本科生獨立開展科學(xué)實驗研究的一次實踐

王開瑞，李 冶，吳 宇，尤學(xué)謙，李曉明，代慶學(xué)，韓桂華，李永海

（哈爾濱理工大學(xué) 機(jī)械動力工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

本科生獨立開展科學(xué)實驗研究的一次實踐

王開瑞，李 冶，吳 宇，尤學(xué)謙，李曉明，代慶學(xué)，韓桂華，李永海

（哈爾濱理工大學(xué) 機(jī)械動力工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

對于教學(xué)研究型大學(xué)，提高學(xué)生的動手能力、團(tuán)隊協(xié)作能力以及獨立發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力，是培養(yǎng)應(yīng)用型人才的一個重要環(huán)節(jié)。本文以一個實例，介紹了在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下，大學(xué)生獨立開展科學(xué)實驗研究這一實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的基本內(nèi)容、過程、方法及效果，供讀者借鑒。

推力軸承；實驗研究；優(yōu)化

一、研究題目的確定

指導(dǎo)教師根據(jù)本人的研究方向，結(jié)合在研項目，確定研究題目。本研究題目為—動壓滑動扇形瓦推力軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化與實驗研究。動壓滑動扇形瓦推力軸承是重型機(jī)械、通用機(jī)械的關(guān)鍵部件，廣泛用于電力、船舶、水泵、冶金、機(jī)械設(shè)備等領(lǐng)域。動壓滑動扇形瓦推力軸承的結(jié)構(gòu)形式很多，如瓦面形狀有圓形、扇形；瓦面材料有巴氏合金、PTFE（聚四氟乙烯）；支承方式有單點球面支承、雙點球面支承、彈性支承、彈簧支承、彈簧束支承、碟簧支承和線支承等，且每種支承方式還分為中心支承和偏心支承；潤滑方式有浸油潤滑和噴油潤滑。本項目只針對瓦面材料為巴氏合金的扇形瓦、單點球面支承、浸油潤滑方式的推力軸承進(jìn)行結(jié)構(gòu)（軸瓦尺寸、支點位置）優(yōu)化與實驗研究。研究的目的和意義在于促進(jìn)我校應(yīng)用型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)，引導(dǎo)大學(xué)生積極開展科技創(chuàng)新實踐活動，增強(qiáng)大學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力、知識應(yīng)用與創(chuàng)新能力、發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力、理論聯(lián)系實際的能力，同時得到具有自主知識產(chǎn)權(quán)的分析計算方法，以便正確設(shè)計、選擇與使用維護(hù)滑動推力軸承。

二、項目研究內(nèi)容、研究目標(biāo)以及擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

1.本項目的研究內(nèi)容。（1）動壓滑動扇形瓦推力軸承結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型建立。建立推力軸承結(jié)構(gòu)和數(shù)學(xué)模型，分別推導(dǎo)出雷諾方程、能量方程、粘溫方程、功率損失方程和流量方程，進(jìn)行有限元聯(lián)立求解。（2）動壓滑動扇形瓦推力軸承變形研究。針對推力軸承結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用彈性力學(xué)理論和雷諾方程、傳熱學(xué)理論和能量方程，研究推力軸承的變形；利用ANSYS軟件對單點球面支承形式、不同瓦面形狀和浸油潤滑的結(jié)構(gòu)模型的軸瓦變形進(jìn)行有限元模擬，并獲得軸瓦變形的相關(guān)曲線。（3）動壓滑動扇形瓦推力軸承瓦面形狀、支點位置研究。針對動壓滑動推力軸承結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，研究推力軸承的瓦面形狀、支點位置對油膜形狀及潤滑性能的影響規(guī)律。（4）動壓滑動扇形瓦推力軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。以軸瓦外圓半徑R1、軸瓦內(nèi)圓半徑R2、瓦張角θ、軸瓦支承分布圓半徑R、瓦厚H為設(shè)計變量，以瓦面承載能力W最大（即保證瓦面最小油膜厚度最大、瓦面最高油膜溫度最低）為優(yōu)化目標(biāo)，在給定工況和軸瓦變形的條件下，

采用數(shù)學(xué)規(guī)劃方法，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。（5）實驗研究。利用實驗臺，對動壓滑動扇形瓦推力軸承主要潤滑參數(shù)（油膜厚度、油膜溫度、油膜壓力）進(jìn)行測試，以驗證理論分析的準(zhǔn)確性。

2.本項目的研究目標(biāo)。（1）確定動壓滑動扇形瓦推力軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算方法；（2）建立動壓滑動扇形瓦推力軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化數(shù)據(jù)庫，為潤滑計算提供依據(jù)；（3）得到具有自主知識產(chǎn)權(quán)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析計算方法。

