丁少鵬, 徐 嘉, 史正良, 劉鵬飛, 關(guān)蘊(yùn)奇
(1.空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣東 珠海 519070; 2.珠海格力電器股份有限公司, 廣東 珠海 519070)
壓縮機(jī)是制冷、空調(diào)裝置中的主要能耗設(shè)備,且在運(yùn)行過程中存在諸多摩擦副配合,摩擦副間摩擦磨損引起的能量損失約占整個(gè)壓縮機(jī)系統(tǒng)的10%~30%,造成輸入軸功率增大,制冷系統(tǒng)能效比降低。尤其隨著家電產(chǎn)業(yè)新型綠色環(huán)保制冷劑的引入,迫使壓縮機(jī)工況復(fù)雜化,潤滑條件更為惡劣,摩擦副間摩擦磨損問題愈發(fā)嚴(yán)重,而表面紋理織構(gòu)技術(shù)可以利用精細(xì)加工方法實(shí)現(xiàn)表面形貌精確控制以改善潤滑狀態(tài),延長使用壽命、減少能耗。
微孔織構(gòu)提供流體膜動(dòng)壓承載能力,且能夠存儲(chǔ)潤滑劑、容納磨損顆粒,顯著提高端面的抗磨損性能,因此獲得廣泛關(guān)注。KLIGERMAN和ETSION較早將圓形微孔引入到密封端面中并建立相關(guān)潤滑分析模型,隨后展開微孔分布形式[1]、孔型參數(shù)優(yōu)化[2-3]、密封動(dòng)靜壓實(shí)驗(yàn)[4]等研究,指出:當(dāng)端面開孔面積比為0.65,孔深為5~10倍間隙膜厚時(shí),局部開孔端面具有較高綜合密封性能[3],且相比于普通機(jī)械密封,微孔端面摩擦轉(zhuǎn)矩可減小40%,溫升可降低20 ℃[4]。為提高圓形微孔動(dòng)壓特性,將傾斜微孔引入潤滑端面,通過方向性微孔對(duì)流體的導(dǎo)向和匯聚作用,產(chǎn)生更強(qiáng)動(dòng)壓效應(yīng)[5-7],提升端面潤滑與摩擦性能。白少先等[8-9]展開橢圓微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì),認(rèn)為微孔傾斜角在30°~50°范圍內(nèi)動(dòng)壓效應(yīng)最為顯著,相比于圓孔,最優(yōu)孔型設(shè)計(jì)可提升端面開啟力達(dá)到20%,之后在水潤滑和油潤滑條件下,實(shí)驗(yàn)對(duì)比光滑表面、圓形和傾斜橢圓微孔表面摩擦規(guī)律:微孔表面摩擦系數(shù)和潤滑溫升明顯小于光滑表面,且傾斜橢圓微孔表面小于圓孔表面。
目前,國內(nèi)外學(xué)者微孔織構(gòu)領(lǐng)域研究主要集中于單一孔型結(jié)構(gòu)潤滑機(jī)理分析與特征參數(shù)優(yōu)化,如圓孔[10-12]、橢圓孔[13-16]、菱形孔[17-18]、三角形孔[19]等,而未展開相同工況條件下的不同孔型潤滑性能與摩擦特性的對(duì)比分析。
本研究以圓形、橢圓形、矩形、菱形、方形、三角形等6種不同微孔表面結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象,考慮端面彈性變形影響,開展了無壓工況下動(dòng)壓潤滑特性的比較研究,數(shù)值分析平衡基礎(chǔ)膜厚、流體流量、摩擦轉(zhuǎn)矩、摩擦系數(shù)等性能參數(shù)隨不同操作條件與微孔結(jié)構(gòu)參數(shù)變化規(guī)律,并以最優(yōu)動(dòng)壓特性與摩擦性能為目標(biāo),給定不同孔型參數(shù)的優(yōu)化范圍。
不同微孔潤滑端面結(jié)構(gòu)如圖1所示,摩擦副采用相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán)面-環(huán)面配合,動(dòng)環(huán)端面以一定角速度ω做勻速轉(zhuǎn)動(dòng),靜環(huán)端面保持靜止?fàn)顟B(tài),在其任一端面從內(nèi)徑到外徑以轉(zhuǎn)軸為中心加工密集排布微孔結(jié)構(gòu),包括圓孔、橢圓孔、菱形孔、矩形孔、正方形孔、三角形孔等6種孔型,并沿徑向與周向呈均勻分布。
