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。     

航空燃油柱塞泵滑靴静压润滑油膜计算分析

滑靴与斜盘是一对重要的摩擦副,滑靴与斜盘之间的油膜润滑性能对燃油柱塞泵的使用寿命有很大影响.通过数值计算,得到了排油区滑靴油膜厚度与转子转角、斜盘倾角、油池压力、柱塞压紧力之间的变化规律,建立油膜厚度变化的微分方程,给出在吸、排油一个周期内,滑靴油膜厚度的动态变化规律.利用油膜计算方法,可以分析滑靴运动一周,滑靴与斜盘间的油膜润滑状态,从而为合理设计航空燃油柱塞泵滑靴与斜盘摩擦副提供理论依据.      

Impact of the thermal effect on the load-carrying capacity of a slipper pair for an aviation axial-piston pump

A thermal hydraulic model based on the lumped parameter method is presented to analyze the load-carrying capacity of a slipper pair in an aviation axial-piston pump under specified operating conditions. Both theoretical and experimental results are presented to demonstrate the validity of the thermal hydraulic model. The results illustrate that the squeezing force and thermal wedge bearing force are the main factors that affect the film thickness and load-carrying capacity. At high oil temperature and high load pressure, the film thickness decreases with increasing clamping force due to a combined action of the squeezing bearing force and the thermal wedge bearing force, but the load-carrying capacity will increase. An increase of the film thickness is proven to be beneficial under high shaft rotational speed but especially dangerous as it strongly increases the ripple amplitude of the film thickness, which leads to decreasing the load-carrying capacity. The structural parameters of the slipper can be optimized to achieve desired performance, such as the slipper radius ratio and orifice length diameter ratio. To satisfy the requirement of the load-carrying capacity, the slipper radius ratio should be selected from 1.4 to 1.8, and the orifice length diameter ratio should be selected from 4 to 5.     

航空燃油齿轮泵滑动轴承非线性瞬态性能数值分析

为研究航空燃油齿轮泵滑动轴承在复杂交变载荷扰动下的瞬态润滑行为,建立了燃油齿轮泵滑动轴承的瞬态计算模型。该模型考虑了滑动轴承油膜空化边界的质量守恒和其所处非线性动态承载环境的影响。在此基础上使用批处理技术实现了燃油齿轮泵和滑动轴承的联合仿真计算,在滑动轴承的瞬态润滑计算过程中计入了燃油泵瞬态内流场和其动态载荷的耦合作用。以此进行了恒定载荷和动态载荷工况下的轴心轨迹稳定性分析以及轴承瞬态润滑性能分析研究。研究结果表明：滑动轴承计算模型的计算结果与实验数据较为吻合,误差保持1.2%以内;燃油齿轮泵的动态载荷对轴心轨迹的影响体现在轨迹启动段偏移的增大以及静平衡位置的消失;通过不同关键参数的对比研究发现：合理的增大宽径比或减小间隙比可以获得更为理想的轴心轨迹静平衡位置,但对于轴承转子运动的稳定性,间隙比由0.2%增至0.6%时,未稳定阶段轴心位置的变化趋势由双峰变为单峰,速度稳定段曲线的波动幅值先增大后趋于不变;当宽径比由0.6增至1.2时,全周期内速度响应曲线的偏移降低,轴心运行的稳定性提高;在轴承瞬态润滑特性中对于轴承载荷变化泄露流量具有的敏感性较强而最小油膜厚度的敏感性较差。     

轴向柱塞泵滑靴副的热结构耦合特性

为了改善轴向柱塞泵滑靴副的耐磨损性能,建立了滑靴与斜盘摩擦副的瞬态热结构耦合模型,分析压力冲击条件下滑靴的表面温度、应力以及变形的变化规律.研究结果表明:某型轴向柱塞泵中滑靴温度随柱塞腔压力呈周期性变化,滑靴温度范围为45.5~49.8℃,且滑靴的最高温度出现在泵的吸排油过渡区.当滑靴处于泵的排油区时,滑靴的最大轴向应力为250MPa,集中在滑靴油腔与密封带之间的边缘区域.滑靴的轴向应力分层显著,引起滑靴的变形分化,其变形量为12.5~15μm,出现在滑靴的边缘.由于滑靴的输入热流密度增强磨粒的剪切力,加剧滑靴表面的微切削和挤压变形,导致滑靴表面出现条状剥落和凹坑磨损,呈现出黏着和磨粒磨损特征.      

