液体动压滑动轴承油膜压力与摩擦仿真及测试分析

液体动压滑动轴承实验台毕业设计

摘要

滑动轴承是用来支撑轴及其它回转零件的一种重要部件，因其本身具有一些独特的优点：轴颈轴瓦间所特有的润滑油膜具有缓冲吸振作用，使用寿命长，结构紧凑，回转速度高等，这些优点使它在某些场合占有重要地位。因此滑动轴承在金属切削机床、内燃机、铁路机及车辆、轧钢机、雷达、卫星通信地面站及天文望远镜等方面的应用十分广泛。为了帮助大学学生更加深入、细致地了解和研究滑动轴承，各种滑动轴承实验台应运而生，但在实验的效率、效果方面都还有不足。现有的滑动轴承试验台不能满足我们需要的要求，因此，我们需要为了测试专门的改进。

本论文主要对液体动压滑动轴承进行分析、设计，使得其能够更好的工作，测得各种实验数据。对电机、温度传感器、加热装置进行解析、选择，可以测量及仿真径向油膜压力分布、油膜温度变化、油槽温度变化等各种参数。在基于流体力润滑理论的基础上，以雷诺方程的建立和求解过程，揭示了影响油膜压力的因素和其变化规律。可以通过改变各种参数揭示影响油膜压力的因素及其变化规律，从而能够更加深刻的理解和掌握滑动轴承的原理。如此一来，不仅完成了滑动轴承实验，并且加深了对油膜承载机理的理解，同时还提高了对滑动轴承的设计能力。

关键词：液体动压滑动轴;油膜压力;油膜温度

Abstract

Sliding bearing is used to support shaft and other rotating parts is an important

part，Because of its itself has some unique advantages：Between the journal bearing of

lubricating oil film vibration cushioning、Long service life、Compact structure、Rotation speed is higher and so on，These advantages make it occupies an important

安世亚太：基于ANSYS WB平台的滑动轴承分析工具(一)

本文主要针对Tribo-X inside ANSYS的功能及各方向应用实例进行介绍，限于篇幅关系会分五

篇进行介绍，第一篇主要结合软件的需求、理论、功能及应用方向进行介绍，第二篇至第五

篇将结合具体应用方向的示例进行介绍。本篇为第一篇。

一、滑动轴承计算应用场景

滑动轴承大量用于旋转机械结构，系统力学行为与滑动轴承的特性参数密切相关，有必要对

滑动轴承进行计算以获取轴承参数，研究轴承受力状态，如油膜压力、油膜间隙、轴承剪力、

油膜刚度、油膜阻尼等。

但滑动轴承计算在本质上属于复杂的多物理场问题，涉及流体力学、结构力学、热力学，而

且尺度极小，通常间隙量仅为数十到数百微米，经典三维CFD或者有限元计算难度很大。

基于ANSYS WB平台开发的滑动轴承计算工具Tribo-X inside ANSYS是基于热弹油膜动力学的

滑动轴承求解器，它采用合理简化算法，实现从3D计算到2D计算的转换，基于简单模型

快速完成滑动轴承计算。

Tribo-X inside ANSYS将Tribo-X求解器集成到ANSYS Workbench环境中，基于ANSYS环境建

模、设置滑动轴承计算参数并驱动Tribo-X求解器实现滑动轴承快速计算，解决了传统CAE

方法难以计算滑动轴承的困难，可以获取轴承重要参数，研究轴承受力状态，预测旋转轴承

系统的稳定性，对轴承参数进行设计优化，并可以将轴承计算与ANSYS Mechanical结构计算

联合，精确考虑轴承特性对系统力学特性（如转子动力学）的影响。

二、Tribo-X inside ANSYS概述

1、适用的轴承

目前版本功能支持的滑动轴承类型如图所示：

图-适用于TriboX-inside ANSYS进行分析的轴承（红线框内）

2、合理假定

油膜间隙远小于轴承尺寸

厚度方向压力不变

3、理论公式

TriboX-inside ANSYS基于TEHD（热弹油膜动力学）的油膜轴承求解器，

图-润滑方程

液体静压和动静压滑动轴承动态特性分析计算_许尚贤_图文_百度.

