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第1章气体性质

1.1气体方程

1.1.1理想气体方程

1.1.2指数方程

1.1.3实际气体方程

1.1.4气体分子自由度

1.1.5比热容<p>目录</p> <p>第1章气体性质</p> <p> </p> <p>1.1气体方程</p> <p> </p> <p>1.1.1理想气体方程</p> <p> </p> <p>1.1.2指数方程</p> <p> </p> <p>1.1.3实际气体方程</p> <p> </p> <p>1.1.4气体分子自由度</p> <p> </p> <p>1.1.5比热容</p> <p> </p> <p>1.2气体黏度</p> <p> </p> <p>1.3含湿气体性质</p> <p> </p> <p>1.3.1压力</p> <p> </p> <p>1.3.2湿度</p> <p> </p> <p>1.3.3露点温度</p> <p> </p> <p>参考文献</p> <p> </p> <p>第2章气体润滑方程</p> <p> </p> <p>2.1雷诺方程</p> <p> </p> <p>2.1.1雷诺方程推导</p> <p> </p> <p>2.1.2极坐标雷诺方程</p> <p> </p> <p>2.1.3柱坐标雷诺方程</p> <p> </p> <p>2.1.4润滑参数</p> <p> </p> <p>2.2能量方程</p> <p> </p> <p>2.2.1流体内能变化</p> <p> </p> <p>2.2.2外界对气体做机械功及能量损失</p> <p> </p> <p>2.3固体热传导方程和界面方程</p> <p> </p> <p>2.4数值分析方法</p> <p> </p> <p>2.4.1有限差分方法</p> <p> </p> <p>2.4.2流量守恒</p> <p> </p> <p>2.4.3摩擦力平衡</p> <p> </p> <p>参考文献</p> <p> </p> <p>第3章等温气体润滑</p> <p> </p> <p>3.1滑块</p> <p> </p> <p>3.1.1润滑方程</p> <p> </p> <p>3.1.2边界条件</p> <p> </p> <p>3.1.3润���性能参数</p> <p> </p> <p>3.1.4滑块动压润滑特性</p> <p> </p> <p>3.1.5发散斜滑块动压润滑特性</p> <p> </p> <p>3.1.6磁头滑块润滑特性</p> <p> </p> <p>3.2径向轴承与密封</p> <p> </p> <p>3.2.1润滑方程</p> <p> </p> <p>3.2.2边界条件</p> <p> </p> <p>3.2.3润滑特性参数</p> <p> </p> <p>3.2.4润滑特性</p> <p> </p> <p>3.3螺旋槽止推轴承</p> <p> </p> <p>3.3.1气体润滑方程</p> <p> </p> <p>3.3.2边界条件</p> <p> </p> <p>3.3.3润滑特性参数</p> <p> </p> <p>3.3.4润滑特性</p> <p> </p> <p>3.4螺旋槽端面密封</p> <p> </p> <p>3.4.1润滑方程</p> <p> </p> <p>3.4.2边界条件</p> <p> </p> <p>3.4.3密封润滑性能参数</p> <p> </p> <p>3.4.4润滑规律</p> <p> </p> <p>参考文献</p> <p> </p> <p>第4章刚性表面气体热动力润滑</p> <p> </p> <p>4.1滑块</p> <p> </p> <p>4.1.1气体润滑方程</p> <p> </p> <p>4.1.2边界条件</p> <p> </p> <p>4.1.3热润滑特性</p> <p> </p> <p>4.2径向静**承</p> <p> </p> <p>4.2.1润滑方程组</p> <p> </p> <p>4.2.2热边界条件</p> <p> </p> <p>4.2.3热润滑特性</p> <p> </p> <p>4.3螺旋槽止推轴承</p> <p> </p> <p>4.3.1润滑方程组</p> <p> </p> <p>4.3.2边界条件</p> <p> </p> <p>4.3.3热润滑特性</p> <p> </p> <p>4.4螺旋槽端面密封</p> <p> </p> <p>4.4.1气膜温度特征</p> <p> </p> <p>4.4.2热润滑特性</p> <p> </p> <p>参考文献</p> <p> </p> <p>第5章端面密封气体热弹流润滑</p> <p> </p> <p>5.1基本方程</p> <p> </p> <p>5.1.1润滑方程组</p> <p> </p> <p>5.1.2边界条件</p> <p> </p> <p