颗粒对水润滑轴承承载及摩擦性能的影响

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天然水具有无污染、来源广泛、节省能源、安全、不易燃等特性,已经成为最具有发展潜力“绿色”润滑介质,水润滑轴承成为目前研究热点之一。当水润滑轴承在长江流域等多泥沙环境下推广使用时,由于硬质颗粒的进入会产生严重的磨粒磨损,使之成为制约水润滑轴承大范围推广使用的瓶颈。本文以润滑水中的球形硬质颗粒为研究对象,以线接触弹流润滑理论为基础,结合赫兹接触理论,对颗粒在水润滑轴承中受力、运动进行了详细分析,揭示了颗粒的运动机理,探究了颗粒对水润滑轴承润滑性能的影响。本文的研究工作和主要内容包括:  (1)考虑惯性力条件下,基于雷诺方程对以低粘度水作为润滑剂的水润滑轴承润滑性能进行了研究,得出惯性力的存在使轴承的承载性能略有增加。探究了相关工况对轴承的影响,得出随着承载力的增大,其最小膜厚变小;随着转速及粘度的增大,最小膜厚变大。对存在细纱型颗粒的颗粒悬浮液润滑性能进行了研究,得出随着颗粒质量分数的增加,轴承的承载性能逐渐增加。  (2)对轴承间隙中的颗粒进行受力分析,颗粒在轴承间隙中主要受到液体阻力和压力梯度力的作用,二者大小均与颗粒粒径、轴承转速、颗粒所处位置以及影响最小膜厚的工况有关。不同粒径的颗粒在轴承间隙的不同位置所受合力的大小和方向不同,颗粒在合力的作用下有可能一直游离于润滑水中,也有可能与轴承摩擦副发生应力接触。颗粒与摩擦副发生应力接触的临界粒径为其轴承润滑膜厚度的√6倍。  (3)建立了三种颗粒与摩擦副的三体接触模型,对三种模型进行了比较分析。在摩擦副上划分出颗粒应力接触区和卷入区两个区域,应力接触区范围仅与摩擦副结构及工况有关,卷入区范围还与摩擦副摩擦系数有关,两摩擦副摩擦系数差值越大则颗粒嵌入区范围越大,但颗粒卷入区总被包含于颗粒应力接触区。若颗粒粒径大于应力接触区最大水膜厚度,颗粒游离于润滑水中;若颗粒粒径大于卷入区水膜最大厚度而小于应力接触区水膜最大厚度,颗粒仅会与摩擦副发生应力接触,无法继续朝润滑水出口方向运动;若颗粒粒径小于颗粒卷入区最大水膜膜厚度而大于轴承最小膜厚时,颗粒在与摩擦副接触后就会被卷入至轴承摩擦副中。  (4)建立了颗粒从应力接触到卷入摩擦副的运动模型,计算了运动过程中颗粒的位移以及摩擦副的变形,随着颗粒质量,速度的增加,摩擦副变形量会增加,颗粒位移增加。随着颗粒粒径的增加,摩擦副的变形量会减小,颗粒的位移减小。给出了颗粒与轴承摩擦副的接触面积及承载力的计算表达式。
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