润滑油中固体颗粒对液体静压滑动轴承油膜承载能力的影响

２０１６年ｌ１月　

第４１卷第１１期　润滑与密封　

ＬＵＢＲＩＣＡＴ１０Ｎ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　ＮＯＶ．２０１６　

Ｖｏ１．４１　Ｎｏ．１１　

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．０２５４—０１５０．２０１６．１　１．０１７　

润滑油中固体颗粒对液体静压滑动轴承油膜承载能力的影响　

刘乾　朱禹川　万占鸿　肖卿鹤　

（１．辽宁科技大学工程训练中心辽宁鞍山１１４００１；２．浙江大学船舶与海洋结构物研究所浙江杭州３１００５８）　

摘要：基于固液两相流理论，研究在润滑油中悬浮颗粒和空穴现象同时作用下，静压滑动轴承油膜的承载能力变　

化．得到油膜在固体颗粒和空穴现象作用下的压力分布，并分析颗粒含量与气体溶解率变化对单油孑Ｌ以及双油孑Ｌ供油　

时低速重载滑动轴承油膜承载能力的影响。计算结果表明，增加润滑油中固体颗粒的含量可以提高油膜承载能力，在　

一定固体颗粒含量下，增加固体颗粒直径也可以提高油膜承载能力，但需同时考虑固体颗粒对流动稳定性的影响；在　

控制空穴饱和压力一定的情况下，油膜压力场随气体容积率变化很小。　

关键词：悬浮颗粒；两相流；滑动轴承；承载能力　

中图分类号：ＴＨ１１７．２：ＴＨ１３３．３文献标志码：Ａ文章编号：０２５４－０１５０（２０１６）１１－０８３－０６　

Ｅｆｆｅｃｔ　ｏｎ　Ｏｉｌ　Ｆｉｌｍ　Ｂｅａｒｉｎｇ　Ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　Ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ　Ｓｌｉｄｉｎｇ　Ｂｅａｒｉｎｇ　

ｂｙ　Ｓｏｌｉｄ　Ｐａｒｔｉｄｅｓ　ｉｎ　Ｌｕｂｒｉｃａｎｔ　

ＬＩ　Ｕ　Ｑ　Ｊａｎ　ＺＨＵ　Ｙｕｃｈｕａｎ　ＷＡＮ　Ｚｈａｎｈｏｎｇ　ＸｌＡ０　Ｑｉｎｇｈｅ。　．　

（１．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｒａｉｎｉｎｇ　Ｃｅｎｔｅｒ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ａｎｓｈａｎ　Ｌｉａｏｎｉｎｇ　１　１４００１，Ｃｈｉｎａ；　

２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｓｈｉｐ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　Ｍａｒｉｎｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　Ｚｈｅｊｉａｎｇ　３１００５８，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｌｔｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｏｉｌ　ｆｉｌｍ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ　ｓｌｉｄｉｎｇ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｍｂｉｎｅｄ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＳＵＳ—　

ｐｅｎｄｅｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｉｎ　ｌｕｂｒｉｃａｎｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ　ｗａｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ　ｆｌｕｉｄ　ｄｙｎａｍｉｃｓ．Ｔｈｅ　ｐｒｅｓ－　

ｓｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｏｉｌ　ｆｉｌｍ　ｕｎｄｅｒ　ｔｈｏｓｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ　ｗａｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｇａｓ　ｄｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎ　

ｒａｔｅ　ｏｎ　ｏｉｌ　ｆｉｌｍ　ｂｅａｎｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｌｏｗ　ｓｐｅｅｄ　ａｎｄ　ｈｅａｖｙ　ｌｏａｄ　ｓｌｉｄｉｎｇ　ｂｅａｒｉｎｇ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｕｎｄｅｒ　ｏｉｌ　ｓｕｐｐｌｙ、ｂｙ　ｓｉｎｇｌｅ　ｏｉｌ　

ｈｏｌｅ　ｏｒ　ｄｏｕｂｌｅ　ｏｉｌ　ｈｏｌｅ．Ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｏｉｌ　ｆｉｌｍ　ｂｅａｔｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｃａｎ　ｂｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｂｙ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　

ｓｏｌｉｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｌｕｂｒｉｃａｎｔ　ｏｒ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｏｌｉｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｕｎｄｅｒ　ａ　ｃｅｒｔａｉｎ　ｓｏｌｉｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａ—　

