耦合CFD径向微动分析的航空齿轮泵轴承起动瞬时润滑特性研究

为研究处于动态起动过程中航空齿轮泵齿轮轴-轴瓦隙内油膜的润滑问题,在齿轮泵CFD仿真模拟的基础上,基于齿轮轴所受载荷与轴承间隙起动混合支撑作用的动力学关系,实现了耦合CFD的轴心径向微动分析。对处于齿轮泵瞬态场影响下的滑动轴承起动瞬时润滑特性及接触行为进行了数值分析。仿真结果表明:齿轮泵瞬态场变化产生的载荷波动对轴心微动产生的影响在起动低偏心阶段更为明显,造成的最终静平衡位置在不同方向上差异为0.43%和7.29%;润滑界面微观粗糙度的影响存在于起动高偏心阶段;在泵进口压力不变的条件下,其出口压力的增大不改变固体接触力的作用时间,但会使接触现象加剧;齿轮泵稳定工作转速的增大会减小接触作用时间,并且使不同方向接触力的差值减小;齿轮泵工况改变对于最小油膜厚度的影响相似于轴心轨迹,当出口压由3.02MPa增至9.1MPa时,最小膜厚减小率最大可达26.32%和101.43%。     

行星减速器油膜均载的分析计算

运用流体动力润滑理论分析了油膜均衡行垦齿轮间载荷的机理,解释了共转滑动轴承的动态特性。利用数值方法求解了Ｒｅｖｎｏｌｄｓ方程。计算结果和试验结果有良好的一致性,并表明：共转滑动轴承的油膜柔度随载荷的增大而减小;随轴承间隙的增大而增大;随转速的增大而减小。     

三自由度GMA油膜轴承可视化实验装置

给出了一种三自由度超磁致伸缩驱动器（GMA）油膜轴承可视化实验装置,介绍了它的组成、工作原理及调整方法。该实验装置利用涡轮蜗杆-丝杠传动机构调整实验主轴竖直高度,采用十字滑台、GMA、模具弹簧调整实验轴承在水平面的位置,方便改变实验轴承偏心率,并可利用GMA控制轴承座,减少转子系统振动。在实验台上,进行了椭圆轴承油膜的温度和压力测量以及轴心静平衡位置调整实验。结果表明:通过控制椭圆轴承短轴油膜来调整所支撑转子系统轴心静平衡位置的效果更明显。该实验台可以采集旋转速度在0~10 000 r/min之间的转子轴心轨迹、控制转子工频振动、观察油膜和气穴的形成与破裂实验,为GMA油膜轴承动态性能实验研究打下了一定基础。      

重载下可倾瓦推力轴承的热弹流润滑特性分析

建立了可倾瓦推力轴承的热弹流润滑（TEHD）模型,应用Newton-Raphson迭代法求解,研究了弹性变形、热变形和载荷对油膜静动态特性的影响。结果表明:弹性变形会减弱油膜动压效应,而热变形会增强油膜动压效应;随外载荷增大热变形对轴承静动态特性的影响逐渐减弱而弹性变形的影响更加显著,重载条件下弹性变形的影响更为敏感。考虑轴承材料抗压性能和抗高温性能对可倾瓦推力轴承静动态特性的影响,对优化推力轴承设计、保证其稳定性和安全性具有重要意义。      

航空齿轮泵滑动轴承接触状态流体润滑特性

针对航空齿轮泵处于高负荷状态齿轮轴-轴瓦润滑间隙的润滑问题,将CFD仿真与齿轮轴刚性模型相结合实现了基于CFD径向运动分析的瞬时润滑计算。得到了齿轮泵瞬态场影响下的齿轮轴径向微动情况,在此基础上基于轴承三维热流体润滑计算模型和微凸体接触模型实现了对润滑油膜在高偏心接触状态的特性分析。结果表明:齿轮泵CFD仿真结果与试验结果的误差小于10%,而仿真得到的内流场的瞬变性将通过改变齿轮轴所受径向载荷的波动形状从而影响到轴承的润滑特性。通过对轴承润滑模型的数值计算发现:相比于非接触状态,轴承处于高偏心接触状态时介质的高温、低黏现象加剧。     

静偏心对挤压油膜阻尼器减振特性影响的 数值分析

由于装配误差或重力等原因,挤压油膜阻尼器在实际使用中难以避免产生静偏心。为了研究静偏心对挤压油膜阻尼器减振特性的影响,基于广义雷诺方程推导出静偏心条件下挤压油膜阻尼器雷诺方程并建立了静偏心挤压油膜阻尼器-转子系统的动力学模型,随后运用数值积分获取静偏心下转子系统的非线性响应。研究表明:转子进动半径随着静偏心增大而减小;静偏心显著影响转子轴心轨迹,静偏心时转子轴心轨迹在大多数转速下近似为椭圆而不再是圆,静偏心下突加不平衡响应瞬态振幅远高于无静偏心条件下瞬态振幅。     

