考虑界面滑移和惯性力效应的水润滑轴承润滑性能分析.pdf
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1、 年 月第 卷 第 期润滑与密封 :文献引用:解忠良,田佳彬,杨铭,等考虑界面滑移和惯性力效应的水润滑轴承润滑性能分析润滑与密封,():,():基金项目:国家自然科学基金项目();中国中东欧国家高校联合教育项目();陕西省自然科学基础研究计划项目();中央高校基本科研业务费项目()收稿日期:;修回日期:作者简介:解忠良(),男,博士,教授,主要研究方向为水润滑轴承润滑。:。考虑界面滑移和惯性力效应的水润滑轴承润滑性能分析解忠良 田佳彬 杨 铭 王五成 陈汝刚 杨 康 刘 琦 秦卫阳(西北工业大学工程力学系 陕西西安;武汉第二船舶设计研究所 湖北武汉;中国船舶及海洋工程设计研究院 上海;中国人民
2、解放军海军装备部驻沈阳地区军事代表局驻大连地区第一军事代表室 辽宁沈阳;中国舰船研究设计中心 湖北武汉;西安电子科技大学机电工程学院 陕西西安)摘要:针对界面滑移和惯性力效应对水润滑轴承润滑性能的影响展开研究。推导综合考虑界面滑移和惯性力效应的修正雷诺方程,采用有限差分法求解研究轴承润滑机制,给出界面滑移和惯性力效应对水膜压力、承载力和摩擦因数的影响规律。针对某实际轴承分别采用提出的模型和有限元法进行润滑性能计算,二者结果吻合较好。研究结果表明:界面滑移和惯性力效应不改变润滑性能参数随偏心率变化趋势,界面滑移降低了润滑性能参数的数值大小,最大降幅 左右,惯性力效应则略微增大其数值,最大增幅小于
3、;相比于界面滑移,惯性力对润滑性能的影响较小,几乎可以忽略。研究结果对水润滑轴承的设计与计算具有一定的指导意义。关键词:水润滑轴承;界面滑移;惯性力效应;承载力;润滑性能中图分类号:(,;,;,;,;,;,):,:;水润滑轴承以水为润滑和工作介质,具有无污染、来源广泛、安全性和难燃性等优点,能降低和减少因摩擦副的运动而产生的磨损、噪声、功耗等问题,使其在环保、节能、可持续发展等方面有巨大潜力。目前针对水润滑轴承润滑机制、润滑性能等方面的研究尚显不足,综合考虑界面滑移和惯性力效应对水润滑轴承润滑机制和润滑性能影响的研究文献更少。流体流动的边界条件是决定流体动力学行为的重要因素之一。一直以来,经典
4、流体力学、润滑理论以及科技论文中,都采用了“无滑移边界条件”,即:固液交界面上没有滑移产生,亦即固体表面上的流体分子与固体表面的相对运动速度为。然而研究发现无滑移边界条件假设在某些情况下不再成立,即边界滑移在低速、重载、窄隙等工况下会发生,并影响流体动力学行为。其中,边界滑移对水润滑轴承润滑性能的影响正受到越来越多的关注。研究表明,当 个表面具有不同极限剪切应力时,界面滑移会发生在极限剪应力较小的表面。文献提出了判别固液交界面上产生界面滑移现象可能性方法:当润滑介质的界面张力大于摩擦副材料的界面张力时,即黏附断裂可能会出现在分子键的内聚断裂之前,此时界面滑移现象就会发生。一般地,低黏度润滑剂(
5、如水),其分子间的黏附力远远小于其他常规润滑剂,因此在对非金属摩擦副材料或高分子摩擦副材料的水润滑轴承进行理论分析和实验研究时,应充分考虑到界面滑移可能对流体的动力学特性及轴承润滑性能产生的影响。国内外学者对此做了研究工作,如分析了轴承表面发生边界滑移时,边界滑移对轴承流体动力学行为的影响,结果表明当滑移表面的极限剪切应力等于 时,轴承流体动压承载能力恰好为无滑移时的,但相应的摩擦力却降低了几个数量级。因此,和 提出了设计具有低摩擦因数轴承的思想,他认为边界滑移的存在使得轴承表面摩擦因数显著降低,但对轴承流体动压承载能力的影响比较复杂,与表面滑移性质(极限剪切应力大小)、表面粗糙度、运动状态以
