錢九娟　韓文君
（長春裝甲兵技術學院機械工程係）

　　摘　要（yào）：雜質顆粒混入到潤滑介質中會對水潤滑滑動軸承承載能力產生一定的影響。根據多相流數值計算（suàn）理論，利用湍（tuān）流模型，選（xuǎn）用歐拉-拉格朗日方法計算討（tǎo）論了在水中雜質顆粒含量以及雜質顆粒直徑對水潤滑軸承承（chéng）載能力的影響程度。結（jié）果表明，水中的（de）雜質顆粒在一（yī）定含量範圍內會提高水潤滑軸承的承載能力，水潤滑膜壓力分布規律基本不受水中雜質顆（kē）粒含量變化的影響；在雜質顆粒直徑小於水潤滑膜Z小膜厚的情況（kuàng）下，水中雜質顆粒直（zhí）徑的變化對水潤滑滑動軸承（chéng）承載能（néng）力的影響程度很（hěn）小。
　　關鍵（jiàn）詞（cí）：雜質顆粒；水潤滑滑動軸承；承（chéng）載（zǎi）能力
　　在自然環境日（rì）趨遭受嚴重（chóng）汙染的現（xiàn）狀下，由於水潤滑技術具有無（wú）汙染、摩擦因數低、經濟節約等特殊優點，世（shì）界各國對水（shuǐ）潤滑技術進行了大量（liàng）的（de）應用研究與產品開發。Z近十年來隨著新型材料的發展和加工（gōng）技術的進步，克服了在早期（qī）水潤滑軸承中存在的諸如易腐蝕（shí）、易磨損、泄漏大、效率低等缺點，水潤滑軸承開始（shǐ）廣泛地進入食品、造紙（zhǐ）、紡織、醫療（liáo）、消防、冶（yě）金（jīn）、采礦、原子能（néng）動力廠、海洋開發等工業應用領域。
　　滑動軸承在工作工程中常會出現一些微小雜質顆粒混（hún）入潤滑介質而形成液固兩相流（liú）潤滑，這（zhè）一現象在實際應用中（zhōng）往（wǎng）往是不可（kě）避免。這種液固兩相流潤滑對水潤滑（huá）滑動軸承承載能力這一重要設計指標會產生一定的影響，因此，對這一領域進行研究是（shì）十分必要的（de）。本文作者（zhě）根據多相流數值計算理論，分析雜質的含量以及顆粒直（zhí）徑對水潤滑滑動軸承壓力場分布以及承載能力的影響。
　　1　潤滑介質中雜質（zhì）的（de）來源（yuán）
　　1.1潤滑係統中存在的潛伏雜質
　　機械零（líng）件在鑄造、機加工、清（qīng）洗、裝配、包裝運輸過程中都會殘留微量的型砂、切屑、毛刺、淬火鹽、灰塵、鏽斑（bān）等，一些大型的潤滑係統元件，如水箱等均含有此類雜質；在潤滑係統的組裝過（guò）程中（zhōng）也會產生一些雜（zá）質（zhì），如磨屑、鐵鏽、焊渣等，甚（shèn）至在管接頭擰緊的過（guò）程中也會產生一些顆粒汙染（rǎn）物。在機械係統尚末（mò）運行（háng）之前，這些雜質就已經潛伏在潤滑係統中。
　　1.2從係統（tǒng）外部（bù）侵入（rù）的雜質
　　在機（jī）器的使用管理與維修、更換元件（jiàn）時，雜質也會侵（qīn）入係統。有些機（jī）械工作條件惡劣，岩塵以及沙粒都會通過注水口、透氣口、軸端密封等處（chù）進入（rù）潤滑係統。此類雜質（zhì）的主要種類為岩塵、沙（shā）粒、泥漿等。
　　1.3由係統內部（bù）生成的雜質（zhì）
　　主要是由於滑動軸承在工作過程中發（fā）生摩擦磨損及表麵疲勞和劃傷（shāng），滑動軸承表麵公差配合不當，元件內部的機械幹擾、腐蝕、氣蝕，液體在高壓高（gāo）速下的衝蝕作用等原因造成的各種固體（tǐ）顆粒物。此類雜質的主要種類為滑動軸承（chéng）材料顆粒，如：金屬顆粒、橡膠顆粒、塑料顆粒等。
　　2　多相流流體理論
