杂质颗粒对轴承润滑特性的影响*

2022-01-19王丽丽刘增锴何梦雪

润滑与密封 2021年12期

王丽丽葛雪刘增锴何梦雪

(山东科技大学机械电子工程学院山东青岛 266590)

流体动压滑动轴承因其结构简单、阻尼性能好，且可以在高速重载、耐冲击等条件下工作，因此在水轮机、汽轮机和船用螺旋桨等回转机械中得到了广泛应用。学者对滑动轴承的性能进行了一系列的研究。

在滑动轴承的静特性研究中，GAO等[1]设计了一种过渡圆弧结构的新型轴瓦，显著提高了水润滑轴承的承载能力;DANG等[2]研究了非牛顿流体对滑动轴承工作性能的影响，结果表明，优化非牛顿流体参数可以降低热效应对轴承性能产生的负面影响;WANG等[3]对三油槽滑动轴承的空化特性进行了研究，发现进油压力的增大可以减小空化面积和体积，从而提高滑动轴承的润滑性能;XIE等[4]推导了考虑壁面滑移和惯性力的雷诺方程，研究了壁面滑移和惯性力对水润滑轴承润滑性能的影响;刘旭康等[5]研究了润滑油中不同含水量对滑动轴承润滑性能的影响，研究表明润滑油中混入少量的水会增大液膜压力和摩擦力，使得轴承的使用寿命降低;李彪等人[6]分析了不同轴颈倾角、转速、偏心率等轴颈轴向运动对轴承润滑性能的影响。

在滑动轴承的动特性研究中，HAGG和SANKEY[7]针对滑动轴承转子不平衡振动问题，测试了刚度系数和2个阻尼系数;ZHAI等[8]研究了空化现象对滑动轴承动特性的影响;ZHANG等[9]根据油膜刚度系数与承载能力之间的关系，提出了一种确定轴承刚度系数的方法;LI等[10]采用CFD动网格方法，提出了一种计算滑动轴承动特性系数的新方法，为滑动轴承稳定性的研究提供了理论支撑;孙丹等人[11]分析了轴颈涡动频率、偏心率对转子稳定性的影响;魏维等人[12]分析了轴承间隙对油膜动特性系数的影响，并求解了转子的失稳转速。

上述工作为滑动轴承油膜特性的研究打下了良好基础，但是对于润滑油中混入杂质颗粒的研究很少。SEP等[13-14]对比分析了螺旋槽轴承和光滑轴承的磨损情况，发现轴颈表面的螺旋槽可降低杂质颗粒的浓度，使磨粒从凹槽中去除，但文献并未具体研究磨粒对轴承润滑特性的影响。RONEN和MALKIN[15]研究了润滑油中杂质颗粒对轴承的磨损机制，结果表明，杂质颗粒对轴承的磨损主要取决于轴颈和轴瓦材料的相对硬度，然而文献并未考虑杂质颗粒对轴承动静特性的影响。

在实际工作中，环境中的灰尘、砂粒等会随着润滑油一起进入轴承间隙，导致润滑性能的改变。本文作者分别建立考虑杂质颗粒的滑动轴承动静特性计算模型，研究了不同颗粒含量对油膜承载力、摩擦力的影响，并研究了考虑杂质颗粒时不同转速对动特性系数的影响规律。

1 考虑杂质颗粒的滑动轴承数学模型

1.1 轴承计算模型

滑动轴承的结构示意图如图1所示，当润滑油中混入杂质颗粒后，轴颈以角速度ω旋转，在外载荷W与油膜产生的动压力的作用下处于平衡位置。半径间隙h0=R1-R2,轴承的宽度为d，轴承中心O1与轴颈中心O2之间的距离为偏心距的大小e,O1O2与Y轴的夹角为偏位角θ。

图1 滑动轴承结构示意Fig 1 Schematic of journal bearing structure

1.2 静特性理论模型

润滑油在轴承间隙内的流动，属于计算流体动力学的范畴，控制方程是对物理守恒定律的描述，基本形式包括质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程。文中涉及到多相流动，选用Mixture模型。

