（机械电子工程专业论文）气液润滑喷嘴的cae分析研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 有效的润滑可减少材料的摩擦磨损，提高机器的使用寿命与效率，给工业带 来极大经济效益。目前工业应用中有很多方式的润滑系统，油气润滑由于其无与 伦比的优越性，在工业中应用日益增多。喷嘴是润滑系统的关键部件之一，它的 性能优劣将直接影响系统的润滑作用。 本文对油气润滑系统的喷嘴进行了研究与分析，应用公理设计原理和方法构 造出油气润滑喷嘴的设计矩阵，对影响喷嘴作用效果的重要参数进行了深入讨 论，并对所研究的油气润滑喷嘴进行了c a e 分析。论文的主要内容有： 1 ) 借鉴前人的研究成果，介绍了油气润滑系统在工程中的应用现状。系统 研究了油气润滑油膜的形成机理，尝试应用油气润滑时，高速滚动轴承 润滑膜厚度的计算，它比单相润滑时的油膜厚度大2 6 。 2 ) 介绍了气液双相流体的基本概念。利用油气润滑的形成原理，得出润滑 系统管道和喷嘴中的气液双相流体均为环状液体。 3 ) 基于公理设计方法，并结合油气润滑喷嘴设计的相关资料，确定了油气 润滑喷嘴的功能需求和设计参数，并依此建立出无耦合的设计矩阵，得 到部分特征参数。讨论了特征参数变化对设计参数的作用。 4 ) 阐述了有限元方法的基本原理，利用该方法建立了喷嘴中流体的数值分 析方程。利用a n s y s 分析了喷嘴特征参数( 直径、长径比、收缩角) 对 流体流动状态的影响，通过数值分析，得到与公理设计相似的结果，验 证了公理设计方法的正确。 关键字：油气润滑，气液二相膜，公理设计，耦合 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t l u b r i c a t i o nc a ne f f i c i e n t l yr e d u c ea b r a s i o na n dw e a r ，t h e ng r e a t l yc h a n g e t h e l n d u s t r i a lm a n u f a c t u r e t h e r ea r em a n yl u b r i c a t i o ns y s t e m sr e c e n t l y b u to i l a i l l u b r i c a t i o ns y s t e mi st h eb e s ti nl u b r i c a t i o nd o m a i n ，b e c a u s eo fi t se x c e l l e n t p e r f o r m a n c e n o z z l ei so n eo ft h ek e yp a r ti nt h es y s t e m ，s oi ti sn e c e s s a r yt ob e s t u d i e di t t h ea r t i c l eh a ss t u d i e dt h en o z z l eo ft h eo i l a i rl u b r i c a t i o ns y s t e m a n dt h en u m e r i c a lm o d e li sf o u n d e d t h e ni tg e t st h ed e s i g nm a t r i xb a s e d o na x i o m a t i cd e s i g n i ta l s od e e p l ys t u d i e st h ee f f e c tt h a tt h em a i np a r a m e t e r so ft h e n o z z l et h r o w so nt h el u b r i c a t i n gf u n c t i o n t h em a i nc o n t e n ti sa s f o l l o w s ： 1 1 r e s e a r c h i n gt h em e c h a n i s mo fo i l a i rl u b r i c a t i o nf i l mb a s e do nt h ee x i s t e n c e i n f o r m a t i o n a n de x p o u n g d i n gs o m e t h i n g sa b o u tt h el u b r i c - a t i n gs y s t e m s a p p l yo nt h ee n g i n e e r i n g w h e nt h em e t h o di s u s e do nt h eh i g hs p e e d b e a r i n g , t h ed e p t ho ft h ef i l mh a sb e e ng a i n e da n di ti st h i c k e r2 6 t h a nt h e s i n g l ep h a s el u b r i c a t i o n i n t r o d u c