1、 本科 毕业 设计 (论文 ) （二零 届） 油液动压径向轴承性能的数值计算 所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘 要 轴承基本参数 (轴径的长径比、半径间隙、偏心距和轴承包角等 )的变化，对轴承的静动态特性会产生很大的影响。 流体动压径向滑动轴承具有承载能力大、功耗小、耐冲击、抗振性好、运转精度高等突出的优点。所以，在高速、低速以及高速精密的旋转机械中应用十分普遍，而且成为旋转机械的重要部件。径向滑动轴承的性能优劣直接影响或决定了整台机器的性能和效率 。 本文开头简要阐述了轴承的发展和国内外研究现状。论文主要内容是液体动压轴承的数值计
2、算。从雷诺方程的推导到雷诺方程的无量纲化，从有限元法求解雷诺方程到求解域的网格化分，最后是应用 Matlab 软件进行迭代计算，最终求解出轴承表面油膜压力，并绘制压力分布图。 关键词： 雷诺方程 ;有限差分法 ;数值分析 ;Matlab. II Numerical calculation of the dynamic pressure for Oil bearing Abstract Bearings basic parameters (the trunnion length-diameter ratio, radius clearance, eccentricity and bearing
3、Angle, etc) and changes of bearing of static dynamic characteristics can produce very big effect. Fluid dynamic pressure radial sliding bearing has large carrying capacity, low consumption, impact resistance, ant-vibration sex good, running the outstanding advantages of high precision. So, at high s
4、peed, low speed and high speed precision rotation machinery has been widely used, and become an important part of rotating machinery. Radial sliding bearing performance quality directly affect the whole machine or determines the performance and efficiency. This paper briefly expounds the beginning o
5、f bearings and status in the domestic and overseas development. Paper main content is liquid dynamic pressure bearing numerical calculation. From Reynolds equation derivation to Reynolds equation dimensionless, from the finite element method to solve the Reynolds equation to solving domain dividing,
6、 finally is application of grid software Matlab iterative computation, finally worked out the oil film bearing surface pressure, and drew the pressure distribution. Key words:Reynolds equation； ,Finite difference method； Numerical analysis； Matlab. III 目录 摘 要 . 错误 !未定义书签。 Abstract . 错误 !未定义书签。 1 绪论
