水中杂质对水轴承性能的影响

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【摘 要】 杂质颗粒混入到介质中会对水滑动轴承承载能力产生一定的影响。根据多相流数值计算理论， 利用湍流模型， 选用欧拉-拉格朗日方法计算讨论了在水中杂质颗粒含量以及杂质颗粒直径对水轴承承载能力的影响程度。结果表明， 水中的杂质颗粒在一定含量范围内会提高水轴承的承载能力， 水膜压力分布规律基本不受水中杂质颗粒含量变化的影响； 在杂质颗粒直径小于水膜最小膜厚的情况下， 水中杂质颗粒直径的变化对水滑动轴承承载能力的影响程度很小。

【关键词】杂质颗粒；水滑动轴承；承载能力

在自然环境日趋遭受严重污染的现状下， 由于水技术具有无污染、摩擦因数低、经济节约等特殊优点， 世界各国对水技术进行了大量的应用研究与产品开发。最近十年来随着新型材料的发展和加工技术的进步， 克服了在早期水轴承中存在的诸如易腐蚀、易磨损、泄漏大、效率低等缺点， 水轴承开始广泛地进入食品、造纸、纺织、医疗、消防、冶金、采矿、原子能动力厂、海洋开发等工业应用领域。

滑动轴承在工作工程中常会出现一些微小杂质颗粒混入介质而形成液固两相流， 这一现象在实际应用中往往是不可避免。这种液固两相流对水滑动轴承承载能力这一重要设计指标会产生一定的影响， 因此， 对这一领域进行研究是十分必要的。本文作者根据多相流数值计算理论， 分析杂质的含量以及颗粒直径对水滑动轴承压力场分布以及承载能力的影响。

1.介质中杂质的来源

1.1 系统中存在的潜伏杂质

机械零件在铸造、机加工、清洗、装配、包装运输过程中都会残留微量的型砂、切屑、毛刺、淬火

盐、灰尘、锈斑等， 一些大型的系统元件， 如水箱等均含有此类杂质； 在系统的组装过程中也会产生一些杂质， 如磨屑、铁锈、焊渣等， 甚至在管接头拧紧的过程中也会产生一些颗粒污染物。在机械系统尚末运行之前， 这些杂质就已经潜伏在系统中。

1.2 从系统外部侵入的杂质

在机器的使用管理与维修、更换元件时， 杂质也会侵入系统。有些机械工作条件恶劣， 岩尘以及沙粒都会通过注水口、透气口、轴端密封等处进入系统。此类杂质的主要种类为岩尘、沙粒、泥浆等。

1.3 由系统内部生成的杂质

主要是由于滑动轴承在工作过程中发生摩擦磨损及表面疲劳和划伤， 滑动轴承表面公差配合不当， 元件内部的机械干扰、腐蚀、气蚀， 液体在高压高速下的冲蚀作用等原因造成的各种固体颗粒物。此类杂质的主要种类为滑动轴承材料颗粒， 如： 金属颗粒、橡胶颗粒、塑料颗粒等。

2.多相流流体理论

由于有固体颗粒混入了作为介质的水中， 因此水由单相流体变为多相流体， 单纯的流体就变为了复杂的液-固两相流体， 固体颗粒的存在会在一定程度上影响水的物化特性以及性能， 使其表现出一些与纯水所不同的性质。多相流是一种复杂的物理现象， 随着计算流体力学理论研究的深入和计算能力的提高为深入了解多相流动提供了基础，对多相流进行数值模拟已经迅速发展成为了一种极其重要和有效的研究手段。目前应用最多的多相流数值计算方法有欧拉-欧拉方法和欧拉-拉格朗日方法。

2.1 欧拉-欧拉方法

欧拉法着眼于空间的点， 基本思想是考察空间每一个点上的物理量及其变化。在欧拉法中， 不同相被处理成互相贯穿的连续介质。各相的体积比率是时间和空间的连续函数， 其体积分比率之和等于1。从各相的守恒方程可以推导出一组方程， 这些方程对于所有的相都具有类似的形式。从实验得到的数据可以建立一些特定的关系， 从而能使上述方程封闭。对于小颗粒流则可以通过应用分子运动论的理论使方程封闭。

