（机械设计及理论专业论文）基于fluent的纵向沟槽水润滑轴承流体润滑数值分析.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 与金属轴承相比，水润滑轴承一般由非金属材料制成，有较好的防振、耐泥 沙、耐磨等特性，特别是能避免因密封泄露而污染江河湖海水环境的状况，因而 得到了广泛的应用。在润滑机理的研究上，由于水润滑轴承具有纵向的沟槽，因 而建立准确的润滑模型存在很大的困难。此外，由于橡胶合金弹性模量较低，即 使在轻载下，也会发生明显的弹性变形，从而使得水润滑橡胶合金轴承的润滑机 理更具有复杂性。本文针对水润滑轴承的特点，结合现有对水润滑轴承的润滑机 理研究的理论基础及实践经验，建立水润滑轴承的简化润滑模型，对其润滑机理 做了初步的探索研究。 本文研究来源于国家自然科学基金面上项目“大尺寸高比压水润滑轴承系统 的创新设计理论与方法( 项目编号5 0 7 7 5 2 3 0 ) 。”主要从以下几个方面对水润滑橡胶 合金轴承的润滑机理进行了研究： 对弹性接触问题进行了理论分析，从流体力学的连续性方程和n a v i * s t o k e s 方程出发，推导了简化条件下的雷诺方程，水润滑橡胶合金轴承的弹性变形及水 膜厚度方程，从理论上对水膜的形成机理及水润滑轴承润滑机理进行了分析。 利用f l u e n t 软件对水润滑橡胶合金轴承的润滑模型进行数值模拟，计算了 带有沟槽的水润滑轴承压力分布及速度分布，并在此基础上深入探讨了橡胶的弹 性变形，定性地分析了压力对橡胶弹性变形的影响，从而完善了水润滑橡胶合金 轴承的弹性流体动压润滑理论。研究表明，在收敛楔形内，橡胶衬层各个工作面 上的压力较大，形成了相互独立的压力峰，这种压力峰使得工作面中心区凹陷， 有利于水囊的形成，从而大大促进流体润滑膜的形成。 通过实验测试不同转速和载荷下水润滑轴承的摩擦系数，根据摩擦系数绘出 了不同载荷及转速下的妣i b e c k 曲线，并与经典s 仃e i b e c k 理论曲线进行对比，从 而分析了水润滑轴承在不同的条件下的润滑状态。通过分析发现，重载下( l o o o 水润滑橡胶合金轴承在低速( 1 0 0 0 印m ) 时工作于弹流润滑状态，而载荷对润滑状态的改变影响较小。 关键词：水润滑轴承，橡胶合金，润滑机理，f l u e n t ，s 吮i b e c k 曲线 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a bs t r a c t c o m p 账泔t om e t a lb e a r i n g ，l ew 躲l u 晡c a t e db e 撕n gi sn o n i l a l l yc o m p o s e do f n o n m e t a lm a t 耐a l s 诵t l lp r o p e r t i e so f 锄t i v i b m t i o 玛趾t i - s i na i l d 觚t i - w e 牡e s p e c i a l l y i th 嬲t h ec k t r a c t e r i s t i c so fn o tp o l l u t i i 唱r i v e r s ，l a k e s 觚d ad u et ot h e 胁t l l a tt 1 1 e b e a 血gd o s en o ty i e l d st h el e a l 【o fl u b r i c 锄t s oi ti s 谢d e l ya p p l i e di i lm a n yf i e l d s f o r l u b r i c a t i o nm e c h a i l i s mo f 廿1 i sk i n do fb e a r i n g ，i ti sd i m c u l tt 0e s t a b l i s ha c | c u m t e 删”i c a lm o d e lb e c a u s eo fm ec x i s t e n c