研究槽参数对螺旋槽止推轴承的流体动力学行为与气体润滑剂

文摘

气体润滑推力轴承广泛用于农业机械系统,和槽形状起着重要的作用在螺旋槽止推轴承的流体动力学行为(SGTB)。虽然小槽的形状可能会改变,很明显,槽的水动力响应是非常敏感的参数。本文提出一种计算方法分析SGTB气体润滑剂,考虑槽参数的影响。压缩系数考虑,SGTB润滑性能的评估是通过CFD技术。仿真结果也与公布的数据相比,这表明SGTB提出模型能够获得更真实的结果SGTB的水动力特征。此外,槽参数之间的映射关系和水动力SGTB代表的行为。

1。介绍

推力轴承中扮演一个重要的角色在农业机械设备。在最初的设计产品,SGTB的润滑性能通常是考虑到执行不同的工作条件。然而,槽参数SGTB设计中是一个必要的元素,这将大大影响的水动力行为SGTB包括负荷能力、摩擦力矩、轴承刚度(1,2]。SGTB的水动力特征的建模和分析是一个经典的问题,它收到了研究人员的重视。尽管槽参数的变异较小,润滑膜流变化和水动力响应可以产生波动。这部电影气体流动润滑剂是一个复杂的物理现象和压缩性的特点,情感,和轴承的表面粗糙度。因此,一些问题建模的水动力特性和润滑性能分析SGTB应考虑(3,4]。相关的问题之一是如何描述准确的水动力响应SGTB与气体润滑剂。与评估相关的第二个问题是水动力行为,即负载承载能力、摩擦力矩,和阻尼系数,如何获得问题的结果SGTB不同槽参数。建模的方法和技术是改善发展的基础上加快计算机的数据处理能力。然后,有必要建立精确模型的SGTB研究槽参数对水动力的影响行为的SGTB气体润滑剂(5,6]。

在过去的几十年里,推力轴承的流体动力特性的基础上,理论和实验方法已被许多研究人员研究[7- - - - - -9]。在早期,西et al。10)进行了比较研究来描述空气静压止推轴承的静态和动态行为,这是由CFD技术。轴承间隙的数值结果讨论了影响负荷能力,静刚度和动刚度。基于经典的稳态二维可压缩雷诺方程,气体润滑平行滑动轴承的计算模型建立了邱et al。11]。这种方法可以进行纹理形状和负荷能力之间的关系。众所周知,结构几何形状和密度的变化可能会导致压力分布的变化。为了解释的影响,温度对水动力响应的SGTB气体润滑剂,Zhang et al。12]介绍了基于有限体积法的仿真模型。仿真结果表明温度发挥了重要作用SGTB的流体力学行为分析。的问题,如何选择一个合适的润滑性能评估模型SGTB仍在讨论。由于建模方法是关键元素来描述空气静压轴承的流体动力学行为,Chang et al。13雷诺方程进行了比较和计算流体动力学。数值计算结果表明,雷诺方程可以得到解决,更迅速和排放系数对气体敏感膜厚度。马等。14)建立水动力响应之间的映射关系和螺旋槽气体密封的低压条件。基于实际应用,结果表明该方法解释说,高密封压力和间隙将提供一个更大的热变形。然后,帕维尔et al。15推力轴承)提出了一种新的模拟方法,可以进行快速计算和分析推力轴承的瞬态行为。结果说明的原因如何产生气体涡轮增压器的振动和噪声问题。根据雷诺方程和JFO空化模型,胡和孟16)进行了理论和实验调查评估SGTB的瞬态特性。在这个模型中,mass-conserving空化被认为是和确定性粗糙接触者调查SGTB的摩擦学特性。金等。17)集中在推力轴承的润滑性能分析quasidynamic润滑模型。Reynolds方程被用来定义润滑膜,和温度分布可以通过能量方程。然后,润滑膜厚度测量的实验和模拟结果和实验数据之间的误差仅为5%,证明了该方法的有效性。