i n gt h eb a s i cc o n c e p to fo n a i rd o u b l ep h a s ef l o wh y d r o m e - c h a n i c s i t h a sg o tt h a tt h ef l o wt y p ei nt h es y s t e mi sa n n u l a r i t i cf l o wd e d u c e df r o mt h e m e c h a n i s mt h a to i l a i rl u b r i c a t i o nf o r m 3 1u s i n gt h ea x i o m a t i cd e s i g na n dd a t ao nt h ed e s i g no fo i l a i rl u b r i c a t i n g n o z z l e ，i tg a i 璐t h ef u n c t i r e q u i r e m e n t sa n dt h ed e s i g np a r a m e t e ra n de d u c e s t h ed e s i g nm a t r i x t h e ns o m ep a r a m e t e r sa r ek n o w n i td i s c u s s e st h ee f f e c tt h a t t h o s ep a r a m e t e r st h r o wt ot h ed e s i g np a r a m e t e r s 4 ) i n t r o d u c i n gt h eb a s i ct h e o r ya b o u tf i n i t ee l e m e n tm e t h o df i e n na n do b t a i n i n g t h en u m e r i c a lf u n c t i o no ft h ef l o wt h r o u g ht h en o z z l e d i f f e r e n tp a r a m e t e r sa r e a n a l y s e du s e dt h ea n s y s 恤g e n e r a lc o m m e r c i a ls o f l ) ：d i a m e t e r 、t h er a t i oo f l e n g t ht od i a m e t e ra n dc o n t r a c t i n ga n g l ea l lh a v ee f f e c to nt h ef i o w t h ep a p e r f o u n d st h en u m e r i c a lr e l a t i o n s h i pf u n c t i o nb ym a t h e m a t i c ss o f t t h en u m e r i c a l r e s u l ti ss i m i l a rt ot h ea x i o m a t i cd e s i g n t h e nt h ea x i o m a t i cd e s i g ni sp r o v e d r i g h t k e y w o r d s ：o i l a i rl u b r i c a t i o n ，d o u b l ep h a s ef i l m ，a x i o m a t i cd e s i g n ，c o u p l e 此页若属实，请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：盥日期型 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可必采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：杰盟导师签名：主避目 注：请将此声明装订在学位论文的日录前。 期，唧4 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 本课题的研究背景 第1 章引言 摩擦学的主要内容是摩擦、磨损和润滑。人们一直力图控制摩擦和减轻磨损。 从公元前3 5 0 0 年人们就把动物脂肪添加到车轮轴承中看出，人们已经知道采用 润滑方法可以有效的减少摩擦和磨损。 润滑对于大多数的工业设备( 特别是齿轮和轴承) 来说，给生产实践带来了很 多的好处。随着流体力学基本理论的发展和科技的进步，出现了流体动压润滑理 论，近年来边界润滑的理论也发展的很快。随着这些润滑理论的发展，工业应用 中出现了稀油润滑，其中喷雾润滑出现的较早，研究的比较成熟。在早期，喷雾 润滑应用的很好，但是随着社会的发展，人们对环境保护和能源的节约的意识大 大提高及设备的转速越来越高，这时喷雾润滑的缺点就不容忽视：润滑过程中发 生润滑介质的浪费，同时喷出的油雾容易进入空气，对人体和环境都有不良的影 响。为了克服喷雾润滑的缺点，单纯的靠提供系统的性能是远远不够的，这时油 气润滑的出现就很有必要。 