液黏傳動(dòng)變形界面間油膜溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究

謝方偉，侯友夫，張立強(qiáng)，袁曉明，宋喜福，席濤

(1. 江蘇大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江，212013；2. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州，221008)

液體黏性傳動(dòng)(簡(jiǎn)稱液黏傳動(dòng))是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新型流體傳動(dòng)形式[1]，是繼液壓、液力傳動(dòng)之后，第3種以液體為工作介質(zhì)的傳動(dòng)技術(shù)，它基于牛頓內(nèi)摩擦定律，利用油膜剪切力來(lái)傳遞動(dòng)力，具有高效節(jié)能、無(wú)級(jí)調(diào)速、啟動(dòng)沖擊小和同步傳動(dòng)等特點(diǎn)，在帶式輸送機(jī)、風(fēng)機(jī)、水泵等大功率重載設(shè)備的調(diào)速啟動(dòng)方面具有廣闊的應(yīng)用前景[2-3]。液黏傳動(dòng)裝置工作過(guò)程中，摩擦副間存在滑差導(dǎo)致熱量產(chǎn)生，油膜的溫度升高，油膜的動(dòng)壓承載力和傳遞的扭矩減小，這將嚴(yán)重影響液黏傳動(dòng)裝置的工作性能。Jang等[4]綜合考慮熱效應(yīng)和表面粗糙度對(duì)液黏傳動(dòng)裝置的影響，對(duì)流體潤(rùn)滑狀態(tài)下液黏傳動(dòng)裝置接合過(guò)程中的瞬態(tài)熱效應(yīng)進(jìn)行分析，建立了相應(yīng)的雷諾方程。洪躍等[5]采用冪律型非牛頓流體模型，考慮表面粗糙度和表面溝槽等對(duì)液黏傳動(dòng)裝置中的摩擦副間油膜狀態(tài)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算與分析。陳寧[6]考慮油膜與摩擦副之間的對(duì)流換熱，對(duì)混合摩擦階段液體液黏傳動(dòng)裝置的熱負(fù)荷進(jìn)行了理論分析計(jì)算。Jen等[7]對(duì)摩擦副接合過(guò)程中產(chǎn)生的熱量進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，采用分離變量法建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)摩擦副接合過(guò)程中的溫升及溫度場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析。Meng等[8]建立了修正瞬態(tài)雷諾方程、熱能量方程和工作油黏溫方程，通過(guò)數(shù)值計(jì)算對(duì)液黏傳動(dòng)裝置工作過(guò)程中油膜的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、傳遞扭矩和油膜承載力進(jìn)行了研究，并得出工作油的溫升對(duì)油膜承載力和油膜傳遞扭矩的影響規(guī)律。Xie等[9]構(gòu)建了液黏傳動(dòng)對(duì)偶片瞬態(tài)溫度場(chǎng)理論模型，并采用有限元法進(jìn)行求解，得到了對(duì)偶片溫度場(chǎng)的分布特點(diǎn)，指出溫差引起的熱應(yīng)力導(dǎo)致了對(duì)偶片產(chǎn)生一定程度的變形，部分揭示了摩擦副的變形機(jī)理。到目前為止，在研究液黏傳動(dòng)機(jī)理時(shí)，均假設(shè)摩擦副為絕對(duì)平行的剛性平面。由于摩擦副通常較薄，研究發(fā)現(xiàn)混合摩擦階段摩擦副熱應(yīng)力耦合導(dǎo)致其發(fā)生翹曲變形，從而引起摩擦副間油膜流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生變化，影響油膜溫度場(chǎng)的分布特性。本文作者采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件 FLUENT對(duì)油膜溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，以揭示液黏傳動(dòng)摩擦副間油膜的溫度分布特性及變形界面對(duì)油膜溫度場(chǎng)的影響，為液黏傳動(dòng)技術(shù)的研究和液黏傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 基本方程

根據(jù)流體力學(xué)可知，流體的流動(dòng)所遵守的基本守恒定律主要包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律。該守恒定律可以用質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述[10-11]。

