（机械设计及理论专业论文）考虑颗粒行为的液固二相流体润滑研究.pdf

摘要 在实际的润滑状况下，由于摩擦副自身磨损和外部环境的影响，润滑油内部不可避免的 会有固体颗粒进入，形成所谓的液固二相流体润滑。固体颗粒与润滑油的作用、固体颗粒 与摩擦副表面的作用等问题对润滑性能将产生重要的影响，因此，展开液固二相润滑的研 究具有十分重要的理论和实际意义。本文从理论和试验两方面对液一固二相流体润滑进行了 研究。 结合了考虑流变特性的雷诺方程、液固二相流体的粘度、密度及油膜极限剪应力等流 变参数的变化方程，同时引入颗粒承载和微凸体承载并考虑表面粗糙度的影响，建立了相应 的分析模型和方法。通过研究表明：考虑表面粗糙度的液固二相流体润滑的研究更加符合 实际，微凸体和颗粒以及流体的承载与平均油膜厚度、颗粒浓度、颗粒直径、颗粒屈服应力 和表面弹性模量等有很大的关系。 深入到润滑微观尺度，针对多颗粒存在情况下的液固二相流体润滑问题，引入颗粒的 位置、大小、颗粒间距离等参数，建立了润滑模型，并且运用有限元法进行求解，研究了颗 粒分布对润滑油膜压力和承载的影响，研究发现颗粒的进入使得颗粒处的油膜压力有了明显 的增加，颗粒分布对润滑油膜压力分布和油膜承载有明显的影响。 基于欧拉拉格朗日模型，针对颗粒的动态行为及其对液固二相流体润滑的影响问题进 行了深入的分析，研究发现：颗粒在润滑区域存在三种运动形态，即从润滑区域出口处逃逸、 在润滑区域入口处回旋、从润滑区域入口处逃离润滑区域，颗粒的初始位置对颗粒的运动状 态有很大的影响，摩擦副的速度和流体的粘度对颗粒在润滑区域的运动也有一定影响。 在自行研制的端面摩擦磨损试验机上设计了相应的试验进行了试验研究。通过在润滑油 中添加不同种类、大小和含量的颗粒分别进行试验，在线测量了润滑过程中摩擦系数和温度 的变化情况。 综上，论文分别从颗粒的静态行为和动态行为对液固二相流体润滑进行了理论分析， 并设计相应的试验进行探讨，研究了颗粒行为对液固二相流体润滑的影响，对促进液固二 相流体润滑理论的发展和完善将起到重要作用。 关键词：液固二相流体润滑，颗粒行为，表面粗糙度，压力分布，欧拉拉格朗e t 模型 v i i a b s t r a c t i th a sb e e nk n o w nf o rm a n yy e a r st h a tv a r i o u st y p e so fp a r t i c l e st h a tc o m ef r o mw e a ra n d e n v i r o n m e n td i s p e r s e di no i ld u r i n gt h eo p e r a t i o no fh y d r o d y n a m i ct r i b o l o g i c a lp a i r sa n df o r m e d s oc a l l e dl i q u i d - s o l i dl u b r i c a t i o n i n t e r a c t i o n sb e t w e e np a r t i c l e sa n do i l ，p a r t i c l e sa n db o u n d i n g s u r f a c e so ft r i b o l o g i c a lp a i r sw i l lg r e a t l ya f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo ft r i b o l o g i c a lp a i r s t h e r e f o r e r e s e a r c ho nl i q u i d - s o l i dl u b r i c a t i o ni ss i g n i f i c a n tb o t hi nt h e o r ya n dp r a c t i c e t h i sd i s s e r t a t i o n r e s e a r c h e st h el i q u i d s o l i dl u b r i c a t i o nb o t ht h e o r e t i c a l l ya n de x p e r i m e n t a l l y am i x e dl i q u i d s o l i dl u b r i c a t i o nm o d e li ss t u d i e dw h i c hc o n s i d e r i n gt h e o l o g i c a lr e y n o l d s e q u a t i o n , v i s c o s i t