>5.2阻塞流效应</p> <p> </p> <p>5.2.1模型检验</p> <p> </p> <p>5.2.2压力分布特征</p> <p> </p> <p>5.3端面热弹变形特征</p> <p> </p> <p>5.4热弹润滑规律</p> <p> </p> <p>5.4.1端面弹性变形</p> <p> </p> <p>5.4.2端面热变形</p> <p> </p> <p>5.4.3端面热弹变形</p> <p> </p> <p>参考文献</p> <p> </p> <p>第6章端面密封气体动载热润滑</p> <p> </p> <p>6.1基本方程</p> <p> </p> <p>6.1.1动力学方程组</p> <p> </p> <p>6.1.2润滑方程组</p> <p> </p> <p>6.1.3边界条件</p> <p> </p> <p>6.1.4动态特性参数</p> <p> </p> <p>6.2等温动载润滑特性</p> <p> </p> <p>6.2.1轴向刚度和阻尼</p> <p> </p> <p>6.2.2角向刚度和阻尼</p> <p> </p> <p>6.2.3气膜幅频特性</p> <p> </p> <p>6.3刚性表面热动载特性</p> <p> </p> <p>6.3.1轴向刚度和阻尼</p> <p> </p> <p>6.3.2角向刚度和阻尼</p> <p> </p> <p>6.3.3气膜幅频特性</p> <p> </p> <p>6.4热弹流气膜动载特性</p> <p> </p> <p>6.4.1轴向刚度和阻尼</p> <p> </p> <p>6.4.2角向刚度和阻尼</p> <p> </p> <p>6.4.3气膜幅频特性</p> <p> </p> <p>参考文献</p> <p> </p> <p>第7章端面密封冷凝析水润滑</p> <p> </p> <p>7.1基本方程</p> <p> </p> <p>7.1.1含湿气体方程</p> <p> </p> <p>7.1.2析水参数</p> <p> </p> <p>7.2气膜冷凝析水特征</p> <p> </p> <p>7.3冷凝析水规律</p> <p> </p> <p>7.3.1湿度的影响</p> <p> </p> <p>7.3.2气膜厚度的影响</p> <p> </p> <p>7.3.3密封压力的影响</p> <p> </p> <p>7.3.4转速的影响</p> <p> </p> <p>7.4润滑表面液滴运动</p> <p> </p> <p>7.4.1表面润湿模型</p> <p> </p> <p>7.4.2表面织构几何参数与润湿性</p> <p> </p> <p>7.4.3液滴运动形态</p> <p> </p> <p>7.4.4密封端面液滴吸附</p> <p> </p> <p>参考文献</p> <p> </p> <p>第8章气体端面密封型槽技术与实验</p> <p> </p> <p>8.1端面密封型槽</p> <p> </p> <p>8.2气体密封测试</p> <p> </p> <p>8.2.1实验装置</p> <p> </p> <p>8.2.2端面型槽加工</p> <p> </p> <p>8.2.3端面形貌测试</p> <p> </p> <p>8.3密封特性实验</p> <p> </p> <p>8.3.1密封开启特性</p> <p> </p> <p>8.3.2动压特性</p> <p> </p> <p>8.3.3表面磨损</p> <p> </p> <p>参考文献</p> <p> </p> <p>第9章气体端面密封设计</p> <p> </p> <p>9.1密封受力分析</p> <p> </p> <p>9.1.1开启力</p> <p> </p> <p>9.1.2闭合力</p> <p> </p> <p>9.1.3O形圈摩擦力</p> <p> </p> <p>9.2密封几何参数</p> <p> </p> <p>9.2.1密封膜厚</p> <p> </p> <p>9.2.2密封端面宽度</p> <p> </p> <p>9.2.3平衡直径</p> <p> </p> <p>9.2.4密封端面与轴(轴套)间隙</p> <p> </p> <p>9.3密封性能参数</p> <p> </p> <p>9.3.1泄漏率</p> <p> </p> <p>9.3.2气膜刚度</p> <p> </p> <p>9.4密封副材料</p> <p> </p> <p>9.5密封环尺寸设计</p> <p> </p> <p>9.5.1动环尺寸设计</p> <p> </p> <p>9.5.2静环尺寸设计</p> <p> </p> <p>9.5.3端面型槽设计</p> <p> </p> <p>9.6辅助密封设计</p> <p> </p> <p>9.7密封设计流程</p> <p> </p> <p>9.7.1设计流程</p> <p> </p> <p>9.7.2设计条件</p> <p> </p> <p>9.7.3设计步骤</p> <p> </p> <p>参考文献</p> <p> </p> <p>Content</p> <p>Chapter 