喷油润滑球轴承流动特性的数值研究.pdf
《喷油润滑球轴承流动特性的数值研究.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《喷油润滑球轴承流动特性的数值研究.pdf(7页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、喷油润滑球轴承流动特性的数值研究李慎龙1,侯潇男2,张金乐1,吴维2(1.中国北方车辆研究所,北京100072;2.北京理工大学 机械与车辆学院,北京100081)摘 要:基于 流体体积(VOF)方法建立了喷油润滑球轴承的数值仿真模型.分别采用滑移网格法和多重参考系(MRF)方法对轴承油气两相流动进行了数值计算,得到了轴承内部流场分布和搅油力矩.搭建了轴承流场可视化试验台,对比分析了仿真流场与高速摄影实测流场.结果表明:滑移网格下的轴承内部油液体积分数大于用 MRF方法的计算结果,且当转速逐渐增大时,轴承内部油液体积分数均逐渐减小,且在离心力作用下,润滑油更多地分布在轴承外圈滚道.滑移网格下的
2、轴承内部流场油液分布更接近实测流场.仿真计算的搅油力矩随转速增大而增大,MRF 方法下搅油力矩大于滑移网格下的搅油力矩,平均误差约为 12.3%.两种方法对搅油力矩的计算均具有较好的一致性,但 MRF 时间成本更低.关键词:流体体积;轴承;两相流;滑移网格;多重参考系;搅油力矩中图分类号:TH137 文献标志码:A 文章编号:1001-0645(2024)05-0494-07DOI:10.15918/j.tbit1001-0645.2023.140Numerical Analysis of Flow Characteristics Inside Oil-JetLubrication Ball
3、BearingLI Shenlong1,HOU Xiaonan2,ZHANG Jinle1,WU Wei2(1.North China Vehicle Research Institute,Beijing 100072,China;2.School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)Abstract:In this paper,a numerical simulation model of oil-jet lubrication ball bearing was esta
4、blished based onvolume of fluid(VOF),and a sliding mesh and multiple reference frame(MRF)methods were used separately tocalculate and simulate its oil-air two-phase flow,obtaining the oil distribution inside bearing and the churningmoment.Then,a visual test-bed was developed for the flow field of oi
5、l-jet lubrication ball bearing to analyzecomparatively the simulated flow field and the experimental flow field captured by a high-speed camera.The res-ults show that the oil volume fraction inside a bearing simulated by sliding mesh is larger than that by MRF,andthe oil volume fraction can decrease
6、 gradually with rotation speed increasing.Under the centrifugal effect,the oildistribution is more focused on the outer race.Simulated with sliding mesh,the distribution of the flow field iscloser to the visual result.The simulated churning moment increases with an increasing rotation speed,and thec
7、hurning moment calculated by MRF shows larger than that by sliding mesh,possessing only about 12.3%errorbetween two methods.The two calculation values of churning moment are basically consistent,but the calcula-tion cost of MRF is lower.Key words:volume of fluid(VOF);bearing;two-phase flow;sliding m
8、esh;multiple reference frame(MRF);churning moment 车辆传动系统向高速化发展,使得轴承通常工作在比较严苛的环境中,需要有足够的润滑油进行 收稿日期:2023 07 01基金项目:国家自然科学基金资助项目(51975045)作者简介:李慎龙(1982),男,研究员,E-mail:.通信作者:吴维(1983),男,教授,E-mail:.第 44 卷第 5 期北 京 理 工 大 学 学 报Vol.44No.52024 年 5 月Transactions of Beijing Institute of TechnologyMay 2024润滑散热,降低其
