1现状以及发展趋势

1.1论文研究的目的与意义：在汽轮机组、石油钻井机械、舰船主动力机组的低速以及高速精密旋转机械中，滑动轴承因为其承载能力大、耐冲击、抗摩擦性好、运转平稳、噪音小等特点而被广泛地应用，它是用来支撑轴和其他回转零件的一种重要的机械部件。滑动轴承的好与坏将会直接的影响到这个机械设备的运行效果，为此，国内外的学者针对提高滑动轴承的动态性能进行了大量的研究，并系统地将理论和实践进行了结合，利用符合滑动轴承实际工作状况的理论模型以及相应的滑动轴承实验台，对滑动轴承在某一特定工况条件下的工作特性进行了一系列研究。对于滑动轴承的理论研究，是建立在流体动压润滑理论的基础上的，并以雷诺方程为计算模型，结合边界条件进行分析求解，从而得到滑动轴承的油膜压力、承载能力等参数，与此同时还要考虑温度和粘度效应，对能量方程进行分析求解，得到油膜的温度值。在以上数据的基础上，针对非定常雷诺方程，采用压力扰动法可求解出滑动轴承的动特性系数。针对滑动轴承的实验研究，主要分为静态和动态特性试验两种。滑动轴承静态特性是指轴心处于静平衡线上旋转、无外界激振的情况下轴承的静态性能。表征的参数有：承载能力、轴心轨迹以及润滑油温升等；滑动轴承动态特性是指轴心在外界激振力作用下处于静平衡位置附近旋转时轴承的动态性能。表征的的参数有：油膜刚度系数、油膜阻尼系数。随着旋转机械向高速化、大型化发展，滑动轴承系统的振东以及稳定性对机械设备的性能具有越来越重要的影响。在滑动轴承的动力学研究中，不但需要研究油膜温度、油膜压力等静特性参数，对滑动轴承的动态性能也必不可少。而表面织构可以有效的影响滑动轴承的动态性能，不同形貌的、不同尺寸的表面织构可以直接影响滑动轴承的动力学行为，本论文的目的是针对织构对滑动轴承的减振性能的影响为主要研究对象，进行实验研究。1.2关于织构对轴承影响的研究与发展：2007年中国矿业大学的历健全、朱华教授在《表面织构及其摩擦性能的影响》中介绍了表面织构的图案和加工方法以及摩擦学性能的测试方法，阐述了不同表面织构对摩擦学性能的影响以及机制，总结了当前表面织构研究的主要成果，并提出了未来表面织构研究需要深入开展的工作。目前对表面织构的研究已经表明：(1)表面织构在干摩擦条件下能够提高材料的耐磨性和摩擦因数，而在有润滑剂存在的条件下能够起到提高耐磨性和降低摩擦因数的作用。(2)表面凹坑或凹痕能够起到储油器的作用，能够减少润滑油的使用量，并且能缩短润滑膜的形成时间，从而减少摩擦副的磨损，降低摩擦副的摩擦因数。(3)表面织构图案形状、大小以及分布密度对摩擦副的摩擦学性能都有着显著影响。(4)表面织构能够起到提高承载能力的作用。笔者认为未来应从以下几个方面展开对表面织构的研究：(1)对表面织构提高摩擦表面摩擦学性能进行理论研究，并根据摩擦副的运行环境、工况条件和运动方式设计理想的表面织构图案，从而最大程度地提高其摩擦学性能。(2)对复杂表面织构图案进行深入研究。如开展对不同尺寸、不同形状和不同密度的复合表面织构的研究，尤其是对多尺度表面织构图案的研究。(3)对仿生表面织构进行深入研究。研究生物表面织构的作用机制、测试方法和仿生设计方法。(4)研究表面织构加工技术。对于所设计的表面织构，尤其是复杂、多尺度和仿生表面织构，需要研发出有效的加工技术和加工设备。2009年清华大学摩擦学国家重点实验室的周吉、邵天敏教授在《Cu颗粒和条纹表面织构的协同作用对摩擦副摩擦磨损性能的影响》中，利用电加工的方法在45钢表面制备了宽度为150μm，深度为30μm的条纹织构，在SRV往复式摩擦磨损试验机上对具有不同织构面积率的试样进行了摩擦磨损性能试验，分别考察了在纯液体石蜡和添加Cu颗粒液体石蜡润滑条件下摩擦副的摩擦因数和磨损情况，并结合扫描电镜观察和能谱分析研究了表面织构与Cu颗粒协同作用对摩擦磨损行为的影响。结果表明：在摩擦过程中，Cu颗粒能够改善摩擦磨损性能，而条纹织构的存在一方面增加了摩擦，但同时也起到了容纳摩擦屑的作用。条纹织构对摩擦因数的影响和织构面积率以及施加的载荷有关。在较大的载荷下，二者的协同作用能有效的降低摩擦因数。在实验初期，添加0.2%Cu颗粒液体石蜡润滑条件下，当载荷为300N时，织构的面积率为15%的表面平均摩擦因数比原始表面降低约13.5%；而当载荷为500N时，织构面积率30%的表面的平均摩擦因数比原始表面降低约11.8%。