一用数十小时 , 计算机在设计中的应用 , — 其各一 0 个执行机构笔夹

装配自动机有 1 , 机构的动作也比较复杂完成 , 用通常方法设计要而用

本方法仅用十几分钟即可。并且还可方案优选 I I . 万由图4 可见 , 3 , 、

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深浅腔液体动静压轴承油膜承载特性分析

王攀;刘保国;冯伟;赵耿

【摘要】以深浅腔液体动静压轴承为研究对象,根据油膜的结构特点,运用ICEM

CFD软件建立了油膜的三维有限元计算模型,采用结构化网格划分方法极大地提高了网格划分质量,并采用动网格方法实现了对油膜偏心率的更改,简化了建模工作;运用FLUENT软件模拟得出了各种工况下深浅腔液体动静压轴承油膜的压力分布,深入研究了油膜轴承承载力与偏心率、主轴转速之间的变化规律,对计算结果的分析表明:随着偏心率和主轴转速的增加,油膜轴承承载力呈线性增长;指出了该研究可以为液体动静压轴承的设计提供参数支持,并可以在理论上分析和预测液体动静压轴承在工作中可能出现的问题,缩短研制周期,节省开发费用.

【期刊名称】《科技创新与生产力》

【年(卷),期】2017(000)009

【总页数】3页(P78-80)

【关键词】动静压轴承;计算流体力学;ICEMCFD;油膜压力;偏心率;主轴转速

【作者】王攀;刘保国;冯伟;赵耿

【作者单位】河南工业大学机电工程学院, 河南郑州 450001;河南工业大学机电工程学院, 河南郑州 450001;河南工业大学机电工程学院, 河南郑州 450001;河南工业大学机电工程学院, 河南郑州 450001

【正文语种】中文

【中图分类】TH133.36;TH133.37;O35 随着技术的发展，对油膜轴承的转速范围、油膜刚度、支承精度的要求越来越高，液体动静压轴承的出现满足了人们的需求，它兼备了动压轴承和静压轴承的优点，在低速和高速条件下都有较大的承载力，且有效降低了供油系统的功耗，目前已被广泛应用于机械领域[1]。对于深腔液体动静压轴承，其油腔的结构特点使其具有二次节流效应[2]，与普通的浅腔液体动静压轴承相比，具有更大的静压承载力和动压承载力。由于其油膜承载力易受到偏心率及主轴转速的影响，因此有必要找出油膜承载力与偏心率、主轴转速之间的变化规律。目前，随着计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）的快速发展，对油膜承载特性的分析，已由最初的数值求解雷诺方程，逐步转变为CFD软件计算求解。于天彪、王学智、关鹏等利用FLUENT软件得到了五腔动静压轴承内部的压力场分布[3]；石璞、岑少起等研究了气液两相流对液体动静压轴承油膜压力分布的影响[4]；郭力、李波对超高速磨床主轴动静压轴承提出了一种新的优化设计方法[5]。

描述滑动轴承流体动压油膜的形成过程。

滑动轴承的流体动压油膜是指在轴承与轴之间，由润滑油在轴的转动下所产生的油膜。当轴转动时，液体分子之间会形成极薄的油膜，这层油膜使得轴与轴承之间成为摩擦副，降低了摩擦系数，起到减少磨损和延长轴承使用寿命的作用。

滑动轴承流体动压油膜的形成过程主要是由以下几个阶段组成：

1. 压力区：当轴开始转动时，由于润滑油在轴承的承载下形成了一个内外径上升的“碗”形空间，即所谓的压力区。

2. 挤压区：随着轴的转动速度逐渐加快，油膜厚度逐渐减小，此时液体分子的运动受到惯性力的影响，开始逐渐向轴的轴向方向移动，使得油膜紧贴在轴表面上，并向轴的两端推进，形成所谓的挤压区。

3. 分离区：当油膜到达油润滑膜最低处时，油膜厚度最薄，这时液体分子间的压力会达到最高值，产生向轴心方向的倾向力，使得轴承与轴之间的油膜上下分离，形成所谓的分离区。

以上三个区域的转变不是非常明显的分界点，它们是连续的，随着轴转速的增加，压力区、挤压区和分离区将不断地交替出现，油膜的厚度也会相应地发生变化。在轴线上的每一点上，油膜厚度都会不同，但整个轴承的油膜厚度是趋于平均分布的。

液体动压径向滑动轴承设计与分析

1

液体动压径向滑动轴承设计与分析

摘要

动压式滑动轴承是轴承中的一个重要类别，对其进行分析研究在实际中具有重要意义。液体动压径向滑动是其中的重要一类，本文以径向滑动轴承为研究对象，以雷诺方程的建立及求解过程为理论基础，对滑动轴承在处于液体动压的工况情况进行理论分析。

本课题的目的就是旨在结合滑动轴承的工作特点和性能，合理的优化轴承的结构形式，对轴承的各性能进行优化设计。通过图纸对轴承结构进行分析优化，利用相关公式对性能进行计算与分析，对整个轴承进行优化设计。

关键字：滑动轴承；雷诺方程 2

第一章

1绪论 ...................................................................................................................................... 4

1.1本课题的选定.....................................................................................................................5

1.2滑动轴承制造和生产技术的发展现状.............................................................................5