yo fl i q u i d - s o l i dl u b r i c a n te q u a t i o n ，d e n s i t yo fl i q u i d - s o l i dl u b r i c a n te q u a t i o n t h el o a dc a r r y i n go fs p h e r i c a lp a r t i c l ea n dt h ec o n t a c t i n ge q u a t i o no fa s p e r i t i e so fs u r f a c ea r ea l s o i n t r o d u c e di nt h em o d e l t h er e s u l t ss h o wt h a ti ti sc l o s e rt ot h er e a l i t yt od or e s e a r c ho n l i q u i d s o l i dl u b r i c a t i o nc o m i d e r i n gs u r f a c er o u g h n e s s ，t h el o a dc a r r y i n gc a p a c i t yo fp a r t i c l e s ， a s p e r i t i e sa n do i lh a sag r e a tr e l a t i o nt oa v e r a g eo i lf i l mt h i c k n e s s ，p a r t i c l ec o n c e n t r a t i o n ，p a r t i c l e d i a m e t e r , p a r t i c l ey i e l ds t r e s s ，s u r f a c em o d u l u so fe l a s t i c i t ya n ds oo n t h ee f f e c to fs o l i dp a r t i c l e sd i s t r i b u t i o no nt h el i q u i d - s o l i dl u b r i c a t i o ni sd i s c u s s e d t h e g o v e r n i n gl u b r i c a t i o ne q u a t i o nf o rt h el i q u i d - s o l i dl u b r i c a t i o ni se s t a b l i s h e dw i t ht h ec o n s i d e r a t i o n o fp a r t i c l e sl o c a t i o n ，d i a m e t e ra n dt h ed i s t a n c eo fp a r t i c l e s 。b a s e do nf m i t ee l e m e n tm e t h o d , t h e m o d e l l i n ge q u a t i o ni ss o l v e dn u m e r i c a l l y i ts h o w st h a tan o t i c e a b l ep r e s s u r eb u i l d - u po c c u r sn e a r t h ep a r t i c l e s ，p a r t i c l e sd i s t r i b u t i o nh a v eab i ge f f e c to np r e s s u r ed i s t r i b u t i o na n do i ll o a dc a p a c i t y b a s e do n e u l a r - l a g r a n g em o d e l ，l i q u i d s o l i d l u b r i c a t i o nc o n s i d e r i n gm o v i n gp a r t i c l e b e h a v i o r si sd e e p l ys t u d i e d i ti ss h o w nt h a t ：t h e r ea r et h r e ek i n d so fp a r t i c l e sm o v e m e n tf o r m si n l u b r i c a t i o ns y s t e m ，w h i c ha r ee s c a p i n gf o r mi n l e t ，e s c a p i