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潜水泵水润滑推力轴承润滑性能数值计算研究

作　者: 何春勇
导　师: 刘正林
学　校: 武汉理工大学
专　业: 载运工具运用工程
关键词: 水润滑推力轴承水膜厚度分布水膜压力分布温度分布热-结构耦合
分类号: TH133.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

推力轴承是潜水泵的重要组成部分。水润滑推力轴承以水为润滑介质,这对于节约油料,节能环保,提高潜水泵的机械效率,减少轴承摩擦、磨损具有重要的理论意义和实际工程应用价值。本论文结合国家自然科学基金资助项目,以潜水泵水润滑推力轴承为研究对象,采用数值计算、有限元仿真和试验相结合的方法,开展推力轴承流体动压润滑和弹流润滑、热—结构耦合特性以及试验验证等方面的研究。论文主要研究工作和结论如下：1)根据雷诺方程及其边界条件,将方程离散化,求得在不考虑弹性变形的条件下的潜水泵水润滑推力轴承润滑性能参数的变化趋势；同时根据J.Boussinesq经典理论,推理了弹性变形方程,将雷诺方程和弹性变形方程耦合求解,得到潜水泵水润滑推力轴承各润滑性能参数的变化趋势,这些趋势为推力轴承的设计提供了理论依据。2)计算潜水泵推力轴承推力瓦与推力环摩擦副端面间的总摩擦热,并给出了推力瓦与推力环摩擦热的分配方法,以及推力瓦对流换热系数,应用有限元软件ANSYS,采用直接耦合法探讨不同运行工况、几何结构参数和材料导热系数对推力瓦温度场的影响规律。研究结果表明,推力瓦出水边靠近外径处摩擦热较大,温度较高；推力瓦四周由于与流体间的对流换热吸收了摩擦产生的部分热量,温度较低。3)为了验证水润滑推力轴承的动压润滑数值分析与温度场有限元求解的正确性,进行了试验研究。试验测试结果表明：摩擦系数变化趋势,水膜厚度、压力分布,以及推力瓦温度分布状况等,与理论计算结果基本一致,较好地验证了理论分析所得到的结论。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-19
  1.1 潜水泵水润滑推力轴承简介  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-17
    1.2.1 水润滑推力轴承结构  11-13
    1.2.2 水润滑推力轴承材料  13-15
    1.2.3 推力轴承承载能力的研究  15
    1.2.4 推力瓦温度场分析  15
    1.2.5 试验手段和测试技术  15-16
    1.2.6 国内外研究的不足  16-17
  1.3 研究的目的和意义  17
  1.4 研究的目标、主要内容、关键技术问题和方法  17-19
    1.4.1 研究目标  17
    1.4.2 研究内容  17-18
    1.4.3 拟解决的关键问题  18
    1.4.4 研究方法  18-19
第2章水润滑推力轴承润滑机理研究  19-44
  2.1 概述  19
  2.2 水润滑推力轴承润滑机理分析  19-23
    2.2.1 推力轴承动压润滑原理  19-20
    2.2.2 推力轴承动压润滑方程  20-23
  2.3 Reynolds方程的数值求解  23-29
    2.3.1 推力轴承几何模型  23
    2.3.2 推力瓦受力分析  23-24
    2.3.3 粘温控制方程  24
    2.3.4 圆柱坐标下的雷诺方程  24-25
    2.3.5 雷诺控制方程无量纲化  25
    2.3.6 差分法求解二维雷诺方程的原理  25-29
  2.4 不考虑弹性变形计算流程  29-30
  2.5 弹流润滑计算流程  30-34
    2.5.1 弹性变形方程  30-32
    2.5.2 弹流润滑计算流程  32-34
  2.6 水润滑推力轴承的数值计算分析  34-43
    2.6.1 水润滑推力轴承实例计算  35-36
    2.6.2 运行工况对润滑性能的影响  36-39
    2.6.3 几何结构参数对润滑性能的影响  39-43
  2.7 本章小结  43-44
第3章推力瓦的稳态热-结构耦合分析  44-58
  3.1 热及热-结构稳态耦合分析的基本理论  44-46
    3.1.1 热分析理论  44-45
    3.1.2 热-结构耦合类型的选择  45-46
  3.2 推力瓦端面摩擦热的分析  46-49
    3.2.1 总摩擦热载荷的计算  46
    3.2.2 摩擦热载荷的分配方法  46-48
    3.2.3 摩擦热载荷的添加在ANSYS软件上的实现  48-49
  3.3 对流换热系数的计算  49-50
  3.4 推力瓦的热-结构耦合分析计算  50-52
    3.4.1 热分析部分已知条件  50
    3.4.2 推力瓦建模前提  50
    3.4.3 推力瓦热-结构建模求解步骤  50-52
  3.5 推力瓦的热-结构耦合计算结果分析  52-57
    3.5.1 运行工况对推力瓦温度场的影响规律  52-54
    3.5.2 几何结构参数对推力瓦温度场的影响规律  54-57
    3.5.3 导热系数λ对推力瓦温度场的影响规律  57
  3.6 本章小结  57-58
第4章潜水泵水润滑推力轴承试验研究  58-71
  4.1 推力轴承试验台的组成和工作原理  58-62
  4.2 试验测试方法研究  62-64
    4.2.1 推力瓦温度与摩擦系数测试方法  62
    4.2.2 推力轴承端面水膜压力测试方法  62-63
    4.2.3 推力轴承的耐磨试验测试方法  63-64
  4.3 试验结果与分析  64-70
    4.3.1 推力轴承端面摩擦系数的测量与分析  64-65
    4.3.2 推力轴承推力瓦端面温度的测量与分析  65-68
    4.3.3 推力轴承端面水膜压力的测量与分析  68-70
    4.3.4 推力轴承推力瓦端面磨损量的测量与分析  70
  4.4 本章小结  70-71
第5章结论与展望  71-73
  5.1 结论  71
  5.2 展望  71-73
致谢  73-74
参考文献  74-78
攻读学位期间公开发表的论文及所参加科研的情况  78

潜水泵水润滑推力轴承润滑性能数值计算研究

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