方坑-半圆柱体叠加织构滑块润滑性能仿真与参数优化.pdf
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1、第48 卷第1期2024年1月doi:10.11832/j.issn.1000-4858.2024.01.009方坑-半圆柱体叠加织构滑块润滑性能仿真与参数优化刘朝伟,杨发展,姜芙林2,黄珂,杨宇12(1.青岛理工大学机械与汽车工程学院,山东青岛2 6 6 5 2 0;2.工业流体节能与污染控制教育部重点实验室,山东青岛2 6 6 5 2 0)摘要:通过设计方坑-半圆柱体叠加织构,建立了不同面积占有率、不同深度、不同角度的方坑-半圆柱体叠加织构的流体动压模型,探索叠加织构不同几何参数对流体动压分布和油膜承载能力的影响。仿真结果表明:随着织构面积占有率的变化,方坑-半圆柱体叠加织构油膜承载能力呈
2、先增加后减小趋势,织构深度对油膜承载能力的影响较小,具有一定倾角的织构能够提升滑块的动压润滑性能;当织构中方坑及半圆柱体深径比不变时,面积占有率为3 6%时流体动压效果较优,平均摩擦系数最小;在织构面积占有率不变时,深度为0.15 mm,织构倾角3 0 时动压效果较优,此时织构化滑块表现出优良的摩擦学性能。研究结果为进一步提升织构化特征滑块的润滑性能提供参考。关键词:叠加织构;几何参数;流体动压;承载能力中图分类号:TH137;TH117;TG71文献标志码:BSimulation and Parameter Optimization of Lubrication Performanceof
3、Square Pit Half Cylinder Superimposed Texture SliderLIU Zhao-wei-2,YANG Fa-zhan-2,JIANG Fu-lin*2,HUANG Ke2,YANG Yul.(1.School of Mechanical and Automotive Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao,Shandong 266520;2.Key Laboratory of Industrial Fluid Energy Conservation and Pollution Contr
4、ol,Ministry of Education,Abstract:By designing the superimposed texture of the square pit and half cylinder,depth,and angle,the fluiddynamic pressure model is established for the superimposed texture of the square pit and half cylinder with differentarea occupancy,depth,and angle,exploring the influ
5、ence of different geometric parameters of superimposedtexture on fluid dynamic pressure distribution and oil film bearing capacity.The simulation results show that as theoccupancy rate of the texture area changes,the load-bearing capacity of the oil film with the superimposed texture ofthe square pi
6、t and half cylinder first increases and then decreases,the influence of texture depth on the load-bearing capacity of the oil film is relatively small,the texture with a certain dip angle can improve the dynamiclubrication performance of the slider;When the depth to diameter ratio of the square pit
