第 1 章 绪论
1.1研究背景与意义
随着国民经济的发展以及人民生活水平的提高，除了汽车的数量保持持续的高增长之外，人们对汽车安全性能和舒适性能的要求也变得越来越高[1]。汽车轮毂轴承单元是关系到汽车安全性能的重要零部件之一，其性能一直倍受国内外专业人士的关注。
汽车轮毂轴承的实际工作环境十分恶劣，其失效原因大多为密封结构的失效。国外许多知名的轮毂轴承生产厂商长期以来对轮毂轴承的密封技术的研发都非常重视。例如SFK、INA/FAG、NSK 等知名轮毂轴承生产商每年都投入相当多的资金和技术力量到轮毂轴承密封技术的研发，坚持不懈的提升其密封性能。
轮毂轴承的密封性能是其使用寿命的主要影响因素。如果其密封性能较差，将使外界环境中的泥水等进入轮毂轴承的内部，造成轮毂轴承工作表面腐蚀，并且可能使得沟道与滚动体之间的磨损加剧，严重地缩短轮毂轴承的使用寿命，甚至有时会致使车轮突然制动造成惨重的交通事故[2]。对轮毂轴承而言，其密封性能的好坏直接关系到轮毂轴承的使用寿命，良好的密封性能就是其使用寿命的基本保障，密封结构的可靠性和寿命对轮毂轴承单元的使用寿命的长短有着极大的影响。目前，测试轮毂轴承单元密封圈可靠性及寿命需要通过密封性能试验。现有的密封试验方法主要分为两种，第一种方法是对轮毂轴承单元整体做密封试验，由于对轮毂轴承单元整体做密封试验时，试验成本相对较大，存在一定局限性。轮毂轴承密封圈单体密封试验机采取对密封圈单体进行模拟试验。密封圈单体密封试验必须在规定配比的泥浆环境下进行，泥浆是试验环境中一种十分重要的介质，试验对泥浆有严格的配比要求。
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1.2 国内外研究现状
迄今为止，国内外尚无针对汽车轮毂轴承单体密封试验中管道泥浆沉积问题研究的文献报道。管道泥浆沉积问题从本质上来说属于管道两相流问题，国内外学者在管道两相流的方面已经开展了较多的研究工作，研究的手段主要有：实验研究、理论研究和数值模拟研究等。
1.2.1 管道内两相流国外研究现状
从 20 世纪 80 年代开始，国外学者陆续对管道两相流问题开展了大量的研究工作。
1984 年，Shoham 和 Taitel 借助计算机对 25.4mm 管径的水平管道内气液两相输送过程进行了模拟，采用了有限差分法将液相二维轴向动量方程进行了离散处理，使用零方程模型来处理湍流[6]。
日本的 Tsuji 等（1987）建立了不规则反弹模型来模拟研究了水平直管道内两相流输送过程中固相颗粒与管道壁面的相互作用情况[7]。后来 Frank 等（1992）也进行了类似的模拟研究，但是他们的重点却是对实验进行了校验[8]。
1988 年，Issa 对内径为 25.4mm 的水平管道内气液两相流的流动过程进行了数值模拟，应用标准 k-? 模型处理气液两相湍流项，应用壁面函数法处理所有边界，但该模巧没有考虑气液两相间剪切应力沿管壁的周向分布，该模拟结果与 Taitel-Dukler 的理论预测结果较吻合，但这一结果只适用于小管径的气液两相流流动[9]。
Eskin 等[10]通过对气固两相流的管道输送过程进行数值模拟，指出影响管道压降的主要因素为管道壁面的粗糙度[11]。
Ottjies 运用数值模拟方法研究了水平直管道内固-液两相流的输送过程，研究了固体颗粒在输送过程中的运动情况，在数值模拟时加入了 Magnus 升力及固体颗粒与壁面的无弹性碰撞情况[12]。
Huber 等对水平圆管中固-液两相流的输送过程进行了模拟研究，预测了管道几何参数对管内固相颗粒浓度分布的影响[13]。
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第 2 章 泥浆两相流颗粒相的分析
2.1泥浆颗粒的基本物理参数
在汽车零部件的泥浆环境试验中，各整车厂商对泥浆配比的要求不尽相同，一种典型的某轮毂轴承单体密封试验的泥浆配比是亚利桑那粉尘占 10%，氯化钠占 3.6%，氯化钙 0.9%，水占 85.5%。试验所需的泥浆中，亚利桑那粉是作为不溶性颗粒存在的。泥浆中不仅对固相颗粒的要求严格，对颗粒尺寸分布的要求更为严格。在相关国家标准[55]中对密封试验中亚利桑那粉的粒径分布有严格的规定，颗粒粒径应在 0-176μm 范围内，1982 年 AC 公司也制定了严格的亚利桑那粉颗粒尺寸分布，该公司使用里恩显微探测了亚利桑那粉颗粒粒径，表 2-1 为亚利桑那粉的粒径探测结果。
在表 2-1 中,MV 表示亚利桑那粉颗粒按体积加权平均后的粒径大小，MN 表示亚利桑那粉按个数加权平均后的粒径大小，MA 表示亚利桑那粉颗粒按面积加权平均后的粒径大小，SD 表示峰型分析柱状体显示亚利桑那粉的粒径标准差，Mz 表示平均粒径，Ski 为偏度系数。亚利桑那粉的粒径分析还得出了亚利桑那粉的粒径分布结果，一种常见的粒径分布是将亚利桑那粉的颗粒粒径划分为十个区域.