定義開孔面積比Sp表征端面微孔面積與整個(gè)潤滑區(qū)域面積的比值:
(1)
式中,nθ,nr分別為周向和徑向微孔數(shù)量;a,b分別為微孔長軸與短軸長度;而對(duì)于圓形,a為孔徑,對(duì)于正方形與三角形,a為邊長;ro,ri分別為圓環(huán)端面外徑與內(nèi)徑長度。
此外,為描述微孔方向性特征,定義微孔特征參數(shù),即:微孔傾斜角β表征微孔傾斜方向,定義為微孔中心線與x軸反方向夾角,圓形微孔表面潤滑特性不隨傾斜角變化;方向因子γ=a/b,定義為微孔長軸與短軸之比,圓形孔、正方形孔、三角形孔表面潤滑特性不隨方向因子變化。
液體潤滑介質(zhì)假定為牛頓流體,黏度保持不變,且沿膜厚方向無壓力變化,則柱面坐標(biāo)系Reynolds方程記為:
圖1 不同微孔潤滑端面結(jié)構(gòu)示意圖
(2)
式中,p為流體膜壓力;μ為流體黏度;r,θ分別為徑向與周向坐標(biāo);h為潤滑區(qū)域間隙尺寸。
h(r,θ)=h0(r,θ)+hd(r,θ)+hdef(r,θ) (3)
式中,h0為摩擦副潤滑間隙基本尺寸;hd為微孔深度,非開孔區(qū)hd=0;hdef為潤滑端面彈性變形引起的膜厚變化。
強(qiáng)制性與周期性壓力邊界條件為:
p(r=ri,θ)=p(r=ro,θ)=pa
(4)
p(r,θ=0.5θ0)=p(r,θ=-0.5θ0)
(5)
式中,pa為標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境大氣壓力,1.01325×105Pa;θ0為計(jì)算區(qū)域角度取值范圍。
潤滑端面性能參數(shù)主要包括:流體膜基礎(chǔ)厚度h0、流體流量Q、摩擦轉(zhuǎn)矩T和摩擦系數(shù)f。
流體膜基礎(chǔ)厚度h0根據(jù)油膜承載力與外加負(fù)載間的力平衡關(guān)系求得,外加負(fù)載為定值,油膜承載力F定義為:
(6)
流體流量Q計(jì)算公式為:
(7)
潤滑區(qū)域流體處于全膜潤滑狀態(tài),因此端面間摩擦可視為流體摩擦,則端面間的摩擦力Ff定義為:
(8)
故摩擦轉(zhuǎn)矩T為:
(9)
若外加負(fù)載為W,則摩擦系數(shù)f為:
(10)
計(jì)算過程中,采用有限差分法求解流體控制方程,對(duì)二階偏微分項(xiàng)應(yīng)用中心差分格式,對(duì)一階偏微分項(xiàng)應(yīng)用迎風(fēng)差分格式,另外,采用有限單元法計(jì)算潤滑端面彈性變形,劃分網(wǎng)格時(shí)采用空間20節(jié)點(diǎn)六面體等單元。應(yīng)用當(dāng)量圓環(huán)計(jì)算端面變形,圓環(huán)厚度為10 mm,內(nèi)外徑界面施加內(nèi)外壓力載荷即環(huán)境壓力,圓環(huán)一側(cè)端面承受流體膜壓力,另一側(cè)端面設(shè)置軸向位移約束,周期性邊界采用周期性位移約束。
網(wǎng)格密度對(duì)計(jì)算結(jié)果影響顯著,如圖2所示,隨網(wǎng)格數(shù)的增加超過100×100時(shí),端面摩擦扭矩基本保持不變,計(jì)算誤差控制在0.3%以內(nèi),且密度越大耗時(shí)越長,綜合選取100×100的網(wǎng)格可滿足計(jì)算要求。
圖2 摩擦轉(zhuǎn)矩隨網(wǎng)格密度變化
此外,計(jì)算過程中,根據(jù)力平衡關(guān)系采用二分法調(diào)整膜厚分布,載荷收斂殘差為1×10-3,平衡基礎(chǔ)膜厚收斂過程如圖3a所示。為驗(yàn)證控制方程求解的準(zhǔn)確性,采用文獻(xiàn)[20]單個(gè)圓孔結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,如圖3b所示,壓力差異控制在3%以內(nèi)。
