微溝槽形貌對(duì)水潤(rùn)滑軸承混合潤(rùn)滑特性影響的研究

王家序 倪小康 韓彥峰 向果 肖科

摘 要：建立了計(jì)入軸承內(nèi)表面微溝槽形貌的水潤(rùn)滑軸承混合潤(rùn)滑（MixedEHDL）數(shù)值計(jì)算模型，著重研究了不同運(yùn)行工況下，半橢圓形、矩形、等腰三角形、左三角形、右三角形等多種微溝槽形貌對(duì)水潤(rùn)滑軸承混合潤(rùn)滑特性的影響.研究表明：在所有微溝槽形貌中，混合潤(rùn)滑性能與承載性能優(yōu)劣排序依次為右三角形、等腰三角形、左三角形、半橢圓形、矩形；在彈流潤(rùn)滑階段，微溝槽形貌對(duì)水潤(rùn)滑軸承摩擦系數(shù)幾乎無(wú)影響，而在混合潤(rùn)滑階段，不同微溝槽形貌下接觸載荷以及摩擦系數(shù)之間的差異隨轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)出先增大后減小最后趨于統(tǒng)一的規(guī)律性；在承載區(qū)，由于溝槽內(nèi)水膜增壓能力以及抽吸作用的不同引起了水潤(rùn)滑軸承混合潤(rùn)滑性能的差異，其中右三角形表現(xiàn)最優(yōu)，而矩形最差.

關(guān)鍵詞：水潤(rùn)滑軸承；微溝槽形貌；混合潤(rùn)滑；數(shù)值計(jì)算

中圖分類(lèi)號(hào)：TH117.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract：A mixed elastohydrodynamic lubrication （mixedEHDL） numerical model was established considering the microgroove bottom shapes of water lubricated journal bearings. The effects of different microgroove bottom shapes including semiellipse， rectangle， isosceles triangle， left triangle and right triangle on the mixed lubrication performance of water lubricated journal bearings were studied. The result showed that the ability to improve the mixed lubrication performance and load capacity can be ranked in the sequence of right triangle， isosceles triangle， left triangle， semiellipse， and rectangle. In the elastohydrodynamic lubrication stage， the microgroove bottom shapes had little influence on the friction coefficient of the water lubricated journal bearings， while in the mixed lubrication stage， with the increase of rotation speed， the effects of microgroove bottom shapes on the contact load and friction coefficient presented a regularity that it increased first， then decreased and finally tended to be uniform. In the bearing area， the right triangle bottom shapes involved a microstep bearing effect which can significantly improve the lubrication performance， comparing to semiellipse， isosceles triangle， left triangle and rectangle bottom shapes.

Key words：water lubricated journal bearing； microgroove bottom shape； mixed lubrication； numerical calculation

不同于傳統(tǒng)金屬軸承，水潤(rùn)滑軸承不再使用貴重金屬，而是應(yīng)用新型工程復(fù)合材料作為高性能傳動(dòng)件材料，并且以自然水作為潤(rùn)滑介質(zhì)，使其可靠性、耐磨性、壽命以及效率等都得到了提高，擴(kuò)大了其適用范圍.但是，由于水的黏度低和水潤(rùn)滑軸承的材料較軟，導(dǎo)致水潤(rùn)滑軸承的承載能力較低和磨損加劇.而軸承結(jié)構(gòu)是影響軸承承載能力、潤(rùn)滑性能和使用壽命的重要參數(shù)之一，因此進(jìn)行軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究，對(duì)軸承的工程設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用有著重要意義.其中水潤(rùn)滑軸承通常設(shè)有不同形式的溝槽，水槽結(jié)構(gòu)有助于艉軸承的潤(rùn)滑、冷卻、排沙等，不同的溝槽結(jié)構(gòu)對(duì)艉軸承的潤(rùn)滑性能也有著不可忽視的影響[1].