n gf r o mo u t l e ta n de n c i r c l i n gs e a l t h e i n l e to fl u b r i c a t i o na r e a t h ei n i t i a ll o c a t i o no ft h ep a r t i c l eh a sab i gi n f l u e n c eo np a r t i c l e m o v e m e n t ，a n dt h ev e l o c i t yo ft r i b o l o g i c a lp a i r sa n dt h ev i s c o u so fo i la l s oh a v es o m ei n f l u e n c e o n i t u s i n ge n d f a c ef r i c t i o na n dw e a rt e s t e rm a d eb yo u ri n s t i t u t e ，a ne x p e r i m e n to fl i q u i d - s o l i d l u b r i c a t i o ni sd e s i g n e d ，t h ee f f e c t so fp a r t i c l ep r o p e r t i e s ，s i z e sa n dc o n c e n t r a t i o no nl i q u i d s o l i d l u b r i c a t i o na l es t u d i e db yo n l i n em e a s u r e m e n to ft h ef r i c t i o np a i r st e m p e r a t u r ea n df r i c t i o n c o o f f i c i e n t v i u i ns u m m a r y , b o t hs t a t i cb e h a v i o r sa n dd y n a m i cb e h a v i o r so fp a r t i c l e s0 1 1l i q u i d 。s o l i d l u b r i c a t i o na r es t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n , ap r o p e re x p e r i m e n td e s i g n e da n dc a r d e do u t t h e r e s e a r c hr e s u l t sw i l lp l a ya l li m p o r t a n tr o l e0 1 1p r o m o t i n gt h ed e v e l o p m e n to fl i q u i d s o l i d l u b r i c a t i o nt h e o r y k e y w o r d s ：l i q u i d s o l i dl u b r i c a t i o n ，p a r t i c l eb e h a v i o r s ，s u r f a c er o u g h n e s s ，p r e s s u r ed i s t r i b u t i o n , e u l a r - l a g r a n g em o d e l i x 插图清单 图1 - 1 液一固二相流体润滑示意图1 图1 - 2 颗粒在润滑区域分布3 图1 3 颗粒产生摩擦力示意图8 图l - 4 入口处的几何模型。9 图2 1 液固二相流体润滑的摩擦系统1 6 图2 2 数值计算流程图2 0 图2 - 3 不同假设的承载特性2 2 图2 - 4 不同假设的温度特性2 2 图2 5 各成分的独立承载2 3 图2 6 随粒径和浓度变化的承载特性2 3 图2 7 随粒径和浓度变化的温度特性2 3 图2 8 随屈服应力变化的承载特性2 4 图2 - 9 随屈服应力变化的温度特性2 4 图2 1 0 随粗糙度和颗粒直径变化的承载特性2 5 图2 1 1 随粗糙度和颗粒直径变化的温度特性2 5 图2 1 2 随粗糙度和颗粒浓度变化的承载特性2 6 图2 1 3 随粗糙度和颗粒浓度变化的温度特性2 6 图2 1 4 受弹性模量和屈服应力影响的承载特性2 6 图2 1 5 受弹性模量和屈服应力影响的温度特性2 6 图3 1 颗粒在润滑区域示意图2 9 图3 。