磁流体润滑机床主轴滑动轴承弹流润滑分析.pdf

2 0 1 2年 1 O月 第 3 7卷 第 1 0期 润滑与密封 LUBRI CATI ON ENGI NEERI NG Oc t ． 2 01 2 V0 1 ． 3 7 No ．1 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 0 2 5 4 0 1 5 0 ． 2 0 1 2 ． 1 0 ． 0 0 9 磁流体 润滑机床 主轴 滑动轴承弹流润滑分析 史修江王优强 青岛理工大学机械工程学院山东青岛 2 6 6 0 3 3 摘要建立磁流体润滑机床主轴滑动轴承的弹流润滑模型，并进行弹流润滑数值模拟分析。探讨载荷和速度对磁 流 体润滑膜压力 和膜厚的 影响。 分析结果表明 在磁流体润滑条 件下， 当 转速不变时，压 力峰 值随 着载荷的 增大 而增 ≥ 大，人 口区压力、膜厚及最小膜厚随载荷的增大而减小；当载荷不变时，压力随着速度的增加没有明显变化，膜厚及最 小膜厚都随速度增大而增加。 矗 关键词 磁流体； 弹 流润滑； 滑动轴承； 主轴 窖 中图分类号 T H1 1 7 ． 2 文献标识码 A文章编号 0 2 5 4～ 0 1 5 0 2 0 1 2 1 0 0 4 1 4 El a s t o h y d r o d y rna mi c Lu b r i c a t i o n Ana l y s i s o f Fe r r o flu i d Lu b r i c a t e d La t h e S p i nd l e Be a r i n g S h i X iu j ia n g Wa n g Y o u q ia n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g ， Q i n g d a o T e c h n o l o g i c a l U n i v e r s i t y ， Q i n g d a o S h a n d o n g 2 6 6 0 3 3 ， C h i n a Ab s t r a c t Th e e l a s t o h y d r o d y n a mi c l u b ric a t i o n mo d e l o f f e r r o flu i d l u b ric a t e d l a t h e s p i n d l e s l i d i n g b e a r i n g w a s e s t a b l i s h e d． T h e n u me r i c a l s i mu l a t i o n o f f e r r o flu i d e l a s t o h y d r o d y n a mi c l u b ric a t i o n o n t h e b e a rin g wa s , c a r r i e d o u t ． Th e e f f e c t s o f l o a d a n d s p e e d o n t h e p r e s s u r e a n d fil m t h i c k n e s s we r e d i s c u s s e d． Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e p r e s s u r e p e a k i s i n c r e a s e d g r e a t l y w i t h t h e i n c r e a s e o f l o a d， bu t t h e p r e s s u r e， fi l m t h i c k n e s s a n d mi n i mu m fi l m t h i c k n e s s a t i n l e t r e g i o n a r e d e c r e a s e d w i t h t h e i n c r e a s e o f l o a d a s t h e s p e e d i s c o n s t a nt u n d e r t h e c o n d i t i o n o f f e r r o flu i d l u b ric a t i o n． As t h e l o a d i s c o n s t