磨损轴颈轴承的混合和流体膜润滑特性

摘要

在数值上检查与形状滑动轴颈轴承的磨损改变了混合和流体膜润滑特性。它采用既通过格林伍德和威廉森和由Patir和程提出的平均流量模型提出的凹凸接触机构的混合润滑模型包括吸附膜的影响，并且被施加的弹性变形。考虑粗糙度相互作用，所述凹痕深度的在轴颈中心的轨迹的影响和操作条件下，凹凸接触和液体动压流体压力，摩擦，和泄漏进行了讨论。下面的结论。在混合润滑状态时，轴承的凹陷显着影响接触和流体压力。对于较小的凹痕时，接触压力和摩擦系数降低。在混合和流体膜润滑状态，对于较大的凹痕的压力和系数增加。此外，由于凹部增大，并且索末菲数减小时，流速连续地增加。

1.介绍

水动力径向滑动轴承广泛用于燃气轮机、涡轮发电机、泵、机床等各种机械设备的主轴轴承[[endnoteref: 2]]。1-4]。轴承的及时和适当的维护，确保他们是由一个流体膜润滑，使他们能够运行很长时间。

然而，滑动表面在启动，关闭部分接触，和低速条件下，即，轴承施加在混合润滑状态下操作。该轴承衬套的滑动部分的材料通常由相对较软的金属的如白色的金属和铜 - 铝的合金。因此，当在轴承为一个特定时间段的混合润滑状态被操作时，滑动表面塑性变形和磨损[五，形成凹痕，导致间隙形状在设计时因尺寸而改变。这种形状变化会影响轴承的性能。

的磨损轴颈轴承的静态和动态特性进行了研究和桥本和田[6，7]，Kumar和米什拉[8，9]，和Tanaka和铃木[10，11]。与此同时，他们的热流体动力学特性也研究了菲永及BOUYER [12]。许多研究人员对径向滑动轴承的混合润滑特性进行了研究，如S. A. Mckee和T. R. Mckee [13]， Burwell等[14],Kreisle [15]，风间和藤原[16]，Nonogaki和中原[17]和Wang等。[18-20]。然而，凹陷轴颈轴承的几个理论研究，包括粗糙度和粗糙表面接触之间的相互作用已经出版。

该研究分析了数值滑动流体动力轴颈轴承与流体膜和混合润滑机制磨损凹痕模型。包括粗糙度相互作用，形状的影响通过改变磨损摩擦和泄漏以及接触压力和流体压力进行检查。此外，轴承特性等温和稳态条件下进行讨论。

2.理论

2.1。理论模型和坐标

数字1显示了磨损凹陷流体动力轴颈轴承模型的坐标。干扰和配合表面粗糙度的接触被认为是，而轴颈的位置偏移，产生热量，以及动态加载的条件的影响忽略不计。假定在轴承间隙的润滑剂的层流。

一种混合润滑模型[21]，采用Greenwood和Williamson提出的粗糙接触机制(以下简称GW模型)[22]和Patir和程（在下文中，PC模型）[提出的平均流模型23，24]用于这一分析。此润滑模型的细节在[描述25，26]。

2.2。无量纲基本方程

粗糙面接触的承载能力是从弹性和塑性接触的能力估计。微凸体接触压力和平均超过一个小的表观面积由下式给出[22]

哪里是分离，是弹性=相当于模量，是较软的材料的硬度，，是粗糙的平均半径，η是凹凸的密度，并σ*为粗糙峰顶高度的标准差= 0.7σ。的关系 ),= 1.5 适用于这些中间平面[27]。下标和表示凹凸的弹性和塑性变形，分别。此外，该功能表示如下：

哪里是标准的概率密度函数=（2π）^-1/2EXP/ 2）。粗糙表面的标准平面或者是山顶平均平面或表面平均平面，其中前者在GW模型中使用和在PC模型后者[23，24]。

采用PC模型，平均雷诺数方程描述如下:

哪里ϕ_θ和ϕ_ÿ是沿着所述压力流量因素θ和轴,分别ϕ_小号是剪切流的因素。压力边界条件如下：=(=大气压力)在轴承的侧面和（=在槽的流体压力）的供给口的边缘。

负载平衡由于接触的凹凸和流体可以从下面的积分来计算：

侧泄漏流量是（谁）给的

此外，摩擦由于接触和摩擦的凹凸由于流体作用于滑动表面，公式如下[25]: 哪里是土地面积，是真正的接触面积，是表观面积，为加载参数，])为剪切强度，是吸附膜的剪切强度。，和是PC模式后的因素[23，24]。参数由固体接触凹凸的面积比[给定25]，其中为粗糙接触的平均半径，是弹（EHL）薄膜的点接触的厚度，并是在干摩擦的实际接触面积比率。

最后是摩擦系数被定义为

清除轴承磨损时，为

哪里表示定义为的磨损凹痕和是最大磨损深度的[五]。

2.3。计算过程和使用的参数

雷诺方程由有限差分法离散，并且将溶液通过迭代方案获得的[16]。操作条件由以下参数指定:间隙比C/[R= 0.001，等效弹性模量=83。6 GPa, hardness of softer materials= 2五0 MPa, bearing-width ratio大号/（2[R）= 0.5，槽宽= 0.8，润滑剂供给压力=0。1 MPa, bearing radius[R= 50mm，轴承载荷w ^= 10kn，粗糙顶的等效半径=0。0五 mm,（：微凸体密度，σ*：凹凸峰会高度的标准偏差），粘度μ= 27.2 mPa·s，槽的周向范围角=π/9 rad，流体密度ρ= 850公斤/米³，相当于表面粗糙度σ= 1 μ米，该吸附膜的剪切强度= 1五 MPa, and shear strength at the plastic contact= 70 MPa. The roughness is assumed to be isotropic, so that the roughness parameterγ在PC模式统一。