7、and half cylinder remainsunchanged in the texture,the fluid dynamic pressure effect is better when the area occupancy rate is 36%,and theaverage friction coefficient is the smallest;When the texture area share remains unchanged,the dynamic pressure收稿日期:2 0 2 3-0 4-14基金项目:山东省自然科学基金(ZR2022ME081)作者简介:刘
8、朝伟(19 9 8 一),男,山东德州人,硕士研究生,主要从事刀具表面织构加工与摩擦磨损性能的研究工作。液压与气动Chinese Hydraulics&Pneumatics3文章编号:10 0 0-48 5 8(2 0 2 4)0 1-0 0 7 2-14Qingdao,Shandong 266520)修回日期:2 0 2 3-0 5-2 2Vol.48 No.1January.20242024 年第 1 期effect is better when the depth is 0.15 mm and the texture angle is 30,at this point,the textu
9、red slider exhibitsexcellent tribological performance.The research results provide reference for further improving the lubricationperformance of the textured feature slider.Key words:superimposed texture,geometric parameters,fluid dynamic pressure,carrying capacity引言一些学者的研究表明,表面织构在改善摩擦学性能方面有较为突出的优势
10、,其主要原理是依赖于织构的存在,在接触摩擦副之间产生了流体动压效应 2-4,使原有的直接接触变为了间接接触,降低了相对运动的能耗。一些研究表明,摩擦副表面具有收敛楔,润滑油具有一定的黏度及流速是产生流体动压效应的必要条件 5-8 。王丽丽等 将轴承上植人复合织构,探究了复合织构不同排列方式的摩擦学性能,结果表明带有复合微织构的轴承具有更大的承载力,更小的摩擦系数,更佳的动压润滑性能;TAUVIQIRRAHMANM等 10 利用数值分析方法比较了边界润滑条件下植人织构的轴承与无织构轴承的承载能力大小,发现织构化轴承承载能力提高了7 5%;李少军等 建立了沟槽型织构的流体润滑数学模型,并利用超松弛
11、迭代法求解网格区域内油膜的压力和剪切力,结果表明,深度较小的沟槽织构更适合大载荷的工况,此时油膜厚度增加,摩擦系数随之下降;MIWAR等 12 在润滑表面上创建了沟槽织构的数学模型,得出了沟槽织构分布的最优参数;崔增霸等 13 探究了织构化缸套表面的润滑油膜承载能力,结果表明,织构的直径大小对油膜承载能力的影响最大,并且织构的深度对提高油膜承载能力也有一定效果。同时通过查阅大量文献发现,目前对单一织构的润滑性能研究比较多而对叠加织构润滑性能研究很少。基于仿生学的观点,本研究利用MATLAB 和Fluent软件对仿生硅藻多孔的叠加织构进行仿真分析,设计第一层为方形孔,第二层为半圆柱体孔,通过研究
12、织构不同面积占有率、不同深度及不同倾斜角度的变化,探讨织构间油膜压力和摩擦性能的影响,为今后在摩擦副之间植人合理的表面纹理特征以及探究其减摩抗磨方案提供参考。1几何模型的建立1.1表面织构几何模型设置滑块为刚性并简化为单元体织构、织构上层有一层厚度为1mm的油膜平面,油膜在平面上均匀分布,通过调整织构的面积占有率、深度以及倾斜角液压与气动度,研究油膜承载能力的大小及其摩擦学性能。控制第二层圆柱形织构深度不变,其面积占有率通过改变第一层方坑织构的宽度实现。建立的方坑-半圆柱体叠加织构单元体平面示意图及建立的模型如图1所示,不同面积占有率的织构计算公式如下:1=L,L,L1L2a)方坑-半圆柱体叠
13、加织构平面示意图a)Schematic plan of square cylinder superimposed textureU流体域固体域b)单元体叠加织构三维线框图b)Three-dimensional wireframe of unit volume superimposed texture图1表面织构几何模型Fig.1 Surface texture geometric model其中,s1为方形面积占有率;1为半圆柱体半径;为织构相对于垂直于润滑油膜面的倾斜角度;L,为织构宽度;L为单元体的宽度;l为第一层织构的深度(对于第一层不同深度的织构分别用l1,l 2,l s,l 4表示)
