润滑油中固体颗粒对液体静压滑动轴承油膜承载能力的影响

刘乾;朱禹川;万占鸿;肖卿鹤

【摘 要】基于固液两相流理论,研究在润滑油中悬浮颗粒和空穴现象同时作用下,静压滑动轴承油膜的承载能力变化,得到油膜在固体颗粒和空穴现象作用下的压力分布,并分析颗粒含量与气体溶解率变化对单油孔以及双油孔供油时低速重载滑动轴承油膜承载能力的影响.计算结果表明,增加润滑油中固体颗粒的含量可以提高油膜承载能力,在一定固体颗粒含量下,增加固体颗粒直径也可以提高油膜承载能力,但需同时考虑固体颗粒对流动稳定性的影响;在控制空穴饱和压力一定的情况下,油膜压力场随气体容积率变化很小. 【期刊名称】《润滑与密封》 【年(卷),期】2016(041)011 【总页数】6页(P83-88)

【关键词】悬浮颗粒;两相流;滑动轴承;承载能力 【作 者】刘乾;朱禹川;万占鸿;肖卿鹤

【作者单位】辽宁科技大学工程训练中心 辽宁鞍山114001;辽宁科技大学工程训练中心 辽宁鞍山114001;浙江大学船舶与海洋结构物研究所 浙江杭州310058;辽宁科技大学工程训练中心 辽宁鞍山114001 【正文语种】中 文

【中图分类】TH117.2;TH133.3

轴承是各种机械设备中的重要零部件之一。根据轴承的摩擦性质不同，可把轴承分为滑动摩擦轴承(简称滑动轴承)和滚动摩擦轴承(简称滚动轴承)两大类。滚动轴承由于摩擦因数小、启动阻力小、维护方便等特点，得到了广泛的应用。而滑动轴承作为轴承零件的另一大种类，由于它独有的一些优点，使它在很多不适合滚动轴承的场合中发挥着巨大的作用[1]。滑动轴承的类型有很多，根据其承载的机制不同可分为动压滑动轴承和静压滑动轴承。大多数机械设计教材都对动压滑动轴承进行了较为细致的描述和研究，这里就不在详述。而相对于动压滑动轴承，静压滑动轴承不必受到形成动压油膜条件的限制，即使在相对速度低，不易形成动压油膜的情况下也可以达到较好的润滑效果，从而延长轴承的使用寿命。然而对静压轴承的理论研究却较为缺乏。

液体静压轴承是借助于轴瓦和轴颈间的液体静压力来支撑载荷的滑动轴承[2]。所以润滑油的性质将决定轴承的承载能力。近些年来，在润滑剂的生产中，为了改善基础油的润滑性能，往往加入各种固体悬浮添加剂[3]。另外，在实际工作中，颗粒沉积物、摩擦磨损产生的碎屑也可能混入润滑剂。由于添加剂和固体颗粒的加入，润滑剂已由只存在空穴现象的两相流体系变成一个液-固-气三相流体系。目前对含悬浮固粒的混合层[4]、边界层[5]、旋转圆射流[6]等稳定性研究表明，依据固体颗粒自身的物理特性和运动条件不同，悬浮固粒的加入对流场的稳定性存在或多或少的影响，而固体颗粒对滑动轴承油膜承载能力的影响，还未见诸文献。润滑油的品质决定了滑动轴承承载能力的大小、运行稳定性的好坏，因此研究润滑油添加剂对滑动轴承的影响显得尤为重要。因此，本文作者耦合颗粒影响，对固-液-气三相润滑油膜承载能力进行研究。

由于静压滑动轴承润滑的润滑方式可分为厚膜润滑和薄膜润滑。厚膜润滑以流体自身承受全部载荷并且实现运动表面的完全隔离为标志，其性能取决于润滑膜的流体力学行为。因此本文作者着重研究厚膜润滑状态下的液体静压滑动轴承，而且两圆

筒之间的流体流动是滑动轴承厚膜润滑流动合适的简化模型。所以研究两圆筒间黏性不可压缩流体稳定性就等同于对液体静压滑动轴承油膜流动稳定性的研究。 考虑到固体颗粒对圆筒间流场流动稳定性的影响较为明显[7]，因此将润滑油中液相的连续方程和动量方程与固体颗粒相的连续方程和动量方程联立[8]，求出转捩系数和各个系数之间的关系。 液相连续方程和动量方程： 颗粒相连续方程和动量方程：

将式(1a)、(1b)、(1c)、(1d)、(2a)、(2b)、(2c)、(2d)量纲一化整理[9]为 式中：A为颗粒相质量分数；φ为颗粒直径；k为轴向波数；m为径向波数；ε为颗粒相与液相的比值；η两圆筒的半径比；σ为放大因子。

通过数值计算得出微粒质量分数与液体流动稳定性的关系，如图1所示。可见，颗粒质量分数越大，液体的关于扰动的放大因子越大，液体在受到扰动时，更加容易进入到不稳定状态；在其他条件相同的情况下，随着悬浮颗粒的半径增大，流体的流动稳定性也越差。

