固-液耦合作用下颗粒在水润滑粘弹性体/金属界面间的运动及其对磨损的影响研究

Water, instead of oil as a lubricant, is safety, environmental protection, energy saving, which is one the research hot points . But water-lubricated viscoelastic body / metal friction pair, like rubber bearings, will be wore seriously by sediment in gritty waters. Of more concern is that the wear of the journal is more critical. To solve these problems, this project extracts the common problems from industrial practice, and study the impact of particles on hydrodynamic effects and abrasion mechanism of such pairs from the observing point of the particle behaviors between the water-lubricated viscoelastic body / metal interface. Combining numerical calculations, Finite Element Analyses (FEA) and tests , establishes a three body contact Finite Element Model (FEM) for this kind of friction pairs to explore the impact of tough particles on hydrodynamic effects，such as water film thickness, pressure distribution and so on.Develop a dynamic model for the random particles in the wedge space of a friction pair, and research the terms and conditions for its entrance into the concentrated contact zone. Take the particle rolling, tearing and release of the contact surfaces into account, and study how particles pass by the concentrated contact zone and corresponding impact. In consideration of thermomechanical effect，reveal the abrasion mechanism induced by particle motions. Based on the combination of theoretical and experimental analysis，deduce the moving route of particles with minimal damage to the counter faces, to provide a theoretical basis for the design of new anti- sediment water lubricated support systems.

用水代替润滑油作为润滑介质具有安全、环保、节能等优点，是目前的研究热点之一。但橡胶轴承类水润滑粘弹性体/金属摩擦副在多泥沙环境中推广使用时易因泥沙而产生磨损，且轴颈磨损更严重。针对这些问题，本项目从工业实践中提炼出共性问题，从分析颗粒在水润滑粘弹性体/金属界面间的运动规律入手，研究泥沙环境中该类摩擦副的磨损机理。采用数值计算、有限元仿真以及试验等手段，建立该类摩擦副三体接触软弹流润滑模型，研究颗粒对其水膜厚度、压力分布等水动力参数的影响。建立摩擦副楔形空间内随机颗粒的动力学模型，研究其运动规律及进入摩擦副承载区的机制；考虑颗粒对摩擦副表面的碾压、撕拉和释放作用，研究颗粒在摩擦副承载区的行为。考虑热效应，揭示颗粒运动所诱导的磨损机理。最后，将理论和试验分析相结合，推导颗粒以最少伤害通过水润滑粘弹性体/金属摩擦副的方式及条件，为新型抗泥沙水润滑支撑系统的设计提供理论依据。

本项目以润滑水中的球形硬质颗粒为研究对象，研究其在水润滑粘弹性体/金属摩擦副中受力、运动及相关行为。首先，根据粒径，将润滑剂中的固体颗粒分为粒径小于最小膜厚的细沙型小颗粒和粒径大于最小膜厚的大颗粒，对两者分别展开研究。小颗粒与水组成悬浮液，小颗粒的含量影响润滑剂的粘度，进而影响润滑性能。研究表明，随着颗粒质量分数的增加，轴承的承载性能逐渐增加。对润滑剂中的大颗粒进行受力分析，其主要受到液体阻力和压力梯度力的作用，二者大小均与颗粒粒径、轴承转速、颗粒所处位置以及影响最小膜厚的工况有关。由此推导了颗粒与摩擦副发生应力接触的临界粒径。其次，颗粒运动至与摩擦副接触后，还会受到摩擦副的压力和摩擦力，为此建立了三种颗粒与摩擦副接触的三体模型，并进行了求解分析。根据求解结果，将摩擦副上划分出颗粒应力接触区和卷入区两部分，推导了颗粒卷入摩擦副承载区的条件。最后，建立了颗粒从接触到卷入摩擦副的运动模型，计算了运动过程中颗粒的位移以及摩擦副的变形。随着颗粒质量、速度的增加，摩擦副变形量会增加，颗粒位移增加。随着颗粒粒径的增加，摩擦副的变形量会减小，颗粒的位移减小。给出了颗粒与轴承摩擦副的接触面积及承载力的计算表达式。