2.2 欧拉-拉格朗日方法

拉格朗日法着眼于流体的质点， 基本思想是跟踪每个流体质点在流动过程中的运动全过程， 记录每个质点在每一时刻、每一位置的各个物理量及其变化。主体相是利用欧拉法计算， 而离散颗粒则是利用拉格朗日法进行粒子跟踪， 这就是所谓的欧拉-拉格朗日模型。将主体相作为连续相， 直接求解时均 Nav ier -Stokes方程； 将稀疏相视为离散颗粒， 通过计算流场中大量的粒子、气泡或是液滴的运动得到的。此模型虽然计算量庞大， 但是相对欧拉模型来讲， 精确度要更高一些。离散相模型能更准确地模拟气-固两相流动和一些粒子负载流以及用于跟踪固体颗粒、气泡、液滴在连续相中运动轨迹。该模型的一个基本假设是， 作为离散的第二相的体积比率应很低， 一般需要离散相含量不超过 15%。由于杂质在介质中含量一般不会超过 10%，故选用欧拉-拉格朗日方法来计算。并且考虑到作者所研究的固液密度有较大差异， 且两相间无质量交换， 因此对于连续相的计算选择改进的 k - ε分散湍流模型。

在湍流多相流动中， 动量交换项包含了固相瞬态分布和湍流流体运动之间的关系， 能够考虑到由湍流流体运动输送的固相分布。在欧拉-拉格朗日模型中描述离散相 （杂质颗粒） 的运动轨迹是靠作用在颗粒上的力的方程所得到的。单个颗粒在流场中运动时所受的力有曳力、压力梯度力、附加质量力、Basset力、Saf fman升力和M agnus力、重力等。但在作者所研究的液固两相流动中， 由于颗粒粒径较小、含量较低， 颗粒所受的流体曳力是最主要的， 其他力在量级上与之相比非常小， 因此将其忽略不计。

3 .分析

3.1 杂质含量对性能的影响

在一定范围内， 随着杂质含量的增加， 水膜的压力值增大， 尤其是靠近楔形滑块水膜入口处的压力值明显增加， 压力梯度变小。但总体的压力分布规律基本不受杂质含量变化的影响。水滑动轴承的承载能力随滑块速度的增大而增加； 随水中杂质含量的增大， 滑动轴承的承载能力随滑块速度加大的增幅愈加明显： 当速度为 5 m / s时， 水中杂质质量分数为 10%的滑动轴承的承载能力基本与水中无杂质的滑动轴承承载能力相近； 而当速度为 50 m / s时， 水中杂质质量分数为10%的滑动轴承承载力则达到水中无杂质时滑动轴承承载能力的 2倍左右。可见介质中杂质含量的增加在一定程度上可以比较明显地提高滑动轴承的承载能力。这一数值模拟计算结果与以往学者的多相流理论研究结果是相符的， 一些学者的实验也表明在水中添加一定含量的固体介质可以提高水滑动轴承的承载能力。虽然水中杂质含量的增加可以提高轴承的承载能力， 可是在一般工况条件下， 水中杂质并非为提高滑动轴承承载能力而专门添加的颗粒， 大多是混入水中的岩尘颗粒以及沙石颗粒， 其颗粒形状大小不一并且有的颗粒有尖角。根据相关的实验证明： 随着水中杂质含量的增加， 滑动轴承的磨损量会大幅增加， 从而将较大程度地降低滑动轴承的使用寿命， 而这也正是在实际工作中应该尽量避免发生的现象。

3.2 杂质粒径对性能的影响

杂质颗粒直径的变化对于膜的压力分布以及滑动轴承承载能力的影响都十分有限，基本上可以忽略不计。

而当水中混入的杂质颗粒直径大于轴承的最小水膜厚度时， 由于颗粒粒径大于水膜的厚度， 因此颗粒与滑动轴承的两个表面均发生直接接触， 将直接承担部分滑动轴承载荷。此时的计算已经不能采用简单的多相流理论， 而要综合考虑颗粒和滑动轴承表面的弹性变形。杂质颗粒直径大于最小水膜厚度时， 会加大滑动轴承的磨损， 这种情况也是要尽量避免的。鉴于以上的分析， 可以设定系统过滤网的最大过滤直径不能超过膜最小厚度。

4.结论

4.1随着水中杂质含量的增加， 水滑动轴承的水膜压力增大， 但水膜压力的分布规律基本不受杂质含量变化的影响。

4.2随着水中杂质颗粒含量的增加， 水滑动轴承的承载能力也相应增加； 随滑块速度的增加，

杂质含量对轴承承载能力的影响就越明显， 但应注意此时相应的磨损量也会增加。

4.3 杂质颗粒直径对水滑动轴承的水膜压力分布以及承载能力的影响程度很小。