其实在油气润滑出现以前，就有纯气体润滑，它具有以下显著优点：摩擦低、 在高速下发热小、温升低；由于温度而引起的气体粘度变化小，故工作范围广； 气体润滑膜比液体润滑膜要薄，在高速支承中容易获得较高的回转精度；空气取 用方便、不变质、不污染元件和环境；不受环境等的影响。不过它还有不少的缺 点：承载能力低、刚度较差；需要气源由外部提供洁净而干燥的空气；动态稳定 性差，易产生自激振荡或半速涡动；对支承表面的制造精度和表面光洁度方面要 求高，而且需要用昂贵的特殊材料制造；排气噪声高。 可以说采用油气润滑可以充分利用气体润滑的优点，避免其缺点。 油气润滑是种新型的润滑方式，它具有喷雾润滑不可比拟的优点： a 因为油气润滑中润滑油没有被雾化，只是以油滴的形式被压缩空气输 送到润滑部位，所以油气润滑系统能输送各种性能的润滑油，不受润 滑油枯度的限制； b 油气不是一体，所以油和气可以通过调整油量及压缩空气量配成满足 各种润滑点要求的比例； c 向空气中排放的仅是空气，对环境没有污染； d 油气润滑中，润滑腔的压力由压缩空气决定，而且是正压，可以有效 武汉理工大学硕士学位论文 防止灰尘和其它污染物的侵入。 表卜1 是工业中常见润滑方式的比较，可以看出高速下，油气润滑适合各种 滚子轴承的润滑要求，是较好的。脂润滑和油润滑一般没有严格的转速界限，通 常用轴承的平均直径d - n ( 外径与内径和的一半) 与转速n 的乘积，即d i n 值作 为选择润滑方式的依据。 表1 - 1 不同润滑方式下轴承的d m 值( 咖r m i n ) 油润滑 轴承类型脂润滑 油浴润滑滴油润滑油气润滑喷射润滑 深沟球轴承 5 1 0 5 6 x 1 0 51 0 1 0 5 角接触球轴承 3 x 1 0 55 x 1 0 59 x 1 0 5 2 5 1 0 5 圆柱子滚子轴承 4 1 0 54 1 0 51 0 1 0 52 0 1 0 5 圆锥滚子轴承 2 5 1 0 53 5 x 1 0 53 5 x l 矿4 5 1 0 。 推力球轴承 0 7 x 1 0 51 1 0 52 1 0 5 1 1 1 油气润滑系统的组成和应 油气润滑技术早在国外应用广泛。d o f a s c o “1 公司采用油气润滑系统，在运行 费用方面每年为公司节约3 8 2 0 0 0 美元。t u r b o l u b 系统已经在k a w a s a k i 钢铁公 司c h i b a 分厂4 # 连铸机实现无故障运行一年多脚。 近年来国内有不少润滑公司开始研制油气润滑系统，一些企业也开始使用该 系统来润滑设备。马钢h 型轧棍轴承采用上海莱伯斯润滑技术有限公司的 t u r b o l u b 油气润滑设备后，有效延长了轴承寿命，提高了设备的可靠性。1 。马鞍 山钢铁股份有限公司一炼钢1 4 0 0 板坯连铸机“3 所有轴承采用油气润滑直接经济 效益可能超过1 0 0 0 万元。攀钢0 1 热轧平整机自2 0 0 3 年l o 月投产以来，运行稳 定，没有出现轴承烧毁的现象。图卜1 是一典型的油气润滑系统。 图1 - 1 油气润滑系统实物示例 2 武汉理工大学硕士学位论文 可以看出它主要由以下几部分组成：供油部分、供气部分、油气混合部分、 电控及监控部分、油气分配器和喷嘴。 1 2 喷嘴的形式和研究方法 1 2 1 喷嘴的应用 喷嘴在现代生活和工业的应用十分广泛，以下是其部分的典型应用： 冷却 钢铁中连铸二次冷却 贮存槽冷却 输送带冷却 热处理后淬火 铸膜冷却 铝制品压轧冷却 刀具、材料等冷却 润滑 齿轮润滑 液压机注油 输送带和传动链润滑 钢缆润滑 洗涤清洗 洗涤汽车、卡车 输送带上的铁砂的清洗 罐槽及容器内壁的清洗 食品加工厂中消毒卫生设备 水果与蔬菜的清洗 高压清洗 清洗工业设备 金属表面的前处理 轧钢表面的高压水除鳞 喷涂 药片涂层 喷涂防锈剂 3 钢铁中轧辊冷却 屋顶冷却 冷却塔 冷凝器盘管冷却 窑尾烟气冷却 带钢轧机冷却 食物、食品冷却 大型锻压机上的压模润滑 润滑刀片和弹簧 喷涂脱模剂 轴和轴承润滑 清洗筛网上的砂石 造纸厂毛毯和网布的清洗 电子线路板的清洗 滤网和过滤器 食品加工厂的瓶盖清洗 制镜工业中玻璃清洗 清洗悬挂链上的物品 瓶罐清洗 无气喷涂或喷漆 烘烤食物前涂油 武汉理工大学硕士学位论文 食品上喷涂添加剂和调味品 在家具上喷涂保护剂 为磁砖和彩瓦上釉 食品与饮料罐内壁喷涂 粉尘控制 在煤灰与砂土输送中进行粉尘控制 在烟气塔中去除灰尘 在水泥窑厂进行灰尘控制 熔渣坑灰层控制 垃圾的运输及装卸中的灰尘控制 气体调节 空气调节系统中空气清洗 去除烟囱和焚化炉中灰尘 喷射氨水以消除氧化氮 管道及清洗塔中的气体洗涤 1 2 2 喷嘴的结构形式和材料 在纸上喷涂蜡、树脂及湿剂 在模具上喷涂脱模剂 在金属表面涂油 对载煤车的车顶进行加湿 在轧钢中控制氧化铁层 木屑输送过程中的灰尘压制 马路清扫机械 离心式湿尘收集机 洗涤喷漆室空气 反应堆清洗系统 喷嘴作为油气润滑系统的重要组成部分，它是混合流体实现最佳润滑效果的 重要部件。润滑喷嘴的型式：实芯锥形喷嘴和扇形喷嘴。图1 - 2 、1 - 3 分别为它 们的基本实物结构模型。 