本科生独立开展科学实验研究的一次实践

王开瑞，李 冶，吴 宇，尤学谦，李晓明，代庆学，韩桂华，李永海

（哈尔滨理工大学 机械动力工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080）

本科生独立开展科学实验研究的一次实践

王开瑞，李 冶，吴 宇，尤学谦，李晓明，代庆学，韩桂华，李永海

（哈尔滨理工大学 机械动力工程学院，黑龙江 哈尔滨 150080）

对于教学研究型大学，提高学生的动手能力、团队协作能力以及独立发现问题、分析问题、解决问题的能力，是培养应用型人才的一个重要环节。本文以一个实例，介绍了在指导教师的指导下，大学生独立开展科学实验研究这一实践教学环节的基本内容、过程、方法及效果，供读者借鉴。

推力轴承；实验研究；优化

一、研究题目的确定

指导教师根据本人的研究方向，结合在研项目，确定研究题目。本研究题目为—动压滑动扇形瓦推力轴承结构优化与实验研究。动压滑动扇形瓦推力轴承是重型机械、通用机械的关键部件，广泛用于电力、船舶、水泵、冶金、机械设备等领域。动压滑动扇形瓦推力轴承的结构形式很多，如瓦面形状有圆形、扇形；瓦面材料有巴氏合金、PTFE（聚四氟乙烯）；支承方式有单点球面支承、双点球面支承、弹性支承、弹簧支承、弹簧束支承、碟簧支承和线支承等，且每种支承方式还分为中心支承和偏心支承；润滑方式有浸油润滑和喷油润滑。本项目只针对瓦面材料为巴氏合金的扇形瓦、单点球面支承、浸油润滑方式的推力轴承进行结构（轴瓦尺寸、支点位置）优化与实验研究。研究的目的和意义在于促进我校应用型创新人才的培养，引导大学生积极开展科技创新实践活动，增强大学生自主学习能力、知识应用与创新能力、发现问题、分析问题、解决问题的能力、理论联系实际的能力，同时得到具有自主知识产权的分析计算方法，以便正确设计、选择与使用维护滑动推力轴承。

二、项目研究内容、研究目标以及拟解决的关键技术问题

1.本项目的研究内容。（1）动压滑动扇形瓦推力轴承结构和数学模型建立。建立推力轴承结构和数学模型，分别推导出雷诺方程、能量方程、粘温方程、功率损失方程和流量方程，进行有限元联立求解。（2）动压滑动扇形瓦推力轴承变形研究。针对推力轴承结构模型，应用弹性力学理论和雷诺方程、传热学理论和能量方程，研究推力轴承的变形；利用ANSYS软件对单点球面支承形式、不同瓦面形状和浸油润滑的结构模型的轴瓦变形进行有限元模拟，并获得轴瓦变形的相关曲线。（3）动压滑动扇形瓦推力轴承瓦面形状、支点位置研究。针对动压滑动推力轴承结构模型，应用结构力学理论，研究推力轴承的瓦面形状、支点位置对油膜形状及润滑性能的影响规律。（4）动压滑动扇形瓦推力轴承结构优化设计。以轴瓦外圆半径R1、轴瓦内圆半径R2、瓦张角θ、轴瓦支承分布圆半径R、瓦厚H为设计变量，以瓦面承载能力W最大（即保证瓦面最小油膜厚度最大、瓦面最高油膜温度最低）为优化目标，在给定工况和轴瓦变形的条件下，

采用数学规划方法，进行结构优化设计。（5）实验研究。利用实验台，对动压滑动扇形瓦推力轴承主要润滑参数（油膜厚度、油膜温度、油膜压力）进行测试，以验证理论分析的准确性。

2.本项目的研究目标。（1）确定动压滑动扇形瓦推力轴承结构优化计算方法；（2）建立动压滑动扇形瓦推力轴承结构优化数据库，为润滑计算提供依据；（3）得到具有自主知识产权的结构优化分析计算方法。

