水润滑橡胶轴承多场多因素耦合分析与润滑界面改性研究

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1、水润滑橡胶轴承多场多因素耦合分析与润滑界面改性研究重庆大学博士学位论文学生姓名：韩彦峰指导教师：王家序教授副导师：王茜教授专业：机械设计及理论学科门类：工学重庆大学机械工程学院二O一五年十一月Multi-fieldCouplingAnalysisandLbricationInterfaceModificationofWaterLubricatedRubberBearingsAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByH

2、anYanfengSupervisedbyProf.WangJiaxuProf.WangQianSpecialty：MechanicalDesignandTheoryCollegeofMechanicalEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaNovember,2015中文摘要摘要论文研究内容来源于国家国防基础科研项目“多场耦合条件下XXX系统创新设计理论和方法”、中船重工集团公司第XXX研究所合作项目“XXX混合润滑状态XXX特性规律研究技术开发”和中国人民解放军XXX大学合作项目“XXX样机设计与研制”，主要针对我国海军XX装备

3、B艇推进系统存在着摩擦自激振动中、高频噪声，和新型舰船泵喷推进系统对水润滑橡胶轴承润滑性能提出的苛刻要求，综合应用流体力学、界面力学、摩擦学、热力学、材料科学和物理化学等多学科交叉耦合分析方法，通过全面深入分析材料、结构、工况、负载、温度等多场多介质耦合条件下的水润滑橡胶合金轴承混合润滑特性，研究橡胶衬层界面亲水性与混合润滑性能的演变规律，揭示水润滑橡胶合金轴承混合润滑机理和成膜机制，提出多场多介质耦合条件下超润滑低磨损水润滑橡胶合金轴承创新设计理论、方法和技术，为解决舰船推进系统所存在的减振降噪、润滑不足等共性关键科技难题奠定理论与试验基础。具体研究内容如下：（1）由于水的粘度很低，约

4、为润滑油的1/100，使得水润滑橡胶轴承往往处于混合润状态，且作为润滑衬层的橡胶为粘弹性材料，在加上钢轴在螺旋桨等外力的影响下容易产生轴向倾斜。因此，水润滑橡胶轴承多场多因素耦合数值求解一直是一个难点，目前没有任何一款商业软件（ANSYS-CFD、FLUENT、ADINA等）可以对水润滑橡胶轴承进行流固热耦合混合润滑分析。基于此，本文解决了流体动压润滑、粗糙界面接触、弹性变形、热膨胀变形、温度场、轴向流、不对准等多场多因素耦合求解中的多种难题，建立了多场多因素耦合的水润滑橡胶合金轴承混合润滑统一数值计算模型。此外，由于多场多因素耦合计算会使得计算量非常艰巨、非常耗时，本文引入了基于影响系

5、数法的热/热变形影响系数快速算法，还提出一种基于OpenMP的多线程奇偶并行计算混合润滑数值方法，显著的缩短了混合润滑数值分析时间。（2）基于水润滑橡胶合金轴承多场多因素耦合数值计算模型，分析了水润滑橡胶合金轴承流体动压力分布、水膜厚度分布、弹性变形分布、热膨胀形变分布、轴承结构热场分布，研究了载荷、转速、轴向倾斜等工况对水润滑橡胶轴承润滑性能、温度场分布的影响，并深入分析了水润滑橡胶轴承Stribeck曲线变化规律，揭示了水润滑橡胶轴承混合润滑机理。（3）深入分析了沟槽结构和轴向分布、橡胶衬层力学参数对水润滑橡胶轴承多场耦合混合润滑性能的影响，提出并阐述了基于微型楔形水囊效应的混合润滑

6、机理，为水润滑橡胶轴承的结构设计与优化提供了一定的理论基础。并针对沟槽I重庆大学博士学位论文轴向分布形式，在斜坐标系下建立了基于虚拟节点Reynolds方程数值求解模型，有效的解决了稀疏网格在表征人字槽、螺旋槽时会失真的关键难题，从而间接性的提高了水润滑橡胶轴承多场多因素耦合混合润滑模型的求解速度。（4）基于水润滑橡胶轴承一般处于混合润滑状态，无法形成完整的润滑水膜，本文对橡胶衬层进行了超润滑改性研究。通过将橡胶衬层改性为超亲水润滑界面，使橡胶衬层表明能够粘附一层水膜，并将其带回混合润滑区形成薄膜润滑效应，从而有效的改善水润滑轴承的润滑性能。研究表明，丁腈橡胶在一定浓度的卤化溶液中浸泡适

7、当的时间后，表面微观形貌发生了极大的改变，其亲水性得了有效改善。并通过摩擦学性能试验研究表明，超亲水性的丁腈橡胶衬层能够有效的降低水润滑摩擦系数，并能够将混合润滑状态转变为弹流润滑状态。关键词：水润滑轴承，多场多因素耦合，丁腈橡胶，卤化改性，亲水性II英文摘要ABSTRACTResearchsubjectderivesfromnationaldefensebasicscientificresearchproject“Innovati