配合参数、内外环锁紧螺母拧紧力矩、轴承工作温度、发动机转速、径向载荷和弹性流体动力润滑等方面的影响，分析了某型机中介轴承的径向刚度随各参数的变化规律。结果表明，内外环配合参数和发动机工况对中介轴承的刚度影响较大，设计时应考虑刚度变化对转子系统动力学特性的影响；中介轴承刚度对锁紧螺母的拧紧力矩不敏感。另外，中介轴承刚度同中介支承结构形式及内外环的相对旋转方向密切相关，设计时应结合气动性能和结构动力学的要求合理选取，避免对发动机的可靠性造成不利影响。     

运动油滴/固体壁面斜碰撞的状态辨识及特征分析

 航空发动机轴承腔油气两相流动与换热研究是轴承腔润滑与换热设计的重要基础工作,而运动油滴与轴承腔壁面的碰撞状态辨识及特征分析是轴承腔油气两相流动与换热研究的组成部分。基于VOF方法建立了运动油滴与固体壁面斜碰撞数值仿真模型,实现了运动油滴与固体壁面斜碰撞状态的数值模拟,分析了碰撞油滴直径、入射角和碰撞速度对沉积油膜铺展长度、油膜堆积厚度和溅射油滴数目等碰撞状态特征参数的影响规律,提出了运动油滴与固体壁面斜碰撞条件下的状态判断准则,并得到了文献的物理试验工作的支持。研究结果表明:随着油滴入射角减小,沉积油膜铺展长度和油膜堆积厚度增大,溅射油滴数目减少;随着碰撞速度和油滴直径的增大,沉积油膜铺展长度和溅射油滴数目均增大,但油膜堆积厚度对应前者呈减小趋势、对应后者仍呈增大趋势。     

航空发动机高速滚子轴承动态特性分析

 高速滚子轴承的动态特性对航空发动机转子系统的性能有重要的影响,为得到较准确的轴承动态性能,采用拟动力学法建立承受四自由度载荷的滚子轴承动力学分析模型,模型中各零件之间的力和力矩由建立的轴承零件相互作用模型计算得到,并使用较精确的弹流模型计算拖动力,给出了非圆滚道轴承动态性能的计算方法。通过算例分析了工况参数和结构参数对滚子轴承动态特性的影响规律,最后通过实验结果验证了程序的可靠性。滚子轴承动态特性的研究为研究航空发动机转子-轴承动态性能耦合分析奠定了基础。     

V形兜孔圆柱滚子轴承的高速动态性能

保持架打滑和动态不稳定是航空发动机主轴圆柱滚子轴承面临的难题,为此提出一种V形兜孔圆柱滚子轴承,并对其保持架打滑及稳定性展开研究。运用Hertz接触、弹流和流体润滑及牛顿-欧拉动力学理论,建立径向刚性加载下轴承的动力学模型,在此基础上,利用变步距龙格库塔数值积分法进行动力学数值仿真,探讨了V形兜孔的几何参数对保持架打滑及稳定性的影响,分析了兜孔优化后在不同转速下保持架的打滑特性、稳定性及兜孔/滚子碰撞特性,结果表明,V形兜孔的几何参数对保持架打滑及稳定性的影响显著,在30 000~60 000 r/min的转速范围内,优化轴承保持架的打滑率明显低于普通轴承,涡动半径明显小于普通轴承,滚子对兜孔局部碰撞的力幅值和频率也明显小于普通轴承。     

Research into Configuration and Flow of Wall Oil Film in Bearing Chamber Based on Droplet Size Distribution

The lubrication design and heat transfer determination of bearing chambers in aeroengine require a sufficient understanding of the oil droplet-film interaction and physical characteristic in an oil/air two-phase flow state.The analyses of oil droplet movement,mass and momentum transfer during the impingement of droplet/wall,as well as wall oil film thickness and flow velocity are very important for the bearing chamber lubrication and heat transfer calculation.An integrated model in combination with droplet movement,droplet/wall impact and film flow analysis is put forward initially based on the consideration of droplet size distribution.The model makes a contribution to provide more practical and feasible technical approach,which is not only for the study of droplet-film interaction and physical behavior in bearing chambers with oil/air two-phase flow phenomena,but also useful for an insight into the essence of physical course through droplet movement and deposition,film formation and flow.The influences of chamber geometries and operating conditions on droplet deposition mass and momentum transfer,and wall film thickness and velocity distribution are discussed.The feasibility of the method by theoretical analysis is also verified by the existing experimental data.The current work is conducive to expose the physical behavior of wall oil film configuration and flow in bearing chamber,and also significant for bearing chamber lubrication and heat transfer study under oil/air two-phase flow conditions.     