1.2.4 体外透皮试验。党参总皂苷用蒸馏水配成质量浓度44.70 mg/mL党参总皂苷水溶液。在透皮扩散仪接收池中加入生理盐水接收液，将鼠皮固定在扩散仪上，移取1 mL待测液加到供给池中，开启扩散仪(温度设定为37 ℃，转速300 r/min)，定时取样，取样后补加等体积接收液，分光光度计测定接受液中药物含量，计算药物累积渗透量Qn[12]。

1.2.1 连续性方程

质量守恒方程又称连续性方程，表达式如下：

党的十九大后，党的反腐工作面临新形势，反腐败任务也有所不同。反腐任务的变化是多方面的，主要表现在对象上，就是对不收敛、不收手、顶风作案的“老虎”严肃处理。在强高压反腐的形势下，我国的反腐败工作已然由重清查存量转向重遏制增量，习近平总书记提出：“‘老虎’要露头就打，‘苍蝇’乱飞也要拍。”

(1)

滑动轴承摩擦副表面的磨损实质上是杂质颗粒进行微切削的过程，颗粒随着主轴转动，与轴瓦表面发生相对滑动而产生摩擦，摩擦生热导致瞬时高温颗粒的产生。高温颗粒与轴瓦表面发生固相焊合(黏着)，当主轴继续转动时，黏着点被撕裂，同时新的黏着点又形成，经过多次这样类似的损伤积累，将出现明显的黏着磨损。由此可知，含固体颗粒的油膜热效应对轴瓦表面有着重要的影响。

1.2.2 动量方程

混合模型的动量方程可以通过对所有相各自的动量方程求和来获得，具体表达式为

(2)

目前我国产业风险评价体系还不够全面，对产业风险评价的使用还主要集中于贷前的风险识别阶段，主要是用于对客户企业进行风险分析，而未能延伸到贷中贷后的风险管理工作当中。但在当前产业结构升级的进程加速的背景下，银行在发放贷款和贷后管理时也面临着产业风险的快速改变，因此需要针对特定产业预先制定好风险应对方案，并及时对产业风险进行跟踪和管理，把控好产业风险，尽量减少风险损失。

正说着，嘚嘚嘚的高跟鞋声由远而近，鲁冰莹又走了进来，她心有不甘地对护士们说：“告诉大家个秘密，颜副院长才是名副其实的‘工业酒精’，他几年前把一个女学生搞大了肚子，那女学生的姐夫是个局长，准备告他，《起诉书》都写好了。后来，女学生的姐姐怕坏了她妹妹的名声和前程，才让颜副院长赔一笔‘青春损失费’了事。”

(3)

苔藓和地衣是苔原植被的重要种类。北极的地表下有坚硬的永久性冻土层，植物的根无法突破冻土层继续向下生长，只能在冻土层上方大约30厘米厚的土层里“舒展身体”，汲取营养。

固体相动量方程：

(4)

式中：ps是颗粒压力；Kqs表示液体相q与固体相s之间的动量交换系数。

1.2.3 能量方程

(5)

1.3 动特性理论模型

油膜在转子系统中通常起到非线性的弹簧和阻尼作用，由于轴颈的振幅非常小，所以可以将油膜近似地看成线性化的弹簧常数和阻尼特性，即称这些线性化的动力特性为油膜刚度和阻尼[17]，动特性系数对于轴承的稳定性至关重要。

油膜刚度系数和阻尼系数如图2所示，Kxx、Kyy称为直接刚度；Kxy、Kyx称为交叉刚度；Cxx、Cyy称为直接阻尼；Cxy、Cyx称为交叉阻尼。第一个下标表示油膜力变化量的方向，第二个下标表示轴心微小位移或者微小速度的方向。

