水潤滑橡膠軸承多場多因素耦合分析與潤滑界面改性研究.pdf

1、論文研究內(nèi)容來源于國家國防基礎(chǔ)科研項目“多場耦合條件下XXX系統(tǒng)創(chuàng)新設(shè)計理論和方法”、中船重工集團(tuán)公司第XXX研究所合作項目“XXX混合潤滑狀態(tài)XXX特性規(guī)律研究技術(shù)開發(fā)”和中國人民解放軍XXX大學(xué)合作項目“XXX樣機(jī)設(shè)計與研制”，主要針對我國海軍XX裝備B艇推進(jìn)系統(tǒng)存在著摩擦自激振動中、高頻噪聲，和新型艦船泵噴推進(jìn)系統(tǒng)對水潤滑橡膠軸承潤滑性能提出的苛刻要求，綜合應(yīng)用流體力學(xué)、界面力學(xué)、摩擦學(xué)、熱力學(xué)、材料科學(xué)和物理化學(xué)等多學(xué)科交叉耦合

2、分析方法，通過全面深入分析材料、結(jié)構(gòu)、工況、負(fù)載、溫度等多場多介質(zhì)耦合條件下的水潤滑橡膠合金軸承混合潤滑特性，研究橡膠襯層界面親水性與混合潤滑性能的演變規(guī)律，揭示水潤滑橡膠合金軸承混合潤滑機(jī)理和成膜機(jī)制，提出多場多介質(zhì)耦合條件下超潤滑低磨損水潤滑橡膠合金軸承創(chuàng)新設(shè)計理論、方法和技術(shù)，為解決艦船推進(jìn)系統(tǒng)所存在的減振降噪、潤滑不足等共性關(guān)鍵科技難題奠定理論與試驗基礎(chǔ)。具體研究內(nèi)容如下：
　?。?）由于水的粘度很低，約為潤滑油的1/10

3、0，使得水潤滑橡膠軸承往往處于混合潤狀態(tài)，且作為潤滑襯層的橡膠為粘彈性材料，在加上鋼軸在螺旋槳等外力的影響下容易產(chǎn)生軸向傾斜。因此，水潤滑橡膠軸承多場多因素耦合數(shù)值求解一直是一個難點，目前沒有任何一款商業(yè)軟件（ANSYS-CFD、FLUENT、ADINA等）可以對水潤滑橡膠軸承進(jìn)行流固熱耦合混合潤滑分析。基于此，本文解決了流體動壓潤滑、粗糙界面接觸、彈性變形、熱膨脹變形、溫度場、軸向流、不對準(zhǔn)等多場多因素耦合求解中的多種難題，建立了多場

4、多因素耦合的水潤滑橡膠合金軸承混合潤滑統(tǒng)一數(shù)值計算模型。此外，由于多場多因素耦合計算會使得計算量非常艱巨、非常耗時，本文引入了基于影響系數(shù)法的熱/熱變形影響系數(shù)快速算法，還提出一種基于OpenMP的多線程奇偶并行計算混合潤滑數(shù)值方法，顯著的縮短了混合潤滑數(shù)值分析時間。
　　（2）基于水潤滑橡膠合金軸承多場多因素耦合數(shù)值計算模型，分析了水潤滑橡膠合金軸承流體動壓力分布、水膜厚度分布、彈性變形分布、熱膨脹形變分布、軸承結(jié)構(gòu)熱場分布，研

5、究了載荷、轉(zhuǎn)速、軸向傾斜等工況對水潤滑橡膠軸承潤滑性能、溫度場分布的影響，并深入分析了水潤滑橡膠軸承Stribeck曲線變化規(guī)律，揭示了水潤滑橡膠軸承混合潤滑機(jī)理。
　?。?）深入分析了溝槽結(jié)構(gòu)和軸向分布、橡膠襯層力學(xué)參數(shù)對水潤滑橡膠軸承多場耦合混合潤滑性能的影響，提出并闡述了基于微型楔形水囊效應(yīng)的混合潤滑機(jī)理，為水潤滑橡膠軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化提供了一定的理論基礎(chǔ)。并針對溝槽軸向分布形式，在斜坐標(biāo)系下建立了基于虛擬節(jié)點Reynol

6、ds方程數(shù)值求解模型，有效的解決了稀疏網(wǎng)格在表征人字槽、螺旋槽時會失真的關(guān)鍵難題，從而間接性的提高了水潤滑橡膠軸承多場多因素耦合混合潤滑模型的求解速度。
　　（4）基于水潤滑橡膠軸承一般處于混合潤滑狀態(tài)，無法形成完整的潤滑水膜，本文對橡膠襯層進(jìn)行了超潤滑改性研究。通過將橡膠襯層改性為超親水潤滑界面，使橡膠襯層表明能夠粘附一層水膜，并將其帶回混合潤滑區(qū)形成薄膜潤滑效應(yīng)，從而有效的改善水潤滑軸承的潤滑性能。研究表明，丁腈橡膠在一定濃度