　　由於有固體顆粒（lì）混入了作為潤滑介（jiè）質的水中，因此水由單相流體變為多相流體，單純的流體潤滑就變為（wéi）了複雜的液-固兩相流體潤滑（huá），固體顆（kē）粒的存在會在一定（dìng）程度上影（yǐng）響水的物化特性以及潤滑性能，使其表現出一些與純水所不同的潤滑性質。多相（xiàng）流是一種複雜的物理現象，隨著計（jì）算流（liú）體力（lì）學理論研究的（de）深入和計算能力的提高為深入了解多相流（liú）動提供了基礎，對多相流進行數值模擬已經（jīng）迅（xùn）速發展成為了一種極其重要和有效的研究手段。目前（qián）應用Z多的多相流數值計算方法有歐拉-歐拉方法和歐拉-拉（lā）格朗日方法。
　　2.1歐拉（lā）-歐（ōu）拉方法
　　歐拉法著眼於空間的點，基本思想是考察空間每一個點上的物理量及其變化。在歐拉法中，不同相被處理（lǐ）成（chéng）互相（xiàng）貫穿的連續介質。各（gè）相的體（tǐ）積比率是時間和空間的連續函數，其體積分比率（lǜ）之和等於1。從（cóng）各相的守恒方（fāng）程可以推導（dǎo）出一組方程，這些（xiē）方程對於所有的相都具有類似的形式。從實驗得（dé）到的數據可以建立一些特定的關係（xì），從而能使（shǐ）上（shàng）述方程封（fēng）閉。對於小顆粒流則可以通過應用分子運動論（lùn）的理論使（shǐ）方程封閉。
　　2.2歐拉-拉（lā）格朗（lǎng）日方法
　　拉格朗日法著眼於（yú）流體的質點，基（jī）本（běn）思想是跟蹤每個流體質點在流動（dòng）過程中的運動（dòng）全過程，記錄每個質點在（zài）每一時刻、每一位置（zhì）的各個物（wù）理量（liàng）及其變化。主體相是利用歐拉法計算，而離散顆粒則是利用拉格朗日法進行粒子跟蹤，這就是所謂的歐（ōu）拉-拉格朗日模（mó）型。將主體相作為連續相，直接求解時均Navier-Stokes方程；將稀疏相視為離散（sàn）顆粒，通過（guò）計算流場中大量的粒子、氣泡或是液滴的運動（dòng）得到的。此模型雖然計算量龐大，但是相對歐拉模（mó）型來講，精（jīng）確度要更高（gāo）一（yī）些。離散相模型能更準確地模擬氣-固兩相流動和一些粒子負載流以及用於（yú）跟蹤（zōng）固體顆（kē）粒、氣泡、液滴在連續相（xiàng）中運動軌跡。該（gāi）模型的一個基本假設是，作為離散的（de）第（dì）二相的體積比率（lǜ）應很低，一般需要離散（sàn）相含量不超過15%。由（yóu）於雜質在潤滑介質中含量（liàng）一般不會超過10%，故選用歐拉-拉格朗日方（fāng）法來計算。並（bìng）且考慮到作者所研（yán）究的固液密度有較大差異（yì），且兩相間無質量交換（huàn），因此對於連續相的計算選擇改進的（de）k-ε分散（sàn）湍流模型。
　　在湍流多（duō）相流動中，動量交換項包含了（le）固相瞬（shùn）態（tài）分布（bù）和湍流流體運動之間的（de）關係，能夠考慮到由湍流流體運動輸送的固（gù）相分布。在歐拉-拉（lā）格（gé）朗日（rì）模型中描（miáo）述離散相（雜（zá）質（zhì）顆粒（lì））的運（yùn）動軌跡是靠（kào）作用在顆粒上的力的方程所得到的。單個顆粒在流場中運動（dòng）時所受的力有曳力（lì）、壓力梯度力、附（fù）加質（zhì）量力、Basset力（lì）、Saffman升力和（hé）Magnus力、重力等。但在（zài）作者所研究的（de）液固兩相流動中，由於顆粒粒徑較小、含量較低（dī），顆粒所受（shòu）的流體曳力是Z主要的，其他力在量級上與之相比非（fēi）常小，因此將其忽略不（bú）計。