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外不少專(zhuān)家學(xué)者對(duì)水潤(rùn)滑軸承結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究工作，Pai等[2]和王家序等[3]研究了多溝槽下的水潤(rùn)滑軸承動(dòng)態(tài)特性及振動(dòng)噪聲.王楠等[4]對(duì)橡膠軸承各參數(shù)（摩擦因數(shù)、橡膠變形量、水膜壓力等）及其與軸轉(zhuǎn)速和載荷之間的關(guān)系做了深入討論和分析.周廣武等[5]通過(guò)螺旋槽和直槽結(jié)構(gòu)的水潤(rùn)滑橡膠軸承摩擦學(xué)性能對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究螺旋槽結(jié)構(gòu)對(duì)水潤(rùn)滑軸承的潤(rùn)滑特性及泥沙和雜質(zhì)排泄能力的影響，同時(shí)在考慮多溝槽潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)和實(shí)際工況邊界條件下，有無(wú)溝槽以及溝槽半徑對(duì)潤(rùn)滑性能的影響.梁強(qiáng)[6]分別對(duì)凹面型、平面型、凸面型三種軸承結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究，分析板條結(jié)構(gòu)對(duì)軸承接觸性能的影響.而對(duì)于接觸表面紋理織構(gòu)，也有專(zhuān)家進(jìn)行了相關(guān)研究.Nanbu等[7-8]介紹了一種基于模型的虛擬紋理和數(shù)值模擬方法，對(duì)紋理底部形狀和表面相對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)潤(rùn)滑的增強(qiáng)影響進(jìn)行了數(shù)值研究.Qiu等[9-10]研究了六種不同的紋理形狀及其幾何參數(shù)對(duì)于油潤(rùn)滑平行滑動(dòng)軸承摩擦系數(shù)、剛度以及承載力的影響.尹明虎等[11-12]建立了織構(gòu)化徑向滑動(dòng)軸承的三維數(shù)值分析模型，并進(jìn)行了數(shù)值仿真，較為系統(tǒng)地分析了微織構(gòu)形狀、分布位置、密度和尺寸對(duì)徑向滑動(dòng)軸承摩擦學(xué)性能的影響.上述研究均未系統(tǒng)地研究微溝槽形貌對(duì)于水潤(rùn)滑軸承混合潤(rùn)滑特性的影響.

因此，本文通過(guò)建立計(jì)入軸承內(nèi)表面有微溝槽形貌的高分子水潤(rùn)滑軸承（以下統(tǒng)稱(chēng)為微溝槽軸承）的混合潤(rùn)滑模型并進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，研究在多種工況下，右三角形、左三角形、等腰三角形、半橢圓形、矩形等不同微溝槽形貌對(duì)于水潤(rùn)滑軸承混合潤(rùn)滑特性的影響，揭示了不同微溝槽形貌下水潤(rùn)滑軸承的潤(rùn)滑機(jī)理，并為水潤(rùn)滑軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其摩擦學(xué)性能優(yōu)化提供理論依據(jù).

1 數(shù)學(xué)模型

由圖5（a）～（c）可以看出水膜壓力、接觸壓力和彈性變形的分布規(guī)律具有一定的統(tǒng)一性，其主要分布在軸承最下端承載“脊”處，同樣可以看到軸承溝槽區(qū)和其他承載“脊”處的水膜壓力、接觸壓力以及彈性變形都為0.因?yàn)闈?rùn)滑介質(zhì)的端泄效應(yīng)使得軸承兩端的流體壓力比中心部位小，引起軸承端部彈性變形小于中心區(qū)域，進(jìn)而在端部產(chǎn)生較大的粗糙界面接觸壓力.同時(shí)可以分析，接觸壓力的作用使軸承端部產(chǎn)生了一定量的彈性變形，因此端部仍有1.5 μm左右的彈性變形量.圖5（d）是平均水膜厚度分布，可以發(fā)現(xiàn)溝槽區(qū)的水膜厚度要大于非溝槽區(qū)的水膜厚度，以上算例與實(shí)際應(yīng)用保持了一致性.

3 計(jì)算結(jié)果及討論

3.1 不同偏心率下微溝槽軸承混合潤(rùn)滑分析

在本文分析中，總承載力W、接觸載荷Wc以及流體載荷Wh均采用無(wú)量綱參數(shù)表示，其無(wú)量綱相對(duì)單位取為ηVγL（c/RB）2.其中：Vγ為軸頸線(xiàn)速度，其值Vγ=2πRBω/60.其余參數(shù)見(jiàn)表1.