重要的是要注意,一些研究人员关注的调查槽形状对推力轴承的流体动力学特性的影响(18- - - - - -20.]。负荷能力的理论和实验研究研究了推力轴承由Fesanghary和境外21]。在这项研究中,雷诺方程被用来代表推力轴承的负荷能力和不同坡口形状。结果不仅是一个演示的方法,还介绍了影响槽形状对推力轴承的负荷能力。推力轴承的优化设计问题,龟田et al。22,23)建立了一个水动力分析模型的气体润滑推力轴承考虑角位移特性,获得了和一个新的槽形状,包括两个弯曲的部分。吴et al。24]扩展一个新的CFD模型槽two-disc研究水动力响应的系统。然后,润滑膜流可以被描述的模型并给出了槽数的影响,通过一个算例讨论了案例。此外,马和et al。25)集中在一个数值方法分析气体的thermoelastohydrodynamic特点与T-grooves面密封。基于分析结果,thermohydrodynamic效应可能导致开力的减少明显和T-groove气体面密封是更适合用于低压的条件和高转速。考虑表面纹理的影响,Gherca et al。26扩大一个方法建模推力轴承的润滑性能分析。摩擦力矩的操作特点,电影的压力,得到了膜厚度的方法,以及稳态和瞬态之间的行为差异。考虑几何参数和操作参数,数值分析的机械密封是由太阳et al。27]。仿真结果表明,润滑膜压力的增加,螺旋角,宽度比槽可以增强力量和泄漏率。然后,槽参数的数值分析上发挥了重要作用的机械密封。格罗珀et al。28涉及一个推力轴承优化设计的数值分析方法。数值结果表明表面纹理参数会改变润滑介质的流动状态和槽参数分析推力轴承的设计的必要步骤。此外,林等。29日)方法致力于评估槽参数对水动力的影响用水SGTB润滑剂的行为。空化模型介绍了润滑模型,并建立了实验装置测量SGTB的刚度系数和阻尼系数。槽的几何性质之间的关系和润滑性能详细了。

众所周知,气体润滑的流体动力学行为分析中发挥着重要作用SGTB和许多研究人员集中在建模与仿真30.,31日]。托马斯et al。32)建立了推力轴承的轴对称模型。惯性条款和可压缩流体在高压下被认为是在模拟。实验结果应用于演示效果。王等人。33)提出了一个计算方法用于描述气体螺旋槽的电影发行。结果表明螺旋槽的设计是先进、可行的。与此同时,高et al。34]研究孔腔形状的影响空气静压止推轴承的润滑性能。结果显示,有许多空气静压止推轴承的性能行为的差异造成的不同的孔腔的形状。考虑到稳态特性,Zhang et al。35空气静压轴承的润滑性能进行评估。仿真结果表示,润滑性能更敏感沿着水平方向偏差。

与广泛的推力轴承的流体力学行为分析研究不同的工作条件,致力于工业案例研究与槽几何参数的影响的水动力特征SGTB更有限。本文的主要重点是调查SGTB的水动力建模和分析气体润滑剂。模拟,重要的是找到一个合适的方法来描述SGTB不同槽的水动力特征参数。然后,采用CFD技术建立SGTB的计算模型。SGTB不同槽参数的精确的流体动力学行为可以用该方法。为了证明该方法的准确性,仿真结果与已发布的数据。最后,槽的影响参数对水动力响应的SGTB评估。

2。理论模型

典型的SGTB绘制在图1,这是用来描述轴承和阀瓣之间的几何特征(36,37]。清楚地看到,槽参数对气膜特性有重要影响。实际上,槽结构的差异会增加气膜流的复杂性,和相对的水动力特征SGTB可以改变。在SGTB的示意图,和的半径内槽和外槽,分别。螺旋角( )扮演着一个重要的角色在SGTB的润滑性能。螺旋槽线是写成 在哪里和是基螺旋曲线半径和圆周坐标,分别。

