多种流态共存时超高速浮环动静压轴承润滑理论、实验和应用研究

对某些超高速浮环及动静压轴承的研究中发现，在同一轴承润滑膜中同时存在着层流、紊流及过渡区状态的现象。本项目将深入研究其特征及相互渗透、相互影响的规律；提出合适、简洁的物理和数学模型，包括全区域统一方程组，边界条件以及不同流态交界处混合区域内的压力、流量协调条件；利用有限元和差分格式的交互，离散方程组；在实验的基础上，提出能综合反映不同流态共存特征的"相当油膜厚度"和"相当面积"概念，导出其计算公式和工程应用图表，并据此给出更接近实际流态的滑动轴承新的临界雷诺数及判据；制定可保证航天等发动机浮环动静压轴承稳定、可靠运行的设计准则和数据库。.得到的计入不同流态共存时的超高速浮环轴承静、动态特性和修正的新的临界雷诺数以及工程应用公式对紊流润滑理论，紊流理论和航天、航空及空分、超精密磨床等领域应该具有重要的参考价值。

高速滑动轴承由于工况不同、油膜厚度不同以及润滑油粘度不同等而导致在轴承油膜的不同区域会出现层流、紊流甚至过渡区共存的物理现象。目前传统的润滑理论认为对于轴承油膜的流态要么是层流，要么是紊流，这显然与轴承的实际物理状态不相符合。本项目首先从理论上论证了这种物理现象存在的可能性，并提出了多种流态共存时滑动轴承油膜流态的物理和数学模型。推导了无限短、无限长和有限宽径向滑动轴承等在混合流态下热流体润滑性能计算公式，用差分法和有限元方法离散基本微分方程组及流量协调方程，编制相应的程序。通过优化加权因子和迭代步长求解基本方程组，得到了不同工况下油膜的特性参数并分析了不同雷诺数下压力、温度及其他特性参数的变化规律。制定了实验方案，设计加工两套某军工实用的浮环轴承和3套有机玻璃模拟轴承及有关配套实验设备。在计算的同时进行初步试验，测试了3种不同轴承结构和9种工况下油膜的流态变化情况。对某涡轮增压器实际使用的浮环轴承进行了静、动态特性和稳定性的理论分析，并在某军工企业实际轴承实验台上对温度、环速比等参数进行了测试。分析处理计算及实验数据，绘制相应曲线图表，计算不同结构参数及工况下油膜的实际雷诺数并与圆柱轴承的临界雷诺数进行对比，判断误差，修正流态判据。通过测量流态过渡区尺寸初步得到过渡区压力边界条件的修正公式。. 综上所述，我们在理论分析、数值计算、试验和工业应用等方面完成了项目任务书的要求，并在流体润滑理论中首次揭示出同一滑动轴承润滑油膜中存在层流、紊流甚至过渡区共存的物理现象和提出了多流态热润滑物理及数学模型，而且在实验中得到了有力地证实。其对不同结构滑动轴承进行的多流态热润滑理论推导、计算、和实验结果以及对流态临界雷诺数的修正和在油膜厚度突变处混合区域内采用“平均压力”边界条件等成果，将不仅为现代润滑理论增添了新内容，而且对滑动轴承特别是对高速、超高速浮环轴承的工业应用提供了重要的参考资料。