3。结果与讨论

数字2显示该杂志的轨迹相对于磨损凹痕。当轴瓦没有磨损，也就是最大磨损深度= 0时，轨迹形成半圆。作为增加时，位点向的方向移动ϕ= 0，即，垂直。的偏心率ε因为布什磨损变得大于一（> 0）和本地间隙大于径向间隙大C。

数据3 -3 示出了流体压力和凹凸接触压力的操作条件下= 10⁰-10^-3。在条件= 10⁰和10^-1，即表面接触压力整个圆周的轴承间隙保持为零，相当于流体膜润滑。在条件= 10^-2和10^-3，是部分正，其对应于混合润滑。

（一个）

（b）中

（C）

（d）

图3

⁰ ^-1 ^-2 ^-3 （a）中的流体压力的分布（ = 10）（b）中流体压力分布（=10）;（c）中的凹凸接触压力的分布和流体压力（=10）;（d）表面接触压力分布 and fluid pressure（=10）。

在流体膜润滑（图图3（a）和图3（b）），两个峰值或一个峰和驼峰似乎出现较大。这是由于磨损的凹痕在轴承间隙中形成了两个楔片。另一方面，在混合润滑(数字)图3（c）和3（d）），接触压力在周围山峰θ=π弧度和流体压力在圆周上的位置，峰在上游θ的高峰。这是因为在最小间隙处的表面接触，而有效的楔板膜位于最小间隙之前。当= 0，的峰和是锋利的。作为稍有增加，峰值变得光滑，并作为进一步增加，无论是和增加。

数据4和五描绘磨损凹痕的影响关于摩擦系数FR/C和侧泄漏流量,分别。在混合润滑状态下，系数为FR/C是最大的= 0和为最小的= 0.1;对于> 0,的增加,FR/C增大。在流体膜润滑状态，凹部的效果上FR/C相对较低。在混合润滑状态时，泄漏增加几乎线性的随着索姆菲尔德数的增加而不断增加减少。

数据6和7显示最大的流体压力以及最大的表面接触压力在索末菲数量方面,分别。最大压力的粗糙接触增加减少低于= 10^-2。这是最大的= 0，且最小= 0.1但随着增大。与此相反，最大压力的流体压力上变化= 10⁰-10^-3，它围绕最大化= 2〜5×10^-3并在最小化= 10^-2-10^-1除了的情况下= 0.1。特别是,是对于没有凹痕和大磨损痕迹轴承混合润滑最大的，但它是在流体膜润滑状态最大的轻微磨损痕迹轴承。因此，轻微磨损轴承套（= 0.1），使减少的流体压力的最大值和凹凸接触压力。

数字8示出了轴承宽度的比率的效果大号/d（d= 2[R）对轴承性能。对于具有和不具有凹陷的轴承，作为比大号/（2[R）减小，摩擦系数FR/C和侧漏在整个范围内增加= 10^-3-10⁰ (= 0.5），其中，有在系数较大的变化FR/C在混合润滑状态。

数字9示出的表面粗糙度的影响σ/C关于摩擦系数FR/C和侧漏在索末菲数量方面。用于从流体膜，混合润滑的过渡是用于轴承磨损大。与此相反的效果，σ/C对漏是比较低的。

4。结论

与在混合和流体膜润滑磨损凹痕滑动轴颈轴承的摩擦学特性进行数值的稳态条件下观察。磨损凹痕深度都和在轴颈中心轨迹，凹凸压力分布，流体压力分布，摩擦系数，表面粗糙度相互作用，和泄漏流量的效果在广泛的操作条件进行讨论。其显着的结论如下。

在混合润滑，用于与无凹陷的轴承，凹凸接触的压力峰值和流体压力急剧;作为凹痕略有增加，峰值变小，并作为凹痕进一步增加，两者的压力增加。摩擦系数是最大的，没有凹痕和最小的为那些有浅凹陷轴承;用于与凹痕轴承，该系数与所述凹痕深度增加而增加。在流体膜润滑，流体压力分布显示两个峰或者一个峰并且对于大的凹痕驼峰。另外，摩擦系数较少受凹痕，并与凹痕深度的泄漏量增大的影响。

类似的趋势观察到较小的宽度轴承和粗糙的表面轴承。轴瓦轻微磨损的轴承可以降低流体和表面接触压力的最大值。

命名和无量纲参数

C：	平均清除
d：	磨损凹痕深度
Ë：	怪癖
	摩擦力
	量纲摩擦力=
F：	摩擦系数
	间隙
	无量纲的余量=H/C
	电影参数=H/σ
大号：	轴承宽度
	粗糙接触压力
	无因次粗糙度-接触压力=
	流体压力
	无量纲流体压力=
	轴承压力=
	侧泄漏流量
	无量纲侧泄漏流量
[R：	轴承半径
：	索姆费尔德数=
	轴承载荷
	量纲轴承负荷=
X;ÿ：	坐标
	量纲磨损凹痕深度=d/C
	最大磨损凹痕深度=/C
ε：	偏心率=Ë/C
ξ;η：	直角坐标系
θ;	无量纲坐标=X/[R;ÿ/大号
θ_Ë：	结束在接触角
θ_小号：	开始接触角
μ：	粘性
σ：	表面粗糙度高度的标准偏差
ϕ：	姿态角
ω：	轴颈角速度。

标

A：	粗糙
E：	弹
F：	体液
电话号码：	塑料
0：	参考。

承认

作者想表达自己的感谢，室兰工业大学的名誉教授藤原满。

参考

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摩擦学的发展

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