eo fl o n g i 劬i 砌g r o o v e si nt l l eb e 撕n g f u r t l l e 瑚o r e ，m ee l a s t i cm o d u l u so fr u b b e ra l l o yb e 痂gi sq u i t el o w ，i t 、) r i l l e x p e r i e i l c e r i o u se l a s t i cd e f o 肌a l i o ne v e nu n d e r 仔a c t i o i l a ll o a d ，w m c hm “sm o r e c o m p l e xt h er e s e a r c ha b o u t 也ew a t e r - l u b r i c a 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电子杂志社( c n ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l ( i 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上 可以 作者 备注 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至 年一月一日。 说明。本声明及授权书：隧装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕士学位论文l 绪论 1 绪论 轴承是机器中用来支撑轴的重要零件，一般来说，轴承分为滑动轴承和滚动 轴承两大类，随着数值计算技术及流体力学理论的发展，滑动轴承的应用日益广 泛，已大量应用于船舶、汽车、冶金、轧钢机、仪表、金属切削机床、矿山等设 备中。减少滑动轴承与轴间的动摩擦，提高机械效率，一直是滑动轴承设计者所 研究和迫切需要解决的课题。而据有关资料统计，目前，世界上约有3 0 的能源 消耗在不同形式的摩擦磨损上i l 】，其中滑动轴承消耗约占1 0 。为了减少滑动轴承 的摩擦损耗，提高机械效率，设计者们在轴承结构、润滑剂、减摩材料及制造加 工工艺等方面进行了大量的改进工作。 近年来随着水润滑轴承的逐步推广应用，改变了长期以来，机械传动系统中 往往以金属构件组成摩擦副的传统观念，不仅节省了大量贵重有色金属和油料， 而且简化了轴系结构，避免了因使用油润滑金属轴承而泄漏污染水环境的状况。 因而水润滑橡胶合金轴承的深入研究，对水润滑轴承的推广应用具有重要的实用 意义，对丰富特殊与极端环境下非金属摩擦副的润滑理论具有重要的理论意义。 1 1 课题的背景及研究意义 长期以来，机械传动特别是舰船推进系统中的轴承等关键零部件，基本上都 是以金属构件组成，用矿物油作润滑介质。为了防止润滑油泄漏，不仅需要对系 统进行密封，使其结构比较复杂，不可避免地存在摩擦、磨损、振动、噪声、无 功能耗、可靠性差和寿命较短等问题，而且需要耗费大量矿物油和贵重金属材料 等战略资源【2 3 1 ，无法从根本上解决密封泄漏油污染水资源的环境问题。 在船舶行业，据船检局有关部门的统计表明，仅一艘功率为8 0 0 k w 的轮船， 其推进系统每年由艉轴泄漏的润滑油在3 吨以上，在三峡库区及长江流域航行中 采用油润滑轴承系统的船舶共计1 0 多万艘，而每艘船平均年润滑油泄漏量为2 吨 左右。不仅极大地浪费了润滑油料，而且严重的污染了江河湖海环境。 目前，在西方工业发达国家如美国己立法禁止航行在内陆流域的船舶使用油 润滑轴承【】，以保护和净化水资源。我国如果还允许运行在内河流域的船舶继续 使用油润滑轴承，那么对水资源所造成的油污染势必更加严重地破坏整个生态环 境，从而危及到人类的生存条件。因此，促使人们去研究开发无污染并具有减振、 降噪、耐磨、可靠、高效、节能、承载能力强、设备寿命长等功效的新型轴承系 统，并加以推广应用，以解决江河湖海环境严重污染问题，成为船舶工业、内河 航运的当务之急。