水基磁流體軸承非Newton彈流潤滑分析

2013-07-21 02:51:34史修江王優強

軸承 2013年12期

史修江，王優強

(青島理工大學機械工程學院，山東青島 266033)

隨著納米技術的發展，磁性納米顆粒的應用研究備受關注，尤其是納米Fe3O4粒子，由于其無毒且易合成的特點成為廣大研究者的焦點。納米Fe3O4水基磁流體[1]是納米材料的一個成功應用，在磁場作用下水基磁流體既能表現出液體的流動性，又能表現出固體磁性材料的磁性，當Fe3O4微粒子的粒徑小于10～12 nm時，磁流體顯示出超順磁性，從引入磁場到撤去磁場，磁化從0到飽和均沒有遲滯現象。

水基磁流體主要特征是用水作為載液，避免了有機溶劑對環境的污染。其還具有超順磁性、生物兼容性和分散性好等特點，在動態密封、自潤滑、研磨拋光和環保等方面有很好的發展前景。如果用水基磁流體來潤滑滑動軸承，不僅可以實現對滑動軸承的連續潤滑，而且還具有一定的自密封性能，使滑動軸承更加環保穩定地工作。

1 彈流潤滑方程

1.1 Reynolds方程

磁流體實際上是在潤滑油中加入極細的固體磁粉以改善潤滑劑的潤滑性能，由于納米磁粉顆粒極小，不需要采用兩相流體模型，用指數率非Newton流體[2]模型分析即可得到滿意的結果。下文在文獻[3-4]的基礎上進行研究，使用的基本參數和公式相同。考慮熱效應、磁場和時變的Reynolds[5]方程為

(1)

(1)正弦單峰載荷時變公式為

(2)

式中：W(t)為變載荷(其隨時間正弦變化，如圖1所示)。圖中AW為載荷變化幅度；tp為載荷半波長；W0為單位長度穩態載荷。

圖1 載荷時變圖

(2)磁場力pM的計算式為[6]

(3)

1.2 膜厚方程

水基磁流體潤滑膜的膜厚計算式為

(5)

1.3 溫度控制方程

(1)潤滑膜能量方程和兩固體的熱傳導方程為

(6)

(7)

式中：T為潤滑膜溫度；u為流體的流速；q為流量；c，c1，c2分別為水基磁流體、軸、軸承的比熱容；k，k1，k2分別為水基磁流體、軸、軸承導熱系數；ρ，ρ1，ρ2分別為水基磁流體、軸、軸承密度；z，z1，z2為膜厚方向坐標變量，z1=-d，z2=d，d=3.15b，d為軸和軸承的溫度滲透層厚度。潤滑膜能量方程的溫度邊界條件為T(xin,z)=T0；軸熱傳導方程的溫度邊界條件為T(xin,z1)=T0;T(x,d)=T0；軸承熱傳導方程的溫度邊界條件為T(xin,z2)=T0，T(x,-d)=T0。

用上述無量綱參數把數學模型中的各方程無量綱化。

2 數值分析方法

采用多重網格法進行彈流潤滑的數值求解。通常網格越密，數值分析得到的結果精度就越高，但同時會帶來計算量增大和計算時間冗長的問題。求解所用的網格共6層，在最稠密的一層網格上沿x方向有961個節點，z方向有21個節點，潤滑膜內使用等距網格，節點數為9個，固液界面處和2固體內使用不等距網格，2體內節點數均為5個。

將變載荷時間tp按等步長劃分為30個瞬時，在每一個瞬時都需要對壓力和溫度交替進行求解。在計算壓力時，假定溫度場已知，通過解Reynolds方程求壓力，用該壓力求膜厚，并調整剛體中心膜厚使壓力滿足載荷平衡方程。在計算溫度時，假定壓力和膜厚已知，通過解油膜的能量方程和固體熱傳導方程得到溫度場分布，計算流程圖[7]如圖2所示。通過進行大量的計算，分析了不同網絡結構對求解結果的影響，得到的結論與文獻[7]相同。