航空发动机主轴轴承动态性能和热弹流润滑状态耦合分析

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1、博士学位论文航空发动机主轴轴承动态性能和热弹流润滑状态耦合分析COUPLINGANALYSISOFDYNAMICPERFORMANCEANDTEHLSTATEOFAEROENGINEMAINSHAFTBEARING史修江哈尔滨工业大学2018年05月国内图书分类号：TH117学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学博士学位论文航空发动机主轴轴承动态性能和热弹流润滑状态耦合分析博士研究生：史修江导师：王黎钦教授申请学位：工学博士学科：机械设计及理论所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年05月授予学位单位：哈尔滨工业大学

2、ClassifiedIndex:TH117U.D.C:621DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringCOUPLINGANALYSISOFDYNAMICPERFORMANCEANDTEHLSTATEOFAEROENGINEMAINSHAFTBEARINGCandidate：ShiXiujiangSupervisor：Prof.WangLiqinAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MechanicalDesignand

3、TheoryAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：May,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要主轴轴承是航空发动机稳定可靠运转的核心部件，高速、重载和高温是其典型工况。随着航空发动机大推重比的不断提高，无疑使得这些典型极端工况变得越来越苛刻，导致主轴轴承失效的比例增大。但是随着轴承材料的不断改进，由于疲劳和断裂造成的轴承失效相对变少，与润滑相关的打滑蹭伤和摩擦磨损等失效

4、越来越多。因此，研究航空发动机主轴轴承典型工况下润滑油的使役行为和润滑机制有着重要的意义。本文以航空发动机主轴轴承为研究对象，建立轴承拟动力学和热弹流润滑耦合分析方法，并在耦合分析中考虑粗糙度效应、非牛顿流体、瞬态效应和多润滑状态并存情况的影响，以其典型工况为算例，形成一条从动力学到热弹流润滑，再到接触状态分析的完整理论计算体系，能够准确获得主轴轴承动态性能、润滑特性和状态以及接触应力分布。论文研究的主要内容如下：建立了苛刻复杂工况下航空发动机主轴轴承拟动力学和热弹流耦合分析方法。拟动力学分析为热弹流分析提供接触微区力学参数和运动参数，

5、热弹流分析获得润滑性能反馈作用于拟动力学，二者相互循环迭代实现耦合分析。通过对比不同工况的试验实测、拟合公式和耦合分析方法获得最小膜厚，结果表明，耦合分析结果与试验数据吻合更好。与传统拟动力学分析获得的动态性能相比，耦合分析方法考虑热效应的影响，最小膜厚和摩擦系数发生变化，膜厚减小，接触变形和接触载荷增大，轴承刚度变大，接触微区形状改变，相对滑动增大，摩擦系数又影响摩擦力，从而改变整个滚动轴承的受力和运动状态。另外，载荷的增大还会带来球轴承接触角减小，自旋运动受到抑制，旋滚比减小；滚子轴承承载的滚子数目增多，保持架的滑动率减小。基于耦合

6、分析方法，对主轴轴承的热弹流润滑性能进行了参数化研究。球轴承内圈曲率系数增大，导致接触载荷变大，膜厚减小，对润滑不利；增大球轴承初始接触角和滚动体数目，接触应力减小，有利于增大膜厚，改善润滑；高转速引起的滚动体自旋效应使得油膜热弹流性能不再对称分布，最小膜厚增大，最大温度升高，润滑性能变差。滚子轴承内圈径向游隙增大，承载的滚子数目减少，保持架的滑动率和??(接触应力与相对滑动速度乘积)值增大，油膜温度升高，膜厚减小，对润滑不利；内圈椭圆度增大，滚子的受力分布发生变化，承载的滚子数目增多，保持架的打滑率和??值减小，油膜温度降低，膜厚增大

7、，改善润滑。基于拟动力学分析，考虑热效应、非牛顿流体和三维随机粗糙度的影响，-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文建立航空发动机主轴球轴承粗糙表面非牛顿热弹流润滑分析模型。对比了高斯表面、正弦表面和光滑表面的热弹流润滑性能，讨论了均方根和工况参数对主轴球轴承高斯表面油膜润滑性能和状态的影响。探究了非高斯粗糙度参数偏态、峰度、横向纹理和纵向纹理特性对主轴球轴承油膜润滑性能和表面应力分布的影响。有机结合有限元分析技术，完成主轴球轴承次表层应力计算，并对最大等效应力进行了对比验证，探讨了非高斯粗糙度参数对主轴球轴承相对滚动疲劳寿命的影响。考虑航

8、空发动机主轴球轴承变速过程中的瞬态效应和多润滑状态并存情况，耦合其拟动力学性能，建立了主轴球轴承变速工况下的瞬态混合热弹流润滑数值分析模型。以变速和重载工况为算例，对比了瞬态混合热弹流数值解与光干涉试验数据