7、. 1 1.1课题的来源 及 意义 . 错误 !未定义书签。 1.2轴承行业的国内外发展现状 . 1 1.2.1 我国轴承 的研究现状 . 1 1.2.2 国内外轴承 的研究现状 . 2 1.3课题研究的主要内容 . 5 2设备方案设计与总体设计 . 6 2.1方案设计 . 6 2.2方案评价 . 6 2.3总体设计 . 7 3设计计算和校核 . 8 3.1雷诺方程 . 8 3.2 有限差分法解雷诺方程 . 9 3.3雷诺方程的无量纲化 . 11 3.4粘度的确定 . 14 3.5求解雷 诺方程的边界条件 . 15 3.6承载力的计算方程 . 15 4压力分布图的绘制 . 17 4.1matl
8、ab软件计算 . 17 4.2压力分布图 . 17 4.3计算 结论 . 19 结论 . 20 参考文献 . 21 油液动压径向轴承性能的数值计算 1 1 绪论 1.1 课题的来源 及意义 流体动压径向滑动轴承具有承载能力大、功耗小、耐冲击、抗振性好、运转精度高等突出的优点。所以，在高速、低速以及高速精密的旋转机械中应用十分普遍，而且成为旋转机械的重要部件。比如在汽轮机组、舰船主动力机组、石油钻井机械、轧机及各类大型机床中都有广泛的应用，而且成为这类机械的关键部件之一。 在这些机器中，径向滑动轴承的性能优劣直接影响或决定了整台机器的性能和效率。比如在汽轮发电机组中，性能优良的滑动轴承可以减少停
9、机检修的次数，烧瓦的可能性也低得多。 轴承基本参数 (轴径的长径比、半径间隙、偏心距和轴承包角等 )的变化，对轴承的静动态特性会产生很大的影响。另外，实际工作中的滑动轴承，由于加工、安装误差等因数，其工况条件与理论分析时所考虑的理想工况有很大差距，这种情况下，轴承的一些性能参数会发生变化。 1.2 轴承行业的 国内外发展现状 1.2.1 我国轴承 的研究现状 我国轴承行业发展到现在，已具 备相当的生产规模和较高的技术、质量水平。具有一定规模的轴承企业已发展到 1 500 余家，职工人数壮大到近 80万人，轴承年产量从 1 949 年的 1300万 套增加到目前的 20多亿套，轴承品种累计从1
10、00多个增加至 7000 多个，规格达 28000 多个。 近 1 0年来国外轴承知名公司 (如 SKF、 FAG、 NSK、 NBM 、 KOYO、 T JM KEN、TORRlNGTON等 )先后在我国投资办厂，对我国轴承设计技术水平的提高，生产工艺和生产管理的规范、生产装备水平的现代化、产品的质量和使用性能的提高等方面起到了很大的推动作 用。 2OO亿元，年出口量逾 7 7亿 套，出口创汇约达 7亿 美元，世界排名第 4，满足国内所需产品品种的 70以上，满足所需数量 90以上，出口量也以较高的比例递增。在我国跨入世界轴承生产大国行列的同时，轴承工业依然存在低、散、差的问题普通 微 型、
11、小型、中小型深但另一方面，我国轴承生产企业也面临来自国外知名轴承公司的激烈竞争和挑战，其结果必将加速我国轴承工业的产业结构和严品结构的调整步伐，真可谓机遇与挑战并存、生产与发展同在。如何抓住机遇，提高企业的生存能力，在生存的同时如何求得持续、快速的发展是摆在我国轴承行业面前 不可回避、也无法油液动压径向轴承性能的数值计算 2 回避的问题。 目前，我国轴承产量达 2O亿套以上，产值已超过沟球轴承仍在大量低水平重复生产，导致严重供过于求，由于市场竞争激烈， 价格大战愈演愈烈。如果这种情况长期地持续下去，势必要影响到整个轴承行业技术改造和技术进步，影响我国的轴承产品在国际上的声誉，严重制约我国轴承工
