4109航空润滑油弹流拖动特性分析_杨伯原

第19卷第3期1998年　9月 洛　阳　工　学　院　学　报J ou rnal of Luoyang Ins titu te of Technolog y

V ol .19No.3

Sept.　1998

《资料法》分类号:TH 117.22

4109航空润滑油弹流拖动特性分析*

杨伯原

郑培斌

凌卫青

王燕霜

(成人教育学院)

(机设工程系)

(机电工程系)

(机设工程系)

摘要　采用自行研制的试验装置,模拟实际工况对4109国产航空润滑油进行了不同条件下的拖动力试验,提出了可供工程实际应用的4109航空润滑油弹流拖动系数的计算公式,并对润滑油的流变特性进行了分析。

关键词　弹性流体动压润滑　拖动特性　润滑剂

*机械部军工司基础研究资助项目杨伯原:男,1952年生,副教授收稿日期:1998-05-12

0　前言

按照牛顿流体模型计算弹流油膜拖动力存在着较大误差的原因,是润滑剂在弹流接触区内处于极其特殊的状态从而使润滑剂为非牛顿流体。研究表明:在高压接触区内,润滑剂不仅具有粘性而且还具有弹性甚至塑性。在实际应用中,弹流拖动力对控制滚动轴承打滑、计算拖曳性能和研究表面疲劳失效等问题十分重要,因此弹流润滑拖动力数据,是滚动轴承动力学设计中不可缺少的基本参数之一。目前所建立的非牛顿流体模型的局限性,使得在工程上越来越多地依靠试验来解决润滑油的弹流拖动力问题。本文在自行研制的弹流拖动力试验装置上对4109航空润滑油进行拖动力系数测试,获得了可供实用的试验曲线,并采用经验公式对试验数据进行拟合,得出便于工程应用的4109航空润滑油拖动系数公式。这不仅满足于航空发动机主轴轴承动力学设计的需要,而且为弹流拖动理论的研究和对润滑油油品的评价提供了依据。

1　原理

为了描述润滑油的流变特性,国外提出了各种非牛顿流体的流变模型,如1977年K L Johnson 和J Tev aarw erk 提出的非线性粘弹性体模型(J-T 模型)[1]、1979年S Bair 和W O Winer 提出的非线性粘弹性体模型(B-W 模型)[2]以及Ree-Ey ring 流体模型等。由于这些模型自身的局限性和模型中的参数缺乏适用的准确数据,因此常常采用试验的方法来解决润滑油的弹流拖动力问题。因为在一定的试验条件下,滑滚比和拖动系数之间的关系可以反映剪应变率和剪应力之间的关系,所以国外研究者用拖动系数_和滑滚比s 的关系曲线来表示流体的剪应力f 和剪应变率V 之间的关系。

润滑油的非牛顿特性表现在超过一定的滑滚比时,油膜拖动力和滑滚比呈现出显著的非线性关系。当拖动力达到最大值后,再增大滑滚比,拖动力保持不变或者略有下降。因此可以通过在试验中考察拖动系数和滑滚比的关系来考察润滑油的流变特性。

2　试验装置

本文是模拟航空发动机主轴轴承的实际工况,测试在不同试验条件下4109航空润滑油的拖动系数。根据实际要求,试验装置满足如下试验条件:试件平均滚动速度可达40m /s,并且可以实现无级调速;试件接触区最大H er tz 应力可达2GPa ;接触区入口处润滑油的温度可达125℃;测量拖动力的传感器线性工作范围在0～50N 。

试验装置采用自行研制的静压支承高速球盘试验机,并且用液氮冷却装置对试验台进行了改进,如图1所示。

各自被独立驱动的球试件和盘试件分别安装在横置和竖置的变频调速电主轴上。横置电主轴具有两个自由度:一个是沿着静压轴承轴线方向的上下运动。液压系统通过这个运动实现图1　试验机及液氮冷却装置

球试件向上运动对圆盘试件的加载,载荷的大小由放置于静压轴承下端的载荷传感器来测量;另一个是绕静压轴承轴线的转动,试验中润滑剂的拖动力使电主轴Ⅱ摆动压迫一固定于机身上拖动力传感器,从而测得拖动力的大小。在高温润滑油的拖动力测试中采用液氮冷却装置对两个变频调速电主轴分别进行冷却。用保温瓶替代杜瓦瓶,其内部放置一个与调压器相连接的电热装置,通过调压控

制电热装置的工作温度从而达到控制冷却程度的目的。冷却管包上保温性能十分理想的材料

-硬质组合聚醚。试验证明,液氮冷却装置设计合理,使用安全,达到了预期的冷却效果。

3　试验结果及数据处理

采用上述试验装置,工况条件是:平均滚动速度U =25m /s 、30m /s 、35m /s ,接触区最大Her tz 应力P 0=0.8GPa 、1.0GPa 、1.25GPa 、1.5GPa ,入口温度T =20℃、75℃、125℃,滑滚比

s =0

～20%,这样可以组成36种模拟工况。在每种工况条件下对4109航空润滑油试验了10～20个数据点,得到的36条弹流拖动特性离散点曲线。图2～图4是部分工况下的试验点图及其拟合曲线。

为便于工程应用,根据试验曲线的特征,将试验数据按经验公式(1)进行拟合_=(A +Bs )e -cs

+D

(1)

得到每种工况条件下的回归参数值A 、B 、C 、D ;然后再与指数经验公式拟合,得到

A =- 6.960×102W *

-0.163U *

0.577

T *

0.308

·

22·洛　阳　工　学　院　学　报1998年

B = 5.190×106W *-0.373U * 1.000T *0.687

C = 6.826×105W *-0.170

U *0.578T *0.373D = 6.960×102W *

-0.163

U *

0.577

T *

0.308

(2)

图2　不同载荷下的拖动特性曲线

式中无量纲参数

W *

=W /(ER 2

)U *=Z o U /(ER )

T *=T [K /(Z o U 2

)](3)

其中　Z 0为入口区润滑油的粘度,K 为润滑油的热传导率。

在小滑滚比范围内的各种试验条件下对f /V 与Z 进行计算,表明二者之间有明显的差

异,见表1。因此,流体不满足牛顿粘性定律,不再是牛顿流体。此时,小应变率范围内流体的剪应变是粘性剪应变和弹性剪应变共同作用的结果

。

图3　不同速度下的拖动特性曲线 图4　不同温度下的拖动特性曲线

Debo rah 数是判断润滑油粘弹性性质的重要参数,它决定拖动曲线的形状。

Debo rah 数定义为润滑油的松驰时间Z /G 与润滑油穿过接触区所需时间a /U 的比值。

D =Z U /Ga (4) 在所有Debo rah 数下流体的弹性响应都符合简单的直线关系

F /(πa 2f 0)=8C V a /(3πU f 0)

即

G =3πU /8ax f /V

(5)

代入试验参数可以得各种试验条件下的平均剪切弹性模量G ,将G 值代入式(4)可以得到

不同试验条件下的Debo rah 数(表1)。

结果表明,4109航空润滑油在不同试验条件下的Deborah 数均大于1,因此流体通过接触区时弹性效应显著。

·

23·第3期杨伯原等:4109航空润滑油弹流拖动特性分析