發(fā)布時(shí)間：2020-05-29 08:02

【摘要】：主軸軸承是航空發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)定可靠運(yùn)轉(zhuǎn)的核心部件,高速、重載和高溫是其典型工況。隨著航空發(fā)動(dòng)機(jī)大推重比的不斷提高,無(wú)疑使得這些典型極端工況變得越來(lái)越苛刻,導(dǎo)致主軸軸承失效的比例增大。但是隨著軸承材料的不斷改進(jìn),由于疲勞和斷裂造成的軸承失效相對(duì)變少,與潤(rùn)滑相關(guān)的打滑蹭傷和摩擦磨損等失效越來(lái)越多。因此,研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承典型工況下潤(rùn)滑油的使役行為和潤(rùn)滑機(jī)制有著重要的意義。本文以航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承為研究對(duì)象,建立軸承擬動(dòng)力學(xué)和熱彈流潤(rùn)滑耦合分析方法,并在耦合分析中考慮粗糙度效應(yīng)、非牛頓流體、瞬態(tài)效應(yīng)和多潤(rùn)滑狀態(tài)并存情況的影響,以其典型工況為算例,形成一條從動(dòng)力學(xué)到熱彈流潤(rùn)滑,再到接觸狀態(tài)分析的完整理論計(jì)算體系,能夠準(zhǔn)確獲得主軸軸承動(dòng)態(tài)性能、潤(rùn)滑特性和狀態(tài)以及接觸應(yīng)力分布。論文研究的主要內(nèi)容如下:建立了苛刻復(fù)雜工況下航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸軸承擬動(dòng)力學(xué)和熱彈流耦合分析方法。擬動(dòng)力學(xué)分析為熱彈流分析提供接觸微區(qū)力學(xué)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù),熱彈流分析獲得潤(rùn)滑性能反饋?zhàn)饔糜跀M動(dòng)力學(xué),二者相互循環(huán)迭代實(shí)現(xiàn)耦合分析。通過(guò)對(duì)比不同工況的試驗(yàn)實(shí)測(cè)、擬合公式和耦合分析方法獲得最小膜厚,結(jié)果表明,耦合分析結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合更好。與傳統(tǒng)擬動(dòng)力學(xué)分析獲得的動(dòng)態(tài)性能相比,耦合分析方法考慮熱效應(yīng)的影響,最小膜厚和摩擦系數(shù)發(fā)生變化,膜厚減小,接觸變形和接觸載荷增大,軸承剛度變大,接觸微區(qū)形狀改變,相對(duì)滑動(dòng)增大,摩擦系數(shù)又影響摩擦力,從而改變整個(gè)滾動(dòng)軸承的受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。另外,載荷的增大還會(huì)帶來(lái)球軸承接觸角減小,自旋運(yùn)動(dòng)受到抑制,旋滾比減小;滾子軸承承載的滾子數(shù)目增多,保持架的滑動(dòng)率減小�；隈詈戏治龇椒�,對(duì)主軸軸承的熱彈流潤(rùn)滑性能進(jìn)行了參數(shù)化研究。球軸承內(nèi)圈曲率系數(shù)增大,導(dǎo)致接觸載荷變大,膜厚減小,對(duì)潤(rùn)滑不利;增大球軸承初始接觸角和滾動(dòng)體數(shù)目,接觸應(yīng)力減小,有利于增大膜厚,改善潤(rùn)滑;高轉(zhuǎn)速引起的滾動(dòng)體自旋效應(yīng)使得油膜熱彈流性能不再對(duì)稱(chēng)分布,最小膜厚增大,最大溫度升高,潤(rùn)滑性能變差。滾子軸承內(nèi)圈徑向游隙增大,承載的滾子數(shù)目減少,保持架的滑動(dòng)率和(接觸應(yīng)力與相對(duì)滑動(dòng)速度乘積)值增大,油膜溫度升高,膜厚減小,對(duì)潤(rùn)滑不利;內(nèi)圈橢圓度增大,滾子的受力分布發(fā)生變化,承載的滾子數(shù)目增多,保持架的打滑率和值減小,油膜溫度降低,膜厚增大,改善潤(rùn)滑�；跀M動(dòng)力學(xué)分析,考慮熱效應(yīng)、非牛頓流體和三維隨機(jī)粗糙度的影響,建立航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸球軸承粗糙表面非牛頓熱彈流潤(rùn)滑分析模型。對(duì)比了高斯表面、正弦表面和光滑表面的熱彈流潤(rùn)滑性能,討論了均方根和工況參數(shù)對(duì)主軸球軸承高斯表面油膜潤(rùn)滑性能和狀態(tài)的影響。探究了非高斯粗糙度參數(shù)偏態(tài)、峰度、橫向紋理和縱向紋理特性對(duì)主軸球軸承油膜潤(rùn)滑性能和表面應(yīng)力分布的影響。有機(jī)結(jié)合有限元分析技術(shù),完成主軸球軸承次表層應(yīng)力計(jì)算,并對(duì)最大等效應(yīng)力進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證,探討了非高斯粗糙度參數(shù)對(duì)主軸球軸承相對(duì)滾動(dòng)疲勞壽命的影響�？紤]航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸球軸承變速過(guò)程中的瞬態(tài)效應(yīng)和多潤(rùn)滑狀態(tài)并存情況,耦合其擬動(dòng)力學(xué)性能,建立了主軸球軸承變速工況下的瞬態(tài)混合熱彈流潤(rùn)滑數(shù)值分析模型。以變速和重載工況為算例,對(duì)比了瞬態(tài)混合熱彈流數(shù)值解與光干涉試驗(yàn)數(shù)據(jù),驗(yàn)證了方法的正確性。研究了主軸球軸承啟動(dòng)過(guò)程單個(gè)滾動(dòng)體與內(nèi)圈接觸時(shí)由邊界潤(rùn)滑到全膜潤(rùn)滑的轉(zhuǎn)變?nèi)^(guò)程,給出了所有方位角處的滾動(dòng)體與內(nèi)圈潤(rùn)滑性能及狀態(tài),并與停車(chē)過(guò)程進(jìn)行了比較,結(jié)果表明,停車(chē)過(guò)程潤(rùn)滑狀態(tài)更好,邊界潤(rùn)滑時(shí)間更短,存在邊界潤(rùn)滑的滾動(dòng)體數(shù)目更少。研究了轉(zhuǎn)速增量對(duì)加速過(guò)程中主軸球軸承潤(rùn)滑狀態(tài)及特性的影響,提高轉(zhuǎn)速增量有利于快速增大膜厚、降低摩擦、縮短不良潤(rùn)滑時(shí)間。探討了工況參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)和潤(rùn)滑油參數(shù)對(duì)停車(chē)過(guò)程中主軸球軸承瞬態(tài)混合熱彈流性能的影響,結(jié)果表明,徑向載荷、軸向載荷、內(nèi)圈曲率系數(shù)和入口油溫增大,主軸球軸承提前進(jìn)入不安全混合潤(rùn)滑狀態(tài),邊界潤(rùn)滑時(shí)間增大,膜厚減小,對(duì)潤(rùn)滑不利;潤(rùn)滑油粘度和滾動(dòng)體數(shù)目增多,主軸球軸承延遲進(jìn)入不安全混合潤(rùn)滑狀態(tài),縮短了邊界潤(rùn)滑時(shí)間,膜厚增大,溫度降低,改善了潤(rùn)滑。本文所建立的航空發(fā)動(dòng)機(jī)主軸滾動(dòng)軸承擬動(dòng)力學(xué)和熱彈流潤(rùn)滑耦合分析模型為主軸軸承動(dòng)態(tài)特性和潤(rùn)滑性能的準(zhǔn)確獲取,潤(rùn)滑狀態(tài)的合理判斷和潤(rùn)滑失效的有效預(yù)測(cè)提供理論依據(jù),為進(jìn)一步優(yōu)化主軸軸承設(shè)計(jì)參數(shù)和延長(zhǎng)主軸軸承疲勞壽命作理論鋪墊,具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
【圖文】：