2 网格划分3 3 图3 3 计算流程图3 4 图3 4 无颗粒时压力分布图3 5 图3 5 颗粒在润滑区域出口时压力分布图3 6 图3 - 6 颗粒在润滑区域中间处y = o 压力曲线3 6 图3 7 颗粒在润滑区域入1 3 处y = o 压力曲线3 6 图3 8 颗粒x 方向位置对压力分布的影响3 7 图3 - 9 颗粒y 方向位置对压力分布的影响3 8 图3 1 0 颗粒z 方向位置对压力分布的影响3 9 图3 1 1 压力分布随颗粒之间距离的变化4 0 图3 1 2 颗粒距离较近时三维压力分布图4 0 图3 1 3 压力分布随半径的变化4 1 图3 1 4 压力分布随颗粒数目的变化4 2 图3 1 5 压力分布随颗粒速度的变化4 2 图3 。1 6 不同粘度流体下压力分布图4 3 图3 1 7 颗粒位置在x 方向上不同时最小油膜厚度和压力分布的变化4 4 图3 1 8 颗粒位置在y 方向上不同时最小油膜厚度和压力分布的变化4 5 图3 1 9 颗粒位置在z 方向上不同时最小油膜厚度和压力分布的变化4 6 图3 2 0 颗粒间距离不同时时最小油膜厚度和压力分布的变化4 7 图3 2 1 颗粒直径不同时最小油膜厚度和压力分布的变化4 7 图3 2 2 颗粒数目不同时最小油膜厚度和压力分布的变化4 8 图3 2 3x 方向位置和承载对压力分布的影响4 9 图3 - 2 4y 方向位置和承载对压力分布的影响5 1 图3 2 5 颗粒间距离和承载对压力分布的影响5 2 图3 2 6 油膜厚度方程和x 方向位置对压力分布的影响5 4 图4 1 颗粒碰撞反射边界6 0 图4 2 颗粒逃逸边界6 0 图4 3 离散相与连续相之间的热量、质量与动量的交换6 2 图4 - 4 润滑区域示意图6 3 图4 5f l u e n t 求解流体压力分布6 3 图4 - 6 有限差分法和f l u e n t 软件求解压力分布比较“ 图4 7 颗粒在润滑区域的三种运动轨迹6 5 图4 8 颗粒初始位置位于润滑区域入口处时的颗粒轨迹6 6 图4 - 9 颗粒初始位置位于润滑区域内部时的颗粒轨迹6 8 图4 1 0 颗粒直径对颗粒轨迹的影响6 9 图4 1 l 摩擦副速度对颗粒轨迹的影响7 0 图4 1 2 润滑油粘度对颗粒轨迹的影响7 2 图4 1 3 润滑压力比较图7 3 图5 1h d m 2 0 端面摩擦磨损试验机7 5 图5 2 测控系统总体框架7 6 图5 - 3h d m 2 0 端面摩擦磨损试验机测试台模型7 7 图5 - 4 摩擦力传递机构简单视图7 7 图5 5 上下试样接触面示意图7 8 图5 石上下试样实物和尺寸示意图7 9 图5 7 不同种类颗粒对温度特性的影响8 2 图5 8 质量分数对温度特性的影响8 3 图5 9 质量分数对摩擦系数的影响8 4 图5 1 0 颗粒粒径对温度特性和摩擦系数的影响8 5 表格清单 表2 - l 计算参数值2 1 表3 1 计算参数值3 3 表3 - 2 粘度不同时最大压力值4 3 表3 3x 方向位置和承载不同时的最大压力和最小油膜厚度值5 0 表3 4y 方向位置和承载不同时的最大压力和最小油膜厚度值5 1 表3 5 颗粒间距离和承载不同时的最大压力和最小油膜厚度值5 3 表4 1 颗粒初始位置在润滑区域内颗粒坐标6 7 表4 2 不同颗粒直径从出口处逃逸和颗粒在入e l 处回旋y 坐标分界点6 9 表4 3 几种状态下最大压力值7 3 表5 - la 1 2 0 3 参数8 0 表5 - 2m o s 2 和石墨参数8 0 表5 3 不同种类颗粒加入时的摩擦系数8 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本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 金目巴工些太堂 或其他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谢 意。 学位论文作者签名： 岁f 传 签字日期：2 矽怍脚斗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金世王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权地 王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩 印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 刘伟 签字日期2 咖辟7 2 月牛日 学位论文作者毕业去向： 工作单位： 通讯地址： v i 一名：去( 奶 导师签名：旅l i 幽 电话： 邮编： 致谢 回首我在合肥工业大学九年的求学历程，感慨万千。工大求真、务实、笃学的校风促使 我不断进取，不断的成长，感谢母校培育了我。 