圖7為不同微溝槽形貌在不同偏心率下承載力的變化規(guī)律.可以看出，隨著偏心率的增大，無(wú)量綱承載力都呈現(xiàn)穩(wěn)定上升的趨勢(shì)，其中在相同偏心率下，右三角形的承載力最大，而矩形最小.

圖8所示為無(wú)量綱接觸壓力和摩擦系數(shù)隨偏心率的變化規(guī)律，可以看到在彈流潤(rùn)滑階段（接觸載荷為0，偏心率范圍是0.82～0.97），通過(guò)摩擦系數(shù)的局部放大圖可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)隨著偏心率的增大，摩擦系數(shù)有略微的下降.當(dāng)?shù)竭_(dá)混合潤(rùn)滑階段以后（接觸載荷大于0，偏心率范圍是0.97～1.1），隨著偏心率的增大，接觸載荷持續(xù)上升，并且上升幅度也在變大，而摩擦系數(shù)則是先穩(wěn)定上升，最后趨于平緩，這與經(jīng)典的Stribeck曲線(xiàn)基本吻合.并且在相同偏心率下，右三角形的接觸載荷和摩擦系數(shù)值最小，矩形最大.

3.2 不同轉(zhuǎn)速下微溝槽軸承混合潤(rùn)滑分析

如圖9所示為軸承承載力隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，由圖可見(jiàn)，隨著轉(zhuǎn)速的上升，軸承承載力呈現(xiàn)一個(gè)不斷上升的趨勢(shì)，并且不同微溝槽形貌之間的差異值在逐漸變大，其中右三角形表現(xiàn)出最好的承載性能，而矩形最差.

不同微溝槽形貌下軸承摩擦系數(shù)與接觸載荷隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖10所示.從圖中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，接觸載荷和摩擦系數(shù)總體呈現(xiàn)一個(gè)下降的趨勢(shì)，兩者的變化規(guī)律是協(xié)調(diào)一致的.并且可以看到在混合潤(rùn)滑階段，不同微溝槽形貌之間潤(rùn)滑性能的差異隨轉(zhuǎn)速變化呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，在低速（0～200 r/min）和高速（3 000～4 000 r/min）區(qū)段內(nèi)，溝槽形貌對(duì)潤(rùn)滑特性的影響甚微.同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，在一確定轉(zhuǎn)速下，右三角形的接觸載荷和摩擦系數(shù)值最小，而矩形最大.

綜合圖7至圖10可以發(fā)現(xiàn)，在不同偏心率以及轉(zhuǎn)速下，不同微溝槽軸承的混合潤(rùn)滑性能和承載性能優(yōu)劣性都保持著一致性，即在承載力、接觸載荷以及摩擦系數(shù)等方面對(duì)微溝槽軸承潤(rùn)滑特性進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)時(shí)，不同微溝槽形狀的性能由優(yōu)至劣始終保持右三角形、等腰三角形、左三角形、半橢圓形、矩形的排列順序.

3.3 微溝槽形貌對(duì)動(dòng)壓效應(yīng)的影響分析

如圖11所示為矩形槽中心線(xiàn)水膜壓力及膜厚分布，可以發(fā)現(xiàn)微溝槽的存在會(huì)影響水膜壓力的分布，破壞了水膜壓力的連續(xù)性.對(duì)于入口區(qū)溝槽1內(nèi)的水膜壓力分布，不同微溝槽形貌呈現(xiàn)出不同的上升趨勢(shì).這一現(xiàn)象可解釋為：如圖13所示，當(dāng)水流流過(guò)溝槽1位置時(shí)，根據(jù)流體動(dòng)壓產(chǎn)生的條件可知，水膜壓力會(huì)先后經(jīng)歷發(fā)散區(qū)降壓和收斂區(qū)增壓兩個(gè)過(guò)程，不同微溝槽形貌發(fā)散區(qū)及收斂區(qū)分布如圖13所示.再通過(guò)對(duì)不同微溝槽形貌溝槽1位置內(nèi)的水膜壓力分布曲線(xiàn)局部放大，如圖12（a）所示可以得到在溝槽1位置，收斂區(qū)增壓效應(yīng)起主導(dǎo)作用，因此水膜壓力不斷增大.對(duì)比溝槽1壓力分布曲線(xiàn)可知在不同微溝槽形貌下的增壓效應(yīng)大小排序?yàn)橛胰切?、等腰三角形、左三角形、半橢圓形以及矩形.由圖12（b）同樣可以得到，最高水膜壓力呈現(xiàn)相同的分布規(guī)律.