(1)模型选择，选择轴颈1 m，转速为20 r/min，油的动力学黏度为0.027 931 Pa·s，密度为900 kg/m3。

(2)利用流体分析前处理软件建立油膜结构化网格模型，并且网格质量较高不会影响数值计算。

(3)将油膜网格模型导入流体分析软件中，固体颗粒密度为2 000 kg/m3，空穴压力设为7 550 Pa，静压轴承进油孔总压力为2 MPa，进行数值计算。 3.1 不同轴承间隙下润滑油中固体颗粒对承载能力的影响

对不同轴承间隙下的油膜承载能力进行了计算，图2所示为单进油口静压滑动轴承在颗粒质量分数为0.000 1%的情况下的压力分布图。可见，改变轴承间隙会便轴承的承载区域和承载力有较大的变化。轴承间隙较小时滑动轴承的油膜可承受较

大压力的区域分布比较广泛，而轴承间隙较大时油膜可承受较大压力的油膜分布比较少，具体的数值变化如图3所示。可以看出，当轴承间隙增大以后，不同的颗粒含量下轴承承载能力均有所下降，只有在颗粒质量分数为0时表现为上下波动的曲线，但这种情况在实际生产中是不能出现的，因此不做过多的讨论。所以从图3中可得出，滑动轴承随轴承间隙变大承载能力逐渐减小。 3.2 不同供油方式下颗粒含量对油膜压力场的影响

对不同颗粒质量分数下油膜压力场分布进行了模拟研究，结果如图4所示。可以看出，改变颗粒质量分数对压力场的影响很小。为进一步研究颗粒质量分数对压力场的影响，通过改变供油方式，采用上下双油孔供油方式，研究了压力场随颗粒质量分数的变化，结果如图5所示；通过改变轴承间隙，将轴承间隙由原来的1 mm增大至5 mm，研究了颗粒质量分数对压力分布的影响，结果如图6所示。可见，不同供油方式下压力场随颗粒质量分数的改变较小，轴承间隙增大时颗粒质量分数对油膜的压力分布影响依然很小。董岑华等[10]也对滑动轴承承载能力受固体颗粒的影响进行了研究，他们认为润滑油中颗粒含量越大，轴承承载能力越高，但是颗粒的含量对润滑油整体的压力分布不会造成很大的影响。这与本文作者研究得到的结果一致。

3.3 颗粒含量对承载能力的影响

董岑华等[10]对颗粒含量与滑动轴承承载能力之间的关系进行了定性的判断，本文作者以单油孔低速重载的轴颈1 mm的滑动轴承为例，对颗粒含量与滑动轴承承载能力之间的关系进行了定量的研究，结果如图7所示。由于实际生产中润滑油中含有的颗粒质量分数一般在0～10%之间，为了进一步探索颗粒质量分数对油膜承载能力的影响，将颗粒质量分数限定在0～30%之间，从而可以更大的颗粒含量范围内了解颗粒对润滑油油膜承载能力的影响。从图7可以看出，承载能力随颗粒质量分数增加而增大，但不是一个简单的正比关系，而存在着较小的波动。

3.4 空穴气体对轴承压力场的影响

一般认为油膜空穴现象产生的原因有2种：一种是润滑油中本来溶解有周围环境的气体，当压力降至大气压以下，溶解度也随之降低，于是气体逃逸出来形成了气穴；另一种是压力降至油的液态和气态共存的饱和压力时，一部分油发生相变，成为油蒸汽，因而形成了气穴。而在通常的轴承运转温度下，油的饱和压力比大气压低很多，但油膜破裂现象却在压力稍小于大气压时就发生了，所以轴承中油膜破裂的现象一般属于前一种情形[11]。上述分析表明，空穴现象对轴承的正常工作有着较大的影响，因此在进行数值模拟时必须考虑空穴现象。本文作者分析了空穴现象对轴承压力场的影响，结果如图8所示。可见，润滑油中溶解少量饱和气体对压力场的影响比较小。

3.5 颗粒直径对油膜承载能力的影响

固体颗粒的存在对润滑油的承载能力有着一定的影响，为了进一步了解固体颗粒直径对润滑油膜承载能力的影响，通过大量的模拟实验，得到如图9所示的结果。可见，颗粒直径越大，油膜的承载能力越高；但在文中选取的模型条件下，颗粒直径大于0.075 mm以后，颗粒直径对承载能力的影响逐渐减弱。考虑到直径变化对流动稳定性的影响，润滑油添加剂中微粒的直径应限定在一定的范围内。 (1)固体颗粒在润滑油中的含量越高润滑油膜的承载能力越大；润滑油在保持一定饱和压力和较低的气体溶解率时，油膜压力场受到空穴现象的影响较小，但如果润滑油溶解较多的气体，压力场便会有较大的变化。

(2)润滑油中固体颗粒的含量一定时，固体颗粒直径增大也可以增大油膜的承载能力。但是颗粒含量与直径的增加都会使流体流动稳定性降低，因此润滑油添加剂的颗粒含量和直径应限定在一定的范围内，从而在提高承载能力的同时保证流体的运行稳定性。

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