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。      

载荷扰动下可倾瓦推力轴承绝热瞬态过程分析

研究了可倾瓦滑动推力轴承在阶跃载荷扰动下的绝热瞬态行为.通过对轴承油膜参数及轴承元件的动力学建模,获得了大载荷扰动工况下可倾瓦推力轴承热瞬态运动参数的非线性响应曲线.由于瞬态分析中大的计算量及油膜力的非线性,计算中采用了Newton-Raphson法对模型进行求解.最终给出了瞬态过程中轴承最高温度、最小膜厚等参数的变化规律.结果表明:如果设计和运行不当,轴承有可能因为瞬态过程中温升过高等原因失效.      

Performance optimization of grooved slippers for aero hydraulic pumps

A computational fluid dynamics(CFD) simulation method based on 3-D Navier–Stokes equation and Arbitrary Lagrangian–Eulerian(ALE) method is presented to analyze the grooved slipper performance of piston pump.The moving domain of grooved slipper is transformed into a fixed reference domain by the ALE method,which makes it convenient to take the effects of rotate speed,body force,temperature,and oil viscosity into account.A geometric model to express the complex structure,which covers the orifice of piston and slipper,vented groove and the oil film,is constructed.Corresponding to different oil film thicknesses calculated in light of hydrostatic equilibrium theory and boundary conditions,a set of simulations is conducted in COMSOL to analyze the pump characteristics and effects of geometry(groove width and radius,orifice size) on these characteristics.Furthermore,the mechanics and hydraulics analyses are employed to validate the CFD model,and there is an excellent agreement between simulation and analytical results.The simulation results show that the sealing land radius,orifice size and groove width all dramatically affect the slipper behavior,and an optimum tradeoff among these factors is conducive to optimizing the pump design.     

Fault diagnosis of an intelligent hydraulic pump based on a nonlinear unknown input observer

Hydraulic piston pumps are commonly used in aircraft. In order to improve the viability of aircraft and energy efficiency, intelligent variable pressure pump systems have been used in aircraft hydraulic systems more and more widely. Efficient fault diagnosis plays an important role in improving the reliability and performance of hydraulic systems. In this paper, a fault diagnosis method of an intelligent hydraulic pump system (IHPS) based on a nonlinear unknown input observer (NUIO) is proposed. Different from factors of a full-order Luenberger-type unknown input observer, nonlinear factors of the IHPS are considered in the NUIO. Firstly, a new type of intelligent pump is presented, the mathematical model of which is established to describe the IHPS. Taking into account the real-time requirements of the IHPS and the special structure of the pump, the mechanism of the intelligent pump and failure modes are analyzed and two typical failure modes are obtained. Furthermore, a NUIO of the IHPS is performed based on the output pressure and swashplate angle signals. With the residual error signals produced by the NUIO, online intelligent pump failure occurring in real-time can be detected. Lastly, through analysis and simulation, it is confirmed that this diagnostic method could accurately diagnose and isolate those typical failure modes of the nonlinear IHPS. The method proposed in this paper is of great significance in improving the reliability of the IHPS.     

