表面凹痕织构动压承载性能的CFD分析

表面凹痕织构动压承载性能的CFD分析

张文谦;朱华;马晨波;周元凯;唐玮

【摘要】为研究表面凹痕织构的动压承载性能,在建立其几何模型的基础上,采用基于N-S方程的CFD方法研究不同参数下表面凹痕织构的平均承载力变化规律,并考察雷诺数、织构宽度和深度对动压承载性能的影响.结果表明:雷诺数的增加能够大幅提升表面凹痕织构的平均承载力；随着织构宽度的增加,表面凹痕织构的动压承载性能趋于优良；当量纲一织构深度处于0.5～1时,表面凹痕织构具有最佳的动压承载性能.%The geometrical model of surface groove texture was developed and the hydrodynamic bearing capacity of surface groove texture with different parameters was studied by the way of CFD based on N-S equation. The influence of Reynolds number,the width and depth of surface groove texture on hydrodynamic bearing capacity was analyzed. The results show that the hydrodynamic bearing capacity of surface groove texture enhances greatly as the increase of Reynolds number ; the hydrodynamic bearing capacity of surface groove texture gets better as the increase of width; there is a optimum depth range between 0. 5 to 1 where the hydrodynamic bearing capacity is the best.

【期刊名称】《润滑与密封》

【年(卷),期】2011(036)009

【总页数】5页(P59-62,67)

【关键词】表面凹痕织构;动压承载性能;CFD;平均承载力

【作者】张文谦;朱华;马晨波;周元凯;唐玮

【作者单位】中国矿业大学机电工程学院江苏徐州221116;中国矿业大学机电工

程学院江苏徐州221116;南京林业大学机械电子工程学院江苏南京210037;中国矿业大学机电工程学院江苏徐州221116;中国矿业大学机电工程学院江苏徐州221116

【正文语种】中文

【中图分类】TH117.1

摩擦磨损是零件失效和能量损失的主要形式之一，如何提高机械的摩擦学性能一直是研究的热点问题。已有研究表明［1－4］，通过在摩擦副表面进行人工微造型

的表面织构技术能够有效改善表面的摩擦学性能。目前，国内外学者通过实验［2，4－8］和理论方法［1，3，9］对表面织构的减摩抗磨性能做了大量研究，诸多成果已在轴承［10］、汽车发动机［1］等领域得到应用。

本文作者考察表面凹痕织构的动压承载性能。在建立表面凹痕织构几何模型的基础上，采用基于N-S方程的CFD方法对不同参数表面凹痕织构的平均承载力变化规律进行研究，以期揭示织构参数、工况参数等对动压承载性能的影响规律。

1 表面凹痕织构CFD建模

1.1 凹痕的几何模型

本文以面面接触的摩擦副为研究对象。为简化研究，将摩擦副表面近似看作两无限大刚性表面，上表面运动且光滑，下面静止且载有均匀分布的凹痕织构。取单元凹痕为建模对象，其几何模型如图1所示。沿x方向，定义凹痕独立占有的表面区

域的长度为L，凹痕宽度为b;沿y方向，定义凹痕深度为d，润滑油膜厚度为d0，

则表面凹痕织构的面积占有率定义为:

图1 表面凹痕织构的几何模型Fig 1 Geometrical model of surface groove texture

1.2 基本方程

本文对表面织构动压承载性能的CFD分析是基于N-S方程和连续性方程开展的。假设:(1)忽略体积力的作用;(2)润滑剂在界面上无滑动，即贴附于摩擦副表面的润滑剂速度与表面速度相同;(3)摩擦副两表面不接触，其间存在润滑膜且润滑膜厚度d0在两表面间处处相等;(4)润滑剂为牛顿流体，黏度和密度定常且不可压缩;(5)在沿着润滑膜厚方向不计压力变化;(6)沿z平面对称分布，即考虑二维表面织构情况。同时定义以下量纲一化参数:

式中:x、y为坐标向量;u、v分别为沿x、y方向的速度;L为特征长度;u0为沿x方向特征速度;ρ、ρ0为润滑剂密度和特征密度;η、η0为润滑剂动力黏度和特征动力黏度;p、p0为油膜压强和环境压强，本文取p0为一个大气压强。经过简化和量纲一化后的N-S方程沿x方向为:

1.3 仿真参数的设置

1.3.1 织构参数与速度参数设置

在基本方程定义的量纲一化参数的基础上，根据凹痕几何模型，再引入以下2个量纲一化参数:B=b/L;D=d/d0。为分析不同织构参数和不同速度参数下凹痕的动压承载性能，取量纲一化参数Re、B、D为变量，各取6个水平，共进行216次的数值模拟计算。其中，Re的变化通过改变速度的方法实现。对于B，在数值上与面积占有率S相等，考虑到实际应用中面积占有率不宜过大的情况，并借鉴已

有的研究数据［7－8］，将B上限取0.7。表1所示为各变量的取值。

表1 量纲一化变量取值表Table 1 Value of dimensionless parameters变量水平取值Re 10 20 40 80 120 160 B 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 D 0.25 0.5 0.75 1 1.25 1.5

1.3.2 边界条件设置

对于凹痕织构单元，边界条件设置如图2所示。左、右边界设置为周期性边界条件，使得所有变量在入口和出口处的值相等，相当于流体不断重复流过，这也使研究单元织构成为可能。上、下边界设置为刚性墙壁无滑移边界，其中上壁面以速度u沿x轴正向运动，即凹痕方向与运动方向成90°，下壁面静止。

图2 边界条件设置Fig 2 Set of boundary conditions

2 计算结果与分析

由于沿y轴方向不计压力的变化，所以量纲一化油膜压力P只是X的函数，凹痕织构上壁面压力P随X的变化曲线如图3所示。可以看出，P从X=0处开始直线下降，至X=0.17处达到最小值，然后直线上升至X=0.82处达到最大值，之后再次下降回归0点，而且P取正值时曲线对X的积分值要明显大于取负值时曲线对X的积分值，因此积分之后为正值，即织构区域润滑油膜具有一定的承载力。

定义pa为平均承载力，则:

式中:W=∫p(x)dx为润滑膜承载力。

图3 上壁面压力P随X的变化曲线Fig 3 Change curve of up-wall pressure P with X

定义量纲一化参数Pa=pa/p0，并以Pa为评价标准，通过不同参数下凹痕Pa值的对比分析，研究凹痕织构动压承载性能变化的规律。

2.1 Re对Pa的影响