论文是在恩师刘煜教授的精心指导下完成的，在选题、研究、撰写等各个环节中无不凝 聚了刘老师的心血，论文研究取得的所有成绩都离不开刘老师的倾情帮助和指导。恩师谦和、 仁厚的高尚品质令人敬仰，是我为人的楷模；恩师渊博的知识、敏锐的洞察力、严谨的治学 态度、求实的工作作风永远是我学习的榜样，激励着我在科学的殿堂中继续探索。能在刘煜 教授的指导下攻读博士学位是我莫大的荣幸，值此论文完成之际，向多年培养我的恩师表示 最衷心的感谢和最崇高的敬意! 感谢课题组刘小君副教授、王伟老师以及张荣国教授在论文研究过程中给予我的支持与 指导，感谢胡献国教授、尹延国教授和解挺教授在论文选题中给予的指导与建议；感谢焦明 华研究员、俞建卫研究员和田明工程师在试验研究过程中给予的无私帮助。 感谢王庆生、李玉龙、胡兆稳、王静、陈娟、冯忆艰、胡坤宏等博士以及张斌、朱永刚、 方新燕、金晓行、张彦辉、任俊、黄毅、高东海、邴雷刚、冯嫦杰、王光恩、王家军、李红 献、李敦桥、赵永春和程文虎等硕士在论文完成过程中所提供的宝贵意见。 感谢杜志、初长宝、李露、李进、许铁娟、庞涛、张红军、方忠甫、张海娟等同学的陪 伴，使我的求学生涯充满了欢声笑语，他们永远是我的良师益友。 特别要感谢我的父母和亲入的栽培，是他们多年来在生活上和学习上一直默默地支持 我、鼓励我，使我往异乡能安心的求学和生活，顺利完成学业，谨以此文献给他们! 最后感谢所有关心过我、帮助过我的入! x 刘伟 2 0 0 8 1 1 2 2 于合肥 第一常绪论 第一章绪论 1 1 引言 对于存在相对运动、相互作用的表面组成的机械系统，往往需要在其中间加入润槽剂， 从而使其在接触表面问形成具有法向承载能力的润滑膜，将直接接触的表面分隔开来，变十 摩擦为润滑剂分子间的内摩擦，达到减少摩擦、降低磨损、延长机械设备使用寿命的目的。 崮此，润滑理论的研究对下提高生产效率、减少能源消耗和零件磨损具有m 常重要的意义。 1 8 8 6 年o s b o r n e r e y n o l d s 根据流体力学理论通过一系列的假设推导出润滑理论的基本方程， 成功的揭示了流体薄膜产生动压的机理，为现代流体润滑奠定了基础“j 。r e y n o l d s 疗程的推 导是建立在一系列严格的假设基础之上，假设条件之一就是流体应是“纯净、尤杂质”的。 然而，在实际应用中，“纯净润滑油”往往含有“杂质”比如：首先为了改善润滑汕的性 能指标，在润滑油的生产中，已大量将化台物作为清净分散剂、抗氧剂、防腐剂，极压添加 剂、降凝剂、抗泡剂等添加到纯净润滑汕中；其次，润滑油在丁作过程中变质产生的沉积物， 由外界环境带来的或由丁摩擦磨损等原因产生的同体磨屑，是润滑汕“杂质”的另一个组成 部分：最后。以常用的润滑油为流体载体，人为的加入同体悬浮添加剂以改善基础油的润滑 性能，比如：纳米级金刚石粉( u d p ) 、_ 二硫化钼粉( m o s 2 ) 、石墨等。由上述可知，润滑油 中“杂质”的存在及其产生的影响是不争的事实，；蚓滑油中由f 固体颗粒的存在变成了液 固二相流体润滑剂，彤成所谓的渡一固二相流体润滑，如图il 所示口1 。 ， 固体颗粒润滑油 图i 1 液同二相流体润滑示意图 研究液- 同二相流体铡滑的意义主要表现在以下方面：( a ) 为润措系统的滤清设计提供理 论指导，毗发动机为例，其滤清系统的设计眭期以来一直以经验为上，在现实中不可能也不 必要滤掉所有的同体颗粒，过细的滤清不仅人幅度增加成本及能耗，而且也不必要。( b ) 为 合肥工业大学博士学位论文 固体添加剂设计提供理论指导，即选择合理的添加量及添加颗粒尺寸，为研制新的润滑剂提 供理论基础。( c ) 为研究磨损提供新思路和方法，从而把润滑研究与磨损研究有机的结合起 来。因此，开展液固二相流体润滑研究不仅可以丰富和发展润滑理论，而且可以为工程实际 提供更准确的指导d 】。 液固二相润滑理论是一种新型的润滑理论，它的研究对象不再基于纯净的液体润滑油， 而是考虑到润滑油中固体颗粒的存在。液固二相流体润滑研究具有学科前沿性、广泛的实用 性、多学科交叉的特点，其学科基础涉及到多相流体力学、润滑理论、化学等领域。从科学 内涵上看，研究内容包括认识和理解液固二相流体的流变特性、液固二相流场空间结构与 摩擦润滑的相关性等，还包括不同工况下，液一固二相流体润滑模型的建立和仿真的实现；从 研究的对象来看，涉及到固体颗粒的多少、尺寸、形状、分布等对各种实际工况下摩擦副的 摩擦系数、油膜压力、承载能力、温度特性的影响，以及不同固相特性对润滑性能的利弊； 从研究的方法来看，应从理论研究、实验研究、理论与实验相结合三方面进行研究，由于润 滑区域比较小，所以其试验设计是一个比较困难的课题。