(1) 質(zhì)量守恒方程：

對(duì)于定常流動(dòng)的不可壓縮的流體，ρ為常數(shù)，式(1)可寫(xiě)為：

式中：ux，uy和uz分別為油膜在x，y和z方向上的速度分量。

(2) 動(dòng)量守恒方程。動(dòng)量守恒方程即Navier-Stokes方程的一般形式如下：

式中：μ為油膜的動(dòng)力黏度；p為油膜的壓力；g為重力加速度。

(3) 能量守恒方程

式中：cp為比熱容，J/(kg·℃)；t為溫度，℃；k為流體傳熱系數(shù)；ST為流體的內(nèi)熱源及由黏性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分。

2 計(jì)算模型

研究發(fā)現(xiàn)混合摩擦階段熱應(yīng)力耦合導(dǎo)致摩擦副發(fā)生翹曲變形，利用所研制的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，研究對(duì)偶片的熱應(yīng)力和變形情況，利用 CNC全自動(dòng)三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x進(jìn)行平面度的測(cè)量(如圖 1所示)，測(cè)量的對(duì)偶片的軸向變形量如圖2所示。由圖2可知：對(duì)偶片最大變形量為0.103 mm；變形量與半徑近似呈線性關(guān)系。

圖1 變形對(duì)偶片的測(cè)量Fig.1 Measurement of deformed steel disk

摩擦副是液黏傳動(dòng)裝置傳遞動(dòng)力的主要部件，由摩擦片和對(duì)偶片組成，如圖3所示。該摩擦副的摩擦片表面共有20個(gè)溝槽，其間油膜物理模型如圖4所示。油膜的幾何參數(shù)如下：油膜內(nèi)徑為 130 mm，外徑為180 mm，油膜的厚度為 0.5 mm，溝槽的深度為 0.5 mm。根據(jù)油膜的對(duì)稱性，取1/20油膜(即1個(gè)溝槽區(qū)和1個(gè)無(wú)溝槽區(qū)油膜，且兩者對(duì)稱布置)進(jìn)行分析，油膜兩側(cè)面做周期性邊界條件設(shè)置，這樣可保證只研究20個(gè)溝槽中的1個(gè)即可反映整體油膜的狀態(tài)。

圖2 對(duì)偶片軸向變形量Fig.2 Axial deformation of steel disk

圖3 摩擦副三維模型Fig.3 3-D model of friction pair

圖4 摩擦副間油膜物理模型Fig.4 Oil film model between friction pair

利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)原理，采用有限體積法并選用大型商用軟件FLUENT進(jìn)行求解[12]。圖5所示為油膜物理模型及邊界條件設(shè)置，圖中剪頭所示為運(yùn)動(dòng)壁面的旋轉(zhuǎn)方向。油膜邊界條件設(shè)置如下：運(yùn)動(dòng)壁面旋轉(zhuǎn)速度ω為1 000 r/min，壁面無(wú)滑移，入口總壓為0.3 MPa，出口總壓為0 MPa，油膜的兩側(cè)面為周期性邊界條件，考慮油膜的黏溫特性，采用UDF編寫(xiě)熱源函數(shù)和黏溫特性函數(shù)，然后初始化所有變量，進(jìn)行迭代求解。

圖5 1/20油膜物理模型及邊界條件Fig.5 1/20 physical model and boundary conditions of oil film

3 計(jì)算結(jié)果

為了更直觀顯示徑向壓力和周向壓力的變化情況，在油膜上取3條線：溝槽底面的中心線1；無(wú)溝槽區(qū)的中心線2；在圓周方向半徑160 mm，油膜厚度0.4 mm處取1條圓弧3，對(duì)應(yīng)的圓周角θ的變化范圍是0°～18°。這3條線在油膜上的相對(duì)位置如圖6所示。

