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Modelling of Non-Newtonian Starved Thermal-elastohydrodynamic Lubrication of Heterogeneous Materials in Impact Motion

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Acta Mechanica Solida Sinica 2021年第6期34卷 954-976页

作者： Xueyu Bai qingbing dong Han Zheng Kun Zhou School of Mechanical and Aerospace Engineering Nanyang Technological University50 Nanyang AvenueSingapore639798Singapore State Key Laboratory of Mechanical Transmission Chongqing UniversityChongqing400030China College of Mechanical and Vehicle Engineering Chongqing UniversityChongqing400030China Environmental Process Modelling Centre Nanyang Environment and Water Research InstituteNanyang Technological University1 Cleantech LoopSingapore637141Singapore

This study presents a numerical model for the thermal-elastohydrodynamic lubrication of heterogeneous materials in impact motion,in which a rigid ball bounces on a starved non-Newtonian oil-covered plane surface of an elastic semi-infinite heterogeneous solid with inhomogeneous *** impact–rebound process and the microscopic response of the subsurface inhomogeneous inclusions are *** inclusions are homogenized according to Eshelby’s equivalent inclusion *** Elrod algorithm is adopted to determine the lubrication starvation based on the solutions of pressure and film thickness,while the lubricant velocity and shear rate of the non-Newtonian lubricant are derived by using the separation flow *** dynamic response of the cases subjected to constant impact mass,momentum,and energy is discussed to reveal the influence of the initial drop height on the impact–rebound *** results imply that the inclusion disturbs the subsurface stress field and affects the dynamic response of the contact system when the surface pressure is *** impact energy is the decisive factor for the stress peak,maximum hydrodynamic force,and restitution coefficient,while the dynamic response during the early approaching process is controlled by the drop height.

关键词： Thermal-elastohydrodynamic lubrication Impact motion Lubrication starvation Non-Newtonian behaviour Inhomogeneous inclusion

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三维线接触微动界面疲劳寿命预测及断裂行为研究

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机械工程学报 2024年第8期60卷 107-120页

作者：董庆兵陈壮罗振涛张杰魏静重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044 重庆大学机械与运载工程学院重庆400044 西南石油大学机电工程学院成都610500

工程机械中常用的连接结构由两个或多个零件紧密配合而成,在运行过程中接触的零件相互挤压的同时伴随有小幅相对滑动,易发生微动疲劳。微动疲劳主要分为疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和快速断裂三个阶段,连接结构中的零件断裂可引起严重... 详细信息

工程机械中常用的连接结构由两个或多个零件紧密配合而成,在运行过程中接触的零件相互挤压的同时伴随有小幅相对滑动,易发生微动疲劳。微动疲劳主要分为疲劳裂纹萌生、疲劳裂纹扩展和快速断裂三个阶段,连接结构中的零件断裂可引起严重事故。现有的研究主要基于经过简化的二维平面应变模型,为了更清楚地了解微动疲劳的断裂机制,首先建立了微动条件下的三维线接触有限元模型,然后基于临界平面法分析了裂纹萌生寿命、位置和角度,最后基于线弹性断裂力学模拟了三维疲劳裂纹扩展过程。结果表明:在微动载荷的作用下,裂纹以一定倾斜角度在接触区域边缘处萌生,先沿着萌生方向逐渐扩展,当疲劳裂纹扩展至一定深度时,在循环体应力作用下,其方向逐渐变为垂直于接触表面,最终使试件断裂。裂纹萌生阶段的寿命远大于扩展阶段的寿命,占微动疲劳寿命的70%~80%。计算得到的疲劳寿命与文献中微动试验的寿命结果在2倍的分散带内,验证了该方法的有效性。该仿真分析方法可为连接结构的抗微动疲劳设计提供理论基础。

关键词：微动接触部分滑移多轴疲劳临界平面法疲劳断裂

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分片式可变间隙径向滑动轴承混合润滑研究

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摩擦学学报 2023年第11期43卷 1285-1298页

作者：罗庆董庆兵赵滨魏静杨海师重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044 重庆大学机械与运载工程学院重庆400044 哈尔滨工程大学动力与能源工程学院黑龙江哈尔滨150001 重庆齿轮箱有限责任公司重庆402263