颗粒的存在一方面影响了润滑油本 身的流体特性，使润滑油表现出一些与纯净润滑油不同的性质，另一方面也影响了润滑特性， 可能会对摩擦副的耐磨性产生一定的影响，因此，液固二相流体润滑问题已经引起了人们极 大的关注，越来越多的学者投入到其研究中【4 j 。 1 。2 国外研究发展现状 液固二相流体润滑的历史可追溯到1 9 2 7 年，m c k e e 习首先指出固体颗粒在润滑油中的影 响，揭开了液固二相流体润滑研究的序幕。由于问题的复杂性，系统的研究直到5 0 年代才 开始逐渐出现【鲫，随后，液固二相润滑的研究逐渐引起学者们的重视删。学者对液固二相 流体润滑的研究大致从以下几个角度展开。 1 2 1 颗粒对粘度的影响 1 9 6 6 年，r y l a n d e i 1 0 1 以滑动轴承摩擦副为研究对象，基于微米级颗粒，在固体颗粒浓度 较小的情况下，提出了液固二相流体剪切力f 的计算公式： z = 巧+ 勺 ( 1 - 1 ) 式中：一流体的剪应力； n 一液固二相流体中颗粒的质量百分比数； 矿哪入润滑区域的固体颗粒的剪应力。 2 第章绪论 如图1 - 2 所示，在理区域包含易 图1 2 颗粒在润滑区域分布【8 】 1 9 8 8 年，k h o m a r i m 和e s f a h a n i a - n v 【1 1 1 针对牛顿流体的情况，提出的流体剪切力公式 为： 7，=巧挚(1-2) 勺= 叩西 式中：l r _ 转向速度； z _ 油膜厚度方向； 刀粘度并考虑了粘温效应： 刁= r 0 e 一觑r 一焉) ( 1 3 ) 式中：刀0 常温下的粘度； 卜温粘系数。 他们通过在s a e 3 0 润滑油中加入质量分数为l 的二硫化钼( m o s 2 ) 和聚四氟乙烯 ( p t f e ) ，结果发现，在小到中等s o m m e r f e l d 数时，液固二相润滑时的摩擦系数大于纯净 油，在大s o m m e r f e l d 数时，摩擦系数小于纯净油，另外还发现虽然质量分数只有l ，但是 温度比纯净润滑油有了很大的升高，最大值处相差有1 0 度左右。 1 9 9 0 年，k h o n s a r i 在文献 1 2 ，1 3 e e 提出运用非牛顿流体特性来进行液一n - 相流体润滑的 研究。他们的研究认为，在e h l 中，固体颗粒本身也承受一定的承载能力，颗粒承载的大小 和进入润滑区域的颗粒数量有关。 形= + ( 1 4 ) 式中：w 一承载力； w 广一油膜承载； w p 。为颗粒承载： 3 合肥工业大学博士学位论文 = 咩 ( 1 5 ) j = l m ，厂单个颗粒的承载； ，r 一进入润滑区域的颗粒个数。 他们通过研究发现，颗粒的存在对油膜厚度和润滑的承载起了重要的影响，一般情况下， 颗粒的存在增大了油膜厚度，提高了润滑膜的承载能力，这是由于颗粒的承载引起的。在整 个润滑区域，颗粒的存在使得其温度增高，并且颗粒的尺寸越大，入口处的温度增加得越多， 温度升高导致润滑油的粘度降低，从而使得润滑油更容易进入润滑区域，颗粒就比较容易留 在入口处，随着颗粒浓度的增加，摩擦系数增大。 印度学者p r a w a l 1 4 - 1 5 1 的研究提出由于刚性颗粒存在于润滑油中，使得润滑油的粘度有 所提高，从而提高了承载能力。y o u s i f 和n a c y t l 每1 刀的研究认为，悬浮颗粒对润滑油的粘度 有一定的影响，如果颗粒的体积浓度在油膜中的分布可以确定，那么润滑油的粘度可以用 e i n s t e i n 公式表示为： = g o + 2 5 c ( 1 - 6 ) 同时还建立了质量传递公式： c ( v 矿) + v - v c = d ( v v c ) + v c v d ( i - 7 ) 式中：卜固体颗粒的体积分数； d 一颗粒的扩散系数。 通过以上两个公式可以计算出润滑区域每个位置的粘度，然后根据润滑的基本方程进行 数值分析并与实验结果进行了比较，实验中加入粒径为3 3g m 的石墨颗粒。研究发现，与纯 净的润滑油相比，增大了油膜的承载能力，端泄增大，减小了摩擦系数。 k h a l e d 【1 列在处于非等温和不可压缩的轴承内部的流量和热量传递中，建立了无量纲模型， 研究了由于润滑油中存在细小颗粒而引起的粘性消散和热量发散效应。d 锄c e 【1 9 1 运用力耦合 法研究了微尺度情况下液固两相流的润滑特性，当固相距比较远时，这种方法比较适用。 1 2 2 双流体润滑模型 在液固二相流体力学中，有一种处理方法是将固相作为连续流体进行考虑，双流体润滑 模型就是在液固二相流体润滑中引入这一思想，将固体颗粒作为连续流体并考虑固体相与液 体相间的相互作用，从而建立起的相应的模型。假设在每一极小空间都存在固体颗粒和流体， 则二相流体的各种参数都是位置的函数，所以总应力张量t 可表示为： 4 第一章绪论 t = 正4 - 卫 ( 1 8 ) 式中：卜总应力张量； t 5 液体相的应力张量； t 广一固体相的应力张量。 