然后,可以定义为润滑膜 在哪里深度和土地吗表示槽深度。

在计算SGTB,理想气体假设电影和温度是恒定的38,39]。滑动现象将被忽略。连续性方程表示为 在哪里和分别是气体密度和速度矢量。

并给出动量守恒方程(40] 在哪里气体的压力,表示偏应力分量,代表质量分力。和 , ,和是速度的组件。

为了评估SGTB特点,载重量可以获得(41] 摩擦是指 在哪里润滑膜表面的剪切力。

阻尼系数也是一个重要SGTB水动力行为的价值,这个价值相关的负荷能力和转速,可以写成 在哪里转速和代表槽深度的变化。和槽深的载重量是吗和 ,分别。

解释槽参数对水动力的影响SGTB行为,介绍了量纲分析调查的主要参数,包括长度和宽度比例比(42]。槽的长度比例可以写成 然后,给出了槽的宽度比 在哪里和分别槽的长度和土地。

3所示。数值验证

在本节中,提出了描述方法的有效性SGTB的水动力特征。仿真模型建立了基于文献[43]。内半径是69毫米,外半径是77.78毫米,底部半径是58.42毫米。螺旋角的定义是15°,槽的深度是0.005毫米。首先,解的收敛性和精度对网格模型的平等(敏感44]。流利是一个流行的软件进行流体的水动力响应,其中包括丰富的物理模型和先进的数值方法。然后,策略是一个预处理软件和更高质量的网可以提供流畅,从而确保模拟的收敛性和精度。流利的和策略是用来研究SGTB的润滑性能。基于SGTB的特点,气膜的定义可压缩流体和pressure-based是用来解算器类型。可压缩流的理想气体,可以使用分离解算器,具有高度耦合特征速度,密度,和压力。然后,选择二阶逆风和松弛因子选择至0.3,这将提供一个更好的收敛性。然后,建立的仿真模型是六面体元素,可以提供更好的收敛性。所有已知的,网格的质量可以决定的计算精度和网格质量螺旋槽止推轴承高0.6,如图2(一个)。此外,收敛标准要求剩余速度是10⁶质量流量入口之间的相对差异和质量流出口还不到1%。图2 (b)显示了影响油膜层(元素)SGTB的压力。当低于10层,压力更大的错误。然而,10层之间的偏差值只有0.9%和30层。然后,气膜被划分到10层和元素的数量是288000。

为了评估该模型的有效性,有必要进行水动力行为分析SGTB和比较的结果公布。SGTB模型的参考。43)使用,结果如图所示3。根据研究结果,发现目前的方法可以准确描述SGTB的水动力特征。气膜压力随半径的增长,尤其是在更大的半径条件。虽然有仿真结果和实验数据之间的区别,最大偏差仅为5%,是接受工程分析。

4所示。数值结果

4.1。螺旋槽止推轴承的描述

在本节中,槽的影响参数对水动力特征SGTB基于该方法进行了讨论。SGTB的几何特征和仿真参数表1。仿真参数选择参考。18,温度被定义为常数的模拟。此外,仿真结果可以说明的主要参数(螺旋角、长度比,和宽度比)影响SGTB的润滑性能。

图4代表SGTB气膜压力分布与不同槽参数。仿真结果表明,槽参数对水动力特性的影响SGTB不是被忽视。气体膜的最大压力 , ,和 ,分别。众所周知,压力值中扮演一个重要的角色在SGTB的负荷能力。不同槽参数、载重量为51.45 N, 51.8 N,分别和49.44 N。负荷能力的变化趋势类似于这个的压力值。与此同时,气膜刚度进行比较的结果。气膜刚度的值 , ,和 。仿真结果说明,调查应进行槽参数的影响。

4.2。螺旋角的影响

本节探讨螺旋角如何影响SGTB即槽的水动力特征长度比和槽宽比被定义为恒定值等于0.8的模拟。选择轴的转速为20000 rpm, 40000 rpm, 60000 rpm,分别和80000 rpm。然后,仿真结果如图5。