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 近年来，随着贵重金属材料、石油等战略资源日趋匮乏，人类赖以生存的环 境日益恶化，基于资源节约和环境友好的创新设计理论、方法和技术，越来越受 世界各国政府部门和人类社会的普遍关注和高度重视。由于用水作润滑介质不仅 具有无污染、节省能源、来源广泛、安全性、难燃性等特点。为了节省不可再生 的自然资源，特别是为了净化和保护水资源等人类赖以生存的环境，如何利用新 型工程复合材料替代传统金属作为机械传动系统的摩擦副，用自然水替代矿物油 作为机械传动系统的润滑介质，基于资源节约与环境友好的水润滑工程复合材料 摩擦副的科学技术研究课题，引起了人们的普遍关注，并已成为世界工业发达国 家竞相研究的一大热点1 6 j 。 船舶艉轴主要采取水润滑系统循环，主要有两种循环方式：一种采用开式压 力水润滑；另一种是闭式循环压力水润滑，这两种方式各有利弊。由于将水作为 润滑剂和冷却剂，因此，水润滑系统对水压、水量及水质有一定的要求。在开式 水润滑系统中，前端轴承靠水泵压力供水，江水经过粗滤，细滤后，由水泵打进 轴承前部，从后部流至江水，其供水压力根据船舶吃水深度决定，要求大于舷外 水深的自然压力，并能冲走轴承槽道中沉积的泥沙，长江船舶水润滑的供水压力 一般为0 0 5 o 1 m p a ，供水量要求能带走轴承运转时产生的摩擦热量【6 】。若供水量 不足，将引起轴承温度上升，有可能导致轴承材料的性能变化或烧损。 后端轴承依靠船舶航行时江水的相对流动，江水从前部进，后部出，以达到 润滑和冷却的目的，开式水润滑系统的缺点是：润滑及冷却水的水质较差，但由 于其结构上较为简单，系统管理及维护比较方便。因此，绝大多数水润滑船舶都 采用这种方式。 闭式水润滑系统其结构形式与油润滑基本相同，它依靠水泵压力带水，从艉 轴前端轴承进水，经艉轴管流到后端轴承，然后返回到水泵，形成压力循环供水 系统。这种方式的优点是：循环水的水质较好，可减小轴承的磨损。但闭式水润 滑系统由于前后端密封处的润滑及冷却条件较差，密封处磨损较大，循环水外漏 严重。因此，闭式水润滑系统已被逐渐淘汰。如长航集团1 9 8 9 年有1 2 艘8 8 3 k w 推轮船，在造船时采用的是闭式水润滑系统，由于首船使用不长时间就出现严重 磨损，漏水量大等问题，后将1 1 艘改为油润滑式系统【7 1 。 船舶采用艉轴水润滑系统，只要在系统各部分设计中，采取一些有效的技术 措施，最大限度地降低水质对磨损的影响，使用开式水润滑系统是完全可行的。 1 2 国内外研究现状 早在2 0 世纪4 0 年代美国的船舶就有使用水润滑橡胶轴承的记载，在军用舰 艇中艉管橡胶轴承使用较多，它不仅用于海洋船舶，也广泛用于内河船舶。多年 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 来，世界各国在水润滑橡胶轴承的研究应用方面做了大量工作，前苏联、英国和 日本所做工作较多。英国的海沃德泰勒公司在无填料泵结构中采用了水润滑滑 动轴承，其轴材料为马氏体不锈钢或在碳钢表面镀铬，而轴瓦材料为石棉填充酚 醛树脂，使用效果较好【5 】。德国的维克斯( v i c k e r s ) 和米契尔( m i c h e l l ) 公司则在深井 泵和潜水泵中采用水润滑橡胶轴承哺】，即以橡胶材料作轴瓦。加拿大的汤姆逊一戈 尔登有限公司在船舶艉轴的支承中采用了水润滑系统，在不锈钢轴承上复合一层 聚合材料作轴瓦f 9 j 。日本在离心泵和船用离心泵中广泛采用了水润滑轴承；在大型 内燃机油轮用锅炉给水泵中，采用了自给式的水润滑轴承，轴瓦材料为渗碳合金 1 1 0 1 。东芝公司还在汽轮发电机和水轮发电机上开发了泵用水润滑轴承等【1 1 1 。 我国对水润滑橡胶轴承进行理论探索和试验研究工作以及应用水润滑橡胶轴 承时间较晚。例如二机部第一设计院设计的核泵水润滑轴副1 2 】；江都三站大型立 式轴流泵上采用的酚酐塑料水润滑轴承；潜水电泵上采用的水润滑塑料推力轴承 等【1 3 1 。他们大多是从国外引进技术，通过模型试验，对比和评价试验等总结出经 验参数而加工制造的。