固体相与液体相的运动方程可表示为： 固相d v r , 一弓= p , a ， 液相 伽弓+ 弓= p l a ， ( 1 - 9 ) 式中：t 。广固相与液相的相互作用力 d a i 和k h o s o n r i 以上述双流体理论为基础，并将液相作为牛顿流体、固相作为连续的颗 粒流进行了一系列的研究 2 0 - 2 5 】；研究中以滑动轴承为研究对象，假设颗粒在边界上不产生滑 移，研究了颗粒体积浓度较小时的液固二相流体润滑特性，运用该理论得出的微分方程和方 程的解法是比较复杂的。其运动方程如下： 固体相 流体相 印学) 2 】+ 扣y ) 等堋y ) 黪刊( 户。 扣嗍专门- o 协号) 2 】+ 扣y ) 警堋矿) 耪叫讹训= 。 陆未( 啪) 枷肌叫) 船。 m - 陪导( 呐) 嘲肌他) 式中：r 压力。 1 一固相的体积分数，它是坐标x 、z 的函数； 磐，秽一分别为液相和固相的粘度； 参数屈与屈见c o w i f l l 2 6 和s a v a g e l 2 7 】，以上参数都是体积分数1 ，的函数，当v = o 时，上面 方程变为： 5 合肥工业大学博士学位论文 可以看t b ，上述方程与纯流体润滑的传统运动万栏相一致，绢合、撅布甘和回相阴连! 实万程 对其进行联立求解得到双流体模型下的雷诺方程，可表示为： 流体相： 丢 竿望3 x u h g z ) - r l h 州b 1 础m ：z m 】) + 丢 华塑a z u h g ( 印) - r , h ( 咖限( 郴) + b 4 ( 捌) - o 固体相： 昙 _ 生 h ( x y + 望安掣堕掣】害一讽一堕坠之等姿竺塑“力) 玉、弛z ) 6 讯力。玉 讯z ) 掣r 讯1 i h ( x ) s 6 + 坐意p 学 妻一盟谶产= 。壶、g ；阮z ) g | k z ) 。壶g k z ) ( 1 1 1 ) 其中： g ( x ，z ) = ，7 ，v + r ( 1 一y ) ，七( 石，z ) = 4 g ( x , z ) r l , r l ( 1 - v ) ， ，、：，、 2 1 一e x p ( - 础( 工，z ) ( x ) ) 帅，z ) _ 坂矿丽而面端 缈j ( 工，z ) = 7 7 7 ( z ) 一 2 ( 矿- 1 ) 0 - v ) 1 一e x p ( 啦o ，z ) 丛趋) a k ( x ) 1 + e x p ( - 磁( x ，z ) ) ) 式中：h ( x ) 油膜厚度； 【卜轴的轴向速度。 b j 似、毋缈、毋缈和b ，缈分别为固相在润滑摩擦副处的边界速度，目前b j 例、b 2 ( x ) 、 毋俐和风例的如何确定的问题还没有解决，在计算中都是假设其相对于边界无滑移。通过对 综合雷诺方程( 1 1 1 ) 的数值求解发现：压力分布和纯净流体润滑时的压力分布基本一致： 颗粒的体积分数在入口和出口处小，中间区域大；相互影响系数口的值和颗粒相的粘度绣的 大小对润滑特性起着重要的作用，它们的大小直接决定着油膜承载能力的好坏，当口取0 5 6 ” ) 沁一砂 沁一砂 y v 玎， 町 a一砂o a 一砂 = = = 劫瓦劫夏劫云 第一章绪论 时，颗粒相的粘度小于流体相粘度时，油膜承载能力降低，颗粒相粘度大于流体相粘度时， 油膜承载能力变大，但是如何合理的确定相互影响系数口和固体相的粘度，文献中没有给出 明确的解释；在含有颗粒的液固二相流体润滑情况下的摩擦系数比纯液体润滑情况的小。 1 2 3 颗粒产生的摩擦力 颗粒产生摩擦力p i f ( p a r t i c l ei n t r o d u c ef r i c t i o n ) 是日本学者t o m i r n o t o 2 8 - 3 3 提出的观点， 主要是从节能的角度来考虑，基于径向轴承，研究了颗粒产生摩擦力的情况。其研究认为， 颗粒产生的摩擦力( p i f ) 主要是由直径大于最小油膜厚度的大颗粒引起的，颗粒小于最小油 膜厚度的颗粒在小浓度的情况下不产生摩擦力，但当浓度增大到一定程度也会产生摩擦力。 大颗粒产生摩擦力的大小主要与产生摩擦力的颗粒数目、接触时间以及颗粒承载这三个 方面的因素有关，并且在理论上计算颗粒引起摩擦力的模型，其几何模型如图1 3 所示。颗 粒产生的摩擦力( p 叨： = f f o = 粥 ( 1 - 1 2 ) 式中：卜摩擦力： 乃一纯净润滑油产生的摩擦力。 其它参数的意义及计算如下： 产生摩擦力的颗粒数： f = 粤x 1 0 “( 1 - 1 3 ) 1 , o h 3 式中：卜固体颗粒的浓度。 