2012年海军工程大学船舶与动力学院的王素华、吴新跃、郭静教授在《滑动轴承表面织构润滑理论模型》中介绍了作用在轴和轴承上的常见表面织构形状和分布方式，总结了带有织构的滑动轴承理论模型，分析了表面织构参数对滑动轴承性能的影响和考虑空穴、惯性力、热效应、混合润滑等不同条件下的润滑机理，并对滑动轴承表面织构模型研究方向进行了展望。研究阐明：表面织构在干摩擦或边界润滑时可作为储屑槽，减少磨损，延长使用寿命；还可作为储油槽，为边界润滑或混合润滑的表面提供润滑；在相互平行的摩擦表面产生动压润滑，减小摩擦因数。表面织构技术加工容易，应用范围广，受到广泛关注。对表面织构影响滑动轴承润滑和摩擦性能的理论有大量研究，但仍有一些问题值得深入探讨：(1)在径向滑动轴承表面织构是否能提高承载能力的研究存在矛盾之处，需要进行大量试验研究。(2)表面织构对轴承性能的影响大部分是基于流体稳定状态，实际情况下轴承在每一转内流体是变化的，应考虑在瞬时状态下表面织构的影响。(3)实际轴承和轴表面有一定的表面粗糙度，在分析时应考虑不同表面粗糙度时表面织构对其影响。1.3径向滑动轴承的实验研究概述1.3.1径向滑动轴承的实验方法滑动轴承实验方法主要是针对滑动轴承动特性实验，滑动轴承的静特性测量只需要对一定转速下的实验轴承施以工作载荷，得到相应工况下轴承的油膜温度、油膜压力等参数，而滑动轴承的动特性测量，在静特性测定的条件下，另外还需对实验轴承加以微小的扰动，来测定轴承的响应，也就是说，滑动轴承动特性实验测定方法主要是利用激振力对系统的激振和测试得到的系统响应之间的关系来识别。根据激振方法的不同，滑动轴承动特性实验方法可分为载荷增量法、简谐力激振法、复合激振法和瞬态激振法。载荷增量法是指分别在轴颈水平和垂直方向作用一个静载荷，测量出每次加载时轴颈中心在三个方向上的移动量，这样可以求得在单位力下轴颈在各个方向上的位移，组成影响系数矩阵，作求逆运算就得到刚度系数矩阵。利用此方法的前提是在稳定工作条件下施加较小静载荷，这样测得数值比较稳定，但是由于瞬态速度很难确定，所以不能利用此法测定阻尼系数。简谐力激振法是指对处在静平衡位置的轴颈，分别在水平、垂直和轴向方向上施加已知简谐激振力，并测量轴颈所做的同频振动响应，把激振力及测量得到的振动值代入运动方程，求解方程就能得到八个动力特性系数，但是此方法需要两次实验，由于每次实验条件不可能完全相同，因此不可避免会带来误差。复合激振法则是同时采用包含两种不同频率的间谐激振力对轴颈在水平、垂直和轴向方向激振，此时轴颈运动也做两种频率的合成运动，将两种频率的运动分离，令分离后各振动频率所对应的实部和虚部分别相等，即可求得八个动力特性系数。瞬态激振法是在轴颈上加载瞬态力或冲击力，测出轴颈响应，然后经过信号分析得到八个动力特性系数。这种方法的激振频率的范围广，一次激振就可以产生足够的信号用来分析，但是在某一频率下，信号能量弱，容易被噪声淹没，甚至不能被采集到。同时，实验设备较为复杂，实验难度较大，但很有希望在原型机械上测试动力系数。1.3.2径向滑动轴承的国内外研究现状滑动轴承的一个非常重要的特征是其在动态载荷下所具有的油膜柔性，这一特性影响着转动机械的临界速度、不平衡响应和动力学稳定性等。1925年Stodola首先发现了油膜的这一特性，他认识到油膜不是刚性的，而是像一组弹簧和阻尼器，并且它们的特性取决于轴承的几何尺寸、转子的速度以及载荷等。1971年D.W.Parkins用位移系数和速度系数反映轴承的动特性，用简谐力激振的方法测量出了动特性系数并与理论值进行了对比。1985年清华大学郑沛怡等用椭圆轴承作为实验轴承进行了实验研究，测定了轴承的轴心轨迹，用载荷增量法测量了油膜刚度系数，然后分别用离心力激振法和瞬态激振法测量了阻尼系数。1995年，洪钟瑜等用锤击法测定了椭圆轴承的动特性系数，与理论计算值进行了对比，并分析了锤击法测定动特性系数可能带来的误差。2004年西安交通大学周华等设计滑动轴承实验台,测定了刚度阻尼系数与载荷系数、激振器振幅的关系。2006年，东芝公司[51]建立了直径为580mm的动特性实验台，实验测定了可倾瓦轴承的动特性系数。2007年Dmochowisk设计的滑动轴承实验台，对可倾瓦滑动轴承的主刚度系数和主阻尼系数进行了测定，并与理论值进行了对比。2010年D.W.Childs等研究了激振频率对滑动轴承动特性的影响，并且测定出了滑动轴承的质量系数，随激振频率变化的规律。2012年清华大学张金煜、孟永刚将轴承的内外径、转速、润滑油粘度、轴颈间隙以及直槽参数为变量进行了滑动轴承表面织构的优化设计。