圖3 模型驗(yàn)證
表1所示為潤滑端面的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作條件。計(jì)算過程中,配合摩擦副的動(dòng)環(huán)材料選為GCr15SiMn,靜環(huán)材料選為HT250,所涉及材料參數(shù)見表2。
表1 潤滑端面結(jié)構(gòu)參數(shù)與操作參數(shù)
表2 材料相關(guān)參數(shù)
圖4所示為工況轉(zhuǎn)速ω=2000 r·min-1、孔深hd=4 μm、傾斜角β=60°、外界負(fù)載W=800 N、方向因子λ=2時(shí),橢圓微孔端面壓力分布情況。隨動(dòng)環(huán)端面作周向剪切運(yùn)動(dòng),流體介質(zhì)進(jìn)入潤滑間隙,并沿橢圓微孔長軸方向流動(dòng),在微孔收斂間隙側(cè)不斷富集,形成動(dòng)壓效應(yīng),顯著提升壓力分布,相應(yīng)地,在發(fā)散間隙側(cè)壓力迅速降低,甚至發(fā)生空化現(xiàn)象。橢圓微孔方向性傾斜增加對(duì)流體的引導(dǎo)作用,進(jìn)一步增強(qiáng)流體動(dòng)壓特性。
圖4 橢圓微孔端面壓力分布
圖5所示為橢圓微孔潤滑間隙膜厚分布以及端面軸向變形情況(不包含孔深)。彈性變形改變潤滑端面幾何形狀,由于端面受到流體膜壓力的擠壓作用,圖中所示變形量均呈現(xiàn)負(fù)值,其中最大變形發(fā)生在流體膜壓力峰值點(diǎn)附近,相應(yīng)地,空化區(qū)域流體膜壓力最低,其端面變形量最小??傮w來講,端面最大變形量僅能達(dá)到0.07 μm左右,而平衡基礎(chǔ)膜厚可達(dá)到5.78 μm 左右,變形量約為基礎(chǔ)膜厚的1.21%,可見端面變形對(duì)膜厚分布影響微弱,全膜潤滑分析時(shí)可不予考慮。端面變形與流體膜厚度相對(duì)應(yīng),軸向壓縮變形越大,潤滑間隙尺寸越大,膜厚越厚。
圖5 橢圓微孔端面膜厚與變形分布(不包含孔深)
不同微孔端面計(jì)算區(qū)域中心軸線壓力分布比較如圖6所示,孔區(qū)的存在產(chǎn)生充足動(dòng)壓效應(yīng),提升整體膜壓分布,隨流動(dòng)方向,在微孔收斂側(cè)壓力急劇升高,而在發(fā)散側(cè)壓力快速降低。6種孔型結(jié)構(gòu)中,3種典型的方向性傾斜微孔,橢圓形、矩形、菱形,動(dòng)壓效應(yīng)最為顯著,壓力峰值最高達(dá)到1.5 MPa,而另外3種微孔結(jié)構(gòu),圓形、方形、三角形,動(dòng)壓效應(yīng)相對(duì)減弱,這與方向性微孔導(dǎo)流作用密切相關(guān)。
圖6 不同微孔端面計(jì)算區(qū)域中心軸線壓力分布比較
1) 載荷影響
針對(duì)6種孔型端面,進(jìn)行不同操作工況下的潤滑特性分析,圖7展示為外加負(fù)載對(duì)平衡基礎(chǔ)膜厚、流體流量、摩擦轉(zhuǎn)矩以及摩擦系數(shù)的影響。隨負(fù)載從100 N到1600 N變化,基礎(chǔ)膜厚逐漸減小以提供更大動(dòng)壓效應(yīng),平衡閉合力作用,尤其當(dāng)負(fù)載小于400 N時(shí),微孔動(dòng)壓特性變化顯著,引起膜厚衰減更為明顯。負(fù)載增加造成膜厚減小,通過式(8)定義,結(jié)果使得流體間摩擦力增加,因此摩擦轉(zhuǎn)矩隨負(fù)載變化呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。而摩擦系數(shù)變化趨勢(shì)與平衡膜厚相似,由于負(fù)載增長幅度大于摩擦力增長幅度,所以負(fù)載越大,摩擦系數(shù)越小。