1 9 8 7 年武汉交通科技大学和扬州橡胶总厂开始了船用水润 滑橡胶轴承的研制工作，并于1 9 8 9 年在运行于长江的船舶上试用，取得良好效果。 目前，国内应用的水润滑橡胶轴承及生产厂家仍较少，其中沈阳滑动轴承研究所 与西安交通大学润滑理论及轴承研究所组成的联合体在这方面做过一些有益的探 索。 1 2 1 水润滑技术简介 由于水具有无污染、来源广泛、节省能源、安全性、难燃性等特性，是最具 有发展潜力的润滑介质。与油润滑相比，水润滑技术具有以下特点【1 4 j ： 水的粘度低，且粘压效应，粘温效应都比油稳定，因此，在给水压力高和 水流速度快的情况下容易产生紊流。 轴承和轴颈都必须注意由水产生的腐蚀，特别是由于水中溶解各种盐而成 为电解质，必须注意产生电化腐蚀问题。 在流体润滑条件下，轴承负荷能力与( 粘度、润滑膜厚2 ) 成正比。因此与油 相比，最小水膜厚度变得很小。例如，4 0 时相对于i s o v g 6 8 油，水的粘度约为 其1 1 0 0 ，因而在相同条件下，水的润滑膜厚度约等于油的1 1 0 。 水的粘度很低，通常在油的1 2 0 以下，因此难以得到流体润滑，故负荷不 能太大。但是，在流体润滑状态中，由于水的粘性阻力低，其摩擦系数比油润滑 更小。 在流体进行润滑时，固体表面与流体之间产生物理化学方面的作用很重 要，但是，在水润滑的场合，很难得到具有有效润滑作用的表面吸附物。因此， 轴承的材料应是与水的润滑很好匹配的材料。 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 从水的沸点看，水润滑轴承不能用于水温1 0 0 以上，反之，也不能用于 冰点以下的温度。 由于水的比热大，对于摩擦发热的冷却效果比油好。 另外，由于油润滑系统需要配备密封装置，水润滑系统可能具有更低的设备 成本和运转成本。 1 2 2 水润滑轴承润滑机理研究现状 从1 8 8 6 年英国水力学家雷诺( r e y n o l d s ) 推导出著名的流体动力润滑方程( 即雷 诺方程) ，提出流体动力润滑理论至今，人们对摩擦、磨损与润滑的研究日益丰富， 润滑理论也日趋完善，但人们对水润滑轴承特别是具有高弹性的橡胶合金轴承的 润滑机理研究不多。 长期以来，人们应用雷诺理论对面接触摩擦副进行润滑设计，而用赫兹理论 对点接触表面进行接触强度计算。直到近3 0 年来，人们才将这两个理论成功地统 一应用于分析点线接触摩擦副的接触与润滑研究中，形成弹性流体动压润滑理论， 其特征为雷诺方程和弹性方程的结合。弹性流体动压润滑理论考虑了润滑表面弹 性变形的影响，填补了传统流体动压润滑和边界润滑之间的鸿沟【l 5 1 。 水润滑橡胶合金轴承的流体润滑分析属于弹性流体动压润滑理论的一个分 支一软弹流润滑。弹流润滑理论主要研究点接触和线接触等高副的润滑现象【l 6 】。 这类润滑现象的主要特征是：由于磨擦副的载荷集中作用，从而使得接触区内的 压力很高，在润滑计算中要考虑接触表面的弹性变形和润滑剂的粘压效应，需将 流体润滑方程和弹性变形方程耦合求解。从1 9 4 9 年发表线接触弹流润滑近似解开 始，经过4 0 多年的研究，弹流润滑理论已经基本成熟。先后提出了直接迭代法， 逆解法，牛顿有限元法，牛顿有限差分法以及多重网格法等算法【1 6 】。 软弹流润滑分析研究的是一类特殊的弹流润滑问题，在摩擦副中有一方容易 变形。由于r e y n o l d s 方程中压力分布对润滑膜形状极其敏感，较大的变形往往使 r e y n o l d s 方程与弹性变形方程耦合求解在迭代过程中很难收敛。七八十年代， c j h o o k e 发表了一系列的软弹流润滑分析的文章，他的研究基于假设在大部分润 滑区域流体压力近似于静态接触压力【。7 1 。但遗憾的是，在c j h 0 0 k e 之后关于软弹 流润滑分析的文献很少，软弹流润滑的研究处于停滞状态。 文献【m 1 9 】等曾建立了简化的接触模型，对水润滑轴承的弹流润滑进行计算。 文献资料跚对凹面型和平面型水润滑轴承进行了研究。这些研究工作对丰富水润 滑轴承的润滑理论都具有积极的作用和重要的意义。 对于弹流润滑，目前很难得到其解析解。