3.拟解决的关键技术问题。（1）动压滑动扇形瓦推力轴承结构与数学模型建立、润滑计算方程的推导；（2）动压滑动扇形瓦推力轴承结构优化分析计算方法；（3）实验测试方案、传感器的选择、标定与安装等。

三、研究方案

采用计算机数值模拟为主，并与理论解析和实验研究有机结合的研究方法，对动压滑动推力轴承结构优化分析计算方法进行研究。具体研究方案如下。

1.首先建立动压滑动扇形瓦推力轴承结构模型和润滑性能计算数学模型，并推导润滑特性方程：雷诺方程、能量方程、油膜形状方程、粘温方程、单瓦流量方程、单瓦功耗方程、总供油流量方程、总功耗方程。方程推导时要考虑下列影响因素：①瓦形及结构尺寸的影响；②支承形式的影响；③支点位置的影响；④润滑方式的影响；⑤热油携带的影响；⑥变粘度的影响；⑦机械变形和热变形的影响。

2.基于所建的动压滑动扇形瓦推力轴承结构模型，应用弹性力学理论和雷诺方程、传热学理论和能量方程，采用计算机数值模拟与理论分析相结合的方法，分析推力轴承的变形；利用ANSYS软件对单点球面支承形式、不同瓦面形状和浸油润滑结构模型的轴瓦变形进行有限元分析，并给出轴瓦变形的相关曲线。

3.针对动压滑动扇形瓦推力轴承结构模型，应用结构力学理论，分析动压滑动推力轴承瓦面形状、瓦面尺寸、支点位置及工况变化时对润滑性能的影响，并给出轴瓦各参数变化时对润滑性能影响的相关曲线。

4.以瓦面最小油膜厚度最大、瓦面最高油膜温度最低为优化目标，针对不同瓦形、不同支承、不同工况的动压滑动推力轴承，应用数学规划理论与计算技术进行结构优化。

5.实验研究。利用实验台，针对原参数和优化参数，及不同工况条件进行推力轴承主要润滑参数（油膜厚度、油膜温度、油膜压力等）交叉测试实验，以获得轴承结构与润滑性能间的实验数据。在实验台上，模拟所研究内容工况进行实验。过程如下：①在给定润滑油牌号和入油温度的前提下，对必要的工况和不同瓦面形状的轴承，分别改变线速度、比压进行实验；②确定稳态运行实验方案；③确定测试用传感器及数据采集系统；④确定传感器的安装方式，并确保测试精度；⑤完成传感器标定。通过真机实验不仅验证理论分析和数值模拟的正确性，而且为数值模拟和理论分析提供合理正确的边界条件。

四、实践效果

课题组的六名同学，一年中分工并独立完成了各自承担的研究内容。在项目的实施过程中，阅读了大量的科技文献，特别是部分英文文献的学习，大大开拓了学生的视野，拓宽了的知识面。在大量文献和实际操作的基础之上，同学们认真思考，并合理地安排计划，锻炼了独立思考能力。平时，还不断地向老师、学长请教，与同学交流，增强了学习能力和交流能力。项目的实施不仅是课堂教学的延伸和补充，而且对于激发学生的学习兴趣、开阔视野、培养探索精神、了解最新的科技动态、提高动手能力和分析、解决问题的能力，都是十分有意义的。

[1]Sun，Gui C L，Li Z Y. An experimental study of journal bearing lubrication effected by journal misalignment as a result of shaft deformation underload [J].Journal of Tribology，2005，（127）：813-819.

[2]宋洪占，张砚明.水轮发电机推力轴承推力瓦、托盘或托瓦的变形分析与计算[J].防爆电机，2011，（6）：17-21.

[3]司占博，王松，郭杨阳.水润滑推力轴承推力瓦应力场分析[J].润滑与密封，2012，（37）：57-59.

[4]刘清勇，付元初，武中德.大型水轮发电机推力轴承瓦温度[J].大电机技术，2010，（4）：14-15.

[5]何春勇.潜水泵水润滑推力轴承润滑性能数值计算研究[D].武汉理工大学，2010：35-48.

G642.0

A

1674-9324（2014）13-0131-02