圖7 負(fù)載對(duì)潤滑特性影響(hd=4 μm, β=60°,λ=2,ω=2000 r·min-1)
對(duì)于方向性傾斜微孔,橢圓形、菱形、矩形,微孔長軸方向性導(dǎo)流作用,在周向剪切作用下誘發(fā)流體從外徑向內(nèi)徑流動(dòng),流體流量呈現(xiàn)正值,且隨負(fù)載增加,流量呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì),當(dāng)W<400 N時(shí),壓力梯度增加的影響大于膜厚衰減的影響,占據(jù)主導(dǎo)因素,造成流體流量增長,而隨負(fù)載繼續(xù)增加,微孔動(dòng)壓效應(yīng)增幅減弱,基礎(chǔ)平衡膜厚的變化占據(jù)主導(dǎo)因素,隨膜厚緩慢減小,造成流量呈現(xiàn)微小下降趨勢(shì)。而對(duì)于圓形、方形、三角形孔,由于不存在長軸方向性導(dǎo)流作用,在無邊界壓差環(huán)境下,流體流量數(shù)值較小。
對(duì)比6種孔型結(jié)構(gòu),在hd=4 μm,β=60°,λ=2,ω=2000 r·min-1工況條件與幾何參數(shù)下,方向性傾斜微孔動(dòng)壓效應(yīng)并不具有優(yōu)勢(shì),以W=1600 N時(shí)為例,此時(shí)動(dòng)壓效應(yīng):方形孔>三角形孔>圓形孔>矩形孔>橢圓形孔>菱形孔,方形微孔端面平衡基礎(chǔ)膜厚相較于菱形微孔端面增加9.3%。
2) 轉(zhuǎn)速影響
圖8所示為轉(zhuǎn)速對(duì)6種孔型端面潤滑特性的影響。隨轉(zhuǎn)速在250~10000 r·min-1范圍內(nèi)變化,平衡基礎(chǔ)膜厚、摩擦轉(zhuǎn)矩與摩擦系數(shù)變化相似,呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì),尤其轉(zhuǎn)速低于1000 r·min-1,曲線增長幅值變化明顯,之后趨于緩慢。而流體流量隨轉(zhuǎn)速變化基本呈現(xiàn)線性增加趨勢(shì),區(qū)別在于,對(duì)于方向性傾斜微孔,橢圓形、菱形、矩形,轉(zhuǎn)速越大,端面剪切作用越強(qiáng),方向性微孔導(dǎo)流作用越明顯,結(jié)果造成流體流量快速增加;而對(duì)于圓形、方形、三角形,流量數(shù)值較小,增加緩慢。
圖8 轉(zhuǎn)速對(duì)潤滑特性影響(hd=4 μm, β=60°,λ=2,W=800 N)
對(duì)比六種孔型結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn):無邊界壓差環(huán)境下,隨轉(zhuǎn)速變化,不同微孔的動(dòng)壓效應(yīng)與摩擦特性相似,在ω=10000 r·min-1,圓形孔動(dòng)壓效應(yīng)最強(qiáng),相較于最弱的矩形孔,平衡基礎(chǔ)膜厚增加4.0%,而摩擦轉(zhuǎn)矩與摩擦系數(shù)較矩形孔也僅分別降低3.5%和3.8%。
1) 孔深影響
孔深對(duì)微孔端面潤滑特性影響如圖9所示,隨孔深的增加,平衡基礎(chǔ)膜厚先增后減,在4~8 μm范圍內(nèi)獲得最大值,說明在該深度取值范圍內(nèi),微孔動(dòng)壓效應(yīng)最強(qiáng)。相應(yīng)地,隨膜厚變化,流體摩擦力呈現(xiàn)相反的趨勢(shì),載荷不變情況下,摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先減后增的變化規(guī)律,在4~8 μm范圍內(nèi)摩擦系數(shù)最低。
圖9 孔深對(duì)潤滑特性影響(β=60°,λ=2,ω=2000 r·min-1,W=800 N)
