本科生獨立開展科學實驗研究的一次實踐

王開瑞，李冶，吳宇，尤學謙，李曉明，代慶學，韓桂華，李永海

摘要：對于教學研究型大學，提高學生的動手能力、團隊協作能力以及獨立發現問題、分析問題、解決問題的能力，是培養應用型人才的一個重要環節。本文以一個實例，介紹了在指導教師的指導下，大學生獨立開展科學實驗研究這一實踐教學環節的基本內容、過程、方法及效果，供讀者借鑒。

關鍵詞：推力軸承；實驗研究；優化

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2014）13-0131-02

一、研究題目的確定

指導教師根據本人的研究方向，結合在研項目，確定研究題目。本研究題目為—動壓滑動扇形瓦推力軸承結構優化與實驗研究。動壓滑動扇形瓦推力軸承是重型機械、通用機械的關鍵部件，廣泛用于電力、船舶、水泵、冶金、機械設備等領域。動壓滑動扇形瓦推力軸承的結構形式很多，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行結構（軸瓦尺寸、支點位置）優化與實驗研究。研究的目的和意義在于促進我校應用型創新人才的培養，引導大學生積極開展科技創新實踐活動，增強大學生自主學習能力、知識應用與創新能力、發現問題、分析問題、解決問題的能力、理論聯系實際的能力，同時得到具有自主知識產權的分析計算方法，以便正確設計、選擇與使用維護滑動推力軸承。

二、項目研究內容、研究目標以及擬解決的關鍵技術問題

1.本項目的研究內容。（1）動壓滑動扇形瓦推力軸承結構和數學模型建立。建立推力軸承結構和數學模型，分別推導出雷諾方程、能量方程、粘溫方程、功率損失方程和流量方程，進行有限元聯立求解。（2）動壓滑動扇形瓦推力軸承變形研究。針對推力軸承結構模型，應用彈性力學理論和雷諾方程、傳熱學理論和能量方程，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構模型的軸瓦變形進行有限元模擬，并獲得軸瓦變形的相關曲線。（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構模型，應用結構力學理論，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律。（4）動壓滑動扇形瓦推力軸承結構優化設計。以軸瓦外圓半徑R1、軸瓦內圓半徑R2、瓦張角θ、軸瓦支承分布圓半徑R、瓦厚H為設計變量，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）為優化目標，在給定工況和軸瓦變形的條件下，采用數學規劃方法，進行結構優化設計。（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（油膜厚度、油膜溫度、油膜壓力）進行測試，以驗證理論分析的準確性。

2.本項目的研究目標。（1）確定動壓滑動扇形瓦推力軸承結構優化計算方法；（2）建立動壓滑動扇形瓦推力軸承結構優化數據庫，為潤滑計算提供依據；（3）得到具有自主知識產權的結構優化分析計算方法。

3.擬解決的關鍵技術問題。（1）動壓滑動扇形瓦推力軸承結構與數學模型建立、潤滑計算方程的推導；（2）動壓滑動扇形瓦推力軸承結構優化分析計算方法；（3）實驗測試方案、傳感器的選擇、標定與安裝等。

三、研究方案

采用計算機數值模擬為主，并與理論解析和實驗研究有機結合的研究方法，對動壓滑動推力軸承結構優化分析計算方法進行研究。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構模型和潤滑性能計算數學模型，并推導潤滑特性方程：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。方程推導時要考慮下列影響因素：①瓦形及結構尺寸的影響；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構模型，應用彈性力學理論和雷諾方程、傳熱學理論和能量方程，采用計算機數值模擬與理論分析相結合的方法，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構模型的軸瓦變形進行有限元分析，并給出軸瓦變形的相關曲線。

3.針對動壓滑動扇形瓦推力軸承結構模型，應用結構力學理論，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，并給出軸瓦各參數變化時對潤滑性能影響的相關曲線。

4.以瓦面最小油膜厚度最大、瓦面最高油膜溫度最低為優化目標，針對不同瓦形、不同支承、不同工況的動壓滑動推力軸承，應用數學規劃理論與計算技術進行結構優化。

5.實驗研究。利用實驗臺，針對原參數和優化參數，及不同工況條件進行推力軸承主要潤滑參數（油膜厚度、油膜溫度、油膜壓力等）交叉測試實驗，以獲得軸承結構與潤滑性能間的實驗數據。在實驗臺上，模擬所研究內容工況進行實驗。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、比壓進行實驗；②確定穩態運行實驗方案；③確定測試用傳感器及數據采集系統；④確定傳感器的安裝方式，并確保測試精度；⑤完成傳感器標定。通過真機實驗不僅驗證理論分析和數值模擬的正確性，而且為數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，一年中分工并獨立完成了各自承擔的研究內容。在項目的實施過程中，閱讀了大量的科技文獻，特別是部分英文文獻的學習，大大開拓了學生的視野，拓寬了的知識面。在大量文獻和實際操作的基礎之上，同學們認真思考，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、學長請教，與同學交流，增強了學習能力和交流能力。項目的實施不僅是課堂教學的延伸和補充，而且對于激發學生的學習興趣、開闊視野、培養探索精神、了解最新的科技動態、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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