a n t ， t h e s p e e d h a s v e r y l i t t l e e f f e c t o n t h e p r e s s u r e ， b u t t h e fil m t h i c k n e s s a n d mi n i mu m fil m t h i c k n e s s a r e i n c r e a s e d g r e a t l y wi t h t h e i n c r e as e o f s p e e d ． K e y w o r d s f e r r o fl u i d ； e l a s t o h y d r o d y n a m i c l u b ri c a t i o n ； j o u r n al b e a ri n g ； s p i n d l e b e a ri n g 在 机械装 备 中，为 了降 低磨 损 、提 高机械效 率 、 延长零件寿命常常要使用润滑油，但使用润滑油时难 免 出现 泄漏 ，会对环 境造成一定的污染 。因此发展一 种具有良好的抗摩擦性能、高的承载能力、高效率和 低污染 的润滑剂 ，一直是材料 、表 面工程 和摩擦 学领 域的一个重要研究课题。直到2 0世纪 4 0年代，一种 新型智能润滑剂磁流体的出现 ，使其成为可能。 滑动轴承上磁流体润滑技术⋯的应用 ，巧妙地将 磁流体在润滑与密封上的应用结合在了一起 ，在实现 连续平稳润滑的同时 ，通过控制磁流体位置来达到 自 密封效果。只要滑动轴承几何形状和磁场设计合理， 磁流体滑动轴承 可在不产生泄漏的情况下运转 ，从 基金项目国家 自然科学基金项 目 5 1 1 7 5 2 7 5 ；青岛科技计 划 项 目 1 2一l一 44一 2 一J C H ． 收稿日期2 0 1 2 0 5～ 0 8 作者简介史修江 1 9 8 9 一 ，男 ，硕士研究生 ，从事磁流体弹 流润滑研究．E - m a i l s h i x i u j i a n g 1 6 3 ． c o rn． 而可省去机械密封，减少轴承两端的摩擦和磨损。通 过调节磁场强度还可有效抵消重力和 向心力 ，增加承 载能力 ，从而提高滑动轴承寿命。磁流体润滑滑动 轴承可以实现零泄漏，同时外界的污染物也无法进入 轴承间隙，使滑动轴承环保可靠地工作。 1 磁流体滑动轴承弹流润滑模型 以某一磁流体润滑的机床主轴滑动轴承为例，进 行了弹流润滑数值分析 ，探讨了载荷和速度对磁流体 润滑膜压力和膜厚的影响。将机床主轴与轴承孔的几 何接触模型 见图 1 等效为一圆柱与平面的几何接 触模型，如图2所示。并将其看作线接触模型 ，根据 线接触弹流润滑理论 ，建立无限长轴承的线接触几 何模 型 。 图 1 ，2中 。 、 分别是主轴和滑动轴承 内表 面 的半径， 为等效曲率半径；h 、h分别是磁流体润 滑膜的刚体中心膜厚和实际油膜厚度 ； 为主轴的 表面线速度 ， 为轴承内表面线速度，U代表卷吸 速度。 4 2 润滑与密封 第 3 7卷 图 1 轴与轴承孔几何接触模型 F i g l Ge o me t r i c a l c o n t a c t mo d e l o f s h a f t a n d b e a r i n g 图 2 等效几何接触模型 Fi g 2 Eq u i v a l e n t g e o me t r i c a l c o n t a c t mo d e l 2控制方程 用 [ 4 1 0 1 国产磁 流体 载液 机油 ，磁 粉 为四氧 化三铁润滑机床主轴滑动轴承，磁流体环境黏度 田 0 0 ． O 1 P a s ，黏压 系数 2 ． 21 0 m ／ N，主 轴直径 d m-- - 2 0 0 m m，滑动轴承直径 d 2 0 0 ． 2 5 m m， 轴承的宽径 比 B ／ d4 ，主轴转速 1 7, 5 0 0 r ／ ra i n ，工 作载荷 F 4 0 0 0 k N。 2 ． 1 Re y n o l d s方程 适用于稳态等温线接触的广义 R e y n o l d s 方程 如下 d x t r ／ “ 1 P是磁流体润滑膜压力，记 1 ．0 为单位长度上 的载荷 ，压力 P应满足载荷方程 厂 _ p d 2 轴承宽 B 0 ． 8 m，单位长度上的载荷 1．0 F ／ B 51 0。N／m。 X i n代替 一∞润滑膜入口坐标，即计算域 的起始坐标 ， 为计算域 的终止坐标。