隨孔深的增加,對(duì)于橢圓形孔、矩形孔、菱形孔,流體流量呈現(xiàn)先增后減趨勢(shì),最后趨于穩(wěn)定,在6~8 μm范圍內(nèi)獲得最大值;對(duì)于三角形孔,流體流量逐漸增加;對(duì)于圓形孔、方形孔,流體流量數(shù)值較小,且基本維持不變。綜合考慮動(dòng)壓特征與摩擦特性,建議孔深取值為4~6 μm。
2) 傾斜角影響
微孔傾斜角對(duì)配合端面潤滑特性影響如圖10所示,隨傾斜角的增加,圓孔端面性能參數(shù)不變,而傾斜微孔端面平衡基礎(chǔ)膜厚逐漸減小,在0~20°膜厚最大,說明此時(shí)微孔動(dòng)壓效應(yīng)最強(qiáng)。摩擦轉(zhuǎn)矩與摩擦系數(shù)隨傾斜角增加出現(xiàn)相似變化,呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì),在0~20°達(dá)到最小,在90°達(dá)到最大。而流量變化呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì),流動(dòng)方向與微孔長軸導(dǎo)流作用相關(guān),在0°、90°附近流量最小,而在40°~60°附近流量最大,綜合潤滑性能變化情況,建議微孔傾斜角取值為 0~20°。
比較不同孔型結(jié)構(gòu),在β=0~20°范圍內(nèi),橢圓微孔與矩形微孔動(dòng)壓效應(yīng)最為顯著,且摩擦系數(shù)、摩擦轉(zhuǎn)矩較小,因此端面紋理設(shè)計(jì)時(shí),橢圓微孔與矩形微孔優(yōu)勢(shì)更為明顯。
3) 方向因子影響
潤滑性能參數(shù)隨微孔方向因子變化如圖11所示,對(duì)于方向性傾斜微孔,方向因子增加,迫使孔型狹窄化,增強(qiáng)流體動(dòng)壓效應(yīng),局部壓力峰值增強(qiáng),但整體平均膜壓降低,如圖12所示,流體膜承載能力削弱,為平衡外加負(fù)載作用,平衡基礎(chǔ)膜厚減小,同時(shí),狹窄化孔型結(jié)構(gòu)增強(qiáng)對(duì)流體引導(dǎo)作用,促使端面流量增加。另一方面,膜厚減小引起流體摩擦力增大,隨方向因子增加,摩擦轉(zhuǎn)矩與摩擦系數(shù)呈現(xiàn)增加趨勢(shì)。
圖10 微孔傾斜角對(duì)潤滑特性影響(hd=4 μm,λ=2,ω=2000 r·min-1, W=800 N)
圖11 方向因子對(duì)潤滑特性影響(hd=4 μm, β=60°,ω=2000 r·min-1,W=800 N)
對(duì)于方向性傾斜微孔,在保證足夠開啟特性的同時(shí),考慮流體流量、摩擦系數(shù)、摩擦轉(zhuǎn)矩不宜過大,因此建議微孔方向因子取值為λ=2。
圖12 橢圓微孔方向因子對(duì)計(jì)算區(qū)域中心軸線壓力分布影響(hd=4 μm, β=60°,ω=2000 r·min-1,W=800 N)
(1) 微孔方向性傾斜增加對(duì)流體的引導(dǎo)作用,促使流體介質(zhì)沿橢圓微孔長軸方向流動(dòng),在微孔收斂間隙側(cè)不斷富集,形成動(dòng)壓效應(yīng),顯著提升壓力分布。彈性變形與流體膜厚度相對(duì)應(yīng),軸向壓縮變形越大,潤滑間隙尺寸越大,膜厚越厚。相比于平衡基礎(chǔ)膜厚,端面變形對(duì)膜厚分布影響微弱,全膜潤滑分析時(shí)可不予考慮;
(2) 操作工況與結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)不同孔型端面潤滑特性影響明顯。在微孔傾斜角β為0~20°范圍內(nèi),橢圓微孔與矩形微孔動(dòng)壓效應(yīng)最為顯著,且摩擦系數(shù)、摩擦轉(zhuǎn)矩較小,優(yōu)勢(shì)較為明顯。在孔深4~6 μm、方向因子λ=2時(shí),不同形狀孔型結(jié)構(gòu)潤滑性能均可達(dá)到最佳效果。