考虑轴颈涡动的滑动轴承动力特性数值研究

基于非定常动网格技术建立了考虑轴颈涡动频率与涡动轨迹的滑动轴承动力特性求解模型。在验证求解模型准确性的基础上,研究了轴颈正弦直线涡动轨迹、圆涡动轨迹、椭圆涡动轨迹下,涡动频率和偏心率对滑动轴承动力特性的影响。研究结果表明:轴颈的周期性涡动导致轴承油膜最小间隙和油膜压力周期性变化,油膜最小间隙越小,油膜压力越大;随着轴颈正弦轨迹涡动,由此形成的油膜力也呈正弦规律变化,且变化频率与轴颈涡动频率相同,但油膜力的相位滞后于轴颈涡动位移的相位;轴颈涡动频率及涡动轨迹对滑动轴承动力特性影响较大,需要考虑轴颈涡动对滑动轴承动力特性的影响。随着偏心率的增加,动力特性系数绝对值均随之增大。      

滑动轴承最佳稳定性的优化方法

在求解短轴承非线性油膜力作用下轴心涡动轨迹的基础上，给出了轴颈瞬时涡动能量的表达式，建立了以涡动能量的时间积分为最小的具有最佳稳定性的滑动轴承参数优化模型，并采用最优控制理论对这一模型进行了求解，结合算例说明轴承最佳参数的确定方法     

浮环挤压油膜阻尼器对模拟低压转子突加不平衡响应影响分析

为了研究浮环挤压油膜阻尼器对涡轴发动机模拟低压转子突加不平衡响应的影响,建立了考虑多种耦合的带浮环挤压油膜阻尼器模拟低压转子的动力学模型,推导其运动方程并采用数值方法进行了求解,分析了系统响应随浮环与轴承质量比值、支承刚度和油膜间隙等设计参数的变化.研究表明:相比传统挤压油膜阻尼器,浮环挤压油膜阻尼器更好地抑制了转子系统加速过临界时的瞬态响应以及稳速和升速过程中的突加不平衡响应;增大浮环与轴承质量比值、减小弹性支承刚度和挤压油膜间隙,能够更好地抑制突加不平衡响应的瞬态振幅和瞬态过程;转子系统由于油膜非线性引起的双稳态大振幅区会随浮环与轴承质量比值的增大而减小,而随挤压油膜间隙值的减小而增大.      

GMA椭圆油膜轴承性能实验

为研究超磁致伸缩驱动器（GMA）椭圆油膜轴承性能,搭建了三自由度可控椭圆轴承实验装置,利用GMA动态控制了椭圆轴承所支撑转子的轴心轨迹,观察了椭圆轴承油膜形成和破裂过程,考察了轴径转速、进油压力、偏心率等参数对椭圆轴承油膜气穴位置的影响。实验结果表明:椭圆轴承动态气穴内存在润滑油丝,逆着旋转油流方向移动;随着转速升高或者偏心率增加,椭圆轴承圆周方向油膜破裂边提前;随着转速增加或者进油压力减少,椭圆轴承气穴位置逆着轴向油流方向移动。利用GMA合理控制椭圆轴承短轴油膜间隙,可以更好的抑制转子系统的工频振动。研究结果可为椭圆油膜轴承的稳定性提供参考。      

球面螺旋槽动静压气体轴承的动态特性分析及稳定性预测

以球面螺旋槽动静压气体轴承为研究对象，建立以轴心瞬时位置和瞬时变位速度为参数，球面螺旋槽动静压气体轴承的非线性动态润滑分析计算数学模型.采用导数积分法和有限差分法相结合，数值计算出三维气膜的瞬态扰动压力分布、气膜刚度和阻尼系数.研究转速、偏心率及供气压力对气膜动态特性系数的影响规律.研究结果表明:随着供气压力、转速以及偏心率的增大，气膜刚度和阻尼系数均有不同程度的变化.建立球面螺旋槽动静压气体轴承转子系统稳定性预测模型，根据劳斯稳定性判据预测轴承的稳定性，并将稳定性与主动控制轴承运行时的刚度和阻尼相关联，为遏制轴承失稳提供理论基础.      