因此在建立了雷诺方程、变形方程、 载荷方程后，一般是求其数值解。在求解中只要计算出弹性变形，便能将压强分 布及其它参数确定。但计算变形又要已知压强分布，所以一般采用迭代的办法， 4 重庆大学硕士学位论文1 绪论 即根据假定的压强分布求变形，得到变形后计算压强，然后根据修正过后的压强 再来求变形，如此迭代直到获得满意的精度为止。在求解数值解的过程中的算法 是整个计算过程的关键所在，下面简要介绍一下各种算法的特点。 直接迭代法 早在1 9 4 1 年m e l d a l l l 在等粘度条件下把r e y n o l d s 方程与弹性变形方程联立获 得了一组数值解1 2 。19 4 5 年q t t c o m b e 将粘压关系代入r e y n o l d s 方程求得直接迭 代解，发现粘压效应对油膜承载能力产生十分有利的影响【勿。随后，在1 9 5 4 年 d o r r 改进顺解迭代技巧，求得轻载条件下的收敛解。与此同时，w 曲e r 和s a a j f e l d 考虑粘压效应和弹性变形的综合影响，求得轻载条件下线接触弹流润滑的近似解 四 2 4 】。但是，w b b e r 等的解法仅限于弹性变形远小于油膜厚度的情况，这与实际 相差较远。此外，所得的解也没有显示出弹流润滑的典型特征，即二次压力峰和 油膜颈缩现象。 逆解法 既然压力对膜厚微小变化极为敏感，那么就不难理解，若能通过雷诺方程求 出给定p ( x ) 下的 ( x ) 值，这种算法将有良好的数值计算稳定性。基于这种观点， d o w s o n 和h i g g i i l s o n 提出了雷诺方程的逆解法成功地求得线接触弹流问题的完全 数值解。随后，逆解法也为一些学者所采用。 我国对弹流润滑的研究起步较晚，但在逆解法的研究方面也作过有益的探讨。 清华大学侯克平和温诗铸对逆解法进行了改进，考查了重载条件下的线接触弹流 问题【1 5 1 。进而应用逆解法研究了点接触弹流问题，提出重载下点接触弹流膜厚公 式。随后，又将逆解法首次应用于点接触弹流的热分析。应自能和温诗铸则应用 逆解法线接触脂润滑弹流问题【l 引。 牛顿( 有限元) 法 尽管逆解法求解重载弹流润滑问题十分有效，但计算需要分区进行，各区之 间的衔接比较困难，解算方法不易掌握，所以难以推广到其它复杂的弹流润滑计 算。为此，还必须寻找更加有效和通用性强的数值解法。 1 9 7 5 年，i 沁h d e 和美藉华人王竞鹏提出了线接触弹流问题的一种新颖的解法。 考虑到弹性变形、润滑油粘度和密度都是压力的函数，因此都可以与r e y n o l d s 方 程合并组成一个微分积分方程。另外，上述微分积分方程中含有l l o ，而载荷平衡 方程也隐含1 1 0 。这样，线接触弹流润滑问题可以归结为描述由两个方程未知压力 分布函数p ( x ) 和刚体中心膜厚函数 ( x ) 构成的非线性方程组。该微分积分方程组 可以用n e 讯0 n r a p h s o n 法求解。 然而，l b h d e 等人算法的主要缺点是不适于重载条件。文献给出的算例中，最 大h e n z 压力不超过0 3 g p a 。其次，i b h d e 等采用高阶插值函数，并认为线性函数 5 重庆大学硕士学位论文1 绪论 不能用作基函数，否则将引起计算发散。这一结论值得商榷。此外，r o l l d e 等采用 润滑剂b a n j s 粘压关系和不可压缩的假定，也与实际情况有一定差距。 1 9 8 5 年，杨沛然和温诗铸对r 0 h d e 等人提出的算法作了一系列改进。他们选 择最简单的线性函数作为基函数，计入了润滑剂可压缩性的影响。改进后的算法 可以适用各种粘压关系，计算载荷达到最大h e 舵压力o 6 g p a 的工况。 牛顿( 有限差分) 法 最先将牛顿法和有限差分法结合起来求解线接触等温弹流润滑问题的是小野 京右于1 9 7 7 年提出的，他阐述了数学原理并给出了几组中、轻载条件下的算例【2 5 】。 1 9 8 2 年o k 锄u r a 和k o s 仃e v a 对于小野京右的算法作了进一步发展。