水中雜質(zhì)對水潤滑軸承性能的影響

錢九娟 韓文君

【摘 要】 雜質(zhì)顆?；烊氲綕櫥橘|(zhì)中會對水潤滑滑動軸承承載能力產(chǎn)生一定的影響。根據(jù)多相流數(shù)值計算理論， 利用湍流模型， 選用歐拉-拉格朗日方法計算討論了在水中雜質(zhì)顆粒含量以及雜質(zhì)顆粒直徑對水潤滑軸承承載能力的影響程度。結(jié)果表明， 水中的雜質(zhì)顆粒在一定含量范圍內(nèi)會提高水潤滑軸承的承載能力， 水潤滑膜壓力分布規(guī)律基本不受水中雜質(zhì)顆粒含量變化的影響； 在雜質(zhì)顆粒直徑小于水潤滑膜最小膜厚的情況下， 水中雜質(zhì)顆粒直徑的變化對水潤滑滑動軸承承載能力的影響程度很小。

【關(guān)鍵詞】雜質(zhì)顆粒；水潤滑滑動軸承；承載能力

在自然環(huán)境日趨遭受嚴重污染的現(xiàn)狀下， 由于水潤滑技術(shù)具有無污染、摩擦因數(shù)低、經(jīng)濟節(jié)約等特殊優(yōu)點， 世界各國對水潤滑技術(shù)進行了大量的應(yīng)用研究與產(chǎn)品開發(fā)。最近十年來隨著新型材料的發(fā)展和加工技術(shù)的進步， 克服了在早期水潤滑軸承中存在的諸如易腐蝕、易磨損、泄漏大、效率低等缺點， 水潤滑軸承開始廣泛地進入食品、造紙、紡織、醫(yī)療、消防、冶金、采礦、原子能動力廠、海洋開發(fā)等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。

滑動軸承在工作工程中常會出現(xiàn)一些微小雜質(zhì)顆?；烊霛櫥橘|(zhì)而形成液固兩相流潤滑， 這一現(xiàn)象在實際應(yīng)用中往往是不可避免。這種液固兩相流潤滑對水潤滑滑動軸承承載能力這一重要設(shè)計指標(biāo)會產(chǎn)生一定的影響， 因此， 對這一領(lǐng)域進行研究是十分必要的。本文作者根據(jù)多相流數(shù)值計算理論， 分析雜質(zhì)的含量以及顆粒直徑對水潤滑滑動軸承壓力場分布以及承載能力的影響。

1.潤滑介質(zhì)中雜質(zhì)的來源

1.1 潤滑系統(tǒng)中存在的潛伏雜質(zhì)

機械零件在鑄造、機加工、清洗、裝配、包裝運輸過程中都會殘留微量的型砂、切屑、毛刺、淬火

鹽、灰塵、銹斑等， 一些大型的潤滑系統(tǒng)元件， 如水箱等均含有此類雜質(zhì)； 在潤滑系統(tǒng)的組裝過程中也會產(chǎn)生一些雜質(zhì)， 如磨屑、鐵銹、焊渣等， 甚至在管接頭擰緊的過程中也會產(chǎn)生一些顆粒污染物。在機械系統(tǒng)尚末運行之前， 這些雜質(zhì)就已經(jīng)潛伏在潤滑系統(tǒng)中。

1.2 從系統(tǒng)外部侵入的雜質(zhì)

在機器的使用管理與維修、更換元件時， 雜質(zhì)也會侵入系統(tǒng)。有些機械工作條件惡劣， 巖塵以及沙粒都會通過注水口、透氣口、軸端密封等處進入潤滑系統(tǒng)。此類雜質(zhì)的主要種類為巖塵、沙粒、泥漿等。

1.3 由系統(tǒng)內(nèi)部生成的雜質(zhì)

主要是由于滑動軸承在工作過程中發(fā)生摩擦磨損及表面疲勞和劃傷， 滑動軸承表面公差配合不當(dāng)， 元件內(nèi)部的機械干擾、腐蝕、氣蝕， 液體在高壓高速下的沖蝕作用等原因造成的各種固體顆粒物。此類雜質(zhì)的主要種類為滑動軸承材料顆粒， 如： 金屬顆粒、橡膠顆粒、塑料顆粒等。

2.多相流流體理論

由于有固體顆?；烊肓俗鳛闈櫥橘|(zhì)的水中， 因此水由單相流體變?yōu)槎嘞嗔黧w， 單純的流體潤滑就變?yōu)榱藦?fù)雜的液-固兩相流體潤滑， 固體顆粒的存在會在一定程度上影響水的物化特性以及潤滑性能， 使其表現(xiàn)出一些與純水所不同的潤滑性質(zhì)。多相流是一種復(fù)雜的物理現(xiàn)象， 隨著計算流體力學(xué)理論研究的深入和計算能力的提高為深入了解多相流動提供了基礎(chǔ)，對多相流進行數(shù)值模擬已經(jīng)迅速發(fā)展成為了一種極其重要和有效的研究手段。目前應(yīng)用最多的多相流數(shù)值計算方法有歐拉-歐拉方法和歐拉-拉格朗日方法。

2.1 歐拉-歐拉方法

歐拉法著眼于空間的點， 基本思想是考察空間每一個點上的物理量及其變化。在歐拉法中， 不同相被處理成互相貫穿的連續(xù)介質(zhì)。各相的體積比率是時間和空間的連續(xù)函數(shù)， 其體積分比率之和等于1。從各相的守恒方程可以推導(dǎo)出一組方程， 這些方程對于所有的相都具有類似的形式。從實驗得到的數(shù)據(jù)可以建立一些特定的關(guān)系， 從而能使上述方程封閉。對于小顆粒流則可以通過應(yīng)用分子運動論的理論使方程封閉。