1Properties of Gases1</p> <p>1.1Gas State Equations1</p> <p>1.2Gas Viscosity5</p> <p>1.3Humidity Gas10</p> <p>References12</p> <p>Chapter 2Gas Lubrication Equations13</p> <p>2.1Reynolds Equation13</p> <p>2.2Energy Equation18</p> <p>2.3Heat Conduction Equation and Interface Equation22</p> <p>2.4Numerical Method for Lubrication Analysis22</p> <p>References28</p> <p>Chapter 3Isothermal Gas Lubrication29</p> <p>3.1Sliders29</p> <p>3.2Journal Bearing and Radial Seals38</p> <p>3.3Spiral Groove Thrust Bearing44</p> <p>3.4Spiral Groove Face Seals47</p> <p>References52</p> <p>Chapter 4Gas ThermoHydrodynamic Lubrication of Rigid Surfaces53</p> <p>4.1Sliders53</p> <p>4.2Journal Bearing and Radial Seals57</p> <p>4.3Spiral Groove Thrust Bearing59</p> <p>4.4Spiral Groove Face Seals63</p> <p>References69</p> <p>Chapter 5 Gas ThermoElastic Hydrodynamic Lubrication of Face Seals71</p> <p>5.1Fundamental Equations71</p> <p>5.2Choked Fluid Effect77</p> <p>5.3Characteristics of ThermoElastic Distortions of Seal Faces78</p> <p>5.4Characteristics of Gas TEHL79</p> <p>References85</p> <p>Chapter 6 Transient ThermoElastic Hydrodynamic Gas Lubrication of Face Seals86</p> <p>6.1Fundamental Equations86</p> <p>6.2Dynamic Characteristics of Isothermal Gas Lubrication88</p> <p>6.3Dynamic Characteristics of Thermal Gas Lubrication of Rigid Surfaces92</p> <p>6.4Dynamic Characteristics of Gas TEHL96</p> <p>References98</p> <p>Chapter 7 VaporCondensed Gas Lubrication of Face Seals99</p> <p>7.1Fundamental Equations99</p> <p>7.2Characteristics of Vapor Condensation in Gas Lubrication Film101</p> <p>7.3Laws of Vapor Condensation in Gas Lubrication Film101</p> <p>7.4Movement of Liquid Drops on Gas Lubrication Surfaces104</p> <p>References114</p> <p>Chapter 8 Surface Grooves of Gas Face Seals and Testing Technology115</p> <p>8.1Surface Grooves of Gas Face Seals115</p> <p>8.2Testing Technology of Gas Face Seals119</p> <p>8.3Experimental Characteristics of Gas Face Seals123</p> <p>References126</p> <p>Chapter 9 Design