随后， h o u p e n 和h a i i d c k 改进了牛顿( 有限差分) 解法，使之适用于重载线接触弹流计算。 在他们提出的算例中，最大h e 龙压力高达4 8 g p a ，这已大大超过了工程的实用 范围。近年来我国也开始研究这种解法，清华大学艾晓岚在硕士学位论文中将牛 顿法与“下山法”相结合，取得了一定的成效【2 6 1 。 多重网格法 多重网格法是面向用迭代方法解大型代数方程组而提出的。在用迭代方法解 代数方程组时，近似解与精确解之间的偏差可以分解为多种频率的偏差分量，其 中高频分量在稠密的网格上可以很快地消除，而低频分量只有在稀疏的网格上才 能很快地消除。多重网格法的基本思想就是，对于同一问题，轮流在稠密网格和 稀疏网格上进行迭代，从而使高频偏差分量和低频偏差分量都能很快地消除，以 最大限度地减少数值运算的工作量【2 7 j 。重庆大学的王家序、余江波等对该方法在 水润滑轴承上的应用做了极为有益的探索，等到了水润滑轴承的一维、二维无量 刚压力曲线l z 8 j 。 1 2 3 水润滑轴承研究现状 由于各方面的保密要求，几乎全世界的主要国家都对真实的高性能水润滑橡 胶轴承系统的研究成果、设计依据、材料配方等严密封锁、保密、致使能够查找 的资料很有限。国内有关水润滑橡胶轴承的文献报道很少，着重于对轴承的摩擦 机理、承载机理和润滑机理的一般性研究。 i b yl o m d o r 伍爪【2 9 】提供了一份内容丰富的关于水润滑橡胶轴承的历史和新 进展的报道。他的摩擦实验包括静摩擦系数和动摩擦系数的测量，实验以单个板 条为研究对象。试验中为了减小水对轴颈的摩擦阻力，只有部分轴颈( 相当于直径 的十分之一) 浸泡在水中，位于轴颈上方的板条试件没有浸入水中。磨损实验包括 测量实验前后试件的重量损失，表观硬度的变化以及磨损后的表面形貌，试验中 轴颈的板条试件都浸泡在水里。 t l d a u 曲e r 够【3 0 1 实验研究了七种平面型板条式完全轴承( 包角为3 6 0 度) 的静摩 6 重庆大学硕士学位论文1 绪论 擦和动摩擦特性，实验采用了和美国海军用艉轴轴承具有相同的结构的轴承，其 中包括两种橡胶成分，两种支撑材料( 黄铜，塑料) ，两种橡胶硬度( 邵氏a 级硬度 7 5 士5 ，8 5 士5 ) ，以及不同厚度和形状的橡胶衬层。文章给出了七种板条设计的动摩 擦系数的速度特性，比较了他们在不同静加载时间下的静摩擦系数。在比较的诸 多因素中，橡胶衬层的厚度和形状对动摩擦的影响最大。文章认为静摩擦性能和 动摩擦性能之间没有相互关联。 c a b i 砸r a 【3 l j 等通过实验测量了水润滑橡胶径向轴承的润滑膜压力，实验表 明，水润滑橡胶轴承的液膜压力分布与一般的固定轴承有很大的不同，即使很低 的液膜压力也能促使橡胶变形而保持润滑剂的粘度不变。此外，作者还借助于计 算流体动力学( c f d ) 对水润滑橡胶轴承进行理论研究，结果表明，利用c f d 对水 润滑橡胶轴承进行分析的结果与实验结果非常吻合。 1 hk b n gh o n gi 坶姐t a n a m a l 【3 2 】利用c f d 建立了纵向沟槽水润滑轴承的流体 流动模型，并通过对水润滑径向轴承流体进行模拟，得出了不同润滑剂、偏心率 及周向安装情况下水润滑轴承的压力分布及流场，通过对润滑剂压力分布的分析 发现，水润滑轴承的纵向沟槽能减小轴承的压力及承载能力，在沟槽处会发现流 体回流及涡流，并且与润滑剂的粘度有很多的关系。w hx i a o 汹团j 等借助于f e m 软件对水润滑橡胶轴承进行数值模拟，得出了轴承的三维自由膜及压力分布，并 与实验结果进行了对照。 海鹏洲，唐育民【3 3 3 4 1 等研究了各种水润滑材料与水润滑轴承的性能。文献【3 3 】 实验研究了套筒式水润滑橡胶轴承的摩擦特性。文献【3 4 】基于假设一在大部分摩擦 面上流体压力近似与静态接触压力，对单个橡胶板条进行了弹性润滑技术。 1 3 本文的主要研究工作 本文为国家自然科学基金面上项目“大尺寸高比压水润滑轴承系统的创新设 计理论与方法( 项目编号5 0 7 7 5 2 3 0 ) 的一部分，拟通过理论分析，并借助于计算流 体动力学计算方法，结合试验研究，探讨了水润滑橡胶合金轴承的润滑机理。