高转速下轴承腔内壁油膜流动建模

结合国外已有试验工作,提出描述轴承腔壁面油膜运动的分析模型,并进行若干工况条件的影响分析.研究结果表明,轴承腔中油膜流动具有累积特点,表现出在排出口之间油膜厚度逐渐增大;旋转件转速的增加减小了壁面油膜厚度,但却提高了油膜平均速度;随着入口滑油流量的增加,壁面油膜厚度和平均速度都随之增加.理论分析及其与试验工作的比较都表明,提出的基于试验研究预测轴承腔中油膜运动物理状态的方法,对于在有限试验条件下研究轴承腔中壁面油膜运动机理、继而开展轴承腔内传热分析和润滑分析,是有价值的技术途径.      

非牛顿大滑滚比工况的斜齿轮热摩擦特性分析

考虑啮合过程中接触线长度及齿面载荷的时变性,结合沿接触线方向综合曲率半径及卷吸速度的瞬态特点,建立满足航空传动润滑剂非牛顿流体及大滑滚比工况的有限长线接触斜齿轮热弹流润滑(TEHL)模型。采用多重网格法及逐列扫描法,获得适用于宽泛工况范围的斜齿轮热弹流润滑完全数值解;分析非牛顿及大滑滚比情形下的斜齿轮传动热摩擦特性。结果表明:斜齿轮端部存在明显压力及温度尖峰,且离入口愈近膜厚会略减小;非牛顿特性对温度场影响显著,且接触线过节点时温度分布呈“V”型分布;摩擦因数沿啮合线方向在节点处接近于0且向两侧逐渐增大,同时随滑滚比的增大而增大。      

考虑粗糙效应的航空高速滚子轴承动态模拟

耦合高速滚动轴承动力学理论和部分弹性流体动力润滑（PEHL）理论,提出了考虑轴承元件表面粗糙效应的高速滚动轴承动态特性分析方法。分析结果表明,轴承元件表面粗糙度和表面粗糙纹理方向对高速轴承的动力学特性有较大的影响,提高轴承元件表面加工质量可以抑制高速轴承元件在运行中出现的动态不稳定性现象;实验工作不仅支持了本文的分析,而且支持了高速滚动轴承是在混合润滑状态下工作的结论。      

混合式动压气体轴承结构优化与可靠性分析

通过将径向、止推螺旋槽动压气体轴承相结合,建立了混合式动压气体轴承的润滑分析模型。阐述了其结构特点与润滑机理,建立轴承无量纲稳态Reynolds控制方程。提出混合式动压气膜压力耦合计算方法,推导气膜压力差分表达式,定义边界条件,构建气膜压力分布的数值计算方法。以最大径向承载力为目标优化结构参数。基于最优结构参数建立轴承气膜有限元模型,运用CFD分析轴承转子系统受不同冲击载荷时径向稳定性变化规律,研究混合式动压气体轴承动态特性与可靠性。搭建混合式动压气体轴承试验台,验证数值计算方法和有限元仿真分析的正确性。结果表明:提出的压力耦合计算方法可以准确地计算分析稳态气膜压力分布、承载力和承载性能,有限元仿真能更好地模拟动态流场变化,计算分析动态承载力、动态特性系数和稳定性。高转速下混合式气体轴承承载力、稳定性较好,对单向阶跃力、单向矩形力的抗冲击能力强,可靠性强。混合式动压气体轴承在优化承载性能与刚度的同时,应考虑抗冲击特性和稳定性以提高轴承的综合性能。      

航空发动机轴承腔内油气两相分布数值计算

主轴承腔是航空发动机润滑系统油气两相流的重要区域,了解滑油及密封空气在腔内的分布预测对于认知腔内两相流动具有重要的意义。利用VOF数值计算模型对某航空发动机轴承腔简化模型内油气两相流进行了数值计算,定义无量纲数β^＋用来分析腔内两相分布。计算结果与现有实验数据符合良好。给出了滑油在腔内的相界面分布,描述了腔内的油膜分布及运动,并且分析了无量纲数β＋在腔内周向分布及出口处随着转速及滑油进口流量的变化规律。     

泛结构条件下轴承腔油气两相流动的模化方法

首先根据热力学、流体力学的基本定理对航空发动机轴承腔油气两相流动的相似性进行了数学推导,获得了弗劳德数、欧拉数、雷诺数、普朗特数和埃克特数等相似准则数,遵循系统几何相似和动力相似等相似准则建立了航空发动机泛结构及工况条件下轴承腔油气两相流动的模化模型;并对实际轴承腔及模化轴承腔的油气两相流场进行了数值求解,模化轴承腔与实际轴承腔无量纲速度、温度和压力分布一致性较好,支持了提出的轴承腔油气两相流动相似准则和模化方法的可靠性.泛结构条件下轴承腔油气两相流动模化方法对于指导轴承腔油气两相流动试验设计及推进理论分析向航空发动机工程设计转化都有一定的参考价值.     

