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考虑粗糙度的水润滑复合微织构推力轴承性能分析_王丽丽.pdf
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1、 表面技术 第 52 卷 第 6 期 256 SURFACE TECHNOLOGY 2023 年 6 月 收稿日期:20220511;修订日期:20220826 Received:2022-05-11;Revised:2022-08-26 基金项目:山东省矿山机械工程重点实验室校企联合基金(2022KLMM304);山东省博士后创新项目专项资金(201701016)Fund:Shandong Province Key Laboratory of Mine Mechanical Engineering,Shandong University of Science and Technology(2
2、022KLMM304);Shandong Provincial Postdoctoral Innovation Foundation(201701016)作者简介:王丽丽(1979),女,博士,副教授,主要研究方向为摩擦学。Biography:WANG Li-li(1979-),Female,Doctor,Associate professor,Research focus:tribology.引文格式:王丽丽,段敬东,李龙超,等.考虑粗糙度的水润滑复合微织构推力轴承性能分析J.表面技术,2023,52(6):256-265.WANG Li-li,DUAN Jing-dong,LI Long-
3、chao,et al.Performance of Water-lubricated Composite Micro-texture Thrust Bearing Considering RoughnessJ.Surface Technology,2023,52(6):256-265.考虑粗糙度的水润滑复合微织构 推力轴承性能分析 王丽丽,段敬东,李龙超,刘迎澳,包云龙(山东科技大学 机械电子工程学院,山东 青岛 266590)摘要:目的目的 改善摩擦副润滑性能,研究考虑表面粗糙度时复合微织构参数对推力轴承性能的影响,同时通过实验进一步说明复合微织构的减摩作用机理。方法方法 建立表面粗糙度模型
4、、复合微织构的水膜厚度方程和推力轴承的广义雷诺方程,研究不同复合微织构形状和排列方式推力轴承的性能。通过摩擦磨损实验验证复合微织构形状对轴承润滑性能的影响。结果结果 复合微织构有效改善了摩擦副的摩擦学性能,在 15 种复合微织构和 2 种单一织构中,复合微织构的承载性能均优于单一鱼形和圆形织构,圆形复合鱼形微织构具有较好的润滑性能;当不同微织构沿周向排列时获得了较好的润滑参数,相较于径向排列,其承载力提升了45.45%;考虑表面粗糙度时,轴承的润滑性能得到提高,当尺度系数为 0.002 2、分维系数为 2.6 时,轴承获得了较好的润滑性能,相较于未考虑粗糙度时其承载力得到提高。结论结论 实验得
5、出与理论相同的结论,圆形复合鱼形微织构具有较好的承载力和减摩性能,合适的复合微织构参数可以有效提高水润滑推力轴承的润滑性能,降低摩擦因数。关键词:粗糙度;复合微织构;推力轴承;微织构参数;摩擦实验 中图分类号:TH117 文献标识码:A 文章编号:1001-3660(2023)06-0256-10 DOI:10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.06.022 Performance of Water-lubricated Composite Micro-texture Thrust Bearing Considering Roughness WANG Li-li,DUA
6、N Jing-dong,LI Long-chao,LIU Ying-ao,BAO Yun-long(College of Mechanical and Electronic Engineering,Shandong University of Science and Technology,Shandong Qingdao 266590,China)ABSTRACT:Surface micro texture technology is a technology to improve the surface lubrication performance of friction pairs.Th
7、e research on the micro texture thrust bearing mainly focuses on the effect of roughness on the lubrication performance of bearings or the effect of single micro texture on the lubrication performance of bearings.To improve the lubrication performance of friction pairs,the effect of different compos
8、ite micro-texture parameters on the performance of 第 52 卷 第 6 期 王丽丽,等:考虑粗糙度的水润滑复合微织构推力轴承性能分析 257 thrust bearings considering roughness was studied.At the same time,experiments were used to further illustrate the anti-friction mechanism of the micro-texture.Based on the surface roughness model,water
