活塞式航空发动机轴系主要摩擦副润滑机理研究及其低振动噪声设计

The friction, wear and lubrication of tri-pair have a great impact on the performance, efficiency, reliability and noise-vibration of piston aero-engine. This project focuses on some lubrication problems of the civil aviation of piston aero-engine, such as the tribological mechanism of the key tri-pairs in the shaft system, insufficient research on cavitation that is associated in lubrication, hard to carry out lubrication optimization, not deep enough research for the effect of lubrication on vibration and noise. This paper builds the numerical lubrication models of the engine shaft and carries out the lubrication mechanism analysis, a more perfect lubrication analysis for the shaft system of the piston aero-engine is formed; a new theory about cavitation and inter-asperity cavitation based on mass conservation of control volume is proposed, the cavitation mechanism in the shaft system of piston aero-engine is revealed; orthogonal experiment coupling with intelligence method and statistical method to analyze the tribology are proposed, lubrication characteristics forecasting and optimization are studied, the problem that is difficult to identify the dry friction in tri-pair design is also solved; the engine noise and vibration are researched from the view of the tribology, the method of lubrication coupling with dynamic is also investigated, and then the design of low noise-vibration engine is carried out. At last, the effect of the oil lackage, load, oil viscosity and so on on the tribological performances are studied and cavitation model is also verified with experiment in the paper. All the research will provide the reference and guidance for the low friction loss, low wear and low vibration-noise piston aero-engine design.

摩擦副的润滑对活塞式航空发动机的性能、效率、可靠性和振动噪声有重要影响。项目针对目前活塞式民用航空发动机摩擦副润滑机理及伴生的空穴现象研究尚不够充分、润滑优化难以开展和润滑对发动机振动噪声影响研究不够深入的问题，提出系统地构建发动机轴系摩擦副润滑数值模型及开展润滑机理研究，形成较完善的润滑分析体系及为空穴理论研究奠定基础；提出基于控制体积质量守恒原理的宏观和微凸体空穴新理论，研究活塞式航空发动机轴系摩擦副空穴建模和求解方法，揭示空穴机理；提出正交试验结合智能算法、统计学的摩擦学研究方法，研究润滑性能的预测和优化，解决摩擦副设计中干摩擦难以识别的问题；提出从润滑角度研究发动机振动噪声，研究润滑与动力学耦合方法，开展发动机低振动噪声设计。最后结合摩擦试验研究乏油、载荷、机油粘度等对摩擦的影响并验证空穴模型。整个研究将为低摩擦功耗、低磨损故障及低振动噪声的活塞式航空发动机设计提供参考和指导依据。

摩擦副的润滑对活塞式航空发动机的性能、效率、可靠性和振动噪声有重要影响。项目通过基础理论研究、试验分析、数值算法、仿真计算、优化分析等手段，研究轴系中主要摩擦副的润滑机理和动力学，针对目前活塞式民用航空发动机摩擦副润滑机理及伴生的空穴现象研究尚不够充分、润滑优化难以开展和润滑对发动机振动噪声影响研究不够深入的问题。开展了活塞环、活塞裙部、主轴承、连杆轴承、活塞销的润滑数值模型及润滑机理研究，研究了摩擦副微织构模型构建方法，并将研究拓展到气体弹性波箔轴承研究，形成较完善的润滑分析体系，为摩擦副的设计奠定基础和进行了拓展。项目提出基于控制体积质量守恒原理的宏观和微凸体空穴新理论，研究发动机摩擦副主轴承、活塞销、连杆轴承、活塞环空穴建模和求解方法，研究结果表明空穴出现在油膜未承载区域，空穴区域油膜密度变小，空穴的考虑引起承载能力、机油泄流量有较大差异。项目将正交试验结合智能算法、统计学的摩擦学研究方法，结合回归算法、支持向量机和预测和优化润滑性能，识别摩擦副设计中出现干摩擦问题，实现了小样本下数据的预测；项目建立曲轴-机体润滑与动力学耦合方法，研究了3种不同模型下发动机振动噪声，对发动机振动噪声进行了预测，研究结果表明耦合模型计算的总载荷差别不大，但轴承上的载荷分布有很大差异。刚性曲轴模型下靠近皮带轮和飞轮端的轴承载荷大于柔性曲轴，刚性曲轴使得中间轴承载荷偏低。最后结合摩擦试验研究乏油、载荷、机油粘度等对摩擦的影响，突变边界条件可能使得摩擦形成不可恢复的破坏。在评价磨损时，不能仅仅只从摩擦系数大小去评价。整个研究将为低摩擦功耗、低磨损故障及低振动噪声的发动机设计提供参考和指导依据。