图卜2 锥形喷嘴实际喷射效果喷嘴实物喷嘴喷射平面图 图1 - 3 扇形喷嘴实际喷射效果喷嘴实物喷嘴喷射平面图 喷嘴按照其对流体的作用形式分为：机械式雾化喷嘴，超声波雾化喷嘴。 4 武汉理工大学硕士学位论文 喷嘴材料的选择对设计也非常重要，制造喷嘴的材料很多：塑料，陶瓷，金 属。一般需要由工作环境，所喷介质的性质，工作效果而定。选择什么样的材料 是一个复杂的多目标决策过程“。 1 3 喷嘴的研究及其设计方法 1 3 1 喷嘴的国外研究 目前，喷嘴都研究方法就是试验研究和数值模拟。a - s m o u r o n v a l 等人m 利 用数值计算方法研究了二维对称喷嘴内流，发现喷嘴角度的改变对过渡流的作 用，通过减小喷嘴角可以获得更快的起动。t s a i t o 和k t a k a y a m a 嗍利用数值计 算和试验对二维喷嘴流进行了研究，并比较了两种方法的结果，发现结果相符， 直到边界层变成湍流。j i u s h e n gl i h i r o s h ik a w a n o 叫研究了喷嘴收缩角从2 0 - 9 f f 变化对喷嘴喷射的影响，最佳的收缩角为3 0 u s h a v i t 研究了两流体雾化器中空 气和液体的相互作用，认为通过施加低频的运动于空气，液体喷射控制了流动， 同时在喷嘴出口空气影响液体的稳定“”。 德国一家专门研发制造喷嘴的公司，深入研究了喷嘴对所喷流体的作用，开 发出了各种适应不同环境和工作要求的喷嘴。 1 3 2 喷嘴的国内研究 清华大学的龚景松，傅维镳“”使用激光相位多普勒分析仪p d a 对旋转型气一 液雾化喷嘴的雾化特性进行了实验研究，使用水代替油作为被雾化的液体，采用 压缩空气作为雾化介质，测量了不同工况下的喷雾特性参数，认为喷嘴在较小的 气液比条件下可以达到较好的雾化状态：随着压力和气液比的增加，雾化水平也 随之提高，但是受喷嘴结构的影响很小。肖彬结合相关理论，以水、润滑油和十 二烷基硫酸钠( s d s ) 溶液作为液体介质，详细研究了操作参数( 气液比) 和液体物 性( 粘度，表面张力) 对典型的内混式二相流喷嘴流量特性的影响，通过对实验分 析得出随着液体介质粘度的增加，气液压力要随之增加，表面张力的增加气液压 力基木上保持不变“”。李萍，张薇“3 1 试验研究了内混式气液雾化喷嘴雾滴粒径的 分布。 试验研究能直观的反应结果，而且和实际的比较接近。但是它的次数是有限 的，尺寸和实验的改变困难大，周期长，单凭实验研究不能满足实际的要求。由 于高速电子计算机的出现，数值模拟这一手段越来越被人们使用。数值模拟具有 5 武汉理工大学硕士学位论文 耗费少，时间短，省人力等优点，便于优化设计，比实验研究灵活自由，并且它 具有很好的重复性，条件易于控制。近年来很多人利用数值计算来研究喷嘴。 童彤“”等采用欧拉一欧拉两相流法分析的方法研究了直喷式柴油机喷油嘴内 的两相流的流动问题。王明波、王瑞和基于连续介质理论考虑了液固两相间的相 互作用，给出了喷嘴流道内液固两相射流的控制方程，并与前人的研究结果相符 i t s o 文献“”利用大型有限元分析软件a n s y s 的f l o t r a n c f o 模块对粉体加中中使 用较多的简单内型收缩扩张型喷嘴进行了分析计算，总结出不同缩扩比对喷嘴出 口流场的影响。 此外，邓东、周华、杨华勇三人“”最新研究出一种两级雾化喷嘴，此喷嘴 雾化密度分布均匀，目前主要用在灭火方面，可以加于改进，用在油气润滑系统 中，效果可能比目前的普通喷嘴效果好。 目前油气润滑使用较多的还是在高速滚动轴承中。滚动轴承内是复杂的油气 二相流体，它的流型的确定对轴承的润滑和动力学特性起重要作用。陈国定等人 利用d n a 遗传算法、神经网络算法等先进技术对轴承内气液两相流型进行了有效 的辨识“。此外油气润滑中，喷嘴的安装位置和供油量对很好的发挥油气润 滑的有点十分重要。华东理工大学“2 ”对此进行了大量的试验研究，发现在不 同的工况条件下，有不同的最佳供油量；供气量的增大润滑冷却效果好，但是当 增大到一定位置时，效果不再明显。 计算机辅助工程( c a e ) 技术的发展过程： ( 1 ) 在2 0 世纪6 0 7 0 年代处于探索阶段，有限元技术主要针对结构分析 问题进行发展，以解决航空航天技术发展过程中遇到的结构强度、刚度以及模拟 实验和分析。 ( 2 ) 2 0 世纪7 0 8 0 年代是c a e 技术蓬勃发展时期，出现了大量的机械软件， 软机的开发主要集中在计算精度、硬件及速度平台的匹配、计算机内存的有效利 用以及磁盘空问利用上，而且有限元分析技术在结构和场分析领域获得了很大的 成功。 ( 3 ) 2 0 世纪9 0 年代c a e 技术逐渐成熟壮大，软件的发展向各c a d 软件的专 用接口和增强软件的前后置处理能力方向发展。 c a e 软件系统的一个特点是与通用c a d 软件的集成使用，即在用c a d 软件完 成零件或装配部件的造型设计后，自动生成有限元网格并进行计算或进行结构动 力学、运动学等方面的计算，如果分析计算的结果不符合设计要求则重新修改造 型和计算，直到满足要求为止，极大地提高了设计水平和效率。目前，国内外在 都在研究协同计算机辅助工程分析和优化，大多体现为c a e 技术的远程服务和应 武汉理工大学硕士学位论文 用，逐步体现异地协同分析优化的思想，开发开放，集成、智能话和多方面多任 务、多用户协同c a e 系统环境2 。