圖11中的Δp1和Δp2分別是水流經(jīng)過(guò)溝槽2位置時(shí)水膜壓力在溝槽區(qū)的壓降值和壓升值，分析可以得到水膜壓力在溝槽進(jìn)口區(qū)域的壓降會(huì)在一定程度上提高軸承的承載能力.當(dāng)水流過(guò)溝槽區(qū)時(shí)，水膜壓力的驟降以及膜厚的增加會(huì)產(chǎn)生較大的抽吸作用使得潤(rùn)滑水流入溝槽中[7]，而壓差越大，抽吸作用也越強(qiáng)，使得右三角形的水膜壓力值恢復(fù)得更快，對(duì)比結(jié)果如圖12（c）所示.這會(huì)在一定程度上提高水膜動(dòng)壓效應(yīng)，因此相比較于其他溝槽形貌，右三角形能夠產(chǎn)生更大的承載力.與此同時(shí)，在相同承載力下，右三角形相比其他微溝槽能產(chǎn)生更大的動(dòng)壓載荷從而使得接觸載荷比減小，最終達(dá)到更好的接觸效應(yīng)，因此具有最小的摩擦系數(shù).基于此，溝槽入口區(qū)壓降值大小排序?yàn)橛胰切?、等腰三角形、左三角形、半橢圓形以及矩形，對(duì)應(yīng)的水流抽吸效應(yīng)強(qiáng)弱和溝槽區(qū)壓力恢復(fù)大小排序也與之一致.因此，出口區(qū)動(dòng)壓效應(yīng)自右三角形、等腰三角形、左三角形、半橢圓形、矩形依次遞減.

通過(guò)對(duì)入口區(qū)溝槽1與出口區(qū)溝槽2兩個(gè)溝槽區(qū)位置的壓力分布規(guī)律的綜合分析，最終得到在所討論的微溝槽形貌中右三角形微溝槽具有最好的混合潤(rùn)滑性能與承載性能，而矩形最差，分析結(jié)果與數(shù)值模擬仿真結(jié)果具有統(tǒng)一性.

4 結(jié) 論

本文建立了微溝槽水潤(rùn)滑軸承的混合潤(rùn)滑模型，綜合考慮表面粗糙度和彈性變形等影響因素，系統(tǒng)地研究了右三角形、等腰三角形、左三角形、半橢圓形以及矩形等不同微溝槽形貌下水潤(rùn)滑軸承的混合潤(rùn)滑特性，主要包括承載力、接觸載荷以及摩擦系數(shù)在不同偏心率或轉(zhuǎn)速下的變化規(guī)律，同時(shí)也分析了不同微溝槽之間差異及其原因.得到了一系列重要結(jié)論.

1）在所有微溝槽形貌中，混合潤(rùn)滑性能與承載性能優(yōu)劣排序依次為右三角形、等腰三角形、左三角形、半橢圓形、矩形.

2）在彈流潤(rùn)滑階段（接觸載荷為0）微溝槽形貌對(duì)水潤(rùn)滑軸承摩擦系數(shù)幾乎無(wú)影響，而在混合潤(rùn)滑階段（接觸載荷大于0），不同微溝槽形貌下接觸載荷以及摩擦系數(shù)之間的差異隨轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)出先增大后減小最后趨于統(tǒng)一的規(guī)律性.

3）在承載區(qū)，由于溝槽內(nèi)水膜增壓能力以及抽吸作用的不同引起了水潤(rùn)滑軸承混合潤(rùn)滑性能的差異.其中，右三角形溝槽具有最好的增壓效果與抽吸效應(yīng)，而矩形最差.

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