低速重载油膜的磁流固多场耦合润滑机理与界面力学行为

To promote the development of the technologies on oil-film bearing of national industries such as iron steel, mines, metallurgy, electric power, aeronautics and aerospace, choosing low-speed and heavy-load oil film as research body, large-scale mill oil-film bearing as typical industry application object, the mathmatical modelling of lubricating oil film as the core, the decreasing bearing damage and the prolonging bearing life as goal, the oil-film lubricating mechanism and the interface mechanic behaviors as the approaching points, by introducing magnetic fluid lubrication and by setting magnetic field intensity to ensure the integrity and stability of lubricating oil film and to enhance its viscosity and load capacity, as well as compensating the negative effects of babbit alloy creep on oil-film lubricating properties, this project adopts cross-dimensional fluid-to-solid coupling with oil film and bearing system to systematically study the magnetic-fluid-solid multi-field coupling lubricating mechanism and interface mechanic behaviors of oil film under low speed and heavy load; complete the magnetic-fluid lubrication modification of test rig and the measurement on oil-film lubricating property parameters; develop the algorithm and software on multi-field coupling lubricating properties and interface mechanic behaviors; seek for the optimum magnetic-fluid lubricating oil-film bearing configuration; establish the evaluation system on multi-dimensional oil-film lubricating properites; further accomplishes the application and validiation of research fruits in enterprises, further revise model and methods; improve oil-film bearing structure with consideration of enterprise practice, ultimately promote the natinoalization of national mill oil-film bearing.

为促进国家钢铁、矿山、冶金、电力、航天、航空等行业油膜轴承技术的发展，本项目以低速重载油膜为研究主体，以轧机油膜轴承为典型工业应用对象，以润滑油膜的数学建模为核心，以减少轴承损伤事故和延长轴承使用寿命为目标，以油膜润滑机理和系统界面力学行为作为切入点，为保证低速重载工况下油膜的完整性和稳定性，引入磁流体润滑，通过设置磁场强度，动态提高润滑油粘度和承载能力，同时补偿衬套合金蠕变对油膜润滑的负面效应；基于油膜和轴系的跨尺度流固耦合界面，研究低速重载油膜的磁流固多场耦合润滑机理和界面力学行为；实施试验台磁流体润滑改造与油膜润滑特性参数测试；开发低速重载油膜磁流固多场耦合润滑特性与界面力学行为算法与软件；建立跨空间尺度的油膜润滑特性评价体系；寻求最佳的磁流体润滑油膜轴承配置方案；实施研究成果在企业的应用研究和验证，继而修正模型和方法；结合企业实际改进油膜轴承，推进我国轧机油膜轴承的国产化。

为保证低速重载工况下油膜的完整性和稳定性，项目引入磁流体润滑理念，以补偿合金蠕变对油膜润滑的负面效应；研究了低速重载油膜的磁流固多场耦合润滑机理和界面力学行为；建立了考虑磁场强度和合金蠕变的油膜润滑数学模型；确定了油膜压力、厚度、粘度和磁场强度之间的关系、磁化强度与介质表面磁化电流的关系；得到了油膜润滑性能随磁场强度的变化规律；设计了磁流体润滑油膜轴承配置方案，计算了楔形间隙内磁场分布和电流与磁场强度关系；推导了磁流体粘度方程，对油膜压力、油膜温度、磁场强度和磁流体粘度进行了模拟监控，实现了磁场强度增大的粘度增量能够弥补温度升高的粘度减量，保证了润滑油膜的完整性和稳定性。.基于蠕变实验结果，得到了合金ZChSnSb11-6蠕变前后的抗拉强度等力学性能。通过分析合金蠕变、力学性能和显微组织的关系，得到了ZChSnSb11-6蠕变机理，明确了合金蠕变变形是塑性变形与再结晶回复长时间交替作用的结果。通过计算合金的应变硬化指数，证实了蠕变使合金均匀变形的能力降低，增大了合金发生断裂破坏的可能性。基于硬度试验获得了合金硬度随温度的变化规律，确定了合金蠕变临界温度范围为50-60℃。通过多组典型应力的巴氏合金蠕变试验，获得了蠕变变形与时间的关系、蠕变曲线和蠕变常系数、变系数的函数解析式；确定了合金疲劳蠕变寿命与接触应力、温度之间的本构关系；预测了给定工况下油膜轴承的疲劳寿命。.另外，对轴承衬套离心浇铸凝固过程进行了数值模拟：研究了不同的浇铸温度和铸型预热温度对凝固过程的影响规律，通过采用不同的水冷工艺，对最佳工艺参数下浇注完毕的轴瓦进行了水冷却实验，获得了油膜轴承钢背在不同水冷条件下的冷却实验数据，得出了轴承钢背的最佳水冷工艺。通过对巴氏合金与钢套界面结合处受力情况分析，求出了油膜轴承实际承载的临界最大值；提出了巴氏合金影响因子的计算公式，通过对不同巴氏合金比重下复合材料的弹性模量试验测试，得到了复合材料弹性模量、巴氏合金影响因子关于巴氏合金比重的数学表达式，为油膜轴承巴氏合金层最佳厚度的确定提供了科学依据。.项目实施了试验台磁流体润滑改造与油膜润滑特性参数测试；研制了磁流体试验轴承；完成了磁流体油膜轴承油的粘度测量；对中石化润滑油研发(北京) 中心研制的220油膜轴承油润滑性能进行了全方位测试，结合企业实际改进了油膜轴承，推动了我国油膜轴承的国产化。