图2 油膜动特性系数示意Fig 2 Schematic of the oil film dynamic characteristic coefficient

1.3.1 动特性的计算模型

2.教师疏于感情投入和美好的形象塑造，学生对语文教师缺乏好感，把对教师的好恶迁移到学习之中，从而对语文学科缺少兴趣。

图3所示为不同主轴转速下颗粒质量分数(颗粒在润滑油中所占的比例)为0～3%时油膜承载力的变化规律。可知，相同主轴转速下，油膜承载力随颗粒质量分数的增加而增大，但增大的速率逐渐减缓，当颗粒质量分数大于2.5%时，承载力趋于平稳，这是因为在润滑油中颗粒的质量分数增加后，粒子之间的相互作用会增加，减少了颗粒与油膜之间的作用次数，所以在颗粒质量分数增加到一定数值时，油膜的承载力基本不变。当转速为5 000 r/min时，无颗粒时的油膜承载力为1 300 N，而颗粒质量分数为2.5%时的油膜承载力为1 600 N。因此，润滑介质中的颗粒在一定程度上对油膜承载力提高效果明显，但并非颗粒质量分数越大越好，因为通过增加颗粒质量分数来提高油膜承载力是以加大轴承磨损量为代价的。如图4所示，颗粒质量分数对摩擦力(黏性剪切力)的影响规律与对承载力的相同，都是先增加后趋于平稳。因为混入到润滑油中的颗粒大多是岩石颗粒、金属铁屑，倘若混进去的颗粒硬度值大于轴瓦的硬度值，且带有锋利的尖角，势必将与轴瓦发生碰撞和微切削，导致轴承运动精度下降，工作寿命降低。因此在轴承设计过程中不仅要考虑主轴和轴瓦表面的加工质量，还要保证工作环境的整洁度，以使润滑介质中颗粒质量分数控制在合理的范围之内，从而尽可能减少磨损、最大程度提高承载力。

(6)

油膜刚度系数与轴颈的扰动位移有关，在求解时需要建立轴心偏离静平衡位置微小位移的CFD模型，计算出x和y方向的油膜承载力，然后分别求出与静平衡位置时承载力的差值，代入方程(6)，计算出相应的刚度系数。而油膜阻尼系数与轴颈的扰动速度有关，求解时建立轴心偏离静平衡位置微小位移的CFD模型，并且将转动壁面设置为运动刚体，使其以某一速度重新回到平衡位置。当轴颈由偏移位置回到静平衡位置后，比之前的平衡状态多了一个扰动速度，使得油膜在x和y方向的承载力发生改变，分别求出与平衡状态时承载力的差值，代入方程(7)，计算出相应的阻尼系数。在FLUENT中，边界的运动需要动边界文件(Profile)或者自定义函数(UDF)进行实现，由于文中涉及到的边界运动仅是轴颈在x或y方向上的平移，因此采用动边界文件(Profile)控制轴颈的运动即可。根据微小位移和扰动速度的大小，定义时间步数为10，迭代残差为10-5。

(7)

1.3.2 模型求解

液体相动量方程：

2 动静特性的结果分析

2.1 结果验证

应用文献[18]中的工况参数：进油压力pin为103 kPa，润滑油动力黏度μ为0.012 5 Pa·s，偏心率ε为0.5，转速ω为9 550 r/min，验证文中模型计算方法的正确性。表1给出了运用文中方法计算的刚度系数与文献[18]利用CFX-TASCflow软件计算的结果对比。可知，各项系数基本吻合(偏差主要是由于CFD模型的网格疏密程度以及计算机的系统和CPU型号不同引起的)，处在同一个数量级，从而验证了文中所提动特性系数计算方法的正确性。

表1 文中计算的刚度系数与文献[18]的对比Table 1 Comparison of the stiffness coefficient calculated in this paper with that in reference[18]

2.2 杂质颗粒对轴承静特性影响分析

挖鞭笋要注意以下几点：沿山坡方向穿行的纵鞭不挖，横鞭则挖；“梅鞭”埋、“伏鞭”挖；干旱季不挖；竹林空隙处少挖，土层深厚处不挖；挖掘后笋穴及时覆土踩实。鞭笋型竹林经营一般以2年为间隔期比较合理。

图3 颗粒质量分数与转速对油膜承载力的影响Fig 3 Effect of particle mass fraction and rotational speed on bearing capacity

图4 颗粒质量分数与转速对摩擦力的影响Fig 4 Effect of particle mass fraction and rotational speed on friction