12、业的健康发展。质量要求严、技术附加值高的轴承仍需要大量的进口。例如轿车轴承、高速、准高速铁路轴承，各种进口设备维修用轴承，部分高精度、高附加值和在特殊工况条件下使用的专用轴承供应缺口较大，我国生产的轴承产品在性能与价格比、高精 度、低噪音、长寿命与高可靠性等方面与国外知名企业存在着较大的差距。在石油钻井中，滑动轴承牙轮钻头的应用日益增多，但轴承的工作环境却相当恶劣。为了提高钻头滑动轴承的工作寿命，并为这类轴承的设计提供科学依据， 针对其实际应用工况， 1995年清华大学的邵天敏呻设计制造了一种 IPG 2型滑动轴承实验台。该实验台可以进行滑动轴承摩擦扭矩、摩擦系数、磨损和轴承温升的测量，也可以
13、进行其他类型的低速、重载径向滑动轴承的实验。利用该实验台在 30kN、 40kN和 50kN的 3种载荷条件下，对牙轮钻头镶嵌铜合金的滑动轴承进 行了台架试验研究，着重考察了铜合金镶嵌区尺寸之大小对轴承摩擦磨损性能的影响。 1.2.2 国内外对轴承 的研究现状 1995年上海大学孙美丽针对全轴承的定常和非定常工作情况，设计制造了一台对中旋转、不对中旋转及混合型旋转的轴承实验台，并在此实验台上进行了这三种旋转类型的轴承内油膜分布实验研究。该实验台具有可以调节静偏心量和动偏心量及轴颈在轴承中位置的机构，因此可以观察到不同静、动载荷搭配情况下轴承油膜破裂的情况。该实验台电机最大转速 2000rpm，
14、研究中使用直径 59 00mm和 59 10mm两种轴颈。 西安交通大学于 1995年设计制造了液压加载流体动压滑动轴承用于径向滑动轴承的静特性研究。该实验台主轴转速可在 100rpm至 3000rpm 无级调整，实验轴承内径 50mm。该实验台专门设计了平移机构来实现传感器对整个轴承宽度的压力测量。实验选用宽径比 O 6、 1、 1 2三种规格来测量宽径比对油膜压力分布的影响。液压加载力可在 100N至 2000N间调整，从而达到变载荷下的测量。选取相对间隙 分别为 O 0016、 0 0022和 0 0032的三种轴瓦来研究相对间隙对压力分布的影响。 1997年西安交通大学的姜歌东和徐华阳
15、在 200mm实验台上对 300MW汽轮机油液动压径向轴承性能的数值计算 3 组中的两种支承轴承 (上瓦开槽圆轴承和上瓦开槽椭圆轴承 )按比例缩小模型进行了实验研究，测试了不同工况下这两种轴承的动、静特性。通过与理论计算值的比较，进一步证实了实验结果和理论计算的一致性，为研究不同结构径 向滑动轴承对汽轮机组稳定性的影响提供了基础。 2000年上海大学设计制作了一套较为完善的多因素固液界面滑移特性实验装置，可用于进行不同场压力、不同转速、间隙等条件下的滑移特性试验。应用这套试验装置对金属材料及 EMP材料的边界滑移特性进行了多组对比试验。该装置使用杠杆加载机构对轴承加径向载荷，因此加载范围仅为
16、O 5 10KN。载荷最小变化量 T =0 5KN。调速系统使用变频器加变频电机的方案，但频率变化最小值为 minf =0.1Hz，电机转速最小改变值为 minn =3rpm，本质上仍属于有级调速。 哈尔滨工业大学为了实现滑动轴承动压油膜承载力曲线和摩擦特性曲线的测量描绘，于 2002 年设计了新型滑动轴承实验台。通过计算机软件编程控制轴承加载力的大小，加载力在 0 1000N内可调，可调最小量 10N；计算机控制直流电机的调速，转速 0 1500rpm内可调。采用 Visual Basic语 言，在 VisualC+中编制数据采集、电机控制动态连接库程序，在 VB中用该程序以实现滑动轴承实验
17、台的计算机数据采集和控制。该实验台的创新之处在于使用步进电机和杠杆组合机构实现了连续可调加载，但仍存在所加载荷不大的缺点。 2003年东方电机股份有限公司在实验台上采用 360的模型轴承对 1740可倾 6瓦块原型轴承进行了模拟实验，最高比压为 3 37MPa，最高线速度为22 62m s。实验台由 850KW直流电机驱动，波纹管加载，可进行 0-3000rpm、载荷 2 1 5t的轴承实验。在三种安装间隙下，进行了变转速、变比压、变进油温度及变进油压力实验，测得了该轴承在各种工况下稳态时油膜厚度、瓦温度、损耗、流量等，得到了该型轴承最佳性能范围。 太原科技大学于 2004年研制出大型轧机油膜