本 文将致力于如下几方面的研究： 从流体力学的连续性方程和na _ v i e r - s t o k e s 方程出发，推导了简化条件下的 雷诺方程，水润滑橡胶合金轴承的弹性变形及水膜厚度方程，从理论上对水膜的 形成机理及水润滑轴承润滑机理进行了分析。 阐述了湍流雷诺方程及湍流润滑模型，并简单阐述了水润滑橡胶合金轴承 的弹性一等粘度润滑状态方程。 建立了水润滑橡胶合金轴承的流体数学模型及求解模型，阐述了研究水润 滑橡胶合金轴承所采用的数值模拟方法，并对其进行数值模拟计算。 7 重庆大学硕士学位论文1 绪论 利用计算流体力学( c f d ) 方法对水润滑橡胶合金轴承进行数值模拟，计算 了带有沟槽的水润滑轴承压力分布及速度分布，并在此基础上深入探讨了橡胶的 弹性变形，定性地分析了压力对橡胶弹性变形的影响，从而完善了水润滑橡胶合 金轴承的弹性流体动压润滑理论。 通过实验测试不同转速和载荷下水润滑轴承的摩擦系数，根据摩擦系数绘 出了不同载荷及转速下的眦i b e c k 曲线，并与经典m i b e c k 理论曲线进行对比， 从而分析了水润滑轴承在不同的条件下的润滑状态。 1 4 本章小结 本章论述了课题来源、背景及研究意义，介绍了水润滑技术、水润滑轴承及 水润滑轴承润滑机理等方面的研究现状和发展方向，在此基础上提出了本文的研 究内容和研究目标。 8 重庆大学硕士学位论文 2 水润滑橡胶合金轴承流体润滑基本理论 2 水润滑橡胶合金轴承流体润滑基本理论 液体润滑是利用表面的几何形状和相对运动，并借助粘性流体的动力学作用， 使润滑剂进入两摩擦表面收敛楔形区域，以形成动压润滑膜，将两摩擦表面完全 分开。 流体动力润滑现象是由美国人b t o 、e r 于1 8 8 3 年在研究铁路车辆轮轴滑动轴 承时偶然发现的。英国雷诺( o r e y n o l d s ) 应用流体动力学理论对轴承间隙中流体流 动进行了分析。并于1 8 8 6 年推导处了楔形间隙中液膜压力微分方程，即著名的雷 诺方程，从而奠定了流体动力润滑的理论基础。 处于流体充分润滑状态下的滑动轴承，摩擦面被一层薄的润滑膜隔开，不发 生固相接触。此时，摩擦仅发生在流体内部，因此，流体润滑具有极小的摩擦系 数，大约为o 0 0 1 0 0 0 8 流体动压润滑理论已比较成熟，特别是对油类润滑的全周径向滑动轴承的设 计计算已经比较系统完整。本文在考虑橡胶的弹性变形及结构的基础上，对水润 滑橡胶轴承的动压润滑机理进行初步的研究和分析。 2 1 雷诺方程的建立 从数学的观点来看，流体润滑的基本内容是求解雷诺方程以揭示流体润滑膜 中压力的分布规律。当摩擦副的两摩擦表面由一层具有一定厚度的粘性流体分开 时，靠流体内的压力平衡外载荷，流层中的大部分分子不受金属表面离子电力场 的作用，可以自由移动；摩擦阻力主要是由流体的内摩擦引起的，此时，摩擦副 的两摩擦表面完全被流体隔开，不发生表面间的直接接触；当两表面发生相对运 动时，摩擦现象只发生在流体分子之间，该摩擦副的摩擦磨损特性与两个表面的 材料及表面形貌无关，完全取决于流体本身的粘性。所用粘性流体可以是液体， 如各类润滑油、水等；也可以是气体，如空气、氮气、氢气等。 流体润滑具有诸多优点、摩擦因数小、摩擦阻力低，润滑膜避免了摩擦副材 料间的直接接触、减少了磨损；同时，润滑膜具有吸振作用，使机器运转更加平 稳；流体的流动降低了摩擦热，并对摩擦表面具有一定的冲洗作用，改善了摩擦 副的工作条件，延长了其使用寿命。流体润滑按润滑膜压力的产生方式，可以分 为流体动压润滑和流体静压润滑两大类。流体动压润滑是指由摩擦面的几何形状 和相对运动形成收敛楔形，借助粘性流体的动力学作用，产生润滑膜压力平衡外 载。流体静压润滑是由外部向摩擦表面间供给具有一定压力的流体，借助流体的 静压力平衡外载。 9 重庆大学硕士学位论文 2 水润滑橡胶合金轴承流体润滑基本理论 一百多年前，毕坎普托尔f 3 5 1 ( b e a u c h 锄pt o w e r s ) 通过实验发现，当轴在有润滑 油的轴承内转动时，润滑膜内可以建立很高的压力。