基于超声空化效应的涡轮增压器滑动轴承主动减阻机理研究

For the issue of friction losses of super high speed journal bearings, this project conducts a study on the journal bearing of turbochargers. An approach will be developed for the friction reduction by means of the aerated lubricant generated by ultrasonic cavitation effect which forms the oil-gas two-phase flow with non-Newtonian characteristics. Firstly, the ultrasonic cavitation effect of the lubricant is studied as well as the effects of the excitation parameters on the aeration level of lubricant. The rheological behavior of such oil-gas two-phase flow is analysed. The functional relationship is investigated between the viscosity and such parameters as aeration level, shear rate, temperature, pressure, etc. The model of distribution and transport for the micro bubbles in the oil film is thus established. Then, the lubrication performance of the journal bearing is studied under the turbulent flow. According to the experimental data, the turbulence factor is modified, the lubrication model is established, and the oil film pressure distribution as well as the boundary is acquired. The influence of the ultrasonic cavitation effect is revealed on the friction reduction of the turbulent lubrication and the dynamic performance of the journal bearing. Finally, the flow induced vibration of the micro structure of the journal bearing under super high speed is investigated. The model between the aeration level, surface texture and the high frequency vibration of the journal bearing is established under different lubrication condition. Given the research mentioned above, the approach of an active control for the cavitation effect and friction reduction will be discussed, which will provide the scientific foundation for the operation performance of high speed rotor systems.

本项目针对超高速滑动轴承摩擦功耗问题，以涡轮增压器滑动轴承为研究对象，提出一种利用超声空化效应所产生的含气油液，形成具有非牛顿特性的油气两相流来实现减阻的新方法。首先，研究润滑油的超声空化效应，揭示激励参数对润滑油含气量的影响规律，并对油气两相润滑油液进行流变特性分析，探索含气量、剪切速率、温度、压力等因素与粘度之间的函数关系，从而建立微气泡在油膜中的分布和输运模型。然后，分析紊流状态下滑动轴承的润滑特性，根据试验数据修正紊流因子，建立油气紊流润滑模型，获取油膜压力分布、油气边界等参数，揭示超声空化效应对紊流润滑的减阻机理和对轴承动力学性能的影响规律。最后，探索滑动轴承微观结构在超高转速下的流致振动机理，建立不同润滑工况参数下，油膜含气量、摩擦副表面形貌、与轴承支承结构高频振动之间的映射模型。在此基础上，探索主动控制油膜空化效应的途径与减阻效果，为改善高速转子系统的运行性能提供科学依据。

本项目针对超高速滑动轴承摩擦功耗问题，以涡轮增压器滑动轴承为研究对象，提出一种利用超声空化效应所产生的含气油液，形成具有非牛顿特性的油气两相流来实现减阻的方法。首先对计入粗糙表面影响的层流润滑摩擦副声振机理进行了研究，在考虑非高斯表面上微凸体扰动的情况下，建立了动态流固耦合模型；采用摄动法求解了由微观流固耦合引起的随机压力扰动的解析表达式，研究了在动压润滑条件下轴颈轴承高频共振的激励机理。然后基于柔性转子模型单测点不平衡位移响应辨识方法，实现了在临界转速及以上转速工况下刚性和柔性转子中的油膜动力系数辨识；提出了基于瞬态不平衡响应和平方根容积卡尔曼滤波的辨识方法，利用提取的瞬时转子角速度和测点处的瞬态不平衡响应，实现了时变滑动轴承油膜动力系数的在线识别。接下来针对浮环轴承乏油空化润滑问题，建立了浮环轴承空化的计算数学模型，分析了供油量对内外油膜厚度、压力分布、润滑油填充比例、轴承的偏心率及索氏数等参数的影响进行研究。最后建立了含气状态下的滑动轴承润滑模型，通过实验设备制备了油气两相流，结合视觉技术测得轴承运行过程中的含气率，获取了初始含气率、初始气泡半径、表面扩张粘度对滑动轴承润滑动、静特性的影响规律。. 通过本项目的研究，建立了微气泡在油膜中的分布和输运模型，揭示了超声空化效应对紊流润滑的减阻机理和对轴承动力学性能的影响规律，建立了不同润滑工况参数下，油膜含气量、摩擦副表面形貌、与轴承支承结构高频振动之间的映射模型。项目的研究成果为以主动减摩为目标的轴瓦结构优化设计提供了理论依据。. 项目资助发表学术论文21篇，其中被SCI检索12篇。申请并授权实用新型专利4项。培养博士研究生6名，硕士研究生7名，其中4名已取得博士学位，2名转为硕博连读,3名已取得硕士学位。项目投入经费58万元，支出17.2万元，剩余经费40.8万元，剩余经费计划用于本项目研究的后续支出。