18、轴承实验台，通过使用 1： 8的变速器，主轴最大转速达 8000rpm至 10000rpm，液压缸加载，最大加载能力90t。其加载液压缸设计成可移动的形式，因此实验轴承既可 安装在中间，也可安装成悬臂形式。该实验台可以进行油膜轴承、滚动轴承、油膜滚动复合轴承等多种轴承的实验研究。具有超高压顶起装置，实验轴承启动时，可使用超高压油 (100MPa)项起轴承，可以进行动静压油膜轴承的研究。 2005年哈尔滨第七 O三研究所设计了大型径向和推力滑动轴承实验台。该实验台采用了径向试验轴承和推力试验轴承组合形式，为卧式结构。在实验时油液动压径向轴承性能的数值计算 4 只需更换试验组建和实验的主轴，就可以
19、进行不同项目的实验。即当实验推力轴承时，使用推力实验轴承组建与带推力盘的试验主轴；当实验径向轴承时，改用径向实验轴承 组件和径向试验主轴。两种实验共用一个驱动电机、增速齿轮箱、联轴器和润滑供油系统。实验台主要由本体部分、液压转动与供油系统、数据检测与处理系统、电力拖动与电气空载系统等部分组成。实验台采用静压加载，油泵额定压力为 6 3MPa，额定流量为 0 8L rain，活塞直径为 1 80mm，径向实验轴承为倒置式，实验轴承最大直径为 200mm，最大宽度为 200mm。实验轴承低压供油，供油压力最高 O 6MPa，最大流量为 860L min。 澳洲电力基金会出资在澳大利亚 WOLLON
20、GONG 大学机械工程系建立了一个汽轮机滑动轴承实验台。实验台可装两大型动压轴承和一个静压轴承，与国际上现流行的单轴承实验台相比， 两台 支承的实验台更接近于轴承 的实际工作状态。 1.3 课题研究的主要内容 论文主要内容是液体动压轴承的数值计算。从雷诺方程的推导到雷诺方程的无量纲化，从有限差分法求解雷诺方程到求解域的网格化分，最后是应用Matlab软件进行迭代计算，最终求解出轴承表面油膜压力，并绘制压力分布图。 从迭代方程中找出影响油膜压力的因素。轴承的直径，转速，长度， 偏心率等。 从压力分布图中观察压力分布情况。经过多次的计算观察影响因素的变化，会引起油膜压力怎样变化。 油液动压径向轴承
21、性能的数值计算 5 2 方案设计与总体设计 2.1 方案设计 当轴颈旋转将润滑油带入轴承摩擦表面时，由于油的粘性作用，当达到足够高的旋转速度时，油就被带入轴和轴瓦配合面间的楔形间隙内而形成流体动压效应，即在承载区内的油层中产生压力。当压力与外载荷平衡时，轴与轴瓦之间形成稳定的油膜。这时轴的中心相对轴瓦的中心处于偏心位置，轴与轴瓦之间处于完全液体摩擦润滑状态。因此这种轴承摩擦小，寿命长，具有一定吸震能力。 液体动压润滑油膜形 成过程及油膜压力分布形状如图 2-1所示。 2.2 方案评价 液体动压轴承的油膜状态，影响轴承的工作性能。研究动压轴承油膜的工作性能，将丰富轴承设计理论，提高轴承设计水平。
22、分析动压轴承油膜特性，计算分析典型的轴承在各种设计参数下的轴承 油膜压力分布 。 毕业设计内容即为求解轴承油膜压力分布。需要对雷诺方程进行无量纲化求解，并编写 Matlab 程序，利用软件进行若干次迭代计算，在误差精度范围内求得压力分布 。 2.3 总体设计 （ 1）总体设计的内容 总体设计是机械系统内部设计的主要任务之一，也是进行系统技术设 计的依据。总体设计的主要内容有： (b) 启动时 F F (a) 静止时（ n=0） F e C是是是轴承轴承间隙 (c) 形成油膜 图 2-1 液体动压润滑油膜形成过程及油膜压力分布 油液动压径向轴承性能的数值计算 6 1) 采用差分法求解液体润滑 Reynolds 方程。 2) 计算轴承承载力，分析轴承性能 。 3) 利用软件计算油膜压力分布。 4) 编写总体设计报告书及技术说明书等。 （ 2） 总体布置设计 总体布置的基本要求主要有： 1) 清楚 液体动压润滑径向滑动轴承的工作原理； 2) 雷诺方程正确无量纲化 ； 3) 软件正确调试，确保油膜压力分布图形正确 ； （ 3） 总体主要参数的确定 mmR 20 ， mm40L ， rpmn 1000 ， .30 ， mmc 2 R 为轴承半径， L 为轴承长度， 为偏心率， ce/ ,e 为偏心距， c 为半径间隙，油液粘度 3.00 Pa.s。
