一种空间轴承多孔保持架关键特征参数设计方法技术

本发明专利技术公开了一种空间轴承多孔保持架关键特征参数设计方法，解决了目前多孔保持架的关键特征参数设计严重依赖试验、设计效率低下的问题，其技术方案要点是基于分形理论建立关键特征参数与多孔保持架供油特性之间的数学模型，输入空间轴承多孔保持架的供油特性需求，设置多孔保持架关键特征参数的初始值，计算多孔保持架在该工艺下的供油特性，并与供油特性需求进行比对判断，迭代更新关键特征参数直至得到满足供油特性需求，获得相应的关键特征参数，本发明专利技术的一种空间轴承多孔保持架关键特征参数设计方法，能通过数值计算快速获得目标供油特性需求下的关键特征参数，提高多孔保持架的设计效率。持架的设计效率。持架的设计效率。

【技术实现步骤摘要】
一种空间轴承多孔保持架关键特征参数设计方法


[0001]本专利技术涉及多孔保持架关键特征参数设计，特别涉及一种空间轴承多孔保持架关键特征参数设计方法。

技术介绍

[0002]国家发展高可靠长寿命航天器，对轴承润滑性能和寿命提出了更高要求。其中多孔保持架关键特征对于轴承动力学和润滑性能起着至关重要的作用。多孔保持架常用于润滑油供给困难的轴承上，尤其是空间轴承，其利用内部疏松的孔洞结构储存润滑油，通过离心作用或者热效应向轴承元件提供润滑油，提高轴承服役寿命。多孔保持架的关键特征参数包括孔洞的孔径、孔隙率，其中孔隙率为孔隙体积占整体体积的百分比，两者一同影响着多孔保持架的储油以及供油性能。
[0003]现有研究表明，通过改变制备工艺进行控制,采用不同粒度的模塑粉和调节成型工艺参数可以实现对孔径和孔隙率的精确控制。由于空间轴承难于维修和替换的特点，为了让多孔保持架可在较长时间范围内为空间轴承提供润滑油，工程师需通过设计孔隙率、孔径的大小，让保持架能够在目标转速下提供润滑并携带足够的润滑油，避免其他转速下供油导致多孔保持架储存的润滑油在轴承服役前期就消耗殆尽，失去了延长轴承润滑寿命的作用。
[0004]但是目前这一设计过程还严重依赖于试验手段，需要耗费大量的人力、物力成本制备不同孔隙率、孔径特征的保持架，然后进行供油、储油测试试验，最后根据试验结果对保持架的结构参数进行更新迭代，过程涉及到保持架成型工艺、多孔保持架材料的真空灌油、储存润滑油测试、润滑油供给测试等多道工序，严重降低了多孔保持架的设计效率。
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技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是提供一种空间轴承多孔保持架关键特征参数设计方法，能通过数值计算快速获得多孔保持架目标供油特性需求下的关键特征参数，提高多孔保持架的设计效率。多孔保持架材料内部富含的孔洞结构可看作为由满足分形分布的毛细管组成，则这些孔洞的孔径即为毛细管的直径。为了叙述方便，以下“毛细管直径”简写为“孔径”。
[0006]本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：
[0007]一种空间轴承多孔保持架关键特征参数设计方法，包括以下步骤：
[0008]基于分形理论，建立关键特征参数与多孔保持架供油特性之间的数学模型；
[0009]输入空间轴承多孔保持架的供油特性需求，包括最低供油转速、供油速率、有效供油质量；
[0010]设置多孔保持架关键特征参数的初始值，包括初始的最小孔径、最大孔径、平均孔径、孔隙率；
[0011]基于关键特征参数，计算获得多孔保持架分布毛细管孔径分形参数，包括分形维数和密度分布参数；
[0012]基于多孔保持架关键特征参数及毛细管孔径分形参数，计算获得毛细管长度分形参数；
[0013]基于多孔保持架毛细管孔径分形参数、长度分形参数，结合多孔保持架的外观几何特征，计算获得多孔保持架在该工艺下的供油速率；
[0014]于毛细管孔径取值为最大时计算获取多孔保持架最低供油转速；
[0015]基于多孔保持架毛细管孔径分形参数、长度分形参数、于工作转速最高时，计算获取多孔保持架有效供油质量；
[0016]将获得的供油特性与输入的供油特性需求进行比对，判断输出的供油特性是否满足供油特性需求；
[0017]若满足，则输出对应的关键特征参数用于设计；若不满足，对关键特征参数进行更新，并重新进行供油特性的计算获取，直至满足供油特性需求。
[0018]作为优选，多孔保持架分布毛细管孔径分形参数的计算具体为：
[0019]毛细管满足如下分形特征：
[0020]其直径大于λ的毛细管累积数目满足
[0021][0022]其中，λ
max
为最大孔径，D
f
为毛细管直径的分形维数；
[0023]多孔保持架中单位面积内直径为λ的毛细管数目f(λ)为：
[0024][0025]其中，k
c
为密度分布参数，与材料孔隙结构特征相关；
[0026]积分求解得到平均孔径为：