ｔｉｏｎ，ｂｕｔ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｓｏｌｉｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｔａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｆｌｏｗ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｔａｋｅｎ　ｉｎｔｏ　ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ　ａｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ｔｉｍｅ　ｗｈｅｎ　ｓｔｕｄ—　

ｙｉｎｇ　ｔｈｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｓｏｌｉｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｏｎ　ｈｙｄｒｏｓｔａｔｉｃ　ｂｅａｒｉｎｇ．Ｕｎｄｅｒ　ｆｉｘｅｄ　ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ　ｓａｔｕｒａｔｉｏｎ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅ　ｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ｏｉｌ　

ｆｉｌｍ　ｈａｓ　ｏｎｌｙ　ａ　ｌｉｔｔｌｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｇａｓ　ｖｏｌｕｍｅ　ｒａｔｅ．　

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ；ｔｗｏ－ｐｈａｓｅ　ｆｌｏｗ；ｓｌｉｄｅ　ｂｅａｒｉｎｇ；ｂｅａｔｉｎｇ　ｃａｐａｃｉｔｙ　

轴承是各种机械设备中的重要零部件之一。根据　

轴承的摩擦性质不同，可把轴承分为滑动摩擦轴承　

（简称滑动轴承）和滚动摩擦轴承（简称滚动轴承）　

两大类。滚动轴承由于摩擦因数小、启动阻力小、维　

护方便等特点，得到了广泛的应用。而滑动轴承作为　

轴承零件的另一大种类，由于它独有的一些优点，使　

它在很多不适合滚动轴承的场合中发挥着巨大的作　

用…。滑动轴承的类型有很多，根据其承载的机制不　

基金项目：国家自然科学基金项目（１０９０２０９７）；浙江省自　然科学基金项目（Ｙ６０９０２５７）．　

收稿日期：２０１６—０１—１２　作者简介：刘乾（１９８７一），男，硕士研究生，助教，研究方向　为流体动力学及先进机械设计与制造技术．Ｅ—ｍａｉｌ：ｔｃｌａｎ１９８７＠　

