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表面微織構(gòu)潤(rùn)滑減摩機(jī)理數(shù)值分析

2022-12-28 07:52:40任璞趙章行
農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程 2022年12期
關(guān)鍵詞:動(dòng)壓織構(gòu)油膜

任璞,趙章行

(650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院)

0 引言

摩擦副表面微織構(gòu)因其良好的潤(rùn)滑與減摩性能,被應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)主要摩擦副之間[1-2]。當(dāng)摩擦副產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),織構(gòu)的形狀、尺寸、排布方式[3-6]及雙側(cè)織構(gòu)間的耦合作用等直接影響油膜承載力和摩擦系數(shù),進(jìn)而改變潤(rùn)滑性能。因此,研究?jī)?nèi)燃機(jī)關(guān)鍵摩擦副表面微織構(gòu)潤(rùn)滑與減摩機(jī)理具有重要的科學(xué)意義和實(shí)踐價(jià)值。

近年來(lái),學(xué)者對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞、活塞環(huán)-缸套摩擦副織構(gòu)油膜潤(rùn)滑特性開展了大量研究[7-10]。Grabon[11]、朱世新[12]、麻凱[13]等通過(guò)在活塞環(huán)-缸套表面加工不同結(jié)構(gòu)尺寸及排布方式的織構(gòu),有效改善了摩擦副潤(rùn)滑性能;Yin 等[14]研究了表面粗糙度分布特行對(duì)潤(rùn)滑性能的影響,并提出了一種CL-PR 潤(rùn)滑模型;Rao 等[15]通過(guò)對(duì)磨損顆粒的分析評(píng)估,研究了缸套表面不同參數(shù)織構(gòu)對(duì)潤(rùn)滑性能的影響;Mishra 等[16]就表面織構(gòu)對(duì)活塞環(huán)-缸套摩擦副在不同潤(rùn)滑狀態(tài)下摩擦學(xué)性能的影響進(jìn)行了研究;馬旋[17]研究了表面織構(gòu)對(duì)活塞環(huán)-缸套潤(rùn)滑性能的影響,采用Kriging 預(yù)測(cè)模型求出織構(gòu)參數(shù)最優(yōu)解集。

但目前對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)織構(gòu)油膜潤(rùn)滑特性的研究多傾向于單側(cè)織構(gòu)的研究,對(duì)于織構(gòu)潤(rùn)滑減摩機(jī)理和雙向織構(gòu)耦合效應(yīng)的研究還不多見。因此,本文針對(duì)活塞裙部-缸套雙向織構(gòu)耦合作用,從油膜潤(rùn)滑原理出發(fā),通過(guò)分析活塞運(yùn)行一個(gè)周期的織構(gòu)油膜流場(chǎng)、表面油膜壓力、承載力和摩擦系數(shù)的變化情況,明確耦合微織構(gòu)作用下內(nèi)燃機(jī)活塞-缸套之間潤(rùn)滑減摩的作用機(jī)制。

1 模型的建立

1.1 幾何模型

本文以活塞-缸套摩擦副為研究對(duì)象,分別在活塞裙部與缸套內(nèi)表面構(gòu)造圓弧形凹坑織構(gòu),織構(gòu)陣列規(guī)則均勻分布于活塞裙部及缸套內(nèi)表面,如圖1 所示。

圖1 活塞-缸套耦合凹坑織構(gòu)Fig.1 Piston-cylinder coupling pit texture

由于潤(rùn)滑油膜厚度及織構(gòu)尺寸均為微米級(jí),相對(duì)于缸套曲率半徑極小,因此可以忽略潤(rùn)滑油膜曲率半徑的影響。將摩擦副沿周向展開為平面,如圖2 所示,織構(gòu)模型的直徑為2r,深度為hf,構(gòu)造邊長(zhǎng)為L(zhǎng) 的控制單元格,定義織構(gòu)的面積占有率Sp和深徑比β分別為

圖2 織構(gòu)周向展開示意圖Fig.2 Schematic diagram of circumferential expansion of texture

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.2.1 控制方程

根據(jù)流體潤(rùn)滑理論對(duì)活塞-缸套摩擦副間隙的油膜建立流體潤(rùn)滑數(shù)學(xué)模型,其控制方程由擠壓膜雷諾方程[18]和膜厚方程共同組成:

式中:p——油膜壓力,Pa;y 方向——活塞-缸套間隙油膜周向,由于假設(shè)油膜為平面且活塞無(wú)轉(zhuǎn)動(dòng),所以非織構(gòu)區(qū)域沿y 方向油膜壓力不變;η——潤(rùn)滑油動(dòng)力粘度,Pa·s;U——織構(gòu)上表面運(yùn)動(dòng)速度,m/s;ρ——潤(rùn)滑油密度,kg/m3;h——油膜內(nèi)各位置的厚度,μm。

由于活塞裙部和缸套內(nèi)側(cè)都可能存在凹坑型織構(gòu),因此油膜厚度方程h(x,y)需滿足:

(1)存在單側(cè)織構(gòu)時(shí)

式中:h0——非織構(gòu)區(qū)平均油膜厚度,μm;hg——織構(gòu)深度,μm;Ω1——表面織構(gòu)區(qū)域,一般為缸套內(nèi)部織構(gòu)。

(2)存在雙側(cè)織構(gòu)時(shí),由于活塞的運(yùn)動(dòng),織構(gòu)間會(huì)發(fā)生相對(duì)位移,如圖3 所示。

圖3 織構(gòu)油膜厚度示意圖Fig.3 Diagram of textured oil film thickness

此時(shí)油膜厚度方程可以表示為

式中:Ω2——活塞裙部表面的織構(gòu)區(qū)域;hg——織構(gòu)深度,沿活塞軸線方向運(yùn)動(dòng)時(shí),瞬時(shí)織構(gòu)深度可以表示為

式中:hf——圓弧凹腔織構(gòu)內(nèi)部最大深度,μm。

1.2.2 邊界條件

由于摩擦副表面織構(gòu)呈周期分布,織構(gòu)內(nèi)部油膜壓力也呈現(xiàn)周期性變化規(guī)律,因此截取與摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向平行的一列區(qū)域?yàn)檠芯繉?duì)象。在此區(qū)域內(nèi),模型的左右邊界面為周期邊界,如式(7)所示;前后邊界為對(duì)稱邊界,如式(8)所示;下邊界面為缸套內(nèi)表面(固定壁面);上邊界面為活塞裙部。當(dāng)活塞以速度v(t)在缸套內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動(dòng)(如圖2 所示),潤(rùn)滑油膜的邊界條件可以表示為

織構(gòu)的存在改變潤(rùn)滑油膜的局部膜厚,會(huì)使流動(dòng)油膜內(nèi)因?yàn)槟ず褡兓纬蓜?dòng)壓效應(yīng)。同時(shí),潤(rùn)滑油在進(jìn)入織構(gòu)時(shí)形成的發(fā)散楔會(huì)引發(fā)低壓區(qū),當(dāng)壓力低于空氣分力壓時(shí)引發(fā)油膜內(nèi)出現(xiàn)空化現(xiàn)象。可見,活塞-缸套摩擦副間油膜流場(chǎng)的變化與活塞運(yùn)動(dòng)速度密切相關(guān),而其定量關(guān)系通過(guò)上述控制方程難以獲得解析解。因此,本文采用大渦模擬(LES)和多相流的歐拉空化模型,對(duì)織構(gòu)間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)潤(rùn)滑油的流場(chǎng)特性及可能引發(fā)的動(dòng)壓、空化等現(xiàn)象進(jìn)行計(jì)算分析,從而明確微織構(gòu)對(duì)潤(rùn)滑油膜流場(chǎng)的影響和作用機(jī)理。

2 流場(chǎng)特性分析

2.1 動(dòng)壓效應(yīng)

由牛頓內(nèi)摩擦定律可知,活塞在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)高速運(yùn)動(dòng)時(shí),會(huì)帶動(dòng)活塞-缸套摩擦副之間的潤(rùn)滑油流體流動(dòng)。當(dāng)潤(rùn)滑油被活塞帶動(dòng)流出織構(gòu)區(qū)域過(guò)程中,由于過(guò)流截面形成收斂楔,使壓力升高,形成流體動(dòng)壓效應(yīng)。此時(shí)活塞運(yùn)動(dòng)速度為正弦函數(shù),流體動(dòng)壓效應(yīng)大小與活塞運(yùn)動(dòng)速度相關(guān),在上行行程0~T/2 內(nèi),即 0~0.01 s 的運(yùn)動(dòng)速度及由動(dòng)壓效應(yīng)產(chǎn)生的壓力變化,與下行行程T/2~T(即0.01~ 0.02 s)規(guī)律相同、方向相反,因此此節(jié)重點(diǎn)分析耦合織構(gòu)活塞側(cè)上行行程0~T/2 內(nèi),不同時(shí)刻織構(gòu)油膜動(dòng)壓壓力變化圖。

