考虑颗粒行为的液-固二相流体润滑研究

摘要

在实际的润滑状况下，由于摩擦副自身磨损和外部环境的影响，润滑油内部不可避免的会有固体颗粒进入，形成所谓的液-固二相流体润滑。固体颗粒与润滑油的作用、固体颗粒与摩擦副表面的作用等问题对润滑性能将产生重要的影响，因此，展开液-固二相润滑的研究具有十分重要的理论和实际意义。 本文从理论和试验两方面对液-固二相流体润滑进行了研究。结合了考虑流变特性的雷诺方程、液-固二相流体的粘度、密度及油膜极限剪应力等流变参数的变化方程，同时引入颗粒承载和微凸体承载并考虑表面粗糙度的影响，建立了相应的分析模型和方法。通过研究表明：考虑表面粗糙度的液-固二相流体润滑的研究更加符合实际，微凸体和颗粒以及流体的承载与平均油膜厚度、颗粒浓度、颗粒直径、颗粒屈服应力和表面弹性模量等有很大的关系。 深入到润滑微观尺度，针对多颗粒存在情况下的液-固二相流体润滑问题，引入颗粒的位置、大小、颗粒间距离等参数，建立了润滑模型，并且运用有限元法进行求解，研究了颗粒分布对润滑油膜压力和承载的影响，研究发现颗粒的进入使得颗粒处的油膜压力有了明显的增加，颗粒分布对润滑油膜压力分布和油膜承载有明显的影响。 基于欧拉-拉格朗日模型，针对颗粒的动态行为及其对液-固二相流体润滑的影响问题进行了深入的分析，研究发现：颗粒在润滑区域存在三种运动形态，即从润滑区域出口处逃逸、在润滑区域入口处回旋、从润滑区域入口处逃离润滑区域，颗粒的初始位置对颗粒的运动状态有很大的影响，摩擦副的速度和流体的粘度对颗粒在润滑区域的运动也有一定影响。 在自行研制的端面摩擦磨损试验机上设计了相应的试验进行了试验研究。通过在润滑油中添加不同种类、大小和含量的颗粒分别进行试验，在线测量了润滑过程中摩擦系数和温度的变化情况。 综上，论文分别从颗粒的静态行为和动态行为对液-固二相流体润滑进行了理论分析，并设计相应的试验进行探讨，研究了颗粒行为对液-固二相流体润滑的影响，对促进液-固二相流体润滑理论的发展和完善将起到重要作用。

目录

文摘

英文文摘

论文说明:图表目录

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致谢

第一章绪论

1.1引言

1.2国外研究发展现状

1.2.1颗粒对粘度的影响

1.2.2双流体润滑模型

1.2.3颗粒产生的摩擦力

1.2.4颗粒在润滑区域的行为特性

1.2.5颗粒对摩擦副磨损和擦伤的影响

1.3国内研究现状

1.4国内外研究现状评述

1.5本文的研究内容及组织

1.5.1课题来源

1.5.2研究内容

第二章考虑表面粗糙度的液-固二相流体润滑分析

2.1引言

2.2基本理论和模型

2.2.1物理模型和雷诺方程

2.2.2流变学参数

2.2.3载荷分配

2.2.4摩擦力

2.2.5油膜平均温升

2.3数值计算

2.4结果与讨论

2.4.1不同假设的效果讨论

2.4.2各成分承载的变化

2.4.3颗粒直径和质量分数对承载和温升的影响

2.4.4颗粒压缩和剪切屈服特性产生的影响

2.4.5粗糙度与颗粒直径的耦合作用

2.4.6粗糙度与颗粒浓度的耦合作用

2.4.7表面弹性模量与颗粒剪切屈服应力

2.5本章小节

第三章颗粒分布对油膜压力的影响

3.1引言

3.2数学模型

3.2.1理论模型推导

3.2.2油膜厚度方程

3.2.3油膜承载

3.3数值求解

3.4结果与讨论

3.4.1最小油膜厚度相同时颗粒分布对油膜压力的影响

3.4.2相同承载下颗粒分布对润滑性能的影响

3.4.3不同承载下颗粒分布对润滑性能的影响

3.4.4油膜厚度方程不同时颗粒对压力分布的影响

3.5本章小结

第四章颗粒在润滑区域的运动形态模拟

4.1引言

4.2基本理论

4.2.1流体控制方程

4.2.2颗粒在流体中的受力分析

4.2.3边界条件

4.2.4颗粒轨道方程的计算

4.3数值模拟

4.3.1离散模型介绍

4.3.2建模及网格划分

4.3.3软件仿真和编程计算对比

4.3.4离散模型模拟颗粒流动

4.4结果与讨论

4.4.1颗粒轨迹在润滑区域的三种运动形式

4.4.2颗粒初始位置对颗粒运动轨迹的影响

4.4.3颗粒直径对颗粒轨迹的影响

4.4.4摩擦副表面速度对颗粒轨迹的影响

4.4.5流体粘度对颗粒轨迹的影响

4.4.6对润滑性能的影响

4.5本章小结

第五章试验研究

5.1引言

5.2试验设计

5.2.1试验机原理简介

5.2.2试件设计

5.2.3润滑油、及颗粒的理化特性

5.2.4试验油样配制

5.2.5试验注意事项

5.3试验结果与讨论

5.3.1颗粒特性对摩擦的影响

5.3.2质量分数对摩擦的影响

5.3.3颗粒尺寸对摩擦的影响

5.4本章小节

第六章结论与展望

6.1论文主要结论

6.2论文创新点

6.3展望

参考文献

攻读博士学位期间参与的科研项目

攻读博士学位期间公开发表的论文