9、film thickness equation of composite micro-texture and the generalized Reynolds equation of thrust bearings,the performance of thrust bearings with different composite micro-texture shapes and arrangements was studied.The effect of composite micro-texture shapes on bearing lubrication performance wa
10、s verified by friction experiments.The results were as follows:composite micro-texture could effectively improve the tribological properties of friction pairs.In 15 composite micro-textures and 2 single textures,the bearing capacity of composite micro-texture was better than that of single fish text
11、ure and circular texture,and the circular composite fish-shaped micro-texture had better lubrication performance.When different micro-textures were arranged in the circumferential direction,the bearing capacity increased by 45.45%.When the long side of the micro texture shape was perpendicular to th
12、e radial direction of bearing,and the convergence clearance was along the direction of inlet water,the outlet area of water film decreased gradually,which would increase the hydrodynamic effect.And the fish micro-texture had the convergence trend of two area reductions.Therefore,the composite bearin
13、g performance of the fish micro texture was better,the lubrication performance of the circular composite fish-shaped micro-texture was better,and the bearing performance of the triangular composite fish-shaped micro-texture was better.Considering the surface roughness,the lubrication performance of
14、the bearing was improved.The bearing capacity without considering roughness was 184.45 kN.The bearing capacity considering roughness was 188.46 kN.The bearing capacity increased compared with the situation when the roughness was not considered.When the scale coefficient was 0.002 2 and the fractal d
15、imension coefficient was 2.6,the bearing obtained better lubrication performance.When the micro-texture shape was a smooth surface,the experimental average friction coefficient and instantaneous friction coefficient were larger,the average friction coefficients of the circular shaped texture and fis
16、h-shaped texture were relatively close;the fish-shaped composite circular texture and the square composite fish-shaped texture had the lowest friction coefficients,which were 35.298%and 32.781%lower than that of the smooth friction pair,respectively.The friction coefficient of the circular composite
17、 fish texture was generally lower than that of the square composite fish-shaped micro-texture surface.Experiments reach the same conclusion as the theory,the composite texture of circular and fish shape has better bearing capacity and friction reduction performance.The composite micro-texture parame