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2.2管道内泥浆颗粒的受力分析
管道中液固两相流颗粒相的受力情况十分复杂，主要受以下几种力的作用：曳力、重力和浮力、压力梯度力、虚假质量力、Basset 力、Magnus 升力、saffman 升力等。
（1）曳力
目前国内外学者一直认为在固液两相做动量交换的过程中，固相颗粒主要受到了曳力的作用。液相和固相之间由于滑移及相对摩擦的原因产生的对分散相的阻力称之为曳力，其方向与分散相的运动方向相反。曳力 FD的表达式为
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3.1 引言 ··························· 17
3.2 流体流动的基本概念 ······························ 17
3.3 管道泥浆沉积数值模拟方法 ····················· 17
第 4 章 管道内泥浆颗粒沉积量计算 ······················· 27
4.1 引言 ·························· 27
4.2 管道内泥浆沉积的基础理论 ····················· 27
第 5 章 轮毂轴承密封·············· 37
5.1 引言 ······························ 37
5.2 泥浆输送系统 ······················ 37
第 6 章 轮毂轴承单体密封圈试验机管道沉积量实验研究
6.1引言
本章通过测量不同泥浆流量下，试验机泥浆输送系统的进泥浆管道内的泥浆颗粒沉积量，研究进泥浆管道内的泥浆流量与泥浆颗粒沉积量的关系，得出轮毂轴承单体密封圈试验机管道最低输送流量。通过实验结果验证管道泥浆颗粒沉积量数值模拟方法的有效性。
的泥浆，而管道中是否有沉积，不会对泥浆流量的测量产生影响。因此为了减少管道清洗次数，精简实验流程，实验过程中采取先测量管道内泥浆颗粒沉积量后测量泥浆流量的方法。
泥浆颗粒沉积量测量实验过程：启动试验机，每隔两分钟从大泥浆池中取一杯泥浆。为了消除读数造成的误差，每次对取出的泥浆测量十次密度，取十次读数的平均值作为该次取出的泥浆密度。当连续三次取出的泥浆密度平均值不变时，认为大泥浆池中泥浆密度已经达到稳定状态，泥浆在进泥浆管道中的沉积已经达到最大值，此时关闭试验机，结束测量。
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第 7 章 结论与展望
7.1 结论
本文以轮毂轴承单体密封试验机为研究对象，采用数值模拟和实验的方法研究试验机管道内泥浆颗粒的沉积量。针对试验机泥浆输送系统，通过数值模拟的手段研究试验机泥浆输送系统中泥浆输入管道内的泥浆颗粒沉积量；通过实验的手段研究试验机管道泥浆流量与泥浆沉积量之间的关系。本文取得的研究成果，可指导密封试验中泥浆颗粒投入量的控制，保证轮毂轴承单体密封试验环境中泥浆配比达到既定的要求，使试验结果更具有效性。主要的工作内容和结论包括了以下内容：
（1）针对现有的管道两相流研究现状，以及泥浆颗粒的粒径分布规律，在进行数值模拟时本文将泥浆颗粒看成由十种不同粒径的球形颗粒组成。
（2）建立了基于 Euler-Euler 法的管道泥浆颗粒沉积数值模拟模型，对管道内泥浆输送过程进行数值模拟。提出了管道内泥浆颗粒沉积量的计算方法，并对水平直管道内泥浆的沉积量进行计算，得出：随着管道内泥浆流量的增加，水平直管道内泥浆颗粒沉积量逐渐减少；不同粒径颗粒在输送过程中的沉积量不同，粒径较小的颗粒在水平管道内几乎无沉积，粒径较大的泥浆颗粒在水平直管道内的沉积较多；泥浆流量对粒径较小的颗粒沉积量影响不大，对粒径较大的颗粒沉积量影响较大；水平直管道内的泥浆流量对泥浆颗粒的粒径分布影响不大。
（3）针对轮毂轴承密封圈单体密封试验机泥浆输送系统中的泥浆输入管道，对其泥浆输入管道内泥浆输送过程进行数值模拟，对沉淀量进行计算，得出：五中粒径较大的颗粒在管道中的沉积量较多，因此流出管道的泥浆中粒径较大的颗粒体积分数减少量较大，而五中粒径较小的颗粒在进泥浆管道内的沉积量较少，流出管道的泥浆中体积分数减少量较小；在泥浆流量较小时，管道内的泥浆颗粒沉积量会随着泥浆流量的增大急剧减少；当泥浆流量达到一定量时，管道内泥浆颗粒沉积量变得很少，且进一步增大泥浆流量，管道内泥浆颗粒沉积量的减小变得越来越缓慢；泥浆输入管道内的泥浆流量对粒径较大的颗粒粒径分布影响较大，对粒径较小的颗粒粒径分布几乎无影响；经过密封试验后需往泥浆系统中补充进粒径较大的颗粒，以保证轮毂轴承密封试验中的泥浆配比达到要求。
参考文献（略）