雷诺后来用流体力学角度完 善地解释了t o w e r s 的实验，他认为当油在进入收敛区域时，其流速增加：由于油 具有粘性，润滑膜内产生的压力可以举起转动的轴，使轴颈和轴承完全分开。由 于收敛楔形结构的存在，当两运动表面具有一定的相对速度，润滑膜又有一定的 粘度时，这样就会形成压力润滑膜，从而使润滑膜具有平稳外载的能力。反之， 就不会出现流体动压润滑。 粘滞流体的运动方程即纳维一斯托克斯方程【3 6 】，是研究流体润滑的基本方程， 水是牛顿流体，其运动方程如下： p 等= 以一罢+ 去m 2 罢一吾刨+ 昙m 考+ 罢，+ 昙切e + 老， p 去= 膨一考+ 昙陬2 考一吾，+ 昙c 刁c 笔+ 考刀+ 丢切喏+ 象， g m p 警= 以一老+ 昙m 2 老一詈酬+ 去c 7 e + 笔+ 杀m 老+ 考， 式中： = 罢+ 芸+ 娑，e ，e ，e 为质量力沿坐标轴方向的分量，材，1 ，w 为 四哕 院 速度，p ，7 分别为流体密度和动力粘度。 一般来说，纳维斯托克斯方程没有通解，要进行一定程度的简化。 2 1 1 雷诺方程建立的假设条件 为了便于方程的推导，雷诺提出了如下假设： 略去体积力，如重力，电磁力的影响，即e = e = e = o 。 水膜和摩擦表面接触处没有滑移，即是轴承界面上水流速度与表面速度相 在盘 奇o 水的密度、粘度随压力、温度变化很小，而认为他们在轴运转的过程中恒 定不变。 摩擦表面的曲率半径比水膜厚度大得多，可将摩擦表面视为平面，即认为 载荷是垂直分布的。 水是牛顿流体，服从牛顿粘滞定律，f 窟= ，7 罢，f 弦= ，7 譬表示粘性剪切 应力，故譬，娑可以看做剪切项，其余速度梯度作为惯性项，根据假设( 3 ) 知可以 略去不计。即罢，罢，罢，娑，罢，昙均可略去不计。 厥哕饵( ) z 吸哕 水膜中流体的运动是层流，无涡流和紊流产生。 l o 重庆大学硕+ 学位论文2 水润滑橡胶合金轴承流体润滑基本理论 由于水的流体惯性力较其粘性剪切应力要小得多，故可略去水的流体惯性 力。即掣= 坐：坐：o 。 md lm 水膜厚度j i l 与摩擦表面轮廓尺寸相比甚小，可以认为水膜的压力和粘度沿 膜厚方向是不变的。即娑= o 。 宓 假设轴承在工作时的状态为准稳态，即密度等参数不随时间而改变。 以上假设对于一般流体润滑问题，基本上是正确的。而假设固是为 了简化而引入的，只能有条件的使用，在某些工况下必须加以修正。 2 1 2 全雷诺方程 微元体的平衡速度方程 如图2 1 取六面体单元并确定坐标x 、少，z ，“、1 ，w 分别表示流动速度。 竺! 2 匕”匕 图2 1 微元流体受力 f i g2 1 删t e s i m a lf l u i ds 仃e s s 上表面沿x 移z 方向的移动速度分别为u 、彤，下表面沿x 、z 方向移动速度 为、。微元体的底面积为出方，水膜厚度为比。沿z 坐标，左面的压强p ， 其正压力为础；右边的压强为p + 罢出；右边的总压力为( p + 罢出) 方比。微 o丙c j 一 元体下底面的剪应力为f ，其剪切力硪咖：上底面的剪应力为f + 睾比，上底面 优 。一 的总剪切力为 + 娑出) 出咖。而沿z 方向的膜厚尺寸与“y 方向相比小得多。 c ：z 盎一 由假设条件( 8 ) 知沿z 方向的润滑膜压力梯度为o ，即半= o ，同时有： 重庆大学硕七学位论文 2 水润滑橡胶合金轴承流体润滑基本理论 翌：o ：丝。 苏 砂 由此可以得出，水膜中任一点沿x 方向的流速为： 铭= 三宴( z 2 一砌+ ( k 一圪) + 砭 铭= 二i z 一朋j 十i y l y ，j 十y ， 2 7 7 苏、 一 “乃 同理，水膜内任意一点沿y 方向的流速为： 1 ，：去罢( z 2 一拍) + ( k 一) 导+ 吒 2 刀勿、 一 “乃 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 流量方程 设x 方向和沿y 方向单位宽度的流量分别为吼、g y ，利用式( 2 2 ) 和( 2 3 ) ，在膜 厚方向上积分，则有： ”r