　　3　分析
　　3.1雜（zá）質含量對潤滑性能的影響
　　在一定範圍內，隨著雜質含量的增加，水潤滑（huá）膜的壓力值增大，尤其是靠（kào）近楔（xiē）形（xíng）滑（huá）塊水膜入口處的壓力值明顯增加，
壓力梯度（dù）變小。但總（zǒng）體的壓力分布規律基（jī）本不受雜質含量變化（huà）的影響。水潤滑滑動軸承的承載能力隨滑塊速度的增大而增加；隨水中雜質含量（liàng）的增大，滑動軸承的承載能力隨滑（huá）塊速度加大的增幅愈（yù）加明顯：當速（sù）度為5m/s時，水中雜質（zhì）質量分數（shù）為10%的滑動軸承的承載能力基本與水中無雜質的滑動軸承（chéng）承載能力相近（jìn）；而當速度為50m/s時，水中雜質質量分數為10%的滑（huá）動軸承承載力則達到水（shuǐ）中無雜質時滑動軸承承載能力的2倍左（zuǒ）右。可見潤滑介質（zhì）中雜質含量的增加在一定程度上可以比較（jiào）明顯（xiǎn）地提高滑動軸承的承載能（néng）力。這一（yī）數值模（mó）擬計算結果與以往學者的多相流（liú）潤滑理論研究結果是相（xiàng）符的，一些學者（zhě）的實驗也表明在水中添加一（yī）定含（hán）量的固體介質可以提高水潤滑滑動軸承的（de）承載（zǎi）能力。雖然水中雜質含量的增加可以提高軸承的（de）承載能力（lì），可是在一（yī）般工況條件下，水中（zhōng）雜質並非（fēi）為提高滑動軸承（chéng）承載能力而專門添加的顆粒，大多是混入水中的岩塵顆粒以及沙石顆（kē）粒，其顆粒形狀大（dà）小不一並（bìng）且有的顆（kē）粒有尖角（jiǎo）。根據相關（guān）的實驗（yàn）證明（míng）：隨著水中雜質含量的（de）增加，滑動軸承的（de）磨（mó）損量會大幅增加，從（cóng）而（ér）將較大程（chéng）度地降低滑動軸（zhóu）承的使用壽命，而這也正是（shì）在實際工作中（zhōng）應該盡（jìn）量避免發生的現象。
　　3.2雜（zá）質（zhì）粒徑（jìng）對潤（rùn）滑性能的影響
　　雜質顆粒直徑的變化對於潤滑膜的壓力分布以及滑動軸承承載（zǎi）能力的影響都十分有限，基本上可以忽略不計（jì）。
　　而當水中混入的（de）雜質顆粒直徑大（dà）於軸承的Z小水膜厚度時，由於顆粒（lì）粒徑大於水（shuǐ）膜的厚度，因此顆粒與滑動軸承的兩個表麵均（jun1）發生直接接觸，將（jiāng）直（zhí）接承擔部分滑動軸承載荷。此時的計算已（yǐ）經（jīng）不能采用簡單的多（duō）相流潤滑（huá）理論，而要綜合考慮顆粒和（hé）滑動軸承表麵的彈性變形。雜質顆粒直徑大於Z小水膜厚度（dù）時，會（huì）加大滑動軸承（chéng）的磨損，這種情況也是要盡量避免的。鑒於以上的分析，可以設定潤滑係統過濾（lǜ）網的Z大過濾直徑不能超過潤滑膜Z小厚度。
　　4　結論
　　4.1隨著水（shuǐ）中雜質含量的（de）增加，水潤滑（huá）滑（huá）動（dòng）軸承（chéng）的水膜壓力增大，但水膜壓力的分布規律基本（běn）不受雜（zá）質含量（liàng）變化的影（yǐng）響。
　　4.2隨著水中雜（zá）質顆粒含量的增加，水潤滑滑動軸承的承載能力也相應增加；隨滑塊速度（dù）的增加，雜（zá）質含量（liàng）對軸承承載能力的影響就越明顯，但應注意（yì）此時相應的磨損量也會（huì）增加。
　　4.3雜質顆粒直徑對水潤滑滑動軸承（chéng）的水膜壓力分（fèn）布以及承（chéng）載能力的影響程（chéng）度很小。