[0027][0028]其中，λ
min
为最小孔径，为孔隙率；
[0029]积分求解得到截面积为S的平面内孔隙所占面积为：
[0030][0031]基于设定某制备工艺下的多孔保持架最小孔径λ
min
、最大孔径λ
max
、平均孔径孔隙率联立平均孔径及截面积为S的平面内孔隙所占面积公式计算得到该工艺下多孔保持架分布毛细管孔径的分形维数D
f
以及密度分布参数k
c
。
[0032]作为优选，多孔保持架分布毛细管长度分形参数的计算具体为：
[0033]毛细管的迂曲度满足分形规律，可视为毛细管的实际长度l
λ
与特征长度l0的比值
[0034][0035]毛细管长度也满足分形规律，某个直径的毛细管总长度计算为
[0036][0037]其中，D
T
为迂曲度分形维数，l0为材料特征长度；
[0038]积分截面积S内所有直径λ的毛细管的体积：
[0039][0040]该体积应等于孔隙总体积，已知特征长度l0，联立某个直径的毛细管总长度计算公式，求解得到迂曲度分形维数D
T
。
[0041]作为优选，供油特性各参数的计算具体为：
[0042]供油速率Q
PS
：
[0043][0044]式中，S
c
为保持架外环面积，λ为毛细管孔径，f(λ)为密度分布参数，q为某一时刻润滑油的流量；
[0045]最低供油转速ω
min
：
[0046][0047]ω
min
为任意孔径λ下的毛细管最小供油转速，λ取λ
max
时为多孔保持架最低供油转速；式中，σ为表面张力系数，ρ为润滑油密度，l0为材料特征长度，分别是多孔保持架的内、外径；
[0048]有效供油质量M
PS
：
[0049][0050]式中，l
λ
为毛细管实际长度，ω
max
为最高工作转速，当有效供油质量全部在离心作用下喷射出保持架时，此时供油速率计算公式中的q值为0。
[0051]作为优选，供油特性各参数计算涉及的因素为：
[0052]多孔保持架以角速度ω旋转产生沿径向的离心加速度a，同时表面张力会在液体内部形成压差p
L
；分析该工况下直径为λ、长度为l
λ
的毛细管中液体的流动；根据泊肃叶流动模型计算得到某一时刻润滑油的流量为
[0053][0054]其中，ΔP为管道中液体前后两端的压力差，ρ为润滑油密度，μ为润滑油粘度，l
t
(λ)为毛细管中实际的液体体积所占的长度；
[0055]考虑离心加速度场，ΔP的计算为
[0056][0057]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种空间轴承多孔保持架关键特征参数设计方法，其特征是，包括以下步骤：基于分形理论，建立关键特征参数与多孔保持架供油特性之间的数学模型；输入空间轴承多孔保持架的供油特性需求，包括最低供油转速、供油速率、有效供油质量；设置多孔保持架关键特征参数的初始值，包括初始的最小孔径、最大孔径、平均孔径、孔隙率；基于关键特征参数，计算获得多孔保持架分布毛细管孔径分形参数，包括分形维数和密度分布参数；基于多孔保持架关键特征参数及毛细管孔径分形参数，计算获得毛细管长度分形参数；基于多孔保持架毛细管孔径分形参数、长度分形参数，结合多孔保持架的外观几何特征，计算获得多孔保持架在该工艺下的供油速率；于毛细管孔径取值为最大时计算获取多孔保持架最低供油转速；基于多孔保持架毛细管孔径分形参数、长度分形参数、于工作转速最高时，计算获取多孔保持架有效供油质量；将获得的供油特性与输入的供油特性需求进行比对，判断输出的供油特性是否满足供油特性需求；若满足，则输出对应的关键特征参数用于设计；若不满足，对关键特征参数进行更新，并重新进行供油特性的计算获取，直至满足供油特性需求。2.根据权利要求1所述的空间轴承多孔保持架关键特征参数设计方法，其特征是，多孔保持架分布毛细管孔径分形参数的计算具体为：毛细管满足如下分形特征：其直径大于λ的毛细管累积数目满足其中，λ
max
为最大孔径，D
f
为毛细管直径的分形维数；多孔保持架中单位面积内直径为λ的毛细管数目f(λ)为：其中，k
c
为密度分布参数，与材料孔隙结构特征相关；积分求解得到平均孔径为：其中，λ
min
为最小孔径，为孔隙率；积分求解得到截面积为S的平面内孔隙所占面积为：
基于设定某制备工艺下的多孔保持架最小孔径λ
min
、最大孔径λ
max
、平均孔径孔隙率联立平均孔径及截面积为S的平面内孔隙所占面积公式计算得到该工艺下多孔保持架分布毛细管孔径的分形维数D
f
以及密度分布参数k
c
。3.根据权利要求2所述的空间轴承多孔保持架关键特征参数设计方法，其特征是，多孔保持架分布毛细管长度分形参数的计算具体为：毛细管的迂曲度满足分形规律，可视为毛细管的实际长度l
λ
与特征长度l0的比值毛...

【专利技术属性】
技术研发人员：张执南，陈实，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：