水基磁流体轴承非Newton弹流润滑分析

2013-07-21史修江王优强

轴承 2013年12期

史修江，王优强

(青岛理工大学机械工程学院，山东青岛 266033)

随着纳米技术的发展，磁性纳米颗粒的应用研究备受关注，尤其是纳米Fe3O4粒子，由于其无毒且易合成的特点成为广大研究者的焦点。纳米Fe3O4水基磁流体[1]是纳米材料的一个成功应用，在磁场作用下水基磁流体既能表现出液体的流动性，又能表现出固体磁性材料的磁性，当Fe3O4微粒子的粒径小于10～12 nm时，磁流体显示出超顺磁性，从引入磁场到撤去磁场，磁化从0到饱和均没有迟滞现象。

水基磁流体主要特征是用水作为载液，避免了有机溶剂对环境的污染。其还具有超顺磁性、生物兼容性和分散性好等特点，在动态密封、自润滑、研磨抛光和环保等方面有很好的发展前景。如果用水基磁流体来润滑滑动轴承，不仅可以实现对滑动轴承的连续润滑，而且还具有一定的自密封性能，使滑动轴承更加环保稳定地工作。

1 弹流润滑方程

1.1 Reynolds方程

磁流体实际上是在润滑油中加入极细的固体磁粉以改善润滑剂的润滑性能，由于纳米磁粉颗粒极小，不需要采用两相流体模型，用指数率非Newton流体[2]模型分析即可得到满意的结果。下文在文献[3-4]的基础上进行研究，使用的基本参数和公式相同。考虑热效应、磁场和时变的Reynolds[5]方程为

(1)

(1)正弦单峰载荷时变公式为

(2)

式中：W(t)为变载荷(其随时间正弦变化，如图1所示)。图中AW为载荷变化幅度；tp为载荷半波长；W0为单位长度稳态载荷。

图1 载荷时变图

(2)磁场力pM的计算式为[6]

(3)

1.2 膜厚方程

水基磁流体润滑膜的膜厚计算式为

(5)

1.3 温度控制方程

(1)润滑膜能量方程和两固体的热传导方程为

(6)

(7)

式中：T为润滑膜温度；u为流体的流速；q为流量；c，c1，c2分别为水基磁流体、轴、轴承的比热容；k，k1，k2分别为水基磁流体、轴、轴承导热系数；ρ，ρ1，ρ2分别为水基磁流体、轴、轴承密度；z，z1，z2为膜厚方向坐标变量，z1=-d，z2=d，d=3.15b，d为轴和轴承的温度渗透层厚度。润滑膜能量方程的温度边界条件为T(xin,z)=T0；轴热传导方程的温度边界条件为T(xin,z1)=T0;T(x,d)=T0；轴承热传导方程的温度边界条件为T(xin,z2)=T0，T(x,-d)=T0。

用上述无量纲参数把数学模型中的各方程无量纲化。

2 数值分析方法

采用多重网格法进行弹流润滑的数值求解。通常网格越密，数值分析得到的结果精度就越高，但同时会带来计算量增大和计算时间冗长的问题。求解所用的网格共6层，在最稠密的一层网格上沿x方向有961个节点，z方向有21个节点，润滑膜内使用等距网格，节点数为9个，固液界面处和2固体内使用不等距网格，2体内节点数均为5个。

将变载荷时间tp按等步长划分为30个瞬时，在每一个瞬时都需要对压力和温度交替进行求解。在计算压力时，假定温度场已知，通过解Reynolds方程求压力，用该压力求膜厚，并调整刚体中心膜厚使压力满足载荷平衡方程。在计算温度时，假定压力和膜厚已知，通过解油膜的能量方程和固体热传导方程得到温度场分布，计算流程图[7]如图2所示。通过进行大量的计算，分析了不同网络结构对求解结果的影响，得到的结论与文献[7]相同。