2.2 歐拉-拉格朗日方法

拉格朗日法著眼于流體的質(zhì)點， 基本思想是跟蹤每個流體質(zhì)點在流動過程中的運動全過程， 記錄每個質(zhì)點在每一時刻、每一位置的各個物理量及其變化。主體相是利用歐拉法計算， 而離散顆粒則是利用拉格朗日法進行粒子跟蹤， 這就是所謂的歐拉-拉格朗日模型。將主體相作為連續(xù)相， 直接求解時均 Nav ier -Stokes方程； 將稀疏相視為離散顆粒， 通過計算流場中大量的粒子、氣泡或是液滴的運動得到的。此模型雖然計算量龐大， 但是相對歐拉模型來講， 精確度要更高一些。離散相模型能更準確地模擬氣-固兩相流動和一些粒子負載流以及用于跟蹤固體顆粒、氣泡、液滴在連續(xù)相中運動軌跡。該模型的一個基本假設(shè)是， 作為離散的第二相的體積比率應(yīng)很低， 一般需要離散相含量不超過 15%。由于雜質(zhì)在潤滑介質(zhì)中含量一般不會超過 10%，故選用歐拉-拉格朗日方法來計算。并且考慮到作者所研究的固液密度有較大差異， 且兩相間無質(zhì)量交換， 因此對于連續(xù)相的計算選擇改進的 k - ε分散湍流模型。

在湍流多相流動中， 動量交換項包含了固相瞬態(tài)分布和湍流流體運動之間的關(guān)系， 能夠考慮到由湍流流體運動輸送的固相分布。在歐拉-拉格朗日模型中描述離散相 （雜質(zhì)顆粒） 的運動軌跡是靠作用在顆粒上的力的方程所得到的。單個顆粒在流場中運動時所受的力有曳力、壓力梯度力、附加質(zhì)量力、Basset力、Saf fman升力和M agnus力、重力等。但在作者所研究的液固兩相流動中， 由于顆粒粒徑較小、含量較低， 顆粒所受的流體曳力是最主要的， 其他力在量級上與之相比非常小， 因此將其忽略不計。

3 .分析

3.1 雜質(zhì)含量對潤滑性能的影響

在一定范圍內(nèi)， 隨著雜質(zhì)含量的增加， 水潤滑膜的壓力值增大， 尤其是靠近楔形滑塊水膜入口處的壓力值明顯增加， 壓力梯度變小。但總體的壓力分布規(guī)律基本不受雜質(zhì)含量變化的影響。水潤滑滑動軸承的承載能力隨滑塊速度的增大而增加； 隨水中雜質(zhì)含量的增大， 滑動軸承的承載能力隨滑塊速度加大的增幅愈加明顯： 當(dāng)速度為 5 m / s時， 水中雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為 10%的滑動軸承的承載能力基本與水中無雜質(zhì)的滑動軸承承載能力相近； 而當(dāng)速度為 50 m / s時， 水中雜質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為10%的滑動軸承承載力則達到水中無雜質(zhì)時滑動軸承承載能力的 2倍左右?？梢姖櫥橘|(zhì)中雜質(zhì)含量的增加在一定程度上可以比較明顯地提高滑動軸承的承載能力。這一數(shù)值模擬計算結(jié)果與以往學(xué)者的多相流潤滑理論研究結(jié)果是相符的， 一些學(xué)者的實驗也表明在水中添加一定含量的固體介質(zhì)可以提高水潤滑滑動軸承的承載能力。雖然水中雜質(zhì)含量的增加可以提高軸承的承載能力， 可是在一般工況條件下， 水中雜質(zhì)并非為提高滑動軸承承載能力而專門添加的顆粒， 大多是混入水中的巖塵顆粒以及沙石顆粒， 其顆粒形狀大小不一并且有的顆粒有尖角。根據(jù)相關(guān)的實驗證明： 隨著水中雜質(zhì)含量的增加， 滑動軸承的磨損量會大幅增加， 從而將較大程度地降低滑動軸承的使用壽命， 而這也正是在實際工作中應(yīng)該盡量避免發(fā)生的現(xiàn)象。

3.2 雜質(zhì)粒徑對潤滑性能的影響

雜質(zhì)顆粒直徑的變化對于潤滑膜的壓力分布以及滑動軸承承載能力的影響都十分有限，基本上可以忽略不計。

而當(dāng)水中混入的雜質(zhì)顆粒直徑大于軸承的最小水膜厚度時， 由于顆粒粒徑大于水膜的厚度， 因此顆粒與滑動軸承的兩個表面均發(fā)生直接接觸， 將直接承擔(dān)部分滑動軸承載荷。此時的計算已經(jīng)不能采用簡單的多相流潤滑理論， 而要綜合考慮顆粒和滑動軸承表面的彈性變形。雜質(zhì)顆粒直徑大于最小水膜厚度時， 會加大滑動軸承的磨損， 這種情況也是要盡量避免的。鑒于以上的分析， 可以設(shè)定潤滑系統(tǒng)過濾網(wǎng)的最大過濾直徑不能超過潤滑膜最小厚度。

4.結(jié)論

4.1隨著水中雜質(zhì)含量的增加， 水潤滑滑動軸承的水膜壓力增大， 但水膜壓力的分布規(guī)律基本不受雜質(zhì)含量變化的影響。

4.2隨著水中雜質(zhì)顆粒含量的增加， 水潤滑滑動軸承的承載能力也相應(yīng)增加； 隨滑塊速度的增加，

雜質(zhì)含量對軸承承載能力的影響就越明顯， 但應(yīng)注意此時相應(yīng)的磨損量也會增加。

4.3 雜質(zhì)顆粒直徑對水潤滑滑動軸承的水膜壓力分布以及承載能力的影響程度很小。