此时的c a e 分析团队共同完成某项复杂的c a e 分析任务，充分利用有限元的特点和每个设计者的经验，改善产品的质量、性质， 缩短开发周期。这在当今竞争十分强烈的市场环境下很重要。 1 4 本文的主要研究内容 ( 1 ) 油气润滑特性的进一步研究； ( 2 ) 结合喷嘴中流体动力学的相关知识，利用公理设计方法设计适合的油气 润滑喷嘴； ( 3 ) 利用c a e 技术研究喷嘴中油气二相流体的运行状态，喷嘴结构尺寸对喷 出润滑油参数的影响，验证公理设计喷嘴对油气润滑油滴控制作用。 7 武汉理工大学硕士学位论文 究。 第2 章油气双相流体 油气润滑是一种双相的润滑方式，因此有必要对气液双相流体力学进行研 2 1 气液双相流体 气液两相流的流型( 或流态) ：气液两相在管道中流动时因压力、流量、流 动方向、管道几何特性、工质物性等的不同，能形成各种不同的流型。竖管中最 常见的流型( 见图2 - i ) 有：细小气泡散布于液相中的气泡状流型；管中心为气弹 及壁附近为连续液膜的气弹状流型；管中心为夹带细小液滴的气核和壁附近为连 续液膜的环状流型；气相中含细小液滴和壁附近无连续液膜的雾状流型。不同的 流型有不同的流体动力学和传热传质规律。 圜图圜图 气泡状气弹扶环状雾状 图2 - 1 竖管中的常见气液两相流流型 由以上环状流的定义，流型示意图和油气润滑的产生机理，一般认为油气润 滑是环状流型。 在应用数学上对管内气液两相流进行研究时，主要有两种流动模型：一种是 均相流动，即气液两相介质均匀混合、流速相同、处于热平衡状态的流动。可按 一种均匀混合介质的流动写出基本方程，只是流动参数，物性参数是两相混合物 的。另一种是分相流动，即气液两相介质的流动参数不同，在分界面上存在耦合 条件的流动。对于分相流动，可按两相介质的流动写出各自的基本方程。同时写 出它们在分界面上的耦合条件，联立求解；也可将它们各自的基本方程按耦合条 件合并，得到两相混合物的基本方程，再求解。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 1 气液双相流体力学的基本概念 物理学上的相指的是物质的集态，如物质的固相、液相、气相指的就是它的 固体、液体、气体状态。根据此定义可知：油气润滑系统的喷嘴中流体的状态即 为气液双相流体状态。 多相流体力学研究的根本出发点是建立多相流模型和基本方程组。在此基础 上分析各相的压强、速度、温度、表观密度和体积分数、气泡或颗粒尺寸分布、 相问相互作用( 如气泡或颗粒的阻力与传热传质) 、颗粒湍流扩散、流型、压力 降( 两相流通过管道时引起的压差) 、截面含气率、流动稳定性、流动的临界态 等。描述多相流体可用不同的模型：对各相尺寸均较大( 与流动的几何尺寸相比) 的体系，可对各相内部分别运用单相流体力学模型写出各自的基本方程组。若分 散相的尺寸不太大，一般用体积平均概念，即认为各相占据同一空间并相互渗透。 这种情况下，可采取统一的连续介质模型描述多相流，其中又可分为无相间滑移 的单流体模型( 这时不同的相只看成是流体的不同组分) 和有滑移的多流体模型 或双流体模型。按后一模型，空间各点处每一相可有其各自不同的速度、体积分 数和温度。 气一液流动气体和液体混合物的两相流动体系。通常分为单成分两相流和双 成分两相流。前者是具有相同化学成分的同质异态两相流，如水和蒸汽两相流； 后者是具有不同化学成分的异质异态两相流，如润滑油和空气两相流。气一液流 动包括掺有气泡的液体流动和带有液滴的气体流动，如掺气水流和含雾滴的大气 流动等。气一液流动因管道压力、流量、热负荷、流向、工质物性等的不同，可 形成各种不同流型。不同的流型有不同的流体动力学和传热传质规律。对流型的 分析方法，目前工程上应用较多的有均相流模型和分相流模型，前者适用于较均 匀的气泡状流，后者用于有明显分界面的层状流。气一液两相流通过管道引起的 压差称为压力降。设计中，必须计算气一液两相流的压力降以确定所需动力，保 证润滑系统安全经济地运转。 气液两相流的基本概念嘲“： 流量： 混合物的体积流量吼：流过通道的气相介质的体积流量与液相介质的体 积流量之和即吼= q 。+ 锄- 4 + v a 式中，y 。，畸分别为气相平均速度，液相平均速度：4 ，4 分别为气相流通面积， 液相流通面积 混合物的质量流量鼋珥：流过通道的气相介质的质量流量g 。与液相介质的质 9 武汉理工大学硕士学位论文 量流量之和，即靠- + 一反+ n 锄- p , v , + 岛巧4 式中以，岛分别为气相介质密度，液相介质密度 混合物质量流率g ：单位通道截面积流过的气液两相混合物的质量流率，可以 用下式表示： g 生。! ! ! 垒! 。垒墨生! 鱼竺鱼 a彳a 式中，a 为通道截面积 介质含量： 质量含气率茁：气相介质的质量在气液两相介质的总质量所占的比例，在热 力学上称它为湿饱和蒸汽的干度，即 r 纽纽 q q + q m 容积含气率芦：气相介质的容积在气液两相介质的总容积中所占的比例，在 热力学上称它为湿饱和蒸汽的容积干度，r p 口。