磁场强度对水基磁流体滑动轴承弹流润滑性能的影响分析

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磁流体l1l是由磁性粒子、活性分散剂和载液融合而成的胶体。

现在磁流体已经广泛应用于减震器日、阻尼器等机械设备中。目前磁流体出现了-个新的研究领域-磁流体润滑剂，磁流体作为-种新颖的润滑剂润滑滑动轴承时，呈现出许多固态材料所没有的奇异特性，在磁场作用下，可以被控制、定位、定向与移动。利用其在非均匀外磁场作用下所表现出的磁l生和流动性，可与永磁体构成磁回路，具有-定的自密封性能，因此不会对外界产生污染，同时外界的污染物也无法进入滑动轴承间隙。磁流体润滑滑动轴承示意图13]，如图1所示。由永磁体产生磁场的方向垂直于磁流体的流动方向，所以流体中的感生电流与磁场相互作用可以产生洛仑兹力 ，其方向与流体的流动方向相反，对流体的运动起阻滞作用，使流体的等效粘度成倍增加，从而大大地提高轴承的承载能力。

磁图 1磁流体润滑滑动轴承不恿图Fig.1 Ferrofluid Lubrication Journal Bearing Diagram2数学模型磁流体润滑滑动轴承的线接触I4]弹流润滑模型和等效几何模型，如图2所示。

3控制方程在磁场作用下，对水基磁流体进行热弹流数值分析，水基磁来稿 日期：2012-06-09基金项目：国家自然科学基金资助项 目(51175275)；青岛科技计划资助项目(12-l44-(2)-JCH)作者简介：史修江，(1989-)，男，在读硕士研究生，主要研究方向：磁流体弹流润滑研究224 史修江等：磁场强度对水基磁流体滑动轴承弹流润滑性能的影响分析 第4期流体[51的比热容co4200J/(kg·K)，导热系数 。0.586W/(MK)，粘压系数a2.2x10-SrnZ/N，粘温系数 0.042K～。轴的比热容为Cl670 J/kg·K，导热系数为kl30W/(mK)；轴承的比热容为C：343J/kg·K，导热系数为k224.8w/(mK)。轴的弹性模量和泊松比分别是E2206GPa和V l：0.28，轴承的弹性模量和泊松比分别是 El113GPa和 。：O.3；轴和滑动轴承的直径分别为 dI200ram，d2200.25mm；轴和轴承的密度分别是Pl8.8xlOSkg/ms，P27.8x10 kg/m ；主轴转速是 n500r/min，工作载荷 F4000kN，轴承的宽径比B/d为 4。

图2线接触弹流润滑模型和等效几何模型Fig.2 Line Contact EHL Model and Equivalent Geometric Model图中： 、 i、R-轴半径、滑动轴承半径和等效曲率半径； 、-刚体中心膜厚和实际膜厚；U 、 、 -轴的速度、轴承速度和卷吸速度，卷吸速度 ( 。 )，2。

3.1 Reynolds方程考虑磁场作用和热效应的Reynoldst6程如下：砉 ) hs ㈩其中( ) ：l：I，.po/，.-p1)p ( ) 1 出 出 1 hdz ， 亭。

(1)p是磁流体润滑膜压力，满足载荷方程：，Kout f pdx (2)KIn式中： -单位长度的载荷； 算域的起始坐标； 广计算域的终止坐标。

取边界条件： -4.6， 1.4时，p(x ) ( )o； 时，p(x )30。

(2)p 是磁场力 ，其表达式：rp JOoMdH (3)式中：MXHBX/[(1 ]， -磁化强度； 场强度；感应强度，磁化率XI，真空磁导率/Xo4叮T×10 N/A 。

(3)p表示磁流体润滑剂的密度，计算如下：pp。[IC，p/(1G2p)-C，( )] (4)式中：Cl0.6×10 Pa～，C21.7×10 Pa～，C30.00065K～，磁流体润滑剂环境密度[81，其计算如下：V Vp器 (5)式中： ， 厂基液体积和固体颗粒体积；m 、%-基液质量和固体颗粒质量。四氧化三铁磁粉密度5.18x10，kg/m3，水基载液例 oexp(1nr/o9.67)x 筹 ㈦式中rZ0 5.1xlO(1nr/o9.67)]，8o卢( -138)/(1n。9.67)，7/。

。 1 5 咖 (7)3.2膜厚方程h(x) 。 奇～ (s)ln( -s) 山 (8) ( )： - 1 (10)尺， 尺 ho：11.9 ( U o7，EⅦ R W (11)3.3温度控制方程cI u OT OT J 2- p韭OT(韭Ox (誓 ( 2)滑膜导热系数；润滑膜温度；g-润滑膜流量qO/(Ox j叫 -卫rfc 警) -半 (13润滑膜能量方程的温度边界条件为：r(x ，z) ；轴的热传化处理。定义各无量纲量如下： ，-'Yno，i'p/po，WW/ER，IUo/E R，h-R/b ，xx/b，z ，RePoUbhlo，ReRe(h/b)，uu/U，Trtro。

No.4Apr.2013 机械设计与制造 2254数值方法无量纲化后的方程用有限差分法离散，压力的求解用多重网格法，弹性变形的求解用多重网格积分法旧，温度场的求解用逐列扫描法。求解压力时，所用的网格共6层，最高层上961个节点。计算温度场时，由于润滑膜内温度梯度大，使用等距网格，节点数为9；固体内靠近固液界面处温度梯度大，远离固液界面处温度变化趋于平缓，故使用不等距网格，两固体内未知温度的节点数均为5。从润滑膜人口扫描至出口，求出21个节点上的温度。压力、载荷和温度迭代收敛条件均为小于前后两次迭代的相对误差0.001。

5结果分析5.1有无磁场作用下的压力和膜厚的对比用磁粉体积分数为 10%、20%、30%的水基磁流体润滑滑动轴承时。在没有磁惩在磁感应强度为20mT的条件下，润滑膜的无量纲压力和膜厚图，如图3-图5所示。

晶爵鲁二吕dimensionless eoordinte x/b dirI nsion1ess coordinte /占(a) (b)图5膜厚和压力分布(3O%)Fig.5 Film Thickness and Pressure Distribution(30%)由以上3图可知，磁场的存在使水基磁流体的膜厚有所增加，主要原因是由于磁场的存在增加了磁流体的粘度，但是磁场对压力没有明显的影响。

42不同磁感应强度下的水基磁流体润滑膜的压力和膜厚分布不同磁感应强度下的30%磁粉的水基磁流体润滑膜膜厚和压力分布图，如图6所示。由图6可知，随着磁感应强度的增加水基磁流体润滑膜的膜厚不断增大，但是磁感应强度的增加对润滑膜压力影响不明显。

- 1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0dimensiordess coordinte x/b(a)图6膜厚和压力分布(3O%)Fig.6 Film Thickness and Pressure Distribution withDifferent Magnetic Induction6结论(1)对比了有无磁场作用下水基磁流体润滑滑动轴承的热弹流数值模拟结果，由图可知，有磁场作用时，水基磁流体润滑膜膜厚相xJm，水基磁流体的压力没有明显变化。(2)在磁场作用下，随着磁感应强度的增加，水基磁流体润滑膜的膜厚相应增加，但是对水基磁流体的压力几乎没有影响。