边界条件 当 一 4 ． 6 b 、 。 1 ． 4 b时 ， P P 。 0 ； 当 i ≤ ’ ≤ 。 时 ， P ’ I0 。 2 P表示磁流体润滑剂的密度 ，采用 D o w s o n 和 H i g g i n s o n提出的密度方程“ 如下 p 3 式 中系数 C l 61 0 。 P a _ 。 ，C 2 1 ． 7 X 1 0 I 9 P a ～ P 0 是磁流体润滑剂的环境密度 ，其计算如下 P o 等 4 ’ 式中 和 分别是基液体积和固体颗粒体积 ；m 和 m。 分别是基液质量和固体颗粒质量。 对于 H ．I O 国产 磁 流体 的环 境 密度 p 01 ． 0 g ／e m 。 3 7 是磁流体润滑剂的黏度，润滑剂的黏压关 系采用 R o e l a n d s 经验公式表示为 r ／m-- ． ’ 7 0 e x p { 1 n r ／ 09 ． 6 7 [ 15 ． 11 0 一 P 一 1 ] } 5 式中 是 R o e l a n d s黏压系数；r ／ 。 是磁流体润滑剂 的环境黏度。 4 u为卷 吸速度 ，主轴 的速 度 U ． 5 ． 2 m ／ s ， 轴承速度 U 2 0 ，其关系 u _2 ． 6 m ／ s 6 2 ． 2膜厚方程 。 2 一 广p s l n s z dh 5 7 2 R d 。 一 J 一 p s l n s 7 1 E 为综合 当量弹性模量 ，本模型轴瓦材料 采 用锡青 铜 ，主 轴材 料为 4 0 C r ，锡青 铜 的弹性 模 量 和泊松比分别是 E 。 1 1 3 G P a和 0 ． 3 ；4 0 C r 的弹 性模量和泊松 比分别是 E 1 1 3 G P a和 0 ． 3 ，关 系如下 E 2 8 一 I 百 ／ 经计算得到 E 1 5 9 ． 6 G P a 。 2 R为等效曲率半径，对 于本模型 R 。 1 0 0 m m，R ， 1 0 0 ． 1 2 5 m m，其关系如下 一 f 9 R R1 R 经计算得到 R 8 0 m m。 3 h 为中心膜厚，工程应用时根据 D o w s o n 公 式提出中心膜厚公式 如下 h o1 1 ． 9 a 叼 0 E R “ 拍 m 1 0 为了减少参数 和计算 的稳定性 ，需对各方程进行 量纲～化 处理。定 义各量 纲一量如下 p ／ p ，h h R ／ b ，xx ／ b ，田r l ／ r l 0 ，Pp ／ p 0 ，I V ／ E R， Ur l ／ E’ R ，Go L E ’ 。用上述量纲一化参数把 2 0 1 2年第 1 0期 史修江等磁流体润滑机床主轴滑动轴承弹流润滑分析 数学模 型中的各方程量纲一化 。 3 数值 方法 用有限差 分法 离散 量 纲 一化 方 程 ，用 多 重 网格 法 m 进行 压力 的松弛 迭代 。最终 在最 稠密 的一 层 网 格上得到合乎精度要求的数值解。本模型用多重网格 法求解压力时 ，所用的网格共 6层 m 6 ，在第 后 层 网格上沿 方 向按等 步长划 分 n 1 个 网格 节 点 ， 最高层上 9 6 1 个节 点 。 从基本方程 的量 纲一化形式来看 ，各式构成 的是 一 个非线性 方程组 ，因此 要使用 全近似格 式 F A S F u l l A p p r o x i m a t i o n S c h e m e ，并用数值稳定性较好的 w循环，压力的收敛判据为 n ∑ I 一 I E R R P上 一 一 0 ． 5 9 6 5 7 。 h 。 使用杨沛然 教授导 出的计算 中心膜厚 的公式 ，即 厶 1 1 ． 9 ’ G 0 W 1 2 4结果分析与讨论 4 ． 1 压力和膜厚的分布 图 3为当 “ 2 ． 6 m ／ s ， 5 1 0 。 N ／ m时的磁流 体润滑机床主轴滑动轴承润滑膜 的压力和膜厚分布 图。可以看出，在磁流体润滑下压力分布没有出现明 显的二次压力峰，但是膜厚出现了明显的颈缩现象， 呈现 出一定 的弹流润 滑特征 。 图 3 压力和膜厚分布 F i g 3 P r e s s u r e a n d fil m t h i c kn e s s d i s t rib ut i o n 4 ． 2载荷 对磁流体润滑膜压力和膜厚 的影 响 ’ 图4，5是在 u-- 2 ． 6 m ／ s 时，不同载荷下磁流体 润滑膜压力和膜厚分布 图。