摘 要

当微颗粒混杂到润滑介质中可能对水润滑尾轴承润滑性能产生一定的消极影响。按照多相流数值计算理论，可以建立起水膜流体的模型，通过运用湍流模型，选择基于Fluent仿真方法来对无槽情况进行计算，然后分析它在水中微颗粒含量、微颗粒分布情况等对水润滑轴承润滑性能会产生何种影响。并在有槽情况下做了关于水流速度、不同槽数、不同槽宽下对水润滑轴承润滑性能分析。同时还需要对无槽情况所产生的结果进行有效的检验，以保证结果是正确无误的。

在实验过程中，当处在水中的微颗粒在一定的数量范围内就能够提升水润滑轴承的承载强度；如果微颗粒的直径小于水膜的最小膜厚的时候，那么水润滑介质中的微颗粒直径对其承载强度不会产生太大的影响。改变微颗粒的在水膜的分布状态，对水膜的压力分布也基本不会改变，其中水膜的合力以及承载能力改变程度也不大。建立水槽水膜模型，进行计算，结果表明在加圆形水槽之后，水膜的压力分布受到影响，分布不均，在水膜润滑性能方面，颗粒对其影响程度与无槽的情况相差不大，但在有槽时的摩擦力大大减小，表明水槽对颗粒有收集排出作用。

关键词：微颗粒；水润滑尾轴承；多相流； Fluent；润滑性能

Abstract

The mixing of micro-particles in lubrication medium will have some influence on the lubrication performance and bearing capacity of water-lubricated tail bearings. According to the numerical calculation theory of multiphase flow, the water film fluid model is established, and the turbulent model is used. The Fluent simulation method is used to calculate and discuss the micro-particle content in grooveless situation, the micro-particle distribution and the influence degree of micro-particle diameter on the lubrication performance of water-lubricated bearings. And we analyze that lubrication performance of water-lubricated bearings under the condition that there are grooves, such as water flow velocity, different groove numbers and different groove width. And we have verified the results produced in the presence or absence of groove.

The simulation results show that micro-particles in water can improve the bearing capacity of water-lubricated bearings within a certain content range, and the pressure distribution law of water film is hardly influenced by the change of micro-particles in water; when the diameter of micro-particles is less than the minimum film thickness of water film, the change of micro-particle diameter in water-lubricated media has little influence on the bearing capacity of water-lubricated bearings. Changing the distribution state of micro-particles in the water film will not change the pressure distribution of the water film, and the resultant force and bearing capacity of the water film will not change much. We set up the water film model of water groove, and made calculation. The results showed that after adding circular flume, the pressure distribution of water film was influenced, and the distribution was uneven. In terms of water film lubrication performance, the influence degree of particles on it is not much different from that in the case of no grooves, but the friction force in the case of grooves is greatly reduced. This showed that the water groove has the function of collecting and discharging particles.

Key words: micro-particle; water-lubricated tail bearings; multiphase flow; Fluent; lubrication performance

目录

第1章 绪论 1

1.1研究的背景及意义 1

1.2研究方法现状 2

1.2.1水润滑轴承理论的研究进展 2

1.2.2基于Fluent水润滑轴承润滑仿真方法的研究进展 3

1.2.3杂质颗粒对轴承性能影响的研究进展 4

1.3本题研究的主要内容 5

1.4本章小结 5

第2章 基于FLUENT轴承润滑仿真理论基础 7

2.1FLUENT计算模型的建立 7

2.2计算流体力学控制方程 8

2.2.1质量守恒方程 8

2.2.2动量守恒方程 8

2.3流动状态分析 9

2.3.1流动状态判断 9

2.4湍流数值模拟的方法 10

2.4.1湍流基本方程 10

2.4.2湍流模型 11

2.5液固两相流理论 11

2.5.1欧拉方法和拉格朗日方法 12

2.5.2FLUENT软件仿真模拟方法 12

2.6多相流连续方程的建立 12

2.7本章小结 13

第3章 微颗粒对无槽尾轴承的性能影响分析 14

3.1净水质情况下基于FLUENT的有限元分析 14

3.1.1网格划分及边界条件设置 14

3.1.2网格无关性检验 16

3.1.3仿真结果分析 18

3.2多相流计算模型的建立 20

3.3仿真结果分析 20

3.3.1颗粒数目对轴承润滑性能影响分析 20

3.3.2颗粒尺寸变化对轴承润滑性能影响分析 25

3.3.3颗粒分布状态对轴承润滑性能影响分析 27

结果分析 28

3.4结论 30

第4章 微颗粒对有槽水润滑轴承的润滑性能影响 32

4.1水槽对水润滑轴承的重要性及水槽模型的建立 32

4.1.1建立带水槽的水膜三维模型及仿真分析 32

4.2不同水槽尺寸下对水润滑尾轴承的润滑性能影响 34

4.3结论 35

第5章 展望与总结 37

5.1本文总结 37

5.2研究展望 38

参考文献 39

致谢 41

第1章 绪论

1.1研究的背景及意义

最近这些年来，随着时代的进步，人们对环保越来越重视，产品需要改变并且创新出更多的节能环保型的这种意识得到了广泛的认同。进入二十一世界以来，全球使用的材料在不断的更新换代，各个方面的技术不断的得到快速发展，因此所生产的轴承性能也在不断的提高、不断完善和改进，不仅不易腐蚀、磨损，并且使用效率也被大大提高。正是诸多的优点，让水润滑尾轴承在各个工业领域中得到了大量的应用，是目前使用的比较广泛的轴承之一 ^[1]。