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。     

风扇叶片飞失下的结构降载机理

利用简化的转子有限元分析模型,从转子临界转速、支点动态载荷响应和转子轴心轨迹等方面进行了有无降载设计的对比分析,研究了风扇叶片飞失下的结构降载机理。结果表明:由于1#支点的熔断设计,低压转子支承由3个支点变为2个支点,风扇振型的临界转速降低,使得风扇转子运行在超临界转速上,轴心轨迹半径减小,从而降低高转速下的载荷响应,同时该机理研究采用的方法可用于熔断结构载荷阀值范围的确定以及其降载效果的评估。      

行星齿轮系统载荷分配行为机理及影响因素分析

将中心构件轴承弹性变形和太阳轮-行星轮-内齿圈支路的弹性变形分别集中在行星架轴承和行星轮轴承中心得到行星齿轮系统的等效模型,并采用行星架刚体运动来模拟行星齿轮系统的载荷分配行为,从而得到行星齿轮系统的载荷分配求解模型.在此基础上得到了载荷分配与轴承等效刚度、各种误差之间的定量关系,分析了各种影响因素对载荷分配的影响规律.结果表明:当行星架轴承与行星轮轴承的等效刚度相差2个数量级以上时,载荷分配只与行星轮轴承等效刚度和行星轮切向位置误差有关,减小行星轮切向位置误差和行星轮轴承等效刚度可实现均载;行星轮和太阳轮偏心误差使系统受到周期性激励,动态载荷系数增大,因此减小行星轮和太阳轮偏心误差可实现动态均载.     

联合载荷作用下精密角接触球轴承动态特性演变规律

基于滚动体与套圈之间相互作用与相对位置关系,考虑离心力、陀螺力矩等非线性因素影响,建立了精密角接触球轴承五自由度拟静力学分析模型,并基于逐步搜索法原理对轴承刚度计算模型进行优化,揭示了复杂联合载荷作用下精密角接触球轴承动态特性的演变规律。研究表明:轴向载荷在一定程度上减小轴承内外圈接触角差值,削弱由于转速增大引起的刚度软化现象;力矩载荷与径向载荷单独作用时,均导致轴承接触角、接触力波动幅度增大,沿载荷作用方向轴承刚度增大,垂直于载荷作用方向刚度减小;联合载荷作用下,力矩载荷能够抑制径向载荷引起的轴承内部载荷波动,提高轴承承载能力与使用寿命。      

滚珠自转对高速球轴承环下润滑内部流动的影响

高速球轴承正常工作时,处于高速旋转状态,此时油相和气相因重力和离心力的作用在轴承环间剧烈运动。为了更准确地分析轴承环间的两相流动,采取VOF模型进行内部流场的模拟,采用多重旋转坐标系描述部件运动。建立球轴承环下润滑计算模型,分析了考虑滚珠自转因素下轴承内部的流动,并在此基础上探究了转速及供油量对轴承工作状态的影响。结果表明,对比整体模型与滚珠自转模型,发现滚珠自转使得轴承内部油体积分数增大,同时也使得滑油穿透间隙达到外环的能力增加;在考虑滚珠自转情况下,转速的不断增大,使得轴承内部的油相体积分数不断减小,在低转速情况下滚珠自转对流体运动影响较为明显,在高转速情况下公转速度对流体运动起到主导作用,滚珠自转对流体运动影响减弱;供油量不断的增大,使得滚珠自转模型内部的油相体积分数也在不断增大,而且滚珠自转运动会加强滑油在轴承内部的分布。     

球轴承多体接触动力学研究

考虑钢球、套圈和保持架的动态接触关系,提出了机械系统中球轴承多体动力学分析的新方法.基于套圈滚道的三角网格模型,实现了钢球和套圈滚道的动态接触力的预测搜索算法,建立了计及润滑和Hertz接触作用的三维角接触球轴承多体接触动力学模型.运用广义-α方法计算分析了预紧力和旋转径向力作用下角接触球轴承的多体接触动力学特性,获得了球轴承的动态接触力、拖动力和运动轨迹及频谱等振动响应,并利用Gupta经典实例模型进行了实验验证.轻载中等速度下钢球的角速度以184.5rad/s-2波幅周期变化,旋滚比以0.01波幅周期变化,角加速度与动态接触载荷的频谱具有相同的56.1,112.2Hz等谐波倍频成分.中等载荷高速下保持架中心的运动轨迹呈现出以83.3Hz和200Hz双频率拟周期的平动运动.      

高重合度外啮合齿轮齿根弯曲应力计算方法

针对高重合度外啮合直齿圆柱齿轮副,对其齿根弯曲应力计算方法进行了研究.计算了高重合度齿轮的轮齿变形和刚度,对单个轮齿承受的载荷进行了研究,给出了高重合度齿轮齿间载荷分配率的定义和计算方法.以高重合度齿轮的双齿啮合界点作为计算载荷的加载点,给出了高重合度齿轮齿根过渡曲线30°切线位置危险截面的双齿啮合区界点的齿形系数和应力集中系数计算方法,获得了齿根危险截面弯曲应力的计算公式；采用CL 100齿轮试验机,设计了不同重合度的外啮合齿轮副,测量了其齿根的弯曲应力数值,试验结果表明:在高载荷下主动轮的齿根弯曲应力理论计算误差小于7.85%，从动轮的计算误差小于9.8%；低载荷下主动轮的齿根弯曲应力理论计算误差小于24.1%，从动轮的计算误差小于19%.