q 流量( 与最小油模厚度有关) ： p 颗粒密度； d 颗粒直径( d i l j ， 颗粒接触时间； 忙丝(1-14)f ，= 。 u 非惮( 川) s i n ( c o s - 1 等) ) o 颗粒承载： 伟0 = a h ( a = l c a d ( d 一d ) ) ( 1 - 1 5 ) 7 合肥工业大学博士学位论文 式中：a d = d h 。( d j j l 。) ； 粒的硬度。 图1 3 颗粒产生摩擦力示意图删 为了比较方便的研究p i f 与其它三个参数之间的关系，其设定润滑油粘度为常数，该常 数值通过试验来测定。实验中，t o m i m o t o 在润滑剂中加入3 0p m 的氧化铝颗粒，并用上述 理论公式进行了数值计算，将计算结果与实验结果进行了比较，从而验证了上述公式的合理 性，即p i f 的大小与接触颗粒的个数、接触时间和颗粒承载有关。随着颗粒浓度的增加，油 膜厚度减小，不仅仅是比最小油膜厚度大的颗粒产生摩擦力，颗粒直径小于最小油膜厚度的 颗粒也产生摩擦力，小于最小油膜厚度的颗粒会有一部分嵌入摩擦副表面，这也就是小颗粒 会产生摩擦力的原因。小颗粒的嵌入减小摩擦副的间隙，增加了摩擦副表面的粗糙度，颗粒 引起的摩擦力随表面相对速度增加而增加，当速度增加到一定值时，颗粒产生的影响会减小， 这是由于速度增加油膜厚度也相应的增大，从而最小油膜厚度就大于颗粒直径，也就是说这 时相当于前面叙述中小颗粒起在起作用，颗粒对产生摩擦力的影响减小，摩擦力和功耗随着 颗粒浓度和摩擦副接触面积的增大而增大。 1 2 4 颗粒在润滑区域的行为特性 n a k a h a r a 3 卅通过实验把进入润滑区的颗粒分为三种：在入口处停留、进入润滑区域一定 距离然后又返回、通过润滑区域。 k l 】m a r p 5 1 建立计算流体力学模型，分析了颗粒的行为特性，几何模型如图1 4 所示，其 中流体的速度表示为： “= 鲫( 2 制詈+ 【，0 - 1 6 ) 式中：i 卜袁面速度；r 距下表面的距离； 8 第一章绪论 其研究还运用计算流体体力学( c f d ) 软件f i d a p ，分析了颗粒的受力及运动情况，结果 表明：颗粒的直径越大，颗粒的运动位置就越接近轴表面：颗粒的直径越小，颗粒越接近中 线的位置，这就解释了小颗粒更容易穿过润滑区域，而大颗粒则比较容易留在入口处的原因。 并运用该流体力学软件计算了非对称润滑区域的情况，结果表明非对称模型与对称模型中的 颗粒运动特性基本相似。k u m a r 的研究是以小颗粒，即颗粒的直径小于最小油膜厚度为研究 对象的，当颗粒直径和油膜厚度在同一量级的情况还有待研究。 图1 - 4 入口处的几何模型口习 1 。2 5 颗粒对摩擦副磨损和擦伤的影响 润滑过程中产生的磨粒也是形成液固二相润滑产生的原因之一，著名摩擦学家 d o w s o n l 3 6 l 指出现代磨损研究应对固体颗粒的产生及其作用问题予以重视。有些学者认为颗粒 的加入减小了摩擦面的磨损率和摩擦力【3 7 。3 8 1 ，但是有些研究发现颗粒的加入反而增加了磨损 率【3 1 1 ，其原因是颗粒的尺寸和浓度起了重要的作用【4 2 删。 1 9 6 6 年s t o c k 【4 5 】研究了悬浮在流体中的二硫化钼颗粒的尺寸对流体润滑特性的影响，发 现粗糙的二硫化铟颗粒与精细的颗粒相比会产生较大的擦伤。1 9 7 8 年e l w e l l t 4 6 1 通过试验测试 了在最低速9r r a i n 至1 最高3 6 0 0r r a i n 时颗粒的影响，试验中颗粒的直径范围在5 灿到3 0 岫。 在低速肘，颗粒起减摩作用，颗粒被碾碎成直径更小的颗粒，导致轴颈的磨损；在高速时， 导致轴颈表面严重破坏。19 8 0 年b a r t z 4 7 】通过试验分析了固体添加剂颗粒的存在对摩擦副擦 伤程度的影响，结果表明，固体颗粒添加剂的存在增大了擦伤的可能性，并且擦伤程度随着 固体颗粒的浓度、尺寸和摩擦副的表面形貌等因素变化而变化。1 9 8 5 年c h a n d r a s c k a r a n t 4 8 1 在 四球机上进行了试验研究，发现颗粒的加入容易使摩擦副擦伤，并以此为依据推断出在润滑 区域由于颗粒的加入造成局部温度升高。1 9 8 9 年x u a n t 4 9 】通过在不同硬度的摩擦副上，在润 滑油中加入四种颗粒( 空气中的灰尘、羰基铁、玻璃球、a 1 2 0 ，) ，其中直径最大为4 0 岬， 试验结果发现，摩擦副硬度越高、颗粒硬度越小，磨损率越低。1 9 9 4 年d w y e r - j o y c e l 5 0 姐过 9 合肥工业大学博士学位论文 实验发现，即使是尺寸相当小的软颗粒也可以对摩擦副表面产生较大的损伤。在磨损和擦伤 方面，2 0 0 0 年s p i k e s 【s q 通