墅红 q v + 由以上两式可以得出以下的关系式： 叶+ 船) 】- l 叶+ 鲁( 圳4 截面含气率矿：气相介质占的截面积与整个通道截面积之比，又口q 空隙率，即 伊1 1 4 a 速度 气相折算速度，液相折算速度：气相介质，液相介质各自单独流过通道 的平均流速。即： 。鲁。警。鹕 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 - 等- 学卟妒地 于是，混合物的质量流率g - q + g ，- 嗷+ ( 1 一妒) n q n + 辟 式中g 一以。k 为气相的质量流率：g f p ，为液相的质量流率 混合物速度t ，：气液两相混合物流过通道的平均速度，即 t ，一生孚+ 一鸭+ ( 1 一妒心 相速度差a - 咋一q ， 相速度胁毒一筹筹去去字： 循环速度：单位通道截面积流过的两相介质的质量流量与液相密度之比， 即 警。鲁+ 它与混合物速度之间的关系为： + 陆卜 漂移速度址：某相介质的速度与混合物速度之差，即 气相漂移速度一t ， 液相漂移速度呦- q 一 漂移速率，：某相介质通过以混合物速度运动的单位截面积的体积流量，它 具有速度的量纲，即 气相漂移速率，。一生a 整一伊( 一) 液相漂移速率 。等一( 1 一妒) ( q t ，) 浓度，密度 气相浓度，液相浓度： 单位混合物所含气体的质量为气相浓度以，即 ， p | 一m t v - b p f 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 单位混合物所含液体的质量为液相浓度“，即 d1 m i v - ( 1 一声) n 混合物流动密度p ：流过通道莱截面积的两相流体的质量流量与体积流量之 比，即 p 争一生丝堕纸+ ( 1 一声) 以艮+ 办 吼吼 99。 警0 每p - _ b p s q 。s p s | q 。一q | q 。 p d1 ( 1 - p ) p , 1 q p t q 。1 q 瞄q v 分别为气相折算密度，液相折算密度 在热力学中，以湿蒸汽的千度建立混合物比体积与气相，液相比体积之间的 关系，以它们的密度表示如下： 1r1 一r pp sn 混合物的真实密度n ：在截面积为a 长为d ，的微管段中两相流体的质量与微 管段的体积之比，即 n - 型等 竽巡一峨+ ( 1 - 砒 压强，温度，状态方程： 压强 对于气液两相流，略去液体的表面张力，混合物的压强为p p 。+ a ，式中 p s ，p t 分别为气体引起的分压强，液体引起的分压强，可以近似的按容积分额计 算，即 p 。1 户p ，p i1 ( 1 一芦) p 温度 丁- 吉( 粥+ 粥) 一吉( 职i + ( 1 - 眦巧) 式中乏，巧分别为气体温度，液体温度有时为了简化计算，把液体的温度作为混 合物的温度 状态方程式： 完全气体状态方程为：以一反忍- 矗巳也一卢p 武汉理工大学硕士学位论文 对于小考屣非常大明比强燹化，假1 芟暇体的罾厦仅是温厦的函数 热平衡下的气液两相混厶物，以一k 争鲁) 4 气体与液体的质量比为 蠢。纽。圭 q “ i k r 址。l r 三一 1 + 1 + 所以 叫等一玎 从而混合物参数表示的状态方程为： p 一降小r 分相一维定长流的基本方程： 气液分界面上的耦合条件 1 气液分界面上的流动速度在气液分界面上相间没有滑移，即 - v l j q ( 2 1 ) 2 气液分界面上的切应力嘞是气核作用在液环上的切向应力。液核作 用在气相上的切向应力它们的关系如下： 心等一m 等 沿z ， 3 气液分界面上的质量，动量，热量交换，当有相变时，液体蒸发的质量流量 为的。，气体增加的质量流量为的o ，所以： 6 口。- 一d 口 ( 2 3 ) 4 气液分界面两侧的压强差，工程上一般不考虑较大曲率半径的气液分界 面两侧的压强差，认为压强是连续的 连续方程： 气相：由质量守恒定律，得： 武汉理工大学硕士学位论文 丢( 以刚) 一百( 1 q m j - 。 丢( n q ( 1 一妒m ) 一百d q m l - o 由以上两式可得混合物得连续方程： ! ! 生兰! ! + 兰( 鱼竺坚二竺望y - o 对于截面积不变得等直管，上式变为： ! f 丝! ! + 垡f 旦堡坚：盟 。o 动量方程： ， 气相： 呻石t i t , 哪础日+ 导+ 等d 刎u t + 了v s 百d q , 一等鲁 液相： “锄) ( q + 等) 一研锄q ) 以g ( 1 一妒h 枷 + p o 一妒m + ( p + 三詈a ，) 华6 z 一( p + 詈a z ) 卜m + 掣寸卅删 - ( 1 - 妒) 考哺) s 证p + 等一导+ 等鲁 所以两相混合物得动量方程： 一鲁- 【峨+ ( 1 一矿) n g s i n 日+ j i 面d ( + ) + 等 1 4 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 武汉理工大学硕士学位论文 寺 哦+ ( 1 刊咖s 缸悯( 善一丽2 0 - r ) ) _ ( 南一黼胎胯 一竺a q j p s 一芒篙悟+ 辑万g 2 等争 c 2 删 椰2 r 州28 ( 攻1 ) + 而( 1 - - 0 2 姑) 一皤一黼胤1 2 2 油气润滑的润滑机理 2 2 1 油气润滑的产生 油气润滑是利用可控的分配器将非常微量的油与气流混合，并使气液两相混 合流体连续的输送到润滑区，实现有效的润滑与冷却，而油液并不需要雾化油气 是在油气混合器中生成的，生成机理如图2 2 所示：嘲 润滑油5 b - 8 4 时 图2 - 2 油气润滑形成原理图 在油气润滑系统中，每间隔几秒钟就将润滑轴承所必须的润滑油量喷入连续 不断的压缩空气流中，润滑油如同一飞沫一般地沿着管予内壁螺旋前进，如上图 所示。