如圖4 所示,在織構(gòu)右側(cè)區(qū)域,由于間隙減小形成收斂楔形成高壓,即流體動(dòng)壓。越靠近織構(gòu)出口區(qū)域,動(dòng)壓效應(yīng)越明顯。同時(shí),活塞運(yùn)動(dòng)速度越大,流體流速越大,動(dòng)壓效應(yīng)也越加強(qiáng)化?;钊\(yùn)動(dòng)至T/4(即5 ms)時(shí)速度最大(15 m/s),織構(gòu)形成的流體動(dòng)壓最大,壓力峰值為1.1 MPa。

圖4 0~T/2 油膜壓力變化圖Fig.4 0~T/2 pressure variation diagram of oil film

進(jìn)一步分析特定速度下耦合微織構(gòu)對(duì)油膜內(nèi)流場(chǎng)速度和壓力分布的影響。如圖 5(a)所示,當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)至行程中點(diǎn)位置時(shí),活塞運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到最大值15 m/s,耦合織構(gòu)雙側(cè)均會(huì)形成流體動(dòng)壓,此時(shí)動(dòng)壓效應(yīng)最明顯。分析此時(shí)液膜內(nèi)織構(gòu)區(qū)域的壓力分布特征。由圖5(b)可知,運(yùn)動(dòng)的裙部織構(gòu)形成的流體動(dòng)壓大于缸套一側(cè)形成的動(dòng)壓。通過(guò)比較單側(cè)動(dòng)壓對(duì)承載力的影響可知,采用雙側(cè)耦合織構(gòu)時(shí),油膜承載力為單側(cè)織構(gòu)的1.85 倍。

圖5 油膜流場(chǎng)特性Fig.5 Oil film flow field characteristics

分析局部壓力特征不難發(fā)現(xiàn),潤(rùn)滑油流場(chǎng)內(nèi)部的流動(dòng)分為3 個(gè)過(guò)程:(1)當(dāng)潤(rùn)滑油流入織構(gòu)區(qū)域形成發(fā)散楔時(shí),壓力減小引發(fā)空化現(xiàn)象;(2)潤(rùn)滑油流出織構(gòu)區(qū)域過(guò)程中形成收斂楔,此時(shí)壓力迅速升高,形成動(dòng)壓效應(yīng);(3)潤(rùn)滑油流出織構(gòu)區(qū)域后過(guò)流截面減小,流速增大,壓力降低。綜上可見,在織構(gòu)的進(jìn)/出口區(qū)域均會(huì)形成低壓區(qū)發(fā)生空化,因此本文進(jìn)一步對(duì)微織構(gòu)作用下油膜內(nèi)部的空化現(xiàn)象進(jìn)行分析。

2.2 空化效應(yīng)

數(shù)值分析發(fā)現(xiàn),如果忽略空化效應(yīng),會(huì)因?yàn)榭棙?gòu)的存在潤(rùn)滑油膜局部產(chǎn)生過(guò)低的負(fù)壓,導(dǎo)致油膜承載力偏小,而考慮潤(rùn)滑油膜內(nèi)的空化效應(yīng)時(shí),流體發(fā)生空化產(chǎn)生的空泡潰滅瞬間會(huì)釋放大量能量,在潤(rùn)滑油膜內(nèi)產(chǎn)生局部高壓,從而有效補(bǔ)充了油膜的承載能力。因此,在分析表面織構(gòu)潤(rùn)滑的過(guò)程中,考慮空化效應(yīng)的影響是必須的。

如圖6 所示,潤(rùn)滑油在流入織構(gòu)區(qū)域時(shí)截面積增大引起壓力降低,隨著活塞運(yùn)動(dòng)速度增大,流體壓力降低至空氣分離壓時(shí),在織構(gòu)入口區(qū)域發(fā)生空化。流體流出織構(gòu)區(qū)域后由于截面減小,流速增大(如圖5(a)所示),同樣會(huì)使壓力降低引發(fā)空化。瞬態(tài)研究表明:潤(rùn)滑油的空化程度與活塞運(yùn)動(dòng)速度密切相關(guān):速度越大,空化效應(yīng)越明顯,活塞運(yùn)動(dòng)至T/4(5 ms)時(shí)速度最大(15 m/s),空化程度最劇烈,且越靠近活塞一側(cè)的油膜,流體流速越大,越容易發(fā)生空化。