从设计的角度来看,预计水动力特性和高润滑性能。最大压力值是用来揭示气膜压力分布,而且SGTB的负荷能力密切相关。如图5(一个),当螺旋角增加15°30°,最大压力的峰值出现的螺旋角达到20°时,特别是在更高的转速。从仿真结果,也知道载重量的不同趋势与最大压力的路径相似。这一现象的原因可以得出压力值和负载部分负荷能力中扮演着重要的角色。更高的压力值将一个更大的负荷能力。然而,气膜压力值更敏感的螺旋角的值。因此,为了确保螺旋角的影响在SGTB的润滑性能,水动力特征应该执行对螺旋角和转速。

为了说明螺旋角的影响SGTB的摩擦力矩,给出的情况下进行基于模型。图5 (c)的仿真结果表明,摩擦力矩是评估考虑不同螺旋角和旋转速度。当螺旋角是20°,转速为20000 rpm,摩擦力矩的偏差值 。当转速达到80000转时,这个值增加 。是获得更高的旋转和一个更大的螺旋角将导致一个更大的摩擦力矩。然后,图5 (d)表明,摩擦损失扩大SGTB的螺旋角和转速的增加,尤其是转速越高。显然说明螺旋角对摩擦损失的影响变得强大以更高的速度由于机械系统能量的增加。这一现象的原因可以说明流场强度变化螺旋角和转速的增加,这可能是速度梯度的减少气体和摩擦力。因此,分析摩擦力矩和摩擦损失应该SGTB设计中进行的。

根据情节在图5 (e)螺旋角的影响,轴承刚度是用来评估SGTB抵抗变形的能力。看到螺旋角的增加会降低轴承刚度。然而,气膜刚度的值随转速的增长。这一现象的原因在于槽几何模型的变化将导致不同的气膜压力分布。此外,SGTB的阻尼系数是显示在图中5 (f)能体现,气膜刚度和转动速度阻尼系数上扮演重要的角色。显然,随着螺旋角和转速的增加,阻尼系数降低。换句话说,阻尼系数是独立在平衡位置的压力。

4.3。坡口长度比的影响

本研究的目的是探索槽长度之间的关系比和水动力SGTB的行为。初始条件假设螺旋角是20°和槽的长度比是0.8。转动速度20000转40000 rpm, 60000 rpm,分别和80000 rpm。重要的是要注意,水动力模拟结果SGTB收敛值后显示。

首先,在本节中,槽长度的影响比SGTB的水动力特性进行了分析。在仿真结果中,耦合槽长度比和转速的影响是收购和绘制在图6。数据6(一)和6 (b)代表SGTB的最大压力和负荷能力。而SGTB的轨迹与不同螺旋角,这些值有不同的特点。很明显看到的价值最大压力保持一个稳定的值,当槽长度比低于0.7。然而,最大压力减少的价值显然槽长度的增加比率。虽然偏差值较低转速受影响程度并不大,还是更改此值,这可能降低负荷能力。与此同时,它也代表着压力值和负荷能力之间的关系。和水动力响应分析SGTB不同槽长度的比率应在设计进行的。

算出槽长度的影响比SGTB水动力响应,比较不同模型(SGTB不同槽长度的比率),如图6 (c)和6 (d)。显然,槽长度比的增加导致的减少摩擦力矩和摩擦损失缓慢。由于几何变换参数,气体流量的状态有差异在每一个部分,而摩擦力也发生了变化。此外,尽管摩擦力矩和摩擦损失的偏差值很小,这种现象不是忽视和SGTB的运行效率将下来。

如前所述,气膜刚度SGTB水动力行为的结构中占有重要地位。与槽长度的增长比率,气膜刚度逐渐增加,如图6 (e)。然而,当槽长度比超过0.8,突然气膜刚度降低的价值。SGTB的设计中,设计师应进行完美的调查的润滑性能和槽几何参数之间的映射关系,气膜刚度。图6 (f)表示阻尼系数的变化对槽长度比率在不同的旋转速度。重要的是要注意,各种槽结构参数可以影响气体的流动状态,然后压力分布、密度、气体流动方向的电影会改变。阻尼系数的值是与气膜载重量和转速。值可以表示反对的能力负荷变化对天然气的电影,是由气膜压力和厚度决定。槽的长度比是0.8时,阻尼系数达到峰值的仿真结果。然后,合理的螺旋槽结构参数可以导致更高的SGTB润滑性能。槽的长度比是0.8时,阻尼系数达到峰值的仿真结果。和最小值出现在槽的长度比是0.9。与此同时,阻尼系数的值会随着转速的增加。然后,合理的螺旋槽结构参数可以导致更高的SGTB润滑性能。