9、温度并保证轴承的寿命.进入轴承内部的润滑油在轴承运动部件的搅动下,又会产生一定的搅油损失,进而会造成车辆传动系统的功率损失,降低整车燃油经济性,使得车辆碳排放增加.因此,精确预测轴承的润滑流动特性具有重要的意义.润滑油进入轴承内部后,在轴承的复杂运动状态下,润滑介质整体上表现出油气两相流动的特点.计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法可以较为准确地模拟流体的流动现象1 3.WU等4 6和 HU 等7基于 CFD 方法,分别采用滑移网格和 MRF 两种方法对喷油润滑球轴承内部的流场和温度场进行了研究.此外,WU 等8 和 WEI 等9应用无网格的移
10、动粒子半隐式(moving particle semi-impli-cit,MPS)法模拟了喷油润滑和浸油润滑轴承内部流场.通过流场可视化试验和测温试验进行了验证,结果表明两种方法均有良好的模拟精度.CHEN 等10采用双相机成像,并结合荧光剂,观察了滚动轴承中的油液流动情况.YAN 等11建立了角接触球轴承的CFD 数值模型,研究了不同转速下的气障特性,优化了喷油参数,使轴承极限转速提高了 6 000 r/min;并提出一种带沟槽的内圈结构,降低了轴承温升12.刘红彬等13 14分析了外圈沟槽不同结构对轴承流场的影响,并研究了内外圈之间高速气流对油液雾化的影响.陆凤霞等15则基于 CFD 方
11、法研究了润滑球轴承在不同含气率下的热特性.GAO 等16分析了不同工况下环下润滑的圆柱滚子轴承流场特征,并采用线性模型探究了滚子自转对油液体积分数的影响.BAO 等17 18分别采用了滑移网格和 MRF 方法研究了环下润滑球轴承流场和温度场特性,对比了油液体积分数、对流换热系数和温度之间的关系.轴承的运动部件搅动润滑油产生的搅油损失是轴承的功率损失之一.近年来,一些学者开始采用 CFD仿真结合试验的方法来计算轴承搅油力矩.GAO 等采用 CFD 仿真方法,用两平板之间的有限长圆柱体模型分析了滚动轴承滚子的拖曳系数19,进而提出了一种计算圆柱滚子轴承搅油损失的数值计算方法,并与三种经验模型进行了
12、对比20.FELDERMANN21基于 CFD 模型提出了一种计算圆柱滚子轴承搅油力矩的计算方法,并与测试数据和 SKF 模型计算数据进行了对比.HAMMAMI22等通过试验的方式测试了不同类型轴承的摩擦力矩,并用 SKF 模型对试验数据进行了验证.LIEBRECHT 等23采用 CFD 方法计算了平放在油液中的圆锥滚子轴承的搅油力矩,并与试验进行了对比,表现出比较好的一致性.基于此,PETERSON24设计了常规放置的深沟球轴承和滚针轴承浸油润滑试验台,并在此试验台上进行了轴承搅油力矩的测试,同时采用了 CFD 方法计算两种轴承的搅油力矩,并进行了对比分析.在轴承润滑分析数值模拟中,CFD
13、软件起到了至关重要的作用,软件中不同的计算方法对计算结果有着很大的影响.对轴承旋转流体域的模拟主要有两种计算方法:瞬态滑移网格法和稳态 MRF 法.分别采用两种方法对轴承流场进行了仿真分析,并对比两种方法下的油液分布和搅油力矩.同时,对油液分布进行了可视化验证.1 喷油润滑球轴承几何结构以喷油润滑的 SKF7210 角接触球轴承为例进行仿真研究,轴承喷油润滑冷却结构如图 1 所示.润滑油经由小孔径的喷嘴喷入轴承内部,并由轴承腔两侧流出.润滑油一方面可以在固体表面形成一层油膜,起到润滑作用,减小摩擦,另一方面可以起到冷却作用,带走轴承产生的热量.SKF7210 角接触球轴承基本参数如表 1 所示
14、.该轴承包括内外圈、滚动体以及保持架,内圈安装在旋转轴上,外圈安装在固定 轴承油气两相流入口出口出口图 1 轴承喷油润滑示意图Fig.1 Diagram of a bearing with oil-jet lubrication 表 1 SKF7210 轴承参数Tab.1 Parameters of SKF 7 210 bearing参数名称参数值内径/mm50外径/mm90宽度/mm20球体直径/mm12.186初始接触角/()40球体个数15第 5 期李慎龙等:喷油润滑球轴承流动特性的数值研究495的轴承座上.旋转轴驱动轴承内圈旋转,进而带动滚动体和保持架旋转,外圈则保持静止,以起到支撑旋
15、转轴的作用.根据轴承三维模型及喷油润滑结构,通过 Boolean运算提取相应的流体域.在球体与滚道的接触区域,为避免网格扭曲以及减少网格数量,应适当扩大该区域间距12.根据文献 25 的研究结果,可将球体直径缩小为原来的 95%.2 数值方法 2.1 控制方程润滑油进入轴承内部后,与空气混合形成两相流动.流体体积法两相流模型可以准确地捕捉油气两相界面,该方法通过引入相函数 来描述油气混合相的各相体积分数,满足如下关系式:oil+air=1(1)在 VOF 模型中,空气为主相,润滑油为次相.其中润滑油密度为 852 kg/m3,动力黏度为 0.055 Pas.空气密度为 1.225 kg/m3,