径向滑动轴承因其高可靠性被广泛应用于大型轴承-转子系统,但恶劣工况下常因润滑不良造成局部区域固体直接接触,即混合润滑,导致轴承系统提前失效.本文中以某大型核电循环泵齿轮箱中分片式可变间隙径向滑动轴承为研究对象,耦合弹性流体... 详细信息

径向滑动轴承因其高可靠性被广泛应用于大型轴承-转子系统,但恶劣工况下常因润滑不良造成局部区域固体直接接触,即混合润滑,导致轴承系统提前失效.本文中以某大型核电循环泵齿轮箱中分片式可变间隙径向滑动轴承为研究对象,耦合弹性流体动压润滑模型和表面粗糙峰接触模型,并计入分体式轴承不连续承载特性,建立了考虑轴颈倾斜的分片式可变间隙径向滑动轴承混合润滑模型.采用有限差分法和影响系数法数值解析轴承表面油膜压力、接触压力和油膜厚度等特征量,研究了轴承间隙、轴颈倾斜和转速等因素对滑动轴承系统润滑性能的影响,并揭示了分片式可变间隙径向滑动轴承摩擦学特征.研究表明,轴承载荷主要由部分特定轴承片支撑,且各因素对轴承片载荷比率影响不同,其中轴颈倾斜对润滑性能影响最为显著,恶劣工况下轴承间隙较小一侧率先发生固体直接接触,导致轴承边缘最易发生严重磨损;合理地调整各轴承片间隙可有效地改善轴承表面油膜压力分布,有利于提高轴承系统承载能力,并降低轴承表面发生过度磨损风险,为实现最优润滑方案提供了理论依据.

关键词：分片式径向滑动轴承可变间隙轴颈倾斜混合润滑载荷比率

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基于大型轧机调心滚子轴承等效简化模型的过盈及接触分析

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机械强度 2022年第5期44卷 1170-1178页

作者：张安康董庆兵陈壮李金超何东重庆大学机械传动实验室重庆400030 重庆大学机械与运载工程学院重庆400030 重庆齿轮箱有限公司重庆402263

轧机中的调心滚子轴承工况复杂,实际寿命经常达不到预期的设计寿命,因此研究调心滚子轴承的全局载荷分布与局部的应力分布具有重要意义。在分析轴承的接触载荷分布时,对接触区域的网格细化将增加有限元模型中单元数量,导致计算时间较长... 详细信息

轧机中的调心滚子轴承工况复杂,实际寿命经常达不到预期的设计寿命,因此研究调心滚子轴承的全局载荷分布与局部的应力分布具有重要意义。在分析轴承的接触载荷分布时,对接触区域的网格细化将增加有限元模型中单元数量,导致计算时间较长且不易收敛。首先,基于赫兹接触理论提出了一种新的简化的轴承有限元模型,简化后的模型可以明显地提高计算效率;然后,在考虑轴和轴承内圈过盈配合的基础上求解全局模型的滚子接触载荷分布;最后,将求出的最大接触载荷对应的位移作为局部模型的边界条件,求解内圈的应力分布。结果表明不同工况下两列滚道承受载荷的比例是变化的,滚子接触载荷分布也是变化的。过盈配合使得内圈的最小Mises应力大于40 MPa,这将会降低轴承的强度和疲劳寿命。

关键词：轧机调心滚子轴承模型简化载荷分布过盈配合

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基于多轴疲劳准则的齿轮点蚀寿命预测

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摩擦学学报 2023年第1期43卷 92-103页

作者：王雄董庆兵史修江魏静秦毅冯成程罗振涛重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044 重庆大学机械与运载工程学院重庆400044 哈尔滨工程大学动力与能源工程学院黑龙江哈尔滨150001

综合齿轮动力学和弹性流体动力润滑理论,建立基于临界平面法多轴疲劳寿命预测模型.首先根据齿轮啮合特性获取齿面接触的时变参数,采用平均滤波方法模拟齿面磨合后的粗糙状态,并将齿面粗糙形貌带入油膜厚度计算,并基于量纲化差分方法建... 详细信息

综合齿轮动力学和弹性流体动力润滑理论,建立基于临界平面法多轴疲劳寿命预测模型.首先根据齿轮啮合特性获取齿面接触的时变参数,采用平均滤波方法模拟齿面磨合后的粗糙状态,并将齿面粗糙形貌带入油膜厚度计算,并基于量纲化差分方法建立齿轮的热弹流动力润滑模型;随后,通过润滑界面压力和摩擦力的分布计算近表面应力状态,确定接触近表面任意平面的应力与应变幅;最终,采用临界平面方法计算Smith-Watson-Topper(SWT)参数和最易萌生裂纹的平面,最终确定齿轮疲劳点蚀寿命,并试验验证模型有效性.结果表明:粗糙表面造成压力、油膜厚度和温度等波动较大,最大应力集中分布在表面,疲劳点蚀的微裂纹首先在表面萌生;齿轮疲劳点蚀数值模型可有效预测不同润滑条件下的疲劳点蚀寿命.