1.3本课题研究的主要内容及基本工作思路.........................................................................6

(一)主要内容............................................................................................................................6

液体动压滑动轴承油膜静特性计算及其仿真

吴秋平;沈俊;鲁玉龙;王雷;陈续扬;常勇

【摘要】基于有限宽轴承理论,采用有限差分法运用MATLAB求解二维Reynolds方程,求解滑动轴承油膜压力分布,然后求解油膜承载力、偏位角等,同时研究得到宽径比、偏心率对油膜承载力、偏位角变化规律的影响.最后给出具体算例求解某防爆电机用滑动轴承的相关特性参数,应用Fluent软件对算例轴承模型进行流场分析.

【期刊名称】《水泥工程》

【年(卷),期】2017(000)006

【总页数】4页(P14-17)

【关键词】液体动压轴承;油膜压力;承载力;Matlab;Fluent

【作者】吴秋平;沈俊;鲁玉龙;王雷;陈续扬;常勇

【作者单位】宜兴市环宇轴瓦制造有限公司,江苏无锡214221;宜兴市环宇轴瓦制造有限公司,江苏无锡214221;宜兴市环宇轴瓦制造有限公司,江苏无锡214221;宜兴市环宇轴瓦制造有限公司,江苏无锡214221;东南大学机械工程学院,江苏南京211189;集美大学工程训练中心,福建厦门361021

【正文语种】中文

【中图分类】TQ172.6+14

0 引言

随着机械工业的现代化发展，旋转式机械越来越向高速度和大功率发展，对轴承的各方面性能要求越来越高，同时随着计算机技术以及数值计算方法的快速发展，相应地，动压滑动轴承的研究也日益向深度和广度推进[1]。对动压滑动轴承的压力分布以及轴承特性的求解，近年来提出了许多数值计算方法，其思路归结为对二维Reynolds方程的求解[2～6]。

作者基于有限宽轴承理论，运用MATLAB软件，采用有限差分法求解二维Reynolds方程，求解滑动轴承油膜压力分布，然后求解油膜承载力、偏位角等，同时研究得到宽径比、偏心率对油膜承载力、偏位角变化规律的影响。最后给出具体算例求解某防爆电机用滑动轴承的理论承载力等相关特性参数，应用Fluent软件对算例轴承模型进行流场分析，其数值计算以及CFD模拟仿真相结合的方法，为液体动压滑动轴承油膜静特性参数的准确求解以及工程实际中滑动轴承的设计校核提供重要依据。

滑动轴承实验报告

一、实验目的

1. 了解滑动轴承的结构和工作原理。

2. 测量轴承的径向和轴向油膜压力分布曲线。

3. 观察径向滑动轴承液体动压润滑油膜的形成过程和现象。

4. 分析轴承在不同载荷和速度条件下的性能变化。

二、实验原理

滑动轴承是利用液体动压原理，通过在轴承和轴颈之间形成油膜，减小摩擦和磨损，保证机器的正常运转。实验中，通过测量油膜压力分布，可以分析轴承的润滑性能和工作状态。

三、实验仪器与设备

1. 滑动轴承实验台

2. 轴承加载装置

3. 润滑油泵

4. 压力传感器

5. 数据采集系统

6. 计算机及实验软件

四、实验步骤

1. 将实验台安装好，检查各部件连接是否牢固。

2. 添加润滑油，确保油量充足。

3. 启动润滑油泵，调节转速至预定值。

4. 打开轴承加载装置，逐步增加载荷。

5. 使用压力传感器测量轴承的径向和轴向油膜压力。

6. 记录实验数据，包括转速、载荷、油膜压力等。

7. 改变转速和载荷，重复实验步骤。五、实验结果与分析

1. 径向油膜压力分布曲线

实验结果显示，轴承的径向油膜压力分布曲线呈抛物线形状。在轴承中心区域，油膜压力最大，随着距离轴承中心的增加，油膜压力逐渐减小。这是因为液体动压原理使得油膜压力在轴承中心区域达到最大值。

2. 轴向油膜压力分布曲线

实验结果显示，轴承的轴向油膜压力分布曲线呈线性形状。在轴承中心区域，轴向油膜压力最大，随着距离轴承中心的增加，轴向油膜压力逐渐减小。这是由于轴承受到轴向载荷，使得轴向油膜压力在轴承中心区域达到最大值。