压缩空气起润滑油载体作用，同时加压吹扫轴承腔，阻止杂质进入并冷却 轴承。润滑油由分配芯精确地分配到每一个需要润滑的零部件处。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 2 润滑机理 连续的压缩空气对见歇供给的润滑油产生作用，使稀薄的油膜沿管壁经过喷 嘴的喷射输送至润滑点。这种流体就是气液两相流体，这种流体形成油膜的能力 比单相润滑油要强，作用效果好的多。其润滑机理哈尔滨工程大学。研究的比 较深刻，得到学术届一致认可。 哈尔滨工程大学气液两相流体润滑课题组对气液两相流体润滑机理进行了 大量试验分析，提出了“气液两相润滑膜”理论。这种理论认为：气液两相流体 在两摩擦表面之间形成润滑膜不同于纯润滑油的单相液体膜，而是以一定压缩空 气和润滑液混合形成了“气液两相润滑膜”，它具有比单相液体膜更高的粘度， 增大了两相润滑膜的厚度，使得气液两相流体润滑具有更为优良的冷却润滑性 能， 2 2 3 气液两相膜模型 喷射到润滑区的气液两相流，其中的润滑油滴在润滑区固体表面上汇集。空 气形成大量的小气泡，混合在润滑油之中，随着摩擦副的相对运动，形成气液两 相流体润滑膜。下图2 3 是模型示意图： 图2 - 3 气液两相润滑膜模型 为简化和建模的需要，我们假设空气均匀的分散在润滑油中，并且气泡的体 积相等此时可以采用推荐的实验关系式口力。计算混合流体的粘度： r b t r00+oms，)(2-10) 其中，r b 为两相流的粘度，册2 s ； 仉为润滑油的粘度，小2 s ； 卢为两相膜中气泡的相对体积含量，。卢由形成气液润滑膜的实验测定。 若再假设芦一2 5 则对油气润滑，将上式代入格罗宾的油膜厚度计算公式， 他假设在接触区中弹性变形与干接触时完全相同，且在接触区入口处形成了相当 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 高的流体动压力。该公式如下： 风- 1 9 5 矿( g u ) s m 其中：无量纲油膜厚度： 凰生 速度参数： u 。r o u e 萨 负荷参数； 。旦 e e - 材料参数 g a 口磊： 可得使用油气润滑时的油膜厚度计算公式： h b - 1 9 5 i t , , ( 1 + 0 0 1 5 但, 2 5 矿) a * ，v m * e m 掣n 式中：是两相润滑膜的厚度； ，为当量曲率半径； 仉为润滑油粘度； e o 为综合弹性模量； 口为压粘系数； v 为摩擦副的相对速度； f l 为单位接触长度上的载荷。 由上式可以看出双相润滑膜的厚度是单相润滑膜厚度的1 2 6 倍。也就是说， 如果不考虑润滑效果等其它的因素，得到相同的油膜厚度，采用油气润滑时需要 更少的润滑剂。而且现代机械正向高速化发展，由于润滑油膜的振荡，使高速轴承 的振动显得越来越明显，这对轴承一转子系统的稳定运行十分不利。防止油膜振荡 的方法：改变润滑油粘度；采用高粘度润滑油，对油膜振荡有一定的抑制作用。 但是高粘度的润滑油的雾化作用不好，甚至难以雾化，采用油气润滑，可以运用 高粘度的润滑油或润滑脂，能够尽量的减少油膜振荡。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 油气混合流体的性质 当流动速度远低于扰动传播的速度，同时引起流体密度发生显著变化的的其 它效应，如压强的变化，粘度耗散而导致的流体温度的升高等，也都小到可以忽 略不计，则不可压缩流体的假设可以成立。求解不可压缩流体流动不需要考虑能 量方程和热力学方程，当流体的物性参数也为常数时，描述流体的控制方程仅为 连续方程和n - s 方程，即： v 牙一0 ( 2 一1 1 ) p 詈+ p ( 牙v ) 牙一印+ 胛2 露+ p 于 ( 2 1 2 ) 优 以上方程组中密度p 和动力粘性系数为已知量，此外作用在流体上的单位 质量力，也为已知量，未知量为速度矢量的三个分量牙和压强p ，四个标量形式 的方程包含四个未知量，方程组封闭。 对于粘性流动，速度满足无滑移边界条件。在固体边界，紧贴边界的流体粘 附在固体边界上，它们之间没有相对运动，表示为： 厅。0 式中厅为流体的速度，驴为固体边界的速度。 偏微分方程组( 2 1 0 ) ，( 2 1 1 ) 的解析解是不容易求出来的，就是得出解析 解也非常麻烦，在工程实际中不方便使用解析解。随着计算技术的进步，一般采 用数值方法来解，这样既快捷所得结果也符合需求。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章轴承油气润滑理论 3 1 润滑的基本理论 滚动轴承是滚动体和内外圈之间的接触，可以等效为一圆柱与一平面之间的 接触变形，圆柱体具有一相当的当量曲率半径和当量弹性模数。 