【摩擦磨损与润滑】青岛理工大学王优强教授团队：固液两相流体属性对滚针轴承润滑与承载特性的影响
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2024-09-19 17:01
重庆
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滚动轴承作为应用最为广泛的支撑类工业零件，具有转动力矩小、旋转精度高、选用方便等特点。在运行过程中存在摩擦磨损，滚动副不可避免地产生了混入润滑油中的磨粒，也会因密封原因造成工作环境中的灰尘和泥沙杂质污染润滑剂。其中，滚针轴承的设计类型大多为无内圈敞开式，这大大增加了污染物进入润滑油的可能性。当润滑剂中混入固体颗粒成分后，会形成一种固液两相流体，并且其润滑性能相较于油润滑会发生改变。由此可见，分析混有固体颗粒的固液两相流体润滑承载特性，对研究轴承润滑性能具有重要意义。
青岛理工大学王优强教授团队建立了滚针轴承润滑模型和颗粒接触变形模型，综合考虑加速阶段固液两相润滑剂对滚针轴承润滑承载性能的影响，分析不同颗粒特性对颗粒承载和油膜润滑的影响。润滑油中颗粒的存在会改变其润滑性能，颗粒与轴承表面的接触摩擦会导致接触表面出现点蚀等现象，进而降低轴承的使用寿命，应尽量避免润滑油中含有尺寸较大、数量较多的杂质颗粒。滚针轴承三维模型如图1a所示。轴承在运行过程中受到离心力的影响，其接触载荷主要由滚针和轴承外滚道承担。通过计算轴承滚针的承载W和卷吸速度u等参数，求解滚针与滚道之间的线接触弹流问题。由于轴承中滚针的长径比较大，赫兹接触宽度远小于滚针宽度，且滚针轴承的外圈结构设计带有密封唇装置，可以保护轴承和防止润滑剂泄露，并不会出现端泄现象，因此可以将滚针与滚道的接触等效为无限长线接触，如图1b所示。线接触截面温度场结构示意图如图1c所示。![]()
选择颗粒的粒径分别为0.3、0.4、0.5 μm的两相流（以下简称0.3、0.4、0.5 μm尺寸）颗粒承载和最小油膜厚度（以下简称最小膜厚）随时间变化的对比曲线如图2a所示。可以看出，随着卷吸速度的增加，最小膜厚均呈现增大趋势。受到油膜承载和颗粒尺寸等因素的影响，不同颗粒尺寸下的初始最小膜厚不同，其中0.3 μm尺寸相较于0.5 μm尺寸的最小膜厚降低了54.6%。最小膜厚的增大，会伴随颗粒承担载荷的降低，0.5 μm尺寸颗粒所承担的载荷相较于0.3μm尺寸提高了119.2%。![]()
不同颗粒质量分数下，摩擦力随时间的变化如图3所示。在3种质量分数下，两相流体摩擦力均呈现下降趋势，且最终趋于稳定。当颗粒质量分数增大时，系统整体摩擦力增大。这是因为质量分数的增大会增加承载颗粒的数量，在不考虑颗粒之间相互作用的前提下，颗粒数量越多，则产生的摩擦力越大，但由挤压效应和剪切效应产生的润滑油摩擦力变化差异不大。故颗粒质量分数越大，则由颗粒产生的摩擦损耗越大。![]()
为了探究不同颗粒质量分数的磨损机理，对摩擦副的磨痕的三维形貌进行检测。在4种不同润滑条件下，GCr15材料磨损形貌如图4所示。可以看出，随着颗粒质量分数的增大，材料表面的划痕深度显著增大，且犁沟的宽度和数量均增大。这是因为颗粒质量分数的增大会增大接触颗粒数量，且颗粒的存在会对材料表面造成磨粒磨损，增大材料的点蚀效应，从而使材料摩擦表面出现较大的磨痕。![]()
基于滚针轴承润滑理论，建立了润滑两相流中颗粒变形承载数学模型，主要结论如下。1）当润滑油中含有颗粒时，颗粒会承担部分载荷，颗粒承载量受到颗粒物理性质和润滑油膜厚度协同作用的影响。2）研究了不同颗粒尺寸对颗粒承载量的影响，发现改变颗粒尺寸会改变颗粒变形量，进而影响颗粒的弹塑性变形力，选择较小尺寸的颗粒能够降低其承载量。3）研究了不同质量分数和密度对颗粒承载量的影响，发现改变颗粒质量分数和密度会相应改变两相流中颗粒数量与两相流介质的黏度、密度的关系，进而影响颗粒承载量和油膜特性，较大的颗粒质量分数和较小的颗粒密度会使颗粒承载量增大。4）在两相流中含有的固体颗粒会因承担载荷而产生接触摩擦力，该摩擦力产生的负效应远大于颗粒承载产生的正效应。为了确保轴承工作的润滑条件，应避免润滑油中混入数量较多、尺寸较大和密度较小的杂质颗粒。该文章发表在《表面技术》第53卷第15期。
引文格式：宋琦, 王优强, 竺俊杰, 等. 固液两相流体属性对滚针轴承润滑与承载特性的影响[J]. 表面技术, 2024, 53(15): 77-87.
SONG
Qi, WANG Youqiang, ZHU Junjie, et al. Influence of Solid Liquid Two Phase Fluid Properties on Lubrication and
Load Carrying Characteristics of Needle Roller Bearings[J]. Surface Technology,
2024, 53(15): 77-87.
DOI：10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2024.15.007