4.4。坡口宽度比的影响

在本节中,SGTB的水动力行为与不同槽宽比率是基于该方法的讨论。获取坡口宽度的影响比SGTB的润滑性能,转速也定义为一个变量。在仿真模型中,螺旋角和槽的长度比20°和0.8,分别。和转速的值是20000 rpm, 40000 rpm, 60000 rpm, 80000 rpm。

图7(一)说明了气膜的最大压力考虑槽长度比的影响。当槽长度比率从0.6增加到1.2,影片的最大气体压力降低 来 在80000 rpm。的最大压力的气体薄膜SGTB槽宽比大于较低的大槽宽比例。此外,气膜最大压力随转速的增长。结合槽宽比的影响,气膜最大压力的变化是明显的在更高的转速。也就是说,槽宽比例使气体薄膜的最大压力减少高转速条件下尤其如此。通常,在气膜压力越低,载重量小,如图7 (b)。仿真结果表明,压力值的变化会导致负荷能力的重要影响。然后,槽宽比SGTB的水动力反应中起着重要的作用。

的摩擦力矩SGTB不同槽宽比例如图7 (c)。坡口宽度比为0.6时,摩擦力矩 在转速20000转。坡口宽度比为1.2时,摩擦力矩增加 ,这是完全不同的槽长度比的影响。而且,SGTB转速较低的摩擦力矩小得多,在更高的转速。然后,槽宽比和转速的影响在图列出了摩擦损失7 (d)。显然,转速的影响是显而易见的,这使得摩擦损失增加尤其是在更高的转速。根据仿真结果,我们还可以看到,轻轻摩擦损失的增加更槽宽的增长比例。例如,当槽宽度比为0.6,SGTB 3.328 W的摩擦损失在80000 rpm。坡口宽度比例增加到1.2,摩擦损失的价值是3.468 W。

数据7 (e)和7 (f)讨论坡口宽度的影响比对气膜刚度和阻尼系数。可以看出,槽宽比例影响阻尼系数显然,相比之下,气膜刚度。随着槽宽比的增加,气膜刚度增加缓慢。当槽宽比0.6和转速为20000 rpm,气膜刚度 。坡口宽度比到达1.2,气膜刚度的价值 和增加的比例仅为7.95%。然而,阻尼系数的波动现象出现在不同槽宽比例。坡口宽度比1时,阻尼系数的转折点发生在槽宽比例。因此,SGTB的润滑性能和槽几何参数之间的关系应该被认为是在设计。

5。结论

在这项工作中,一个全面的方法来评估SGTB的水动力特性与气体润滑剂。实现数值调查作为一个通用的例子来解释在这项工作的方法和程序。对于这一目标,仿真结果与公布的数据相比,这表明该模型的有效性。同时,结果还表示,方法可以提供一种快速、准确的方式调查SGTB的水动力行为。CFD技术的引入是开发通用的仿真方法,可以实现结构几何模型。与槽几何参数考虑进去,执行SGTB的润滑性能分析。仿真结果表明,该槽中扮演一个重要的角色在SGTB的润滑性能分析。特别是,相比之下,转速条件下,水动力特性的变化更敏感。此外,槽参数的调查上的水动力行为SGTB意义的工程应用中,这可能有利于推力轴承的优化设计。

数据可用性

仿真参数是指裁判。43]。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持的“中央基础研究基金会(没有公益科研机构。S202005-01)”、“中国博士后科学基金会(2020号m681531),”“农业科技创新项目(水果、蔬菜和茶叶收割机械)”和“中国国家自然科学基金(52005230)。”

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