3. 载荷对油膜压力的影响

实验结果显示，随着载荷的增加，轴承的径向和轴向油膜压力均呈上升趋势。这是因为载荷的增加使得轴承受到更大的压力，导致油膜压力增大。

4. 转速对油膜压力的影响

实验结果显示，随着转速的增加，轴承的径向和轴向油膜压力均呈下降趋势。这是因为转速的增加使得油膜厚度减小，导致油膜压力降低。

六、实验结论

液体动压滑动轴承油膜压力分布和摩擦特性曲线

1 机械设计基础（Ⅲ）实验报告班级

姓名

液体动压滑动轴承油膜压力分布和摩擦特性曲线学号

一、概述

液体动压滑动轴承的工作原理是通过轴颈的旋转将润滑油带入摩擦表面，由于油的粘性（粘度）作用，当达到足够高的旋转速度时油就被挤入轴与轴瓦配合面间的楔形间隙内而形成流体动压效应，在承载区内的油层中产生压力，当压力的大小能平衡外载荷时，轴与轴瓦之间形成了稳定的油膜，这时轴的中心对轴瓦中心处于偏心位置，轴与轴瓦间的摩擦是处于完全液体摩擦润滑状态，其油膜形成过程及油膜压力分布如图6-1所示。

图6-1 建立液体动压润滑的过程及油膜压力分布图

滑动轴承的摩擦系数f是重要的设计参数之一，它的大小与润滑油的粘度η(Pa.s)、轴的转速n(r/min)和轴承压强p(Mpa)有关，令

pn

式中，λ——轴承摩擦特性系数。

图6-2 轴承摩擦特性曲线

观察滑动轴承形成液体摩擦润滑过程中摩擦系数变化的情况，f-λ关系曲线如图6-2所示，曲线上有摩擦系数最低点，相应于这点的轴承摩擦特性系数λkp称为临界特性数。在λkp以右，轴承建立液体摩擦润滑，在λkp以左，轴承为非液体摩擦润滑，滑动表面之间有金属接触，因此摩擦系数f随λ减小而急剧增大，不同的轴颈和轴承材料、加工情况、轴承相对间隙等，λkp也随之不同。

本实验的目的是：了解轴承油膜承载现象及其参数对轴承性能的影响；掌握油膜压力、摩擦系数的测试及数据处理方法。

二、实验要求 2 1、在轴承载荷F=188kgf时，测定轴承周向油膜压力和轴向油膜压力，用坐标纸绘制出周向和轴向油膜压力分布曲线，并求出轴承的实际承载量。

在轴承载荷F=128kgf时，测定轴承周向油膜压力和轴向油膜压力，用计算机进行数据处理，得出周向和轴向油膜压力分布曲线及轴承的承载量。

滑动轴承实验指导书(更新并附实验报告)

滑动轴承实验

一、概述

滑动轴承用于支承转动零件，是一种在机械中被广泛应用的重要零部件。根据轴承的工作原理，滑动轴承属于滑动摩擦类型。滑动轴承中的润滑油若能形成一定的油膜厚度而将作相对转动的轴承与轴颈表面分开，则运动副表面就不发生接触，从而降低摩擦、减少磨损，延长轴承的使用寿命。

根据流体润滑形成原理的不同，润滑油膜分为流体静压润滑(外部供压式)及流体动压润滑(内部自生式)，本章讨论流体动压轴承实验。

流体动压润滑轴承其工作原理是通过韧颈旋转，借助流体粘性将润滑油带人轴颈与轴瓦配合表面的收敛楔形间隙内，由于润滑油由大端人口至小端出口的流动过程中必须满足流体流动连续性条件，从而润滑油在间隙内就自然形成周向油膜压力(见图1)，在油膜压力作用下，轴颈由图l(a)所示的位置被推向图1(b)所示的位置。

图1 动压油膜的形成

当动压油膜的压力p在载荷F方向分力的合力与载荷F平衡时，轴颈中心处于某一相应稳定的平衡位置O1，O1位置的坐标为O1(e，Φ)。其中e =OO1，称为偏心距；Φ为偏位角(轴承中心O与轴颈中心O1连线与外载荷F作用线间的夹角)。

随着轴承载荷、转速、润滑油种类等参数的变化以及轴承几何参数(如宽径比、相对间隙)的不同．轴颈中心的位置也随之发生变化。对处于工况参数随时间变化下工作的非稳态滑动轴承，轴心的轨迹将形成一条轴心轨迹图。

为了保证形成完全的液体摩擦状态，对于实际的工程表面，最小油膜厚度必须满足下列条件：

21minZzRRSh （1）

式中，S为安全系数，通常取S≥2；Rz1，RZ2分别为轴颈和铀瓦孔表面粗糙度的十点高度。

滑动轴承实验是分析滑动轴承承载机理的基本实验，它是分析与研究轴承的润滑特性以及进行滑动轴承创新性设计的重要实践基础。

根据要求不同，滑动轴承实验分为基本型、综合设计型和研究创新型三种类型。

二、实验目的