基于Newton-Raphson算法的径向轴承瞬态热流体动力润滑的研究

建立了径向轴承在载荷和速度突然变化时的三维数学模型，模型中考虑了轴瓦的热变形，在油膜和轴瓦交界面采用热流连续的理想边界条件，数值模拟轴承的瞬态温度场，并对轴承的瞬态性能进行分析。在每一瞬时，用Newton—Raphson算法同时求解Reynolds方程、膜厚方程和轴颈运动方程获得轴承油膜的压力分布和轴颈中心的运动速度，然后数值积分压力分布得到轴承的油膜力，差分运动速度得到轴颈中心位置和运动加速度。用一有效的有限差分法同时求解油膜和轴瓦的温度控制方程。最后将Reynolds方程和能量方程通过节点压力和温度相耦合获得轴承的瞬态三维温度场。结果表明本所介绍的方法收敛快，大大节约计算时间。     

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。     

变截面悬臂梁结构动载荷辨识方法

在航空航天领域，作用在结构上动载荷的确定对结构健康监测是非常必要和重要的。为此，本文以类似机翼结构的变截面悬臂梁结构为研究对象，提出了一种基于光纤光栅传感器与卡尔曼滤波器的动载荷识别方法。首先，根据变截面梁单元形式，推导出变截面梁的质量矩阵与刚度矩阵，建立动力学运动方程。然后，以光纤光栅传感器测得的应变信息作为观测信号，通过卡尔曼滤波器生成的增益矩阵、新息序列矩阵以及协方差矩阵，得到灵敏度矩阵和估计力的增益矩阵。在此基础上，利用广义回归模型及其最小二乘算法，估算出动载荷大小、判断出动载荷激励位置。借助数值仿真与实验手段，分别验证了该方法对于单点正弦激励、方波激励、锯齿波激励以及多点同时激励等工况下的动载荷识别效果。结果表明，本文所提算法具有较好的动载荷识别效果和噪声抑制能力，能够为未来风洞试验和真实飞行试验环境中诸如大展弦比机翼表面气动压力等载荷实时辨识、气动外形自适应控制以及结构健康监测提供技术支撑。     

载荷分布对空气静压轴承振动特性的实验

针对空气静压轴承涡激振动问题,以圆盘型小孔节流空气静压轴承为研究对象,基于涡流激振原理和振荡流体力学理论,分析了气膜的动态特性和流体激振稳定性;采用平面流函数分析了三维气旋涡量分布特征;最后利用实验测试及理论研究相结合的方法分析了载荷分布对气浮轴承微振动特性的影响规律。研究发现：空气静压轴承的微振动本质上是气膜流场内的非定常流动引起的涡旋和壁面之间的耦合作用,即压力脉动和涡量分布决定的。轴承表面的载荷分布情况直接决定气膜高度方向的压力梯度和能量转化趋势;供气压力和气膜厚度的改变直接影响气膜内总能量输入和流动过程中能量损耗及转化形式。     

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。     

渐开线直齿轮的动力学与弹流润滑耦合

综合考虑时变啮合刚度和油膜刚度、表面粗糙度以及摩擦转矩等对动力学行为的影响,基于载荷分担理论和动力学理论建立了六自由度渐开线直齿轮摩擦动力学模型.采用解耦方法求解该摩擦动力学模型,即将摩擦动力学模型求解获得的动态轮齿作用力和表面速度用于润滑分析中,反过来润滑分析获得的摩擦因数和油膜刚度将用于动力学分析计算中.通过实例研究了摩擦学特性和动力学行为以及两者之间的耦合关系.研究表明:考虑耦合效应后齿轮综合刚度略有下降.滑动摩擦力对垂直于啮合线方向的动态响应的影响比较显著,摩擦力会加剧该方向的振动.动态载荷对油膜厚度、油膜承载比例、油膜温升和摩擦因数影响均较大,且动力学行为对油膜温升分布的影响取决于相对滑动速度的大小.      