of Gas Face Seals128</p> <p>9.1Force Analysis of Gas Face Seals128</p> <p>9.2Geometric Parameters of Gas Face Seals129</p> <p>9.3Performance Parameters of Gas Face Seals131</p> <p>9.4Materials of Seal Couple131</p> <p>9.5Dimension Design of Seal Rings132</p> <p>9.6Design of Secondary Seals134</p> <p>9.7Process of Seal Design and Illustration134</p> <p>References144</p>显示全部信息前 言前言气体润滑是流体润滑的一种形式，采用空气或工质气体作为润滑剂将两相对运动的摩擦副隔开，具有摩擦阻力小、工作精度高、适用温度范围广等优点，广泛应用于极高温和极低温、超高速和超低速、超精密等**条件下的气体静**承、高速止推轴承、箔片轴承、机械密封等机械零部件和装备设计。1854年，Hirm提出用气体做润滑剂的设想。1886年，雷诺推导出了描述流体润滑膜压力分布的雷诺方程，使人们对流体润滑原理的认识上升到理论高度。20世纪50年代，基于轴承设计需求的气体润滑理论研究得到快速发展。1959年，Elrod和Burgdorfer从理论上说明了一般工况下润滑气膜内部的温升效应可以忽略，等温假设在气体润滑分析中被普遍接受。20世纪80年代以后，磁存储技术的发展推动气体轴承膜厚从微米降低到纳米量级，气体稀薄效应、表面粗糙度等微观效应受到广泛关注，促进了气体薄膜润滑理论的发展。随着机械装备转速的提高以及轴承部件新型结构的不断出现，气体热动力润滑问题日益突出。例如，对于20μm间隙、0.7MPa压力、20000r/min转速工况下的静压气体润滑轴承，剪切热可以使润滑气膜温度升高30℃以上。轴承转子温升和气体黏度的增加可提高轴承刚度和阻尼系数，但是缺少充分冷却时轴承容易发生热失稳，在高速轴承设计中尤为突出。相对于剪切流为主的轴承气体润滑而言，气体密封润滑区中还存在密封压力引起的压力流，密封气体从高压侧向低压侧泄漏流动过程中，由于体积迅速膨胀引起气膜温度降低，产生热变形等气体热动力润滑问题。1968年，John Crane公司首先研制出圆弧面螺旋槽气体润滑密封，并推出平面螺旋槽气体润滑密封产品。随着气体密封技术不断向高温、高压、高速等高参数方向发展，密封介质的多样化以及应用领域的不断拓展，表面热变形、超声速流、介质相变等气体热动力润滑问题日益增多。本书以温诗铸院士的弹流润滑理论研究方法和成果为基础，总结作者近年来的研究成果，以高速气体轴承和高压气体密封的润滑设计为应用背景，系统阐述了气体热动力润滑理论和设计分析方法。以典型结构的轴承和密封为对象，讨论了气体润滑分析的理论模型和润滑特性规律，并给出了具体算例数据以方便读者进行对比研究。全书共分9章，具体内容如下。第1章气体性质，**研究气体一般热力过程状态分析问题，基于能量均分原理，提出了将理想气体状态方程分解为两个独立的气体方程。第2章气体润滑方程，主要介绍雷诺方程、能量方程、固体热传导方程与界面方程等基本润滑方程的推导，并讨论了润滑分析中的力平衡和流量守恒问题，给出了解决方法。第3章等温气体润滑，主要介绍滑块轴承、径向轴承、止推轴承和端面密封等典型结构的等温气体润滑建模方法和基本润滑特征。第4章刚性表面气体热动力润滑，主要介绍滑块轴承、径向轴承、止推轴承和端面密封等典型结构的气体热动力润滑建模方法、气膜温度分布特征和润滑特征。第5章端面密封气体热弹流润滑，针对高压气体端面密封，介绍考虑阻塞流效应的热弹流润滑建模方法、端面变形特征以及气体润滑规律。第6章端面密封气体动载热润滑，针对气体端面密封，介绍外界扰动条件下气膜刚度、阻尼等动态参数的分析方法，讨论了气膜温度对端面气体密封气膜的刚度、阻尼频域响应特性和气膜压力动态分布特征的影响规律。第7章端面密封冷凝析水润滑，针对高压气体端面密封，介绍高压水汽冷凝析水问题的分析建模方法和润滑规律，并讨论了液滴在气体润滑表面的运动问题。第8章气体端面密封型槽技术与实验，主要介绍典型密封型槽及其润滑特点、型槽加工和密封实验方法，并结合微孔端面密封实验讨论了气体密封开启方式、气膜厚度变化、泄漏率控制等润滑特性。第9章气体端面密封设计，主要介绍气体端面密封摩擦副的润滑设计方法和计算流程。由于气体润滑和密封涉及的范围广泛，本书的篇幅有限，对于取材和论述方面存在的不妥和不足之处，敬请广大读者批评指正。在本书的编写过程中，黄平教授给予了大力支持和帮助，在此致以诚挚的谢意。同时，对为本书编写给予热情支持与帮助的同事和研究生们，表示衷心的感谢。