14、。模型假设:(1)润滑剂的体积与黏性力成正比,体积可以忽略不计;(2)由于不计体积的变化,因此润滑油膜厚度h不计压力变化;(3)忽略润滑剂运动时惯性力的影响,润滑剂为73LL(1)74不可压缩牛顿流体;(4)润滑剂在界面上对壁面无相对滑动,流动状态为稳态;(5)织构的深度远大于滑块表面粗糙度的变化,即设计表面光滑,不考虑粗糙度的影响;(6)允许有负压的情况出现。1.2表面织构数学模型根据摩擦副之间摩擦状态的不同,润滑分为流体润滑、边界润滑、混合润滑。本研究主要分析流体润滑的情况,因此模型采用流体连续介质的方程模型来进行表征,流体力学连续方程的形式:auw=0dtxdy由于润滑油为常密度牛顿流体
15、,可简化为:au十xy在直角坐标系中,N-S方程的分量形式:uauP+u+Vay+Wtzuu)+儿十xQuauP+儿txayuu+(5)ay2yuuauP+tay+十本研究忽略惯性力的影响,最终简化表面织构流体动压润滑的雷诺方程如下:h3 p)36Uuayx式中,p一一润滑油密度u,U,w流体在t时刻在点(,y,z)处的速度分量P流体动压产生的油膜压力单位体积内润滑油受到的外力h-油膜厚度U流体在摩擦副间的流动速度u润滑油的动力黏度由织构模型得x方向任一点的油膜厚度:h(x)rho,+hx,x,yEh液压与气动式中,ho一一无织构区域的平均油膜厚度h一织构区域的平均油膜厚度单元体无织构区域2一
16、单元体织构化区域对简化方程无量纲化处理:X=dY=Ydho+haH=dpho(2)6ULmo得出无量纲的雷诺方程:w=0auau+Wzau+W+ahx,yE2第48 卷第1 期(9)(3)aX(HP)xaYPdyH(10)aX通过对单元体表面的压力积分得出织构化滑块的表面附加载荷:F=PdA(4)其中,A为单元体的面积。通过对单元体表面剪切力积分,得出织构化滑块的表面的阻力:W=TdAA其中,无量纲化处理后的剪切力:nu+一hPh+2hax(6)T=6ULmo则有摩擦系数:(7)=F由式(14)可以看出,当润滑油膜表面有更小的平均无量纲剪切力和更大的平均无量纲压力时,润滑油膜表面具有更小的摩擦
17、系数,织构化滑块的摩擦学性能更加优良,有利于提升织构化滑块的动压润滑性能。边界条件的建立:在单元体织构区域内部,设置前后界面为对称边界,下界面为固定壁面,接触面为固体上表面并将其设定为滑动壁面;周期性边界条件图如图2 所示。定义润滑油出人口压力恒为0,即:(8)x=0,L,P=0Ly=0,L,P=0(11)(12)hap6ULnoh+12ULodx(13)W(14)2024 年第 1 期入口:周期边界前后壁面:对称边界下壁面:无滑移边界图2 单元体织构周期性边界条件图Fig.2 Periodic boundary condition diagram ofunit volume texture为
18、确定叠加织构造型单元尺寸的范围,通过控制单元坐标(xi,yi)来定义叠加织构的位置参数:+)-(xi-i)-h.hp(xi,yi)=h+2hpmax2hpmax其中:x+式中,h(i,yi)一叠加织构内部任一点的高度hi一一方坑的深度hpmax一叠加织构的最大深度1.3结果与讨论为定性表述不同参数叠加织构的润滑特性,在进行仿真运算前,在MATLAB中利用有限差分法对油膜压力的数值进行迭代求解,划分网格数为5 0 5 0,收敛误差为10-3,松弛因子为0.9,并设定初始压强为0.101MPa。图3 为不同面积占有率、不同深度及不同角度情况下无量纲油膜压力变化,可以看出不同参数的叠加织构均有2 个
19、明显的压力峰值,即产生了二次动压效应,对于不同面积占有率的叠加织构,S1=36%时压力峰值最高,油膜承载能力最好;叠加织构深度的变化对油膜压力峰值的影响不明显;具有一定倾角的叠加织构能在一定程度上增加压力峰值的延续范围,在叠加织构面积占有率和深度一定的情况下,=30和=60压力峰值较高。为更好的探究不同几何参数织构化滑块摩擦学性能,可以从时域摩擦系数方面来进行解释,图4为时域摩擦系数分布及不同几何参数的织构化滑块的时域摩擦系数变化曲线,从图4a可以看出,织构化滑块摩擦系数大致呈先下降后上升的趋势,在织构化区域摩擦液压与气动上壁面:无滑移边界系数大幅降低,但在织构内部有两次明显的摩擦系数出口:周