18、ters can effectively improve the lubrication performance of water-lubricated thrust bearings and reduce the coefficient of friction.KEY WORDS:roughness;composite micro-texture;thrust bearing;micro-texture parameters;friction experiment 随着推力轴承润滑性能研究的不断深入,学者们对轴承的研究更微观化,粗糙度对轴承润滑性能的影响逐渐被考虑进去。Qiu 等1模拟了轴承
19、的承载能力、膜厚、泄漏量和摩擦力等,结果表明,表面粗糙度可以提高其承载能力。Kumar 等2研究发现,考虑粗糙度的扇形瓦块上椭圆形凹坑织构的承载力提高了101.4%,油膜刚度系数提高了 112%。Tzeng 等3研究了滑动轴承表面粗糙度对轴承承载能力和摩擦力的影响。Naduvinamani 等4研究了单向表面粗糙度和磁效应对两正方形板间多孔挤压膜润滑性能的影响,结果表明,粗糙度提高了压力和承载能力。刘明勇等5采用统一 Reynolds 方程建立了有限长线接触混合润滑模型,结果表明,合适的粗糙度会对润滑产生积极的作用,且纵向粗糙度更有利于接触润滑。大量文献表明,轴承的表面粗糙度会影响轴承的性能,
20、在数值模拟时忽略扇形瓦块的粗糙度会导致轴承性能计算结果的不准确。表面微织构技术是一种提高摩擦副表面润滑性能的新技术。林国志等6采用激光表面纹理化技术,在 WC8Co 上制备了微沟槽织构,实验结果表明,微沟槽织构减轻了往复滑动过程中凸区的黏结扩散磨损。王新宇等7通过激光织构和喷砂对沉积超厚类金刚石涂层管道内的表面加工微织构进行优化,结果表明,合适的织构密度和直径可以提升管道内壁的摩擦学性能。Li 等8采用飞秒激光加工技术,研究了微织构覆盖面积对摩擦学性能的影响,设计了不同织构密度的硬质合金人字形微织构,结果表明,具有一定微织构密度的人字形微织构有助于降低摩擦力。Tong等9研究了硬质合金表面微圆
21、织构的抗磨减摩机理,通过摩擦磨损实验证实微圆织构对减摩有积极作用。He 等10-11应用流体润滑模型研究了单个微凹坑的作用,并进行了实验,结果表明,微型凹坑有利于提高摩擦的稳定性,可使振幅降低 75%,摩擦因数降低20%。王玉君等12利用双向流固耦合计算了油膜与瓦块之间的相互作用,结果表明,随着织构覆盖率的增加,最优织构的深度逐渐增大。王丽丽等13基于滑动轴承摩擦磨损理论模型,研究得到了最佳的无量纲微织构半径和无量纲深度。黄明吉等14通过实验证实,258 表 面 技 术 2023 年 6 月 对不锈钢微丝进行织构化处理可显著改善其摩擦学性能。杜文鑫等15建立了正弦微沟槽理论模型,通过仿真计算可
22、知,正弦微织构可有效改善柱塞密封副的润滑性能。李云凯等16设计了一种具有仿生猪笼草结构的水润滑轴承,结果表明,这种轴承在中速、中载荷条件下具有优异的承载能力和减摩性能。王洪涛等17利用数值模拟方法研究了圆柱形微织构的摩擦磨损性能,分析了微织构的深度、半径和织构单元偏移率及表面相对速度对润滑性能的影响。研究表明13,18-19,表面微织构提高摩擦副表面润滑性能的原因在于:一方面,表面微织构会产生额外的微流体动压效应,提高轴承的承载力,减小摩擦副之间的磨损;另一方面,表面微织构可以储存润滑油和磨粒,在接触面之间起到二次润滑作用,同时避免磨粒对摩擦副的磨损,进而提高轴承寿命。推力轴承是广泛应用于工业
23、领域的机械零部件,它具有承载能力高、发热量少和润滑维护方便等优点。学者们设计了推力轴承结构,并运用微织构理论对轴承性能进行了优化。于晓东等20采用仿真软件对环形腔静压推力轴承内部温度场、压力场和速度场进行了计算。闫岗等21设计了一种超导磁力与静压流体力复合的推力轴承,并且采用解耦方法对其进行了优化。王占朝等22分析了平衡梁结构和非平衡梁结构对推力轴承载荷误差的影响。Li 等23设计了一种螺旋分布的微织构,对关键微织构参数进行了优化,最终使轴承的承载能力提高了 55.05%。Zhang 等24运用遗传算法对扇形止推轴承瓦上的圆形微织构进行了优化,获得了扇形轴承入口处最佳的微织构排列方式。目前,对
24、推力轴承微织构的研究主要集中于粗糙度对轴承润滑性能的影响,或单一微织构对轴承润滑性能的影响。在此基础上,应进一步研究同时考虑粗糙度和复合微织构对扇形推力轴承润滑性能的影响,通过建立推力轴承考虑表面粗糙度的理论模型,在扇形瓦块表面添加 15 种复合织构,对比研究不同类型的复合微织构对轴承承载力和摩擦因数的影响规律,并改变织构的排列方式,探索最佳的微织构排列;采用摩擦磨损试验机进行实验,分析不同类型复合微织构的摩擦因数,进一步验证理论计算结果的正确性。1 数值计算的理论模型 在流体动压润滑状态下考虑推力轴承扇形瓦块表面粗糙度的影响,分别讨论不同类型的复合微织构和复合微织构的排列方式对轴承润滑特性的
25、影响。如图 1 所示,该推力轴承由轴颈、止推环、扇形瓦块和基环等组成。基环上有对称分布的扇形瓦块,水在相邻两瓦的沟槽中流动。当扇形推力轴承工作时,瓦块与止推环之间的水通过推力环的转动,使瓦块与推力环之间形成水膜,并承受转轮上的轴向载荷和轴上零件的自重,使主轴可以平稳转动。根据扇形推力轴承的实际运动情况选取扇形推力轴承的几何尺寸参数,如表 1 所示。轴承使用水润滑,水的黏度为 0.722 5 mPas。图 1 轴承结构示意图 Fig.1 Structural diagram of bearing:a)structural of thrust bearing;b)expanded view of
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