扣+ 云 。1 ) 其中当量曲率半径r 为 ! 土+ 一1 ( 3 2 ) rr 足 当量弹性模数为 基降+ 警】 仔s ， 式中e ，e 2 为柱体1 ，2 的杨氏弹性模量，、r 。，v 。为泊松比 这样一来，问题就归结为具有当量曲率半径和当量弹性模量的柱体与刚性平 面接触的流体动力润滑问题。实际上，弹流润滑研究中，讨论的就是这种当量润 滑系统。图3 一 百a 。l 爰 l h p r t z 拇翻医l 出 抠 图3 - 1 弹流接触副接触区 图3 2 表示滚动轴承的基本尺寸。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 2 禳动轴承的结构不意图 滚动轴承内部的运动学关系，特别是滚动体的运动规律比较复杂。滚动体绕 自身轴线旋转，同时又绕轴承的轴线公转。滚动的同时，滚动体还伴随有一定的 滑动。设盯为轴承表面的平均速度，n 为轴承内圈的转速，根据滚子与滚道之间 作纯滚动，可以推得它们的运动关系： 1 + 2 s 。 。丽“ 式中，- 云- 芒r _ ，a 一瓦d ，d - 为滚动轴承的平均直径 滚子公转的速度 心。丽i 这时，接触点的表面平均速度为： 盯- 蠡) 降吾) 一筹鲁竿 计算最小油膜厚度，需要求出受力最大的滚动体承受的载荷。滚子受的最大 载荷为( 滚子总数z ，总载荷q ) 一等 有效长度为噜效，单位宽度上的载荷为 形4 q 岛效z 噜教 由于滚动体与外圈滚道之间的油膜厚度大于滚动体与内圈滚道之间的油膜 厚度。一般只计算滚子与内道之间的油膜厚度，采用d o w s o n h i g g i n s o n 线接触弹 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 无觐舢6 5 器 有量纲形式： - 2 6 5 a e - 1 0 q ( r o 谚u 面) 。 7 r 。- 4 3 l 0 1 3 滚子与内道之间的油膜厚度f 2 8 f 小们s 6 阻a ) 广叫挚a ) 】” 毒( 等) ” 3 2 轴承的油膜厚度计算示例 ( 3 - 4 ) 例如某h 型钢厂轧机采用油气润滑系统，其扇形8 段采用的s k f 轴承：球面 滚子轴承，其型号为：2 4 0 2 8 c c w 3 3 c 3 。轴承所受的载荷q 。轴承的尺寸为：内 径碍为1 4 0 m ，外径砭为2 1 0 r m ，宽度为6 9 r a m 。所使用的润滑油为n 4 6 0 # 极压 工业齿轮油。 文献( 1 9 ) 表明，油气进i ：1 在图3 3 位置1 号时，润滑和冷却效果最好。该 算例计算的即为从l 号位置注入油气时的油膜厚度。 占 图3 - - 3 轴承油气润滑时油气进口位置 由轴承手册可以查得轴承的各尺寸如下：轴承平均直径为：! 蛆2 1 7 5 卅加： 武汉理工大学硕士学位论文 内圈的泊松比吒= 滚子的泊松比吃= o 3 ；压粘系数为i 8 ；内圈的弹性模量； 滚予的弹性模量为2 1 0 g p a ；滚子的直径1 0 硼个数为3 6 ，其有效接触长度为噜教 a 旦。0 0 5 7 毛一2 1 0 g p a 将已知的数据代入( 3 4 ) 式可得： 单相润滑时最小油膜厚度： 。们s 6 降一o 叫r ，妒岛。删】” 。! 三监r ( 2 1 1 1 0 5 ) o ”i 蛔j 一0 3 3 6 * 4 7 醪8 0 叫6 s 7 赢) 0 7 南岫。5 翊”警0 7 0 ” 气液润滑时最小油膜厚度： 混合流体的粘度由式( 2 1 0 ) 知道： h 。2 = 3 2 3 9 4 0 7 乒0 1 3 翊阴 一4 型岩芷 由式( 3 5 ) 、( 3 6 ) 可知： ( 1 3 7 5 r o ) o , ( 1 , r 兢 一1 2 5 ，( 叮。) ”( r ” 卺一专等一12507 0 1 3 生鲢筻： s z s ”警 q “1 3 ( 3 - 6 ) 从对同一轴承采用两种润滑方式，最小油膜厚度的计算可以看出：油气润滑 时的油膜厚度是同一润滑剂单相时的1 2 5 倍。 武汉理工大学硕士学位论文 4 1 公理设计 第4 章油气润滑喷嘴的设计 4 1 1 公理设计的提出背景 设计技术与实践存在很多的不足。虽然，从第一次工业革命开始至今两百多 年来，由于科学技术的快速发展，人类已经取得令人难以置信的突破，工农业生 产、市场与经济得到空前大发展。与此同时，人们也被大量的问题所包围。现在 预防突发事件和建立应对突发事件机制已经成为越来越多的人所关心的问题。但 是，从工程的角度看它们是应对不确定性与动态性的问题。战胜不确定性与动态 性最有力的工程工具是能应对不确定性与动态性的优秀工程设计的理论与方法。 人们就是在不断改进应对不确定性与动态性的设计理论与方法中不断地完善工 程系统。 从2 0 世纪8 0 年代以来重大工程事故不断。譬如：印度联合碳化物化学公司 的事故使两万人丧生；切尔诺贝利核电站事故的危害影响到许多欧洲国家；n a s a 火箭因0 型密封圈的故障而导致发射失败等等。从这些事故中是可以看到其部分 或重要部分在设计方案中就存在先天不足或问题。工程实践证明，差的工程设计 不仅能导致低质量、高成本与长的交货期，而且还可能导致重大的工程事故或