軸承間隙非牛頓潤滑劑的非線性動力學(xué)

前言

隨著旋轉(zhuǎn)機(jī)械向高速化發(fā)展，多數(shù)軸承工作在由層流向湍流轉(zhuǎn)變的過渡區(qū)，甚至完全工作在湍流區(qū)，增大了能耗。同時，油膜渦動給軸承運(yùn)行安全性造成很大的隱患。本研究采用高分子添加劑改變潤滑油的性質(zhì)，以實現(xiàn)推遲油膜層流失穩(wěn)的目的，提高軸承的工作性能。以旋轉(zhuǎn)圓柱間流體的流動為主要研究對象，系統(tǒng)深入地研究了高分子添加劑對流動穩(wěn)定性的作用。分析了高分子添加劑在流體中的宏觀效應(yīng)，建立了有效黏度湍流減阻模型；建立了添加劑分子的橢球一珠簧二元模型，分析了分子鏈在稀溶液中的動力學(xué)行為；選用Oldroyd-B型黏彈性本構(gòu)方程，建立了小間隙同心旋轉(zhuǎn)圓柱間溶液的非線性動力學(xué)模型，分析了添加劑對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響；采用有機(jī)玻璃滑動軸承實驗分析了添加劑對油膜層流穩(wěn)定性的作用，并討論了軸承振動對油膜層流失穩(wěn)的影響。理論分析表明，少量高分子添加劑能顯著提高油膜的層流穩(wěn)定性，推遲流體由層流向湍流的轉(zhuǎn)變。添加劑分子在油膜流動作用下受剪切拉伸，分子鏈得到柔順伸展，增大了流體對擾動流場的干涉作用，減小了漩渦的產(chǎn)生，抑制了漩渦的發(fā)展，提高了流體的層流穩(wěn)定性。由于分子的變形和旋轉(zhuǎn)，增大了流體內(nèi)部能量耗散，宏觀上表現(xiàn)為有效黏度的增大，而且間隙比越小，剪切率越大，效果越顯著。對油膜非線性動力系統(tǒng)分析表明，臨界Taylor數(shù)不僅與軸向波長有關(guān)，而且與流體性質(zhì)有關(guān)。當(dāng)Taylor數(shù)達(dá)到某一臨界值Tan時，系統(tǒng)出現(xiàn)兩個穩(wěn)定的分岔，對應(yīng)Taylor渦的發(fā)生。弱彈性流在Ta=Ta。時，系統(tǒng)出現(xiàn)超臨界分岔，大擾動下，系統(tǒng)出現(xiàn)同宿軌道，最終發(fā)生混沌；而強(qiáng)彈性流在Ta=Ta0時，系統(tǒng)存在亞臨界分岔，最終以倍周期分岔走向混沌。