白少先前言气体润滑是流体润滑的一种形式，采用空气或工质气体作为润滑剂将两相对运动的摩擦副隔开，具有摩擦阻力小、工作精度高、适用温度范围广等优点，广泛应用于极高温和极低温、超高速和超低速、超精密等**条件下的气体静**承、高速止推轴承、箔片轴承、机械密封等机械零部件和装备设计。1854年，Hirm提出用气体做润滑剂的设想。1886年，雷诺推导出了描述流体润滑膜压力分布的雷诺方程，使人们对流体润滑原理的认识上升到理论高度。20世纪50年代，基于轴承设计需求的气体润滑理论研究得到快速发展。1959年，Elrod和Burgdorfer从理论上说明了一般工况下润滑气膜内部的温升效应可以忽略，等温假设在气体润滑分析中被普遍接受。20世��80年代以后，磁存储技术的发展推动气体轴承膜厚从微米降低到纳米量级，气体稀薄效应、表面粗糙度等微观效应受到广泛关注，促进了气体薄膜润滑理论的发展。随着机械装备转速的提高以及轴承部件新型结构的不断出现，气体热动力润滑问题日益突出。例如，对于20μm间隙、0.7MPa压力、20000r/min转速工况下的静压气体润滑轴承，剪切热可以使润滑气膜温度升高30℃以上。轴承转子温升和气体黏度的增加可提高轴承刚度和阻尼系数，但是缺少充分冷却时轴承容易发生热失稳，在高速轴承设计中尤为突出。相对于剪切流为主的轴承气体润滑而言，气体密封润滑区中还存在密封压力引起的压力流，密封气体从高压侧向低压侧泄漏流动过程中，由于体积迅速膨胀引起气膜温度降低，产生热变形等气体热动力润滑问题。1968年，John Crane公司首先研制出圆弧面螺旋槽气体润滑密封，并推出平面螺旋槽气体润滑密封产品。随着气体密封技术不断向高温、高压、高速等高参数方向发展，密封介质的多样化以及应用领域的不断拓展，表面热变形、超声速流、介质相变等气体热动力润滑问题日益增多。本书以温诗铸院士的弹流润滑理论研究方法和成果为基础，总结作者近年来的研究成果，以高速气体轴承和高压气体密封的润滑设计为应用背景，系统阐述了气体热动力润滑理论和设计分析方法。以典型结构的轴承和密封为对象，讨论了气体润滑分析的理论模型和润滑特性规律，并给出了具体算例数据以方便读者进行对比研究。全书共分9章，具体内容如下。第1章气体性质，**研究气体一般热力过程状态分析问题，基于能量均分原理，提出了将理想气体状态方程分解为两个独立的气体方程。第2章气体润滑方程，主要介绍雷诺方程、能量方程、固体热传导方程与界面方程等基本润滑方程的推导，并讨论了润滑分析中的力平衡和流量守恒问题，给出了解决方法。第3章等温气体润滑，主要介绍滑块轴承、径向轴承、止推轴承和端面密封等典型结构的等温气体润滑建模方法和基本润滑特征。第4章刚性表面气体热动力润滑，主要介绍滑块轴承、径向轴承、止推轴承和端面密封等典型结构的气体热动力润滑建模方法、气膜温度分布特征和润滑特征。第5章端面密封气体热弹流润滑，针对高压气体端面密封，介绍考虑阻塞流效应的热弹流润滑建模方法、端面变形特征以及气体润滑规律。第6章端面密封气体动载热润滑，针对气体端面密封，介绍外界扰动条件下气膜刚度、阻尼等动态参数的分析方法，讨论了气膜温度对端面气体密封气膜的刚度、阻尼频域响应特性和气膜压力动态分布特征的影响规律。第7章端面密封冷凝析水润滑，针对高压气体端面密封，介绍高压水汽冷凝析水问题的分析建模方法和润滑规律，并讨论了液滴在气体润滑表面的运动问题。第8章气体端面密封型槽技术与实验，主要介绍典型密封型槽及其润滑特点、型槽加工和密封实验方法，并结合微孔端面密封实验讨论了气体密封开启方式、气膜厚度变化、泄漏率控制等润滑特性。第9章气体端面密封设计，主要介绍气体端面密封摩擦副的润滑设计方法和计算流程。由于气体润滑和密封涉及的范围广泛，本书的篇幅有限，对于取材和论述方面存在的不妥和不足之处，敬请广大读者批评指正。在本书的编写过程中，黄平教授给予了大力支持和帮助，在此致以诚挚的谢意。同时，对为本书编写给予热情支持与帮助的同事和研究生们，表示衷心的感谢。白少先<br />2016年6月于杭州显示全部信息媒体评论评论免费在线读
第1章气体性质
黏度等流体特性是形成流体润滑的物质前提，由于气体的可压缩性以及密度、温度和压力存在强耦合关系，润滑气体表现出不同于液体的黏压、黏温关系。此外，气体的含水特性容易出现高压气体密封润滑中的冷凝相变问题，也使得气体润滑表现出不同于液体润滑的规律特征，但本质上取决于气体的物理性质。本章主要介绍与润滑计算有关的气体基础知识，包括气体状态方程、黏度与压力和温度的关系、湿度与压力和温度的关系等。1.1气体方程在气体润滑中，气体的流动过程也是气体状态不断发生变化的过程。一般地，气体润滑雷诺（Reynolds）方程描述了在速度剪切、挤压等外力作用下气体的宏观运动，能量方程则描述了气体与外界热量交换以及宏观机械能与气体内能的转换关系。但是，气体微观热运动状态的描述由压力p、密度ρ和温度T这3个参数描述，对于理想气体，压力、密度和温度之间的关系满足如下气体状态方程：
pρ=RuT(11)

