《1 前言》
1 前言
薄膜润滑轴承特性的复杂性已经被认识, 其分析方法和解决问题的措施出现了多种不相同的结果, 原因在于润滑剂粘度的极端变化。常规计算有粘-压修正方法
《2 粘度修正模型》
2 粘度修正模型
润滑油粘度与温度的关系比较复杂, 润滑油的粘-温性能与其成分有关, 因此粘度随着温度变化的规律出现了多种表达方式。其中有基于对液体流动物理模型的分析得出的, 有经验数据的总结;用于分析计算也存在一定的误差, 同时也规定了一定的使用条件。为了分析计算方便, 选用Slotte关系式
式中S是常数;α=20~30 ℃;t—温度 (℃) ;m—常数, m=3~5。参数的选择与润滑剂的种类或性能相关。
薄膜润滑中吸附层厚度对润滑剂的影响是不可忽视的, 吸附层厚度的影响选用等效粘度模型, 因此, 同时考虑这两个因素, 建立粘-温修正的等效粘度模型
式中h为油膜厚度;δ为吸附层厚度。
《3 粘-温修正的Reynolds方程》
3 粘-温修正的Reynolds方程
对于薄膜润滑的计算处理, 采用了广义Reynolds方程:
式中p为压力;x为轴承长度坐标;y为轴承宽度坐标;U为相对速度。
无量纲化方程为
式中L为轴承长度;B为轴承宽度;ha为入口处油膜厚度;hb为出口处油膜厚度。
则方程式 (3) 变为
其边界条件为在x*=0, 1时, p*=0;在y*=0, 1时, p*=0。
温度的计算必须根据能量的传递, 粘-温修正的等效粘度模型能量方程为
引入无量纲方程
《图1》
式中ρ为密度;Cv为定容比热.
《4 特性分析》
4 特性分析
《4.1计算参数和计算方法》
4.1计算参数和计算方法
工作条件假设 润滑剂参数:入口温度T0 =45 ℃;常规粘度η0=0.03 N·s/m2;密度ρ0=900 kg/m3;Cv0=1.9 kJ/kg·℃。实验轴承是平板滑动轴承, 参数为:B×L=6 mm×4 mm;若滑动速度U=2 m/s, 最小油膜厚度设为hmin=10 nm。为简化计算, 把轴承两表面的吸附性能看作相同, 即计算中取总吸附层厚度为2δ, 并取粘-温修正模型中参数m= 3, α=20 ℃, 则S=η0 (α+T0) m, 采用数值解。
《4.2压力特性分析》
4.2压力特性分析
图1a是在入出口油膜厚度之比h*a一定、无量纲紧密吸附层厚度不同情况下x方向的压力变化规律。可以看出, 无量纲压力p*随吸附层厚度δ*增大而增大。这是由于吸附层厚度增加, 润滑剂粘度随之升高;又由于吸附层厚度增加使温度场上升, 使粘度有所下降。但总体润滑剂粘度还是随之升高, 从而使压力升高。图1b是在吸附层厚度δ*一定、h*a不同情况下x方向的压力变化规律。可以看出, 无量纲压力p*随h*a的增大而增大, 但h*a大于一定值后, 压力基本不随之变化。
《4.3温度特性分析》
4.3温度特性分析
由能量方程得到温度T与各参数的关系, 如图2所示。
图2a, 图2b是在h*a一定、无量纲紧密吸附层厚度不同情况下x, y方向的温度变化规律。可以看出, 出口温度明显大于入口温度, 且随δ*的增大, 出口温度显著升高;但温度沿y方向变化不大。由于吸附层厚度的增加, 使压力升高, 从而使温度场升高。图2c, 图2d是在吸附层厚度δ*一定、h*a不同情况下x, y方向的温度变化规律。温度T随h*a增大而减小。
由温度变化规律图可以看出, 该粘度模型可以忽略温度沿y方向变化, 此时能量方程可简化为
由式 (9) 重新计算温度场, 用刚得到的温度场修正粘度, 再对压力场等进行计算。结果表明, 压力场、温度场、载荷及摩擦阻力等随各参数的变化规律与该项不忽略时相差不大。
《4.4承载能力特性》
4.4承载能力特性
无量纲承载量定义为
无量纲载荷W*随各参数的变化规律如图3所示, 承载能力随吸附层厚度δ*的增加而增加, 但当δ*较小时, 紧密吸附层厚度与油膜最小厚度相比可以忽略, 承载能力与其关系不大;承载能力随h*a的增加而增大, 当h*a大于一定值后, 承载能力基本不再变化。
《4.5摩擦特性分析》
4.5摩擦特性分析
无量纲摩擦阻力可定义如下:
无量纲摩擦阻力F*随各参数的变化规律如图4所示, 摩擦阻力随吸附层厚度δ*增加而增加, 但当δ*较小时, 摩擦阻力与吸附层粘度关系不大;这同无量纲承载能力的变化规律相同, 但摩擦阻力随h*a的增大是减小的, 并且由于h*a的增大使吸附层厚度δ*对摩擦阻力的影响减弱。
无量纲摩擦系数f*定义为
f*值随各参数的变化规律如图5所示。可以看出, f*受h*a的影响很大, 随h*a的增加急剧下降, 但当h*a大于一定值后, 摩擦系数基本不再变化。在h*a一定的情况下, f*基本上是一常数, 随吸附层厚度δ*的变化很小。
《5 结论》
5 结论
根据广义Reynolds方程及能量方程对等效粘度模型及粘-温修正的等效粘度模型进行了二维压力场、温度场及承载特性计算, 得出如下结论:
1) 膜润滑中, 壁面吸附层对轴承性能的影响逐渐增大, 实际上在厚膜润滑条件下, 吸附层也存在, 只是吸附层厚度相对于整个油膜很小, 在计算中其作用可以忽略。
2) 压力和承载能力都随吸附层厚度和入出口油膜厚度之比增大而增大;摩擦阻力随吸附层厚度增加而增大, 随入出口油膜厚度之比的增大而减小;摩擦系数随吸附层厚度的变化很小, 但受入出口油膜厚度之比的影响很大, 随入出口油膜厚度之比的增加急剧下降, 当入出口油膜厚度之比大于一定值后, 摩擦系数的变化趋势减小。
3) 随吸附层厚度增大, 出口温度显著升高;温度T随入出口油膜厚度之比增大而减小;温度T沿y方向的变化可以忽略, 从而使计算得到简化。
4) 利用粘度修正的等效粘度模型计算的承载能力低于无粘-温修正的值。