20、突增,这是由于润滑油在流经第二层织构时润滑油对期边界织构壁面的剪切力增加造成的,在出油口处时域摩擦U系数达到最低点,此时织构的动压效果最为显著;不同几何参数织构化滑块的时域摩擦系数变化曲线如图4b图4d所示,从图4b可以看出,S1=36%时在织构出油口处摩擦系数达到最小,在流经第二层织构时摩擦系数小幅增加,不同s,的织构化滑块在出油口处的摩擦系数均低于进油口处;从图4c中可以看出,当润滑油流经出油口时,l,=0.15 mm时油膜的摩擦系数最低,此参数下润滑油膜的动压效果最为明显;从图4d可以看出,当润滑油流经不同倾角的织构内部时,摩擦系数出现了上升、下降、再上升和再下降的趋势,其中=45时摩擦
21、系数变化的幅度最大,导致其时域摩擦系数的均值增大,动压效果相应减弱,不同倾角织构在流经织构前和流经织构后其摩擦系数均低于=0时的织构,平均时域摩擦系数较=0时减小,使得(15)其摩擦学性能优于=0时的织构化滑块,=30和=60在流经织构内部时摩擦系数相差不大,=30的织构化滑块的平均时域摩擦系数最低,其摩擦学性能最为优良。为验证上述理论,下面结合仿真对其进一步研究。2不同几何参数得到织构化滑块仿真分析2.1不同面积占有率叠加织构润滑效应分析利用Fluent设置了6 种不同面积占有率的叠加织构模型,定义进出口边界条件,设置润滑油流动状态为稳态,由于叠加织构表面流体运动状态不规则,会产生涡旋现象,
22、因此流体模型采用端流k-8模型,并进行网格划分;采用压力修正的SIMPLE算法,初始化完成后进行迭代直到收敛,润滑油参数及仿真设置参数如表1、表2 所示。表1润滑油参数Tab.1Lubricating oil parameters密度型号kg/m润滑油AGIPOTE46870表2 仿真参数设置Tab.2SSimulation setting parameters参数板长/mm数值5075黏度运动速度m/sm/s9.93 10-38送代步数收敛误差100103766种不同面积占有率压力云图如图5 所示,可以看出,不同面积占有率叠加织构正负压区在织构进出油口处分区明显,当润滑油从左向右流动时,织构
23、进油口压力较小,出现明显的负压;出油口压力较大,出现了明显的正压;织构进出口壁面处正负压区呈椭圆状分布,高负压区位于第一层织构左壁面左侧的无织构区域,高正压区位于第二层织构内部右壁面左侧,这是由于在润滑油流经织构后产生了明显的动压润滑作用。油膜最小压力分布于叠加织构进油口附近,在出油口处压力抬升较快,单元体流体上表面受到向下的附加载荷的影响,润滑油由进油口流入叠加织构内部,此时织构相当于贮油池持续向出油口供油,使得出油口处局部区域压力抬升。可以看出当s1=36%时,织构出口处最高压力为1.8 13 10-3 MPa,此时油膜承载力最强;随着面积占有率的增加,最高压力值先增大液压与气动后减小,织
24、构进油口负压值先减小后增加至某一值附近,当s1=25%时,负压值最小,织构发散间隙作用不明显,在织构进油口负压区影响作用弱,当s=36%时,负压值虽然有进一步的抬升,但压力最高值也增大,织构收敛间隙的影响较大。当s1在3 6%7 4%变化时,织构内部贮油量增加,但在半圆柱体织构内部和方坑织构出口处出现了最高压力值下降,这是由于出油口负压值增加过高,单元体织构负压区作用明显增强,此时织构的动压效果不足以弥补负压区作用的影响,织构动压润滑效应减弱。为了更好的观察流体在织构内部的流动状态,截取织构中间截面绘制流体流迹线,分析不同面积占有率情况下流场的变化情况,如图6 所示。不同面积占有率的织构流体的
25、流迹线流动方向及成涡状况不同,图6 c图6 e在第一个漩涡形成后在下层织构处和第第48 卷第1 期0.91.40.80.80.70.60.60.50.40.40.20.305040302010a)s,=9%,l,=0.15 mm,=02.521.510.505040302010d)s,=36%,l,=0.15 mm,=02.521.5元10.5元5040302010g)si=36%,l=0.20 mm,=0120.80.5-0.600.4500.250403020103020103020100.80.80.60.40.2050405030400.120100b)s,=25%,l,=0.15 m
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- 半圆 柱体 叠加 织构滑块 润滑 性能 仿真 参数 优化
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