可 以看 出 ，随载荷 的增大 压力峰值有明显的增大，而入口区的压力 、膜厚及最 小膜厚随载荷增大而减小 。 4 o l 2 0 盘 一 0 2 F i g 4 w 5 1 0 ‘ N／ m w 7 ． 5 1 0 N／ m w1 ． 1 25 1 0 7 N／ m ．1 0 1 x ／ b 图 4 不同载荷下的压力分布 Pre s s u r e d i s t ri b u t i o n u n d e r d i r e n t l o a d l 2 昌 电 兰1 0 ． 暑 暑 8 -1 ． 0 ． 0 ． 5 0． 0 0 ． 5 1 ． 0 x l b 图 5 不同载荷下的膜厚分布 F i g 5 F i l m t h i c k n e s s d i s t rib ut i o n u n d e r d i ff e r e n t l o a d 4 ． 3 不 同转 速 对 磁 流 体 润 滑膜 压 力和 膜 厚 分 布 的 影 响 图 6 ，7为在 W 51 0 N ／ m时 ，不 同转速下 磁 流体润滑膜的压力和膜厚的分布图。可见，转速对压 力影响不明显，而膜厚及最小膜厚都随转速的增大而 增大 。 4 0 霸 窆 3 0 宣 言2 0 蓦 1 0 0 ．2 一 l 0 1 x ／ b 图6不同转速下的压力分布 Fi g 6 Pre s s u r e d i s t r i bu t i o n u n d e r di ff e r e nt s p e e d 润滑与密封 第 3 7卷 15 1 0 O x ／ b 图7 不同转速下的膜厚分布 Fi g 7 Fi l m t h i c k n e s s d i s t rib u t i o n u n d e r d i f f e r e n t v e l o c i t y 5结论 1 通过数值分析得到了磁流体润滑机床主轴 轴承 的油膜压力和膜厚图 ，结果表明 ，用磁流体润滑 时 ，油膜厚度 出现 明显 的出 口颈缩现象 ，呈现 出一定 的弹流润滑特征。 2 当转速不变时，磁流体润滑膜的压力峰值 随着载荷的增大而增大，入 口区压力、膜厚及最小膜 厚随载荷的增大而减小 。 3 当载荷不变时，磁流体润滑膜的压力随着 转速的增加没有明显变化 ，膜厚及最小膜厚都随压力 增大而增加 。 参考文献 【 1 】高良风， 傅晓炜， 王瑞金． 磁流体润滑技术【 J ] ． 新技术新工 艺， 2 0 0 5 7 2 9 3 1 ． G a o L i a n g f e n g ，F u Xi a o w e i ，Wa n g a u i j i n ．T h e l u b r i c a t i n g t e c h n o l o g y o f m a g n e t o t l u i d[ J ] ．N e w T e c h n o l o g y ＆ N e w P r o c e s s ， 2 0 0 5 7 2 9 3 1 ． 【 2 】安琦， 孙林 ， 楼豪生， 等． 磁流体润滑滑动轴承的研制和性能 研究 [ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 4 ， 2 3 4 4 6 1 4 6 3 ． A n Q i ， S u n L i n， L o u Ha o s h e n g ， e t a 1 ． D e v e l o p me n t o f io u ma l b e a ring l ub ric a t e d wi t h f e r r o flu i d a n d e xp e r i me n t a l s t u d y o n i t s p r o p e r t i e s [ J ] ． M e c h a n i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ． 2 0 0 4 ． 2 3 4 4 6 1 4 6 3． 【 3 】何世权， 杨逢瑜， 杨瑞． 滑动轴承磁流体薄膜和润滑特性的 研究[ J ] ． 润滑与密封 ， 2 0 0 7 ， 3 2 1 1 2 6 1 2 8 ． He S h i q u a n， Ya n g F e n g y u， Ya n g Rui ．