第 1 章 緒 論- 5 -成了高速軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的驗(yàn)證試驗(yàn)。圖1-3為工況參數(shù)(轉(zhuǎn)速、徑向載荷和彎矩)對(duì)球軸承接觸應(yīng)力×滑動(dòng)速度(PV)值的影響。由圖可知，轉(zhuǎn)速增大，PV值增大，內(nèi)圈PV值大于外圈；當(dāng)彎矩或徑向載荷存在時(shí)，PV值分布改變，，部分球的PV值會(huì)變得很大。還給出了滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和打滑率，部分球的打滑率很大，存在于軸承非承載區(qū)；部分球打滑率近似于零，存在于軸承承載區(qū)。軸承內(nèi)部接觸微區(qū)力學(xué)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)復(fù)雜多變，若想準(zhǔn)確獲取，需要進(jìn)行軸承擬動(dòng)力學(xué)分析。a) 球軸承坐標(biāo)系 b) 滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)速度和打滑率c) 轉(zhuǎn)速對(duì)球軸承PV值的影響 d) 載荷和彎矩對(duì)球軸承PV值的影響圖1-3 工況參數(shù)球軸承接觸微區(qū)力學(xué)受力和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響[12]Fig.1-3 Working conditions effects on loading and motion states of ball bearing近三年來(lái)

[23]以航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承典型工況為算例，詳細(xì)分析了軸承內(nèi)部零件間的運(yùn)動(dòng)及位置關(guān)系，建立了高速滾動(dòng)軸承完全動(dòng)力學(xué)模型，圖1-4給出了軸承加速過(guò)程中內(nèi)圈、保持架、滾動(dòng)體自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化。由圖可知，軸承工作在高速運(yùn)轉(zhuǎn)工況時(shí)，加速過(guò)程中自轉(zhuǎn)及公轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速都呈現(xiàn)連續(xù)波動(dòng)上升的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，主要原因來(lái)自滾動(dòng)體和兜孔高速工況下高頻率碰撞。a) 球軸承及其坐標(biāo)系 b) 兜孔和滾動(dòng)體的沖擊力
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：V233.45

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2686645