关键词：齿轮啮合疲劳点蚀平均滤波法热弹流润滑临界平面法

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花键微动磨损和损伤累积的耦合机制及寿命预测

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机械工程学报 2023年第3期59卷 133-143页

作者：陈壮董庆兵罗振涛魏静孟凡明戚勍重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400030 重庆大学机械与运载工程学院重庆400030 中国航发沈阳发动机研究所沈阳110015

渐开线花键联轴器在航空领域应用广泛,花键在复杂工况下往往达不到预期寿命,其中花键轴不对中对花键服役寿命产生较大影响。基于有限元方法建立了高效的花键三维仿真模型,分析内外花键轴偏斜0.3°时花键各齿载荷分布规律,基于Archard磨... 详细信息

渐开线花键联轴器在航空领域应用广泛,花键在复杂工况下往往达不到预期寿命,其中花键轴不对中对花键服役寿命产生较大影响。基于有限元方法建立了高效的花键三维仿真模型,分析内外花键轴偏斜0.3°时花键各齿载荷分布规律,基于Archard磨损模型计算接触区域各节点的磨损深度,并基于ABAQUS的UMESHMOTION子程序和Arbitrary Lagrangian-Eulerian技术更新网格,采用Brown-Miller和Smith-Watson-Topper临界平面准则充分考虑花键齿面和齿根区域的应力状态差异,并拟合花键循环寿命、最大磨损深度与磨损系数之间的关联规律,采用试验方法测试表面磨损形貌,验证模型的有效性,为花键联轴器的设计和校核提供指导依据。结果表明:磨损演化逐渐改变初始应力集中区域的几何形状,从而减少了应力集中效应,提高了花键剩余寿命。当磨损系数较大时,花键以磨损失效为主,当磨损系数较小时,花键以疲劳裂纹萌生失效为主。

关键词：航空花键轴不对中微动磨损疲劳分析有限元开发

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核电循环泵齿轮箱强制喷射润滑仿真研究

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机械传动 2022年第10期46卷 1-9页

作者：李宏天冯成程董庆兵魏静何东太原重工股份有限公司山西太原030024 重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044 重庆大学机械工程学院重庆400044 重庆齿轮箱有限责任公司重庆402263

通过合理简化核电循环泵齿轮箱的三维模型,采用运动粒子半隐式方法对核电齿轮箱强制喷油润滑流场进行仿真模拟,精确、快速地获取齿轮箱内部复杂流场运动状态,研究了喷油角度、供油压力等喷射参数对箱体内油液流动特性的影响;分析了内、... 详细信息

通过合理简化核电循环泵齿轮箱的三维模型,采用运动粒子半隐式方法对核电齿轮箱强制喷油润滑流场进行仿真模拟,精确、快速地获取齿轮箱内部复杂流场运动状态,研究了喷油角度、供油压力等喷射参数对箱体内油液流动特性的影响;分析了内、外啮合区域附近油液粒子的参数变化以及油液分布对行星齿轮润滑行为的影响机制。结果表明,高速粒子主要集中于外啮合区域,低速粒子主要分布在齿圈表面以及内啮合区域;喷射参数对内、外啮合区粒子流动性的影响不同,强制润滑的优化设计需协同考虑不同区域的润滑特性。

关键词：核电齿轮箱喷射润滑移动粒子仿真流场分析

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核电循环泵行星齿轮热弹流润滑研究

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润滑与密封 2024年第2期49卷 1-10页

作者：董庆兵汪汉明冯成程魏静何东杨海师重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044 重庆大学机械与运载工程学院重庆400044 重庆齿轮箱有限责任公司重庆402263

核电齿轮箱的良好润滑性能是核电循环泵可靠运行的重要保障,充分考虑齿面形貌和齿廓修形等因素对内/外啮合齿轮副的影响是准确评估其润滑特性的前提。建立典型工况下核电循环泵行星传动系统斜齿轮热弹流润滑模型,首先将斜齿轮副的啮合... 详细信息