6、及轴承材料等有密切关系。等研究了界面滑移对有限长滑动轴承动压性能的影响,发现各向均匀的滑移表面动压力会有所降低,对于极限剪切应力很低的滑移面,滑动轴承几乎没有承载力。而文献研究结果显示复合边界滑移在使表面摩擦力降低的同时却使系统的流体动压承载能力显著提高,因此与无边界滑移表面相比,发生复合边界滑移时轴承在很大的间隙收敛率范围内都具有较高承载力,而发生均一边界滑移时承载能力较低。这就打破了经典的润滑理论认为的只有收敛间隙才能使滑动轴承获得流体动压承载能力的理论框架,从而从理论方面为流体动力学 领 域 的 科 研 人 员 提 出 了 新 的 思 路 和 挑 战。等研究了光滑疏水表面界面滑移特性,讨
7、论了光滑疏水表面较长滑移长度可能产生的原因,却忽略了就界面滑移对水膜压力、摩擦力等的影响做相应分析。以上这些研究结果和现象的提出充分说明了边界滑移问题的艰巨性和复杂性,其对轴承润滑性能的影响仍处于不甚清晰的状态。另一方面,经典润滑理论认为雷诺方程右侧惯性力项 很 小,影 响 几 乎 可 以 忽 略,如 和研究了平面滑动轴承在层流状态下考虑惯性力效应时的润滑性能,为了单独考虑惯性力效应,作者在较大的膜厚和低速工况下试验,研究结果表明在低雷诺数下惯性力效应的影响比经典理论中的预测结果要大;研究表明在雷诺数较大的工况下,低黏度润滑介质黏性力与惯性力比值则小得多,惯性力的影响无法忽略。因此对水润滑轴承
8、研究中充分考虑惯性力的影响还是很有必要的,且其对流体动力学特性的影响不甚清晰,有必要进一步深入探讨。本文作者推导了适用于水润滑轴承综合考虑界面滑移和惯性力效应的修正雷诺方程,研究了水润滑轴承的润滑机制,求解得到水膜压力分布、膜厚分布及承载力、摩擦因数等参数变化规律,分析了界面滑移和惯性力效应对其润滑性能的影响,并与有限元结果对比,二者相互验证,说明理论分析的正确性。研究结果对于水润滑轴承的结构设计与计算具有一定指导意义。雷诺方程的推导根据分析,针对水润滑轴承的研究中,充分考虑界面滑移和惯性力效应的影响是很有必要的,目前尚无修正后的雷诺方程可直接应用。因此,这里首先推导直角坐标系下考虑界面滑移和
9、惯性力效应的修正雷诺方程。修正的雷诺方程推导图 给出了水润滑轴承示意图,图 ()是水润滑轴承截面图,图 ()是剖面展开图;图 给润滑与密封第 卷出了直角坐标系下水润滑轴承的简化示意图。假设表面 静止,表面 以速度 向右滑动,界面滑移发生在表面,临界极限剪切应力为,临界滑移速度为。在分析中不考虑热效应,视为等温条件,即水膜厚度方向上水的黏度和密度不会随着温度而变化,恒为常值。除了等温条件,方程推导过程中还需作如下假设:()忽略体积力,如重力或磁力等的影响。()水膜 很薄,忽略水膜厚度方向上的速度成分,即,忽略瞬态效应影响。()水膜厚度方向上,不计压力的变化。()与膜厚相比,支撑表面的曲率半径很大
10、,忽略由表面曲率引起速度方向的变化。()考虑惯性力效应的影响,但忽略流体加速时的惯性力和流体膜弯曲的离心力。图 水润滑轴承示意 :();()图 简化水润滑轴承示意 方向动量方程:()边界条件:表面 处,()表面 处,()方程()对 积分 次并代入边界条件得 ()同理,可得 方向的速度()式中:、分别是、方向上的动量分量;、分别是、方向上的速度分量。分别对方程(),()积分可得、方向单位宽度上的体积流量:()()()由质量守恒定律:()代入并整理得:()()()其中,积分常数为 ()定义量纲一化参数如下:,(),()得到修正的量纲一化雷诺方程为 年第 期解忠良等:考虑界面滑移和惯性力效应的水润滑
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