3.擬解決的關(guān)鍵技術(shù)問題。（1）動壓滑動扇形瓦推力軸承結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型建立、潤滑計算方程的推導(dǎo)；（2）動壓滑動扇形瓦推力軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析計算方法；（3）實驗測試方案、傳感器的選擇、標(biāo)定與安裝等。

三、研究方案

采用計算機(jī)數(shù)值模擬為主，并與理論解析和實驗研究有機(jī)結(jié)合的研究方法，對動壓滑動推力軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析計算方法進(jìn)行研究。具體研究方案如下。

1.首先建立動壓滑動扇形瓦推力軸承結(jié)構(gòu)模型和潤滑性能計算數(shù)學(xué)模型，并推導(dǎo)潤滑特性方程：雷諾方程、能量方程、油膜形狀方程、粘溫方程、單瓦流量方程、單瓦功耗方程、總供油流量方程、總功耗方程。方程推導(dǎo)時要考慮下列影響因素：①瓦形及結(jié)構(gòu)尺寸的影響；②支承形式的影響；③支點位置的影響；④潤滑方式的影響；⑤熱油攜帶的影響；⑥變粘度的影響；⑦機(jī)械變形和熱變形的影響。

2.基于所建的動壓滑動扇形瓦推力軸承結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用彈性力學(xué)理論和雷諾方程、傳熱學(xué)理論和能量方程，采用計算機(jī)數(shù)值模擬與理論分析相結(jié)合的方法，分析推力軸承的變形；利用ANSYS軟件對單點球面支承形式、不同瓦面形狀和浸油潤滑結(jié)構(gòu)模型的軸瓦變形進(jìn)行有限元分析，并給出軸瓦變形的相關(guān)曲線。

3.針對動壓滑動扇形瓦推力軸承結(jié)構(gòu)模型，應(yīng)用結(jié)構(gòu)力學(xué)理論，分析動壓滑動推力軸承瓦面形狀、瓦面尺寸、支點位置及工況變化時對潤滑性能的影響，并給出軸瓦各參數(shù)變化時對潤滑性能影響的相關(guān)曲線。

4.以瓦面最小油膜厚度最大、瓦面最高油膜溫度最低為優(yōu)化目標(biāo)，針對不同瓦形、不同支承、不同工況的動壓滑動推力軸承，應(yīng)用數(shù)學(xué)規(guī)劃理論與計算技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

5.實驗研究。利用實驗臺，針對原參數(shù)和優(yōu)化參數(shù)，及不同工況條件進(jìn)行推力軸承主要潤滑參數(shù)（油膜厚度、油膜溫度、油膜壓力等）交叉測試實驗，以獲得軸承結(jié)構(gòu)與潤滑性能間的實驗數(shù)據(jù)。在實驗臺上，模擬所研究內(nèi)容工況進(jìn)行實驗。過程如下：①在給定潤滑油牌號和入油溫度的前提下，對必要的工況和不同瓦面形狀的軸承，分別改變線速度、比壓進(jìn)行實驗；②確定穩(wěn)態(tài)運(yùn)行實驗方案；③確定測試用傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；④確定傳感器的安裝方式，并確保測試精度；⑤完成傳感器標(biāo)定。通過真機(jī)實驗不僅驗證理論分析和數(shù)值模擬的正確性，而且為數(shù)值模擬和理論分析提供合理正確的邊界條件。

四、實踐效果

課題組的六名同學(xué)，一年中分工并獨立完成了各自承擔(dān)的研究內(nèi)容。在項目的實施過程中，閱讀了大量的科技文獻(xiàn)，特別是部分英文文獻(xiàn)的學(xué)習(xí)，大大開拓了學(xué)生的視野，拓寬了的知識面。在大量文獻(xiàn)和實際操作的基礎(chǔ)之上，同學(xué)們認(rèn)真思考，并合理地安排計劃，鍛煉了獨立思考能力。平時，還不斷地向老師、學(xué)長請教，與同學(xué)交流，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)能力和交流能力。項目的實施不僅是課堂教學(xué)的延伸和補(bǔ)充，而且對于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、開闊視野、培養(yǎng)探索精神、了解最新的科技動態(tài)、提高動手能力和分析、解決問題的能力，都是十分有意義的。

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[3]司占博，王松，郭楊陽.水潤滑推力軸承推力瓦應(yīng)力場分析[J].潤滑與密封，2012，（37）：57-59.

[4]劉清勇，付元初，武中德.大型水輪發(fā)電機(jī)推力軸承瓦溫度[J].大電機(jī)技術(shù)，2010，（4）：14-15.

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G642.0

A

1674-9324（2014）13-0131-02