基于有限单元热网络法的航空发动机主轴轴承热分析

航空发动机主轴轴承温度场的精准预测对保证发动机润滑系统及整机稳定运转至关重要。针对传统热网络法精度低的问题,提出一种基于有限单元思想的有限单元热网络法。将轴承结构通过网格划分为有限个单元体,每个单元体设置一个温度节点代表该单元体的集总参数,节点间构建热阻关系并形成热网络,通过求解以温度为未知量的大型稀疏矩阵线性方程组来获得滚子轴承横截面的温度分布。该方法可以与轴承局部产热理论相结合,实现轴承局部产热的精准加载,完成温度场的精细化分析。通过与试验结果对比,本文方法对轴承外环表面中心线温度的预测结果与试验结果误差不超过13%。     

含复杂滚动轴承建模的航空发动机整机振动耦合动力学模型

在航空发动机整机振动模型中对滚动轴承进行了详细建模。建立了5自由度（DOF）球轴承动力学模型，推导了在5自由度复杂变形下的轴承力和力矩表达式；针对圆柱滚子轴承，利用“切片法”，推导了考虑轴承径向变形、圆柱转子凸度、轴承间隙以及轴承倾斜引起的角向变形等复杂因素作用下的圆柱滚子轴承的作用力；将复杂的球轴承模型和滚子轴承模型与6自由度的转子和机匣有限元梁模型结合，建立了含复杂滚动轴承建模的航空发动机整机振动模型，并利用数值积分方法进行了动力学方程求解。利用带机匣的转子试验器进行了方法验证，与试验结果对比表明，仿真计算的整机振动前3阶固有频率误差在5%以内，对应振型完全相似。      

不同流型下轴承腔中油气介质的流动特征参数

 航空发动机轴承腔两相介质流动状态的理解对于润滑和二次空气流动系统的设计是十分重要的。借助于流型分类进行两相介质流动研究,是揭示轴承腔中两相介质流动物理本质的可行途径。由于航空发动机轴承腔润滑状态的复杂性,难以从物理试验直观判断流型类别,通过流动特征参数的差异性判断流型类别是值得探索的方法。发动机轴承腔可能出现的流型有均相流动、分层流动和油膜/空气（含油滴颗粒相）流动。针对这3种流型类别,分析了润滑介质压力和速度相对于不同流型表现出的差异性及其分布特点,同时探讨了转子转速、供油量和密封进气量等工况条件对这种差异性的影响。研究工作表明：轴承腔中润滑介质的压力和速度可以作为判别两相介质流型的特征参数,并且这一判别技术具有较好的鲁棒性。     

表面粗糙度对航空液压作动器密封性能的影响

航空液压作动器普遍应用在飞机机翼、舱门、起落架等部位,往复密封为其典型密封形式,密封失效会 严重影响飞机任务的执行和飞行安全。密封副表面粗糙度是重要的工程可控参数且对于密封性能的影响很 大,因此分析表面粗糙度对作动器密封性能的影响具有重要的理论和实际意义。建立适用于往复组合密封的 确定性混合润滑数值仿真模型,并与有限元分析方法结合计算膜厚值,分析密封圈表面粗糙的幅值和波长变化 以及运动速度和液压油黏度变化对密封圈润滑性能和密封性能的影响。结果表明:正弦粗糙表面的幅值和波 长增大,会引起油膜压力和油膜厚度波动的幅值增大,但会减小摩擦系数;正弦粗糙表面的幅值增大,有利于减 小密封间隙的最小膜厚和泄漏量,但是波长变化的影响作用不大;液压油黏度和活塞运动速度增大,有利于增 大密封间隙油膜厚度,但会增大泄漏量和摩擦系数。     

航空发动机主轴滚子轴承非典型失效机理

针对某航空发动机圆柱滚子轴承的非典型失效问题，基于滚动轴承动力学理论，考虑滚子动不平衡量及滚子与套圈挡边间的碰摩，建立高速圆柱滚子轴承的动力学微分方程组，采用预估-校正GSTIFF（Gear stiff）变步长积分算法进行求解，分析了轴承工况参数和结构参数对动不平衡滚子的最大歪斜角和滚子与挡边最大碰撞力的影响。结果表明：滚子最大歪斜角和滚子与挡边最大碰撞力大小随滚子动不平衡量、轴承内圈转速增加而增大，与径向载荷间未表现出明显的相关性；较小的轴向游隙能够有效抑制滚子歪斜，但会增大滚子与挡边碰撞力，存在合理的轴向游隙范围使得在滚子歪斜角不会过大的情况下滚子与挡边碰撞力较小；较小的保持架兜孔周向游隙与挡边负背角和较大的滚子球端面半径能够减小滚子最大歪斜角和滚子与挡边最大碰撞力。