核电齿轮箱的良好润滑性能是核电循环泵可靠运行的重要保障,充分考虑齿面形貌和齿廓修形等因素对内/外啮合齿轮副的影响是准确评估其润滑特性的前提。建立典型工况下核电循环泵行星传动系统斜齿轮热弹流润滑模型,首先将斜齿轮副的啮合状态几何等效为圆锥滚子的接触问题,然后考虑斜齿轮接触变形和齿廓偏差,计算得到内/外啮合齿轮副接触区域不同位置的油膜厚度、承载压力、摩擦应力和闪温等参数。考虑齿面磨合作用,采用移动平均滤波方法对未经磨合的初始形貌进行光滑处理,分析了齿面形貌对润滑行为的影响,最后采取齿廓修形改善润滑特性。结果表明:粗糙度和齿廓修形均会对润滑特性产生明显的影响,齿面粗糙形貌会造成油膜厚度减小,进而影响其润滑特性,弱化润滑油膜的承载能力;通过齿廓修形可以改善齿轮啮合边界处的几何过渡,降低该区域的应力集中和表面温度,从而明显改善啮合线终端的润滑状态。

关键词：行星齿轮核电循环泵热弹流润滑移动平均滤波法表面形貌齿廓修形

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高速动车组齿轮箱内部流场仿真分析及搅油损失计算

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润滑与密封 2022年第1期47卷 101-110页

作者：冯成程董庆兵魏静朱万刚重庆大学机械传动国家重点实验室重庆400044 重庆大学机械工程学院重庆400044 大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024 太原重工轨道交通设备有限公司山西太原030032

为精确、快速地获取操作过程中高速列车齿轮箱中复杂内部流场的真实运动和分布状态,通过合理简化高速动车组驱动齿轮箱的三维模型,采用运动粒子仿真(Moving Particle Simulation,MPS)开展仿真分析。基于箱体内部油液不同瞬时分布状态,... 详细信息

为精确、快速地获取操作过程中高速列车齿轮箱中复杂内部流场的真实运动和分布状态,通过合理简化高速动车组驱动齿轮箱的三维模型,采用运动粒子仿真(Moving Particle Simulation,MPS)开展仿真分析。基于箱体内部油液不同瞬时分布状态,研究正、反转工况、油液浸没深度和润滑油黏度等参数对齿轮箱内部流场分布的影响;计算齿轮副在不同工况下的搅油损失,并分析不同因素对齿轮副搅油损失的影响。结果表明:小齿轮逆时针旋转时油液到达啮合区更快,且啮合区油液粒子更多,有利于啮合区的润滑;小齿轮顺时针旋转时油液更易在箱体内部扩散;当浸油量增加时,飞溅润滑油量增加,高速度的油液粒子数明显增多,搅油损失也随之增大,其中润滑油的黏度对轴承孔进油量和搅油损失有较大影响。

关键词：齿轮箱流场粒子法仿真搅油损失

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济南药山崩塌地质灾害治理方法初探

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山东国土资源 2017年第2期33卷 43-46页

作者：杨全城王庆兵董玉龙刘妍芬山东省地质环境监测总站山东济南250014

济南地区的中基性岩体,大面积隐伏分布于济南市北部地带,零星出露为孤峰或丘陵,构成济南地区著名的"齐烟九点"地貌景观。药山为"齐烟九点"之一,地处济南杂岩体的中西部,岩性主要为闪长岩、辉长岩等,块状结构,节理裂隙发育,易球状风化形... 详细信息

济南地区的中基性岩体,大面积隐伏分布于济南市北部地带,零星出露为孤峰或丘陵,构成济南地区著名的"齐烟九点"地貌景观。药山为"齐烟九点"之一,地处济南杂岩体的中西部,岩性主要为闪长岩、辉长岩等,块状结构,节理裂隙发育,易球状风化形成临空状危岩体,构成崩塌地质灾害隐患。结合济南药山危岩体组合特征,进行了稳定性计算和分析,提出了不同的治理方案以及具体施工方法和施工顺序,以期达到消除地质灾害隐患的目的,切实保护人民生命财产安全,为类似地区开展地质灾害治理提供参考。

关键词：危岩体崩塌地质灾害稳定性分析治理方案济南药山

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