采用DEFINE_PROPERTY宏来定义润滑油的材料属性，即润滑油黏度随温度的变化情况。图5给出了ε=0.6时收敛区附近与进油口附近轴向温度变化曲线。可看出，收敛区附近的温度在轴向方向上先降低后升高，并以进油口为中心左右轴向对称分布；进油口附近轴向温度变化曲线与收敛区类似，但由于此处油膜间隙大，油膜挤压效应小，来自收敛区的高温油没有流出端部，因此在进油口附近两端部温度低于收敛区两端部温度。

角蛋白酶分解蛋白质中的二硫键。可抑制毛发的生长，可用作为脱毛剂；在洗发香波中用入，可修饰和调整头发表面的角蛋白，增加光泽和柔软性；在护肤类用品中使用时需注意，角蛋白酶的经皮渗透性好，须与营养性成分与卵磷脂、维生素等配合，可调理皮肤，并有抑制酪氨酸酶的作用；也可在护齿品中协助祛除齿斑。

由图5(b)所示的温度云图可知，轴向上，温度从油腔中心到轴承两端面逐渐升高，杂质颗粒产生的热量被油膜端泄量带走；周向上，油膜温度从进油口附近到油膜最小间隙处逐渐升高，在油膜厚度最小处间隙小，动压效应最强，杂质颗粒分布最为集中，从而导致摩擦功耗产生的热量最高。

图5 收敛区与进油口附近轴向温度分布及轴承温度分布云图Fig 5 Axial temperature distribution near the convergence zone and oil inlet and temperature distribution nephogram (a)temperature distribution near the convergence zone;(b)temperature distribution nephogram;(c)temperature distribution near the oil inlet

2.3 杂质颗粒对轴承动特性影响分析

图6表示不同转速时杂质颗粒对轴承刚度系数Kxx、Kyx、Kxy和Kyy的影响。可知，考虑杂质颗粒时不影响刚度系数随转速提高的变化规律，但是比不考虑杂质颗粒时的变化曲线更加光滑；当转速由4 000 r/min提高到9 000 r/min时，2种情况下的刚度系数Kxx、Kyx和Kyy都是随转速的提高而增大，且Kyx和Kyy增大的速度比Kxx要快，Kxy随着转速的提高其绝对值增大；当考虑杂质颗粒时，油膜4个刚度系数的数值均减小，譬如当ω=7 000 r/min时，刚度系数Kxx、Kyx和Kyy分别减小3.3×107、4.5×107、4.7×107N/m，而Kxy的绝对值减小9×106N/m，主要原因是当考虑杂质颗粒后，轴承的磨损量增加，轴承间隙增大，导致油膜厚度增大，因此油膜刚度系数减小。由于油膜刚度对转子起到支撑作用，当刚度系数减小时，转子的稳定性会降低。

为了完成对机械手的底座、机身、主横梁、主悬梁等构件的相对运动关系描述和简化计算，这里不考虑机身的旋转，将底座与机身看作机架固定，其它构件简化为基本杆件，结构简图如图1所示。

图6 不同转速下杂质颗粒对刚度系数的影响Fig 6 Effect of particles on stiffness coefficient under different speeds (a) Kxx ；(b) Kyx；(c) Kxy；(d)Kyy

图7表示不同转速时杂质颗粒对轴承阻尼系数Cxx、Cyx、Cxy和Cyy的影响。可知，考虑杂质颗粒时不影响阻尼系数随转速提高的变化规律，但是比不考虑杂质颗粒时的变化曲线波动更大；当转速提高时，Cxx、Cyx、Cxy和Cyy的值均增大，其中Cxx、Cxy增大的速度比Cyx、Cyy更快，这表明轴承在高速工况下，油膜阻尼具有延缓油膜失稳，减轻振动的作用；当考虑杂质颗粒时，阻尼系数Cxx、Cxy减小，而Cyx、Cyy增大，譬如ω=7 000 r/min时，阻尼系数Cxx、Cxy分别减小了1.226×105、1.198×105N·s/m，Cyx、Cyy分别增大了1.1×105、4.58×104N·s/m，主要原因是杂质颗粒集中在最小油膜厚度位置附近，进一步减缓了油膜失稳，从而导致了阻尼系数的改变。