１６３．ｃｏｒｎ．　同可分为动压滑动轴承和静压滑动轴承。大多数机械　

设计教材都对动压滑动轴承进行了较为细致的描述和　

研究，这里就不在详述。而相对于动压滑动轴承，静　

压滑动轴承不必受到形成动压油膜条件的限制，即使　

在相对速度低，不易形成动压油膜的情况下也可以达　

到较好的润滑效果，从而延长轴承的使用寿命。然而　

对静压轴承的理论研究却较为缺乏。　

液体静压轴承是借助于轴瓦和轴颈间的液体静压　

力来支撑载荷的滑动轴承　］。所以润滑油的性质将决　

定轴承的承载能力。近些年来，在润滑剂的生产中，　

为了改善基础油的润滑性能。往往加入各种固体悬浮　

添加剂　。另外，在实际工作中，颗粒沉积物、摩擦　

磨损产生的碎屑也可能混入润滑剂。由于添加剂和固　

体颗粒的加入．润滑剂已由只存在空穴现象的两相流　

体系变成一个液一固一气三相流体系。目前对含悬浮　润滑与密封　第４１卷　

固粒的混合层　］、边界层Ｉ５］、旋转圆射流＿６　等稳定　

性研究表明，依据固体颗粒自身的物理特性和运动条　

件不同，悬浮固粒的加入对流场的稳定性存在或多或　

少的影响，而固体颗粒对滑动轴承油膜承载能力的影　

响，还未见诸文献。润滑油的品质决定了滑动轴承承　

载能力的大小、运行稳定性的好坏，因此研究润滑油　

添加剂对滑动轴承的影响显得尤为重要。因此，本文　

作者耦合颗粒影响，对固一液一气三相润滑油膜承载　

能力进行研究。　

１　固液两相流理论基础　

由于静压滑动轴承润滑的润滑方式可分为厚膜润　

滑和薄膜润滑。厚膜润滑以流体自身承受全部载荷并　

且实现运动表面的完全隔离为标志，其性能取决于润　滑膜的流体力学行为。因此本文作者着重研究厚膜润　

滑状态下的液体静压滑动轴承。而且两圆筒之间的流　

体流动是滑动轴承厚膜润滑流动合适的简化模型。所　

以研究两圆筒间黏性不可压缩流体稳定性就等同于对　

液体静压滑动轴承油膜流动稳定性的研究。　

考虑到固体颗粒对圆筒间流场流动稳定性的影响　

较为明显＿７］，因此将润滑油中液相的连续方程和动量　

方程与固体颗粒相的连续方程和动量方程联立　】．求　

出转捩系数和各个系数之间的关系。　

液相连续方程和动量方程：　

＋　十萼＋　：０（１ａ）——＋————十——＋一＝【Ｊ ａｒ　ｒ　ａ日　ａｚ　ｒ　

Ｏｖ　．　Ｏｖ　．　∞　Ｏｖ　．　３ｖ　馏　ｒａ　１　３ｖ　１　ａ　ａ。　２　３ｖ坩　、　＋　一了　Ｉ　＋　＋　＋　一　一　广　

一　（１ｂ）　Ｐｆ　３ｒ　Ｐｆ　

３ｖ蜘　Ｏｖｆ。　３ｖ柑　＋　。　

１却　ｎＦ。　

ｒ　３０　Ｐｆ　ｒａ　船　１　３ｖ糟　１　０２　坩　ａ　柙　柙　２　Ｏｖ　、　ｌ　百＋　＋　百＋　一　＋　广　

Ｏｖ＆　＋３ｖ＆　ｆＢ　Ｏｖ　３ｖｆｚ　ｆ，ａ　＆　１　Ｏｖ　１　３２口＆　ａ　＆　、　１　３ｐ　ｎＦ：　，，　。　＋　＋　＋　＋　广　一ｇ一　‘Ｍ）　

颗粒相连续方程和动量方程：　向波数；ｍ为径向波数；　为颗粒相与液相的比值；　

ａ　１　Ｏｖ　３ｖ　，　叩两圆筒的半径比；　为放大因子。　一Ｃ３ｔ＊十—　『－十　—０—０－一　—３—Ｚ－　—了－一　通过数值计算得出微粒质量分数与液体流动稳定　ａｒ　ｒ　ｒ　通也双但丌异僭出假秕Ｊ贞萤　甄与散侔况明稳　

ｆ２　）　性的关系，如图１所示。可见，颗粒质量分数越大，　

竽　譬＋　竽．＂Ｆｐｚｖ　一霉：’　篙蓍一十　——十——…一——＝　时　申１１ｎ　巫扁　＃：人　【ｌ爪燎　．　＿Ｅ　栅鲁　堆ｊ：日Ｉ百ｌ的　ｐｒ　ａ

ｒ　ｒ　ａ　ｒ　’ｘ　／／一　八　。　心；　。上　‘∞不０　刚ＨＪ　

，　＋　．　情况下，随着悬浮颗粒的半径增大，流体的流动稳定　

一　＋　（２ｂ）　性也越差。　

ｄ　．　＋ｄ　．Ｖｐ　Ｏｒ＃．　＋Ｏｒ＃　．　＿　＿＋　＿＋　

：一　＋　ｆ２　）　

等等　＋Ｖ　＝ｄ　肛　．　。ｃｌ　．　ｄ　。　ｃＩ移ｐｚ　．　一十　一十一——●十一　ａ￡　ｐｒ　ａｒ　ｒ　ａ　ａ　

一　．ｇ＋　（２ｄ）一…　十一　Ｉ￡【１　Ｊ　Ｐｐ　Ｏｚ　ｐｐｐ　将式（１ａ）、（１ｂ）、（１ｃ）、（１ｄ）、（２ａ）、（２ｂ）、　

（２ｃ）、（２ｄ）量纲一化整理　为　

Ｆ（Ｔａ，Ａ，咖，　，ｍ，　，叩，　）＝０　（３）　

式中．４为颗粒相质量分数：　为颗粒直径：ｋ为轴　图１不同直径微粒在悬浮液中的含量对流体流动　

时放大系数的影响　Ｆｉｇ　１　Ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｆａｃｔｏｒｓ　ｆｏｒ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｄｉａｍｅｔｅｒ　ｐａｒｔｉｃｌｅｓ　ｉｎ　

ｔｈｅ　ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ　ａｓ　ａ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐａｒｔｉｃｌｅ　ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｔｗｏ—ｐｈａｓｅ　ｓｕｓｐｅｎｓｉ

ｏｎ