圖6 0~T/2 空化效應(yīng)及承載力Fig.6 0~T/2 cavitation and bearing capacity

由圖6 可知,考慮空化的情況下,空化越劇烈,油膜承載力增量越大,考慮空化的潤(rùn)滑油膜承載力峰值是不考慮空化時(shí)承載力峰值的2.02 倍。活塞速度較小時(shí),油膜承載力主要由動(dòng)壓效應(yīng)提供,隨著活塞運(yùn)動(dòng)速度增大,空化提供承載力增加,活塞速度最大時(shí),空化效應(yīng)所提供的承載力與動(dòng)壓效應(yīng)相當(dāng)。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn),考慮空化作用時(shí)活塞徑向承載力增大,牛頓內(nèi)摩擦力不變,摩擦系數(shù)減小。可見,在活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,織構(gòu)內(nèi)油膜的空化現(xiàn)象對(duì)提高摩擦副的油膜承載力起著不容小覷的作用。

2.3 瞬態(tài)渦流

由圖5(a)的速度矢量圖可知,潤(rùn)滑油流體在形成動(dòng)壓油膜的同時(shí),會(huì)在缸套側(cè)織構(gòu)區(qū)域內(nèi)形成渦流?;钊?缸套間非織構(gòu)區(qū)域?qū)恿黧w流速較大,在流體間剪切力的作用下,缸套織構(gòu)區(qū)域流體由初始的靜止?fàn)顟B(tài)發(fā)生流動(dòng),當(dāng)織構(gòu)達(dá)到一定深度(約18 μm),流體無(wú)法流出織構(gòu)區(qū)域,在織構(gòu)區(qū)域循環(huán)流動(dòng)形成渦流??棙?gòu)深度較淺時(shí),流體流出織構(gòu)區(qū)域無(wú)法形成渦流??梢?,織構(gòu)潤(rùn)滑效果不僅與流體動(dòng)壓和空化現(xiàn)象有關(guān),還與由織構(gòu)引起的流場(chǎng)中的渦流有關(guān)。

進(jìn)一步分析T/2 周期內(nèi)不同時(shí)刻油膜流場(chǎng)變化。如圖7 所示,初始時(shí)刻活塞運(yùn)動(dòng)速度較低,油膜流體流速較低,產(chǎn)生的流體動(dòng)效應(yīng)較小,渦流范圍較大;隨著活塞速度增加,渦流范圍逐漸減小;至T/4 時(shí),運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到最大,流體動(dòng)壓力最大,織構(gòu)區(qū)渦流范圍被壓縮至最?。籘/4~ T/2,活塞運(yùn)動(dòng)速度減小而渦流范圍增大;至T/2 時(shí),活塞運(yùn)動(dòng)至上止點(diǎn),活塞速度趨于0,流體流速趨于0,渦流逐漸消散。渦流變化隨活塞運(yùn)動(dòng)周期呈現(xiàn):產(chǎn)生(t=0)—壓縮(T/4)—擴(kuò)大—消散(T/2)—產(chǎn)生(反向)—壓縮(3T/4)—擴(kuò)大—消散(T)的動(dòng)態(tài)規(guī)律。由渦流隨運(yùn)動(dòng)速度范圍變化可知,缸套一側(cè)產(chǎn)生的渦流不僅可以提供一定的徑向承載力,并且渦流外緣的切向速度可以加速油膜中部的流動(dòng)速度,增強(qiáng)動(dòng)壓效應(yīng),類似滾動(dòng)摩擦將油膜內(nèi)部原本的滑動(dòng)摩擦系數(shù)減小,最終實(shí)現(xiàn)摩擦副間的潤(rùn)滑減磨。

圖7 渦流變化圖Fig.7 Eddy current diagram

3 結(jié)論

揭示了耦合織構(gòu)流體潤(rùn)滑減摩機(jī)理?;诹黧w潤(rùn)滑理論,結(jié)合擠壓膜雷諾方程、膜厚方程及周期邊界條件建立了耦合織構(gòu)流體潤(rùn)滑模型;

通過(guò)對(duì)活塞裙部-缸套耦合織構(gòu)潤(rùn)滑油流場(chǎng)特性進(jìn)行分析,明確了耦合織構(gòu)油膜內(nèi)的流體動(dòng)壓、空化效應(yīng)和瞬態(tài)渦流共同作用使得活塞缸-缸套之間實(shí)現(xiàn)滑減摩。

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