式中： 理想气体常数Ru=8.314472m3·Pa/（mol·K）。由于理想气体状态方程中存在3个变量，对于一般的热力过程，即压力、密度和温度同时发生变化时，单一利用式（11）不能给出气体的压力、密封和温度变化数值。因此，需要建立另外一个气体方程。布朗运动是气体或液体中的微观粒子不停进行无规则曲线运动的一种状态，于1827年由英国植物学家布朗发现。1907年，爱因斯坦提出了能量均分定理。这一统计力学的基本理论认为，一个微观粒子的动能只取决于其温度，而与其大小和质量无关。但是，由于布朗运动中粒子间的高速碰撞会导致其运动方向和速度不断发生变化，使得布朗运动中单个粒子的瞬时速度测定困难，因此一直无法直接证明能量均分定理适用于布朗粒子。2010年，得克萨斯大学的Li等人［1］找到了一种在空气中测定布朗粒子瞬时速度的方法，直接证实了布朗粒子服从能量均分定理。我们从能量均分原理出发，讨论和分析了气体的压力和温度表征，对于理想气体建立了独立的压力和温度方程［2］，实现了一般热力过程的气体润滑膜温度场分布求解计算。下面对基于能量均分原理的气体方程进行简要介绍。1.1.1理想气体方程一般情况下，可把理想气体分子看做刚球分子。如图11所示，刚球分子具有x、y、z三个方向上的平动自由度和转动自由度。假设大量分子组成的气体系统达到平衡状态，分子每个自由度对应的能量e相同，则单个气体分子的能量Esum表达式为
Esum=ide(12)

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第1章气体性质

1.1气体方程

1.1.1理想气体方程

1.1.2指数方程

1.1.3实际气体方程

1.1.4气体分子自由度

1.1.5比热容

本书以高速气体轴承和高压气体密封的润滑设计为应用背景，系统阐述了气体润滑理论基本方程的建立和推导，包括气体状态方程、雷诺方程、能量方程、热传导方程、界面方程等；等温气体润滑理论，**讲述气体滑块轴承、径向轴承、止推轴承和端面密封等典型结构的气体润滑基本特征，包括压力分布、摩擦系数、气膜刚度等参数特性；刚性表面气体润滑理论，主要讲述气体温粘特性、压粘特性对典型轴承和密封结构的润滑特性影响规律；气体热弹流润滑理论，主要讲述高压端面密封中的阻塞流效应、端面热变形、端面弹性变形等对端面密封气体润滑特性的影响规律；气体润滑动态特性，**讲述了热弹流润滑工况下端面气体密封气膜的刚度、阻尼频域响应特性和气膜压力动态分布特征；深槽气体润滑理论，主要讲述入口压力损失、深槽节流效应的实验和理论分析方法，以及蜂窝密封气体润滑特性。