16、动力黏度为 1.789 4105 Pas.润滑油和空气在轴承高速旋转下,会形成湍流流动.RNG k-湍流模型考虑了旋流的影响,而且可以很好地适应 VOF 模型.因此选择 RNG k-湍流模型模拟轴承内部流场的湍流流动,其控制方程为(k)t+(kui)xi=xjkeffkxj+Gk+(2)(k)t+(ui)xi=xjeffxj+C1kGkC22k(3)式中:k 为湍流动能,m2/s2;为湍流耗散率;ui为时均速度,i=1,2,3,m/s;为流体密度,kg/m3;Gk为由平均速度梯度引起的湍流动能 k 的产生项;eff为有效动力黏度,Pas;其余为常数项.2.2 边界条件边界条件在一定程度上反映着
17、轴承的实际工况.喷嘴为轴承内部提供润滑油,设为质量流量入口边界,其值为 500 mL/min.轴承两端为润滑油出口,直接与周围空气连通,设为压力出口边界,并设置参考压力值为 0.1 MPa.轴承内部流体域为旋转区域,而喷嘴处流体域为静止区域,分别采用滑移网格和 MRF 的方法来模拟轴承流体域的转速,并在两部分流体域的接触面生成网格交界面,以便于数据的传输.内圈、保持架和滚动体设置为无滑移运动壁面,其转速关系如式(4)所示.其余壁面设置为无滑移静止壁面,如表 2 所示.nb=12ni(1Dbcosdm)(4)式中:nb为滚动体和保持架的转速,r/min;ni为内圈转速,r/min;Db为滚子直径
18、,m;dm为轴承节圆直径,m;为接触角,().表 2 边界条件Tab.2 Boundary conditions边界名称边界条件喷嘴质量流量入口轴承腔两侧压力出口内圈滚道无滑移旋转壁面保持架和球体无滑移旋转壁面外圈滚道无滑移固定壁面 由于轴承结构的复杂性,轴承内部流体域采用非结构化四面体网格划分,喷嘴处流体和轴承外部流体域采用结构化六面体网格进行划分,并对球体与内外圈接触区域进行局部细化,如图 2 所示.经网格无关性验证,当网格数量增加时,油液体积分数和出口流量变化均在 2%以内.此时,增加网格质量对提高精度作用有限,反而会增加计算量,因此最终合适的网格数量为 713 624,节点数为 167
19、 766,如表 3所示.内部流体域外部流体域图 2 网格划分Fig.2 Mesh 表 3 网格无关性验证Tab.3 Independence validation of mesh网格数节点数油液体积分数/%出口流量/(gs1)713 624167 7660.911 46.968876 478227 4350.923 96.8641 248 183271 8300.943 36.966 应用 SIMPLEC 算法求解压力速度耦合,采用二阶迎风格式离散动量方程、湍流方程和相函数方程,压力项采用 PRESTO.各项迭代残差设置为 104.在滑移网格瞬态仿真中,基于轴承转速与网格尺寸,综496北 京
20、理 工 大 学 学 报第 44 卷合考虑收敛性和稳定性,时间步长取 1042105 s,每个时间步长内迭代次数为 20 次.同时,监测进出口质量流量和轴承内部油液体积分数,当二者满足式(5)和(6)时,即认为计算收敛.|minletmoutlet|minlet m(5)oil=(1oil)C(6)式中:m 为进口或出口质量流量,kg/s;oil为轴承内部油液体积分数;C 为小于 1 的常数,随转速变化而变化;为相对误差.3 仿真结果 3.1 油液分布图 3 所示为不同转速下轴承内部的油液体积分数,可以看出,在同一转速下,采用滑移网格进行仿真时,轴承内部的润滑油更多,在低转速时尤为明显.在 60
21、0 r/min 时,滑移网格仿真下的油液体积分数比 MRF 仿真下高 80.73%.随着转速的增加,轴承内部油液体积分数逐渐减小,对于滑移网格和MRF 方法都是适用的.该结果与此前的相关研究1 4一致.图 4 所示为滑移网格、MRF 仿真下的轴承内部周向的油液分布情况,其中左侧为滑移网格仿真结果,右侧为 MRF 仿真结果.由图 4 可以明显看出,滑移网格方法下的轴承内部存在更多的润滑油,且随转速增加,润滑油分布逐渐减少,与图 3 结果一致.滑移网格方法仿真得到的流场,润滑油在圆周方向分布更加均匀,且从喷嘴处开始,润滑油顺转速方向逐渐减少.而对于 MRF 仿真得到的流场,润滑油主要集中在喷嘴处,
22、其他位置分布较少.由于离心力的作用,润滑油更多的分布在轴承的外圈滚道,而内圈滚道附近油液体积分数较小.oiloiloiloil00.020.040.060.080.1000.0160.0320.0480.0640.08000.0120.0240.0320.0480.06000.0080.0160.0240.0320.040喷嘴喷嘴喷嘴喷嘴(a)600 r/min(b)1 200 r/min(c)2 400 r/min(d)4 800 r/min图 4 轴承周向油液分布Fig.4 Circumferential oil distribution inside the bearing 以喷嘴处为起
23、点,顺转速在轴承圆周方向均匀截取 6 个位置计算油液体积分数,如图 5 所示.图 6所示为轴承圆周方向的油液体积分数.从图 6 可以看出,喷嘴处油液体积分数最大,即润滑油最多,顺转速方向逐渐减小.此外,在周向分布上,滑移网格得到的油液体积分数大于 MRF,在低转速下尤为明 0600 1 200 1 8003 000 3 600 4 200 4 8002 4000.0040.0080.0120.0160.020滑移网格MRF油液体积分数转速/(rmin1)图 3 在不同转速时轴承内部油液体积分数曲线Fig.3 Oil volume fraction inside the bearing at d
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 润滑 球轴承 流动 特性 数值 研究
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。