水润滑轴承利用水作为润滑介质，从而降低对油的依赖程度，同时符合环保的理念，降低了对自然环境的污染程度，是未来轴承发展的趋势。在实际的运用过程中，处在轻载工况下的水润滑轴承，轴承表面与其他物体接触产生摩擦时会产生弹性形变，在这一过程中就会形成楔形润滑膜，从而让轴承出现弹流润滑效应^[2]。

在工作工程中，水润滑轴承里面经常会有一些细小的微颗粒进入水润滑介质从而形成液固两相，成为两相流润滑，这种现象在实际情况中几乎不可能避免的。然而微颗粒混入轴承中主要从以下两方面进行分析。

水润滑介质中颗粒的来源

（1）从零件外部混入的杂质颗粒

轴承在日常的使用过程中，微颗粒混入轴承内部是难以避免的，几乎是不可能防止的。其中有些轴承的工作环境比较恶劣，沙粒等固体颗粒都会通过进水口、轴端密封、水槽等处进入水润滑介质中。微颗粒主要包括金属颗粒、沙尘之类的。

（2）由零件内部生成的微颗粒

内部生成的颗粒大部分原因是水润滑轴承在实际工作中发生了摩擦、疲劳及表面磨损和划伤，水润滑轴承表面公差不匹配，轴承内部的零件干扰、受到腐蚀、空气腐蚀，液体在高速高压的情况下的冲蚀等原因形成的各种固体微颗粒。

当水润滑轴承处于海洋的运作环境时，在轴承运行过程中，常常会有砂砾混入到轴承内部，微颗粒进行水润滑尾轴承内部必然会对轴承的运行产生一定的消极影响，不仅承载能力会下降，同时使用寿命也会有相应的缩短 ^[3]。因此，研究微颗粒对水润滑轴承润滑性能影响，可以降低使用成本，增长轴承使用寿命，优化轴承系统润滑结构，提高水润滑轴承的承载能力以及润滑性能，所以这一领域研究是十分有必要的。然而在这一过程中，虽然国内外都有许多研究和分析，但是这类研究主要针对理论阶段，在实践阶段很少有相应的研究结果。

1.2研究方法现状

在对水润滑轴承进行研究时主要涉及到以下两种方法即：多重网格法、顺解法和逆解法^[3]。水润滑轴承的润滑形式为薄膜润滑，它的水膜厚度十分小，然而水膜的压力值却非常高，同时水膜厚度与压力成负相关，即水膜厚度越大，压力就越小，反之亦然。

润滑学作为一门新型学科，在实际生活中应用比较广泛，从多重网格法来说，网格的择取实际上是非常不容易的。如果运用稀疏的网格那么轴承所计算出来结果与实际结果存在一定的差错，同时也会使得轴承的使用效率不高。而如果选择密度比较大的网格，那么计算过程就会相对复杂，所耗费的计算资源也回更多。但是多重网格法并不是一无是处的，这样计算方法能够从实际出发，可以解决许多难点问题。顺解法是把固定值代入雷诺方程从而能够求出压力值，如果在实际运用过程重发生了形变，计算过程就会变得复杂一些，还要根据p来求得h，^[3]。这种计算方法简单直接，并且能够准确的掌握数据，然而在轴承材料弹性较大的摩擦副中，数值就会变得不那么稳定了。另外，逆解法则是通过雷诺方程求解出给定下的值，虽然逆解法和顺解法各有优势，但是总的来说逆解法计算出的数值比顺解法更加稳定。

1.2.1水润滑轴承理论的研究进展

水润滑轴承是利用水为润滑介质，因而轴承不需要专门建立轴承室。水的黏度比较低，加上海水具有很强的腐蚀性，可能导致材料最终受到腐蚀而失去作用 ^[5]。因此水润滑轴承的轴承材料需要具有较高的硬度，较高的耐磨性（尤其耐磨粒磨损）和耐腐蚀性，较高的表面水润湿性和极小的吸水膨胀性等。随着科学技术的不断进步和发展，国内外的专家学者开始对水润滑轴承展开研究，并且在流体数值计算、整体结构设计等方面已经取得许多的理论成果。

Harish Hirani等^[6]对印第安海洋警卫队舰船只所使用的4种Thordon（“赛龙”）艉轴承材料进行系统的弹流理论计算和磨损模型分析研究。通过可以得知，当轴承的转动的越快，那么海水的动态黏度就是有相应的增加；如果对轴承的水槽进行恰到好处的飞陪，那么轴承的使用寿命将会得到相应的提高。当负荷、转速是固定的条件下，通过运用雷诺方程，就能够计算出所需的数值。

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