內(nèi)容概要

本書以軸承間隙非牛頓潤滑劑的流動為主要研究對象，分析非牛頓潤滑介質(zhì)對潤滑油膜層流失穩(wěn)的影響。全書共分7章，主要內(nèi)容包括國內(nèi)外相關(guān)研究的綜述、粘彈性流體的流態(tài)分析、基于微觀力學(xué)的添加劑分子動力學(xué)行為研究、聚合物稀溶液的流動分析及其非線性動力學(xué)分析、實驗研究潤滑油膜失穩(wěn)過程及影響因素。    本書適合于機(jī)械設(shè)計理論與方法、潤滑力學(xué)、軸承潤滑及動力學(xué)等專業(yè)或研究領(lǐng)域的研究生及從事相關(guān)領(lǐng)域的教學(xué)科研或技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章 緒論  1.1 對軸承間隙非牛頓潤滑劑的非線性動力學(xué)研究的意義  1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀綜述  1.3 主要研究工作和技術(shù)路線第2章 流態(tài)分析及有效黏度模型  2.1 概述  2.2 黏彈性流體的兩種層流狀態(tài)  2.3 有效黏度模型  2.4 無限長同心旋轉(zhuǎn)圓柱間溶液的流動分析  2.5 算例與分析  2.6 本章小結(jié)第3章 聚合物的流體動力學(xué)行為研究  3.1 概述  3.2 模型的建立  3.3 動力學(xué)行為研究  3.4 聚合物稀溶液的黏度特性  3.5 本章小結(jié)第4章 無限長偏心圓柱間聚合物稀溶液的流動分析  4.1 概述  4.2 層流解  4.3 過渡區(qū)流動分析  4.4 聚合物添加劑——流體耦合  4.5 計算結(jié)果與分析  4.6 本章小結(jié)第5章 聚合物稀溶液流動的非線性動力學(xué)分析  5.1 概述  5.2 數(shù)學(xué)模型的建立  5.3 穩(wěn)定性分析  5.4 數(shù)值分析  5.5 本章小結(jié)第6章 聚合物稀溶液層流失穩(wěn)實驗研究  6.1 概述  6.2 實驗裝置  6.3 添加劑  6.4 實驗結(jié)果  6.5 本章小結(jié)第7章 軸承振動對油膜層流失穩(wěn)影響的實驗研究  7.1 概述  7.2 實驗方案  7.3 實驗結(jié)果與討論  7.4 分析與討論  7.5 本章小結(jié)后記參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：在潤滑技術(shù)中，流體動力潤滑由于其較高的可靠性，一直是潤滑設(shè)計的目標(biāo)，在潤滑技術(shù)中占據(jù)著中心位置。但是建立流體動力潤滑需要一定的工況，如滑動的相對速度、供壓及載荷的大小、潤滑劑的黏度等。如這些條件不能實現(xiàn)，邊界潤滑便起著舉足輕重的地位。雖然邊界潤滑的應(yīng)用歷史很久，但對它的認(rèn)識還很少。在常溫下，潤滑劑內(nèi)的極性分子吸附在金屬表面上或形成物理吸附膜或同金屬化合為金屬皂而形成化學(xué)吸附膜；在重載條件下，接觸溫度較高，吸附膜溶解失效，此時必須在潤滑劑中加入含硫、磷或氯等元素的“極壓”添加劑，這些元素在高溫中能夠同金屬表面生成化學(xué)反應(yīng)膜，以達(dá)到減摩的作用。“極壓”添加劑的研究近年來發(fā)展迅速，一些含硼、銅、氮及稀土等元素的新型潤滑劑得到廣泛使用，起到了很好的潤滑效果。對極壓條件下邊界潤滑的研究，近年來還開拓了薄膜潤滑等新領(lǐng)域。但目前對于邊界潤滑膜的承載能力、摩擦力大小及具體的生成條件等仍不能定量地推算。潤滑理論經(jīng)過一個多世紀(jì)的發(fā)展，已取得了很大的成就。但針對各種工況下流體動力潤滑的建立仍需深入細(xì)致地研究，如本研究對軸承油膜由層流向湍流過渡區(qū)的研究，旨在從一個側(cè)面完善流體動力潤滑理論，為工程應(yīng)用和機(jī)械設(shè)計提供參考依據(jù)。1.2.2油膜過渡區(qū)的研究對油膜過渡區(qū)的認(rèn)識始于1923年Taylor對兩同心旋轉(zhuǎn)圓柱間的流動流體的觀察。實驗發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的逐步提高，流體的流態(tài)由層流發(fā)展而出現(xiàn)一種有規(guī)律的渦動狀態(tài)，即所謂的Taylor渦，如圖1-3所示，這是第一次發(fā)現(xiàn)由層流到湍流過渡區(qū)域的狀態(tài)。此后，C0les等許多人在過渡區(qū)的研究領(lǐng)域做了大量工作，分別從理論和實驗上研究了無限長同心旋轉(zhuǎn)圓柱間流體的失穩(wěn)過程。研究表明，這種渦動狀態(tài)與時間無關(guān)，而且是軸對稱的。

后記

隨著低黏度潤滑油的廣泛使用和高轉(zhuǎn)速、大尺寸轉(zhuǎn)子的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)機(jī)械中軸承內(nèi)的油膜易失穩(wěn)，軸承工作在油膜由層流向湍流的過渡區(qū)，甚至完全湍流區(qū)。這不僅造成摩擦阻力的迅速增加，功耗增大，而且由于油膜的渦動使軸承一轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的工作性能大大惡化，給軸承安全運(yùn)行帶來隱患。本研究針對這一現(xiàn)狀，提出從改變潤滑劑特性角度推遲油膜層流失穩(wěn)，提高軸承運(yùn)行穩(wěn)定性這一課題，在牛頓流體中加入了高分子添加劑，從宏觀到微觀，從線性到非線性，從理論分析到實驗研究，較系統(tǒng)地研究了旋轉(zhuǎn)圓柱間油膜層流穩(wěn)定性及高分子添加劑推遲油膜層流失穩(wěn)的機(jī)理，討論湍流減阻現(xiàn)象在軸承潤滑中的應(yīng)用。同時本研究還實驗分析了軸承振動對油膜層流穩(wěn)定性的影響。本研究的工作為高分子湍流減阻的工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。為此我們主要做了如下工作：（1）提出了通過改變潤滑油性能，提高軸承運(yùn)行穩(wěn)定性，推遲油膜由層流向湍流轉(zhuǎn)變的構(gòu)想。基于聚合物稀溶液的黏彈特性，將油膜流態(tài)近似分為黏性層和彈性層，從添加劑的宏觀效應(yīng)角度建立了有效黏度湍流減阻模型，分析了高分子添加劑對擾動流場的影響。分析指出，高分子添加劑有效地推遲了油膜流態(tài)從層流向湍流的轉(zhuǎn)變點。（2）建立了橢球一珠簧分子模型及其在流場中的動力學(xué)模型，從微觀角度分析了高分子添加劑與流場的干涉作用。研究表明，高分子鏈在流場中的變形和旋轉(zhuǎn)既降低了其旋轉(zhuǎn)頻率又增大了流場的能量耗散，減小了流場的擾動，提高了流體的抗擾動性能。

編輯推薦

《軸承間隙非牛頓潤滑劑的非線性動力學(xué)》：國家自然科學(xué)基金資助項目。

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