面向外啮合齿轮泵困油问题的健壮性设计

针对外啮合齿轮泵困油区压力高导致噪声大、低容积效率等问题,综合齿轮泵工作过程中内部流体动态特性,提出了面向齿轮泵困油问题的健壮性设计方法.以某型号高压齿轮泵为研究对象,建立三维流体模型,利用CFD专业软件PUMPLINX,基于全空化模型对齿轮泵内部流场进行解析,分析了该齿轮泵猫眼式卸荷槽结构参数、齿轮泵转速、负载压力以及介质特性对困油区压力的影响,并借助于试验设计和响应面函数方法建立了关于困油区压力的近似模型.最后,以困油区压力模型服从正态分布且均方差最小为目标,优化了猫眼式卸荷槽尺寸参数来减少转速、负载和介质特性对困油区压力的影响,并以随机分析方法验证齿轮泵困油区压力对不可控因素随机变化的健壮性,验证结果表明:随着不可控因素的随机变化困油区压力峰值对其敏感波动从健壮性设计前的40%缩小至健壮性设计后的18%左右,从而提高了泵的稳定性和可靠性.      

Investigation of rotor control system loads

This paper concentrates on the aeroelasticity analysis of rotor blade and rotor control systems. A new multi-body dynamics model is established to predict both rotor pitch link loads and swashplate servo loads. Two helicopter rotors of UH-60A and SA349/2, both operating in two critical flight conditions, high-speed flight and high-thrust flight, are studied. The analysis shows good agreements with the flight test data and the calculation results using CAMRAD II. The mechanisms of rotor control loads are then analyzed in details based on the present predictions and the flight test data. In high-speed conditions, the pitch link loads are dominated by the integral of blade pitching moments, which are generated by cyclic pitch control. In high-thrust conditions, the positive pitching loads in the advancing side are caused by high collective pitch angle, and dynamic stall in the retreating side excites high-frequency responses. The swashplate servo loads are predominated by the rotor pitch link loads, and the inertia of the swashplate has significant effects on high-frequency harmonics of the servo loads.     

油滴/金属壁面正碰撞的油膜动力学特性

为诠释轴承腔中润滑油滴与腔壁碰撞形成的沉积油膜流动铺展问题,采用流体体积(VOF)方法建立了油滴与金属壁面正碰撞的三维数值分析模型,在试验获得油滴与壁面静态接触角的基础上,通过数值计算,探讨了沉积油膜动态铺展和回缩过程,以及油滴直径和碰撞速度对沉积油膜铺展直径、特征厚度、铺展速度以及碰撞力等油膜动力学特性的影响。结果表明:沉积油膜在最大铺展直径时呈中心微凹的圆盘形状,进入回缩阶段后则蜕变为边缘薄中心厚的圆盘形状;沉积油膜的回缩速度和回缩阶段的碰撞力都非常小,其值接近于0,并保持基本恒定;随着油滴直径的增大,沉积油膜铺展直径、特征厚度、铺展速度以及碰撞力均增大;随着碰撞速度的增大,油膜铺展直径和碰撞力增大,特征厚度却随之减小。与相关试验结果的对比,验证了提出的数值分析模型的可靠性和正确性。      

航空燃油柱塞泵滑靴油膜的多目标优化设计

以锥形转子球面斜盘轴向燃油柱塞泵为研究对象,在分析滑靴油膜设计中的摩擦功率损失、泄漏功率损失、容积效率随滑靴的机械结构参数变化的基础上,基于遗传算法对上述多变量、多目标优化问题进行计算.权重系数法优化结果表明:优化后燃油柱塞泵设计点的摩擦功率损失和泄漏功率损失减少了7%左右,容积效率略微提升,并且优化得到的机械结构参数在不同转子转角和柱塞倾角的情况下也显示出性能上的优势,从而证明了多目标遗传算法对设计航空燃油柱塞泵油膜静压润滑是一种有效的方法.     

燃油柱塞泵滑靴副和配流副油膜计算研究

通过分析航空燃油柱塞泵滑靴副及配流副间油液的流动特点,综合考虑挤压效应,热楔效应对油膜厚度的影响,得到满足滑靴副及配流副油膜变化的统一微分方程,通过求解方程,可计算得到滑靴副和配流副油膜厚度在柱塞旋转一周内的变化规律,弥补传统静压支承油膜计算方法的不足.