Re s e a r c h o n l ub r i c a t i ng c h a r a c t e r i s t i c o f t h i n fi l m a n d g l i d e b e a ti n g s a ff e c t e d b y ma g - n e t i c f l u i d [ J ] ． L u b ri e i o n E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 7 。 3 2 1 1 2 6 1 2 8． 【 4 】温诗铸． 摩擦学原理[ M] ． 北京 清华大学出版社， 1 9 9 0 ． 【 5 】邹继斌 ， 陆永平． 磁性流体密封原理与设计[ M] ． 北京 国防 工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． 【 6 】Y a n g P ， We n S ． A g e n e r a l i z e d R e y n o l d s e q u a t i o n f o r l i o n N e w t o n i a n t h e r ma l e l a s t o b y d r o d n a m i c l u b ri c a ti o n f J 1 ． AS ME J o u r ． h a l o f Trib o l o g y， 1 9 9 0， 1 1 2 6 3 16 36． 【 7 】D o w s o n D ， H i g g i n s o n G R ． E l a s t o h y d r 0 d y n a m i c l u b ri c a t i o n [ M J ． Ox f o r d P e r g a mo n Pr e s s， 1 9 7 7， 【 8 】R o e l a n d s c J A ． C o r r e l a t i o n a s p e c t s o f v i s c o s i t y t e m p e r a t u r e p r e s s u r e r e l a t i o n s h i p o f l u b r i c a t i n g o i l s [ D ] ． N e t h e r l a n d s D e l f t Uni v e r s i t y of T e c hn o l o gy ， 1 96 6． 【 9 】杨沛然． 流体润滑数值分析[ M] ． 北京 国防工业出版社， 1 9 9 8． 广研院 “ 零排放金属加工润滑材料及系统研究’’项 目通过验收鉴定 近 日，广州市科技和信息化局组织专家对广州机械科 学研究院有限公司承担的 “ 零排放金属加工润滑材料及系 统研究”项目进行了验收与科技成果鉴定。 项 目组成员从研究背景、研究 内容、总体完成情况 、 研究成果与国内外产品对 比等方面进行了详细的汇报。专 家组经过认真审阅相关材料、现场考察与讨论，一致认为 项目已完成了科技合同书所规定的内容，同意通过验收。 同时，鉴定委员会认为，项 目产品适用于多种材质和切削 加工，并能实现循环使用，有效解决了长期困扰机械切削 加工过程中的废 液排放 问题 ，技术成 果具有 很好 的应用价 值，推广条件成熟，市场前景广阔，总体技术达到国内领 先水平 ，同意通过科技成果鉴定 。 广研院 “ 机械工业润滑工程技术研究中心“通过中机联验收 近 日，中国机械工业联合会组织专家对广州机械科学 研究 院有 限公司承担的 “ 机械工业润滑工程技术研究中心” 以下简称 “ 工程 中心 ” 进行 了验收 。 会上，项 目组成员对工程中心三年来的建设完成情况 作 了汇报。专家组经过认真审阅验收材料、现场实地考察 和质询 ，认 为该 工程 中心 已完 成各项 建设 任务 ，达 到预期 目标 ，同意通过验收。 与会专家认为，通过开展设备润滑状态检测技术、设 备磨损故障诊断技术、金属加工润滑材料、装备制造防锈 技术、冶金和汽车制造润滑技术等的研究开发，完成了工 程中心的软、硬件建设，形成了承担国家、省市重大科研 项 目的能力，培养出一批高素质人才和研发团队，发挥 了 技术咨询、技术培训 、技术辐射等开放服务功能，促进 了 工业润滑技术的工程 化转 化及成果 推广 ，推动 了工业 润滑 行业整体的技术进步，取得了良好的社会效益和经济效益 ， 并特别肯定 了工程中心在绿色、环保 、低碳、节能、减排 工业方面取得的成绩 。 置1 1 、 鼍曲 呻 u 5 0 1 l 目 I 1