圖6 3條線在油膜上的相對(duì)位置Fig.6 Relative position of three lines on oil film

圖7所示為平行界面和變形界面間油膜溫度沿徑向的分布。由圖7可知：2種工況下油膜的溫度沿徑向均隨半徑位置的增大而升高。由于溝槽區(qū)冷卻油的流量大，冷卻充分，溝槽區(qū)油膜的溫度遠(yuǎn)低于無(wú)溝槽區(qū)；變形界面間油膜溫度略低于平行界面間油膜的溫度，原因是油膜的流動(dòng)速度增加，相同時(shí)間帶走的熱量增多。

圖8所示為平行界面和變形界面間油膜溫度沿周向的分布，為便于觀察溫度沿周向的分布規(guī)律，圖中給出3個(gè)溝槽的溫度沿周向的分布，對(duì)應(yīng)的圓周角范圍是 0°～54°，溝槽區(qū)的范圍分別為 6°～12°，24°～30°和 42°～48°，無(wú)溝槽區(qū)的范圍分別為 0°～6°，12°～24°，30°～42°和 48°～54°。由圖 8 可以看出：溝槽區(qū)油膜溫度明顯低于無(wú)溝槽區(qū)的油膜溫度，溝槽區(qū)油膜溫度沿摩擦片旋轉(zhuǎn)的反方向逐漸降低；無(wú)溝槽區(qū)油膜溫度從無(wú)溝槽區(qū)域的一側(cè)到另一側(cè)溫度先逐漸升高，接近另一側(cè)時(shí)溫度達(dá)到最高；變形界面間油膜的平均溫度略低于平行界面間油膜的溫度。

圖7 油膜溫度沿徑向的分布Fig.7 Temperature distribution of oil film along radial direction

圖8 油膜溫度沿周向的分布Fig.8 Temperature distribution of oil film along circumferential direction

4 實(shí)驗(yàn)研究

為了驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的正確性，搭建了液黏傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究。液黏傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖9所示。圖10和圖11分別為平行界面和變形界面間油膜溫度隨時(shí)間的變化，其中，t1～t4分別對(duì)應(yīng)有溝槽區(qū)半徑為135，145，165和175 mm處的測(cè)點(diǎn)溫度；t5～t8分別為無(wú)溝槽區(qū)半徑為135，145，165和175 mm處的測(cè)點(diǎn)溫度。由圖10和圖11可知：平行界面和變形界面間油膜的溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律基本相同，即在所測(cè)量的時(shí)間范圍內(nèi)油膜的溫度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而升高；油膜的溫度與時(shí)間近似呈線性關(guān)系升高，無(wú)溝槽區(qū)的溫度明顯高于有溝槽區(qū)的溫度；變形界面有溝槽區(qū)和無(wú)溝槽區(qū)油膜的溫度均略低于平行界面間油膜的溫度。

圖9 液黏傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.9 Hydro-viscous drive test bed

圖10 平行界面間油膜溫度隨時(shí)間的變化Fig.10 Variation of oil film temperature with time between parallel interfaces under 5 L/min

圖11 變形界面間油膜溫度隨時(shí)間的變化Fig.11 Variation of oil film temperature with time between deformed interfaces under 5 L/min

當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行30 s時(shí)，對(duì)平行界面和變形界面間油膜的溫度進(jìn)行測(cè)量。圖12所示為油膜溫度沿徑向的變化。由圖12可知：平行界面和變形界面間油膜的溫度沿徑向遞增，且與半徑近似呈線性關(guān)系；有溝槽區(qū)油膜的溫升較小，約為1 ℃，而無(wú)溝槽區(qū)溫升約為10 ℃；變形界面間有溝槽區(qū)和無(wú)溝槽區(qū)油膜溫度均略低于平行界面間油膜的溫度。

圖13所示為在溫度測(cè)量區(qū)測(cè)點(diǎn)沿周向的布置圖。溝槽區(qū)和無(wú)溝槽區(qū)測(cè)溫點(diǎn)的位置為：以溝槽的1邊為基準(zhǔn)，圓周角分別為 3°，6°，12°和 18°，半徑為 165 mm的圓周上各布置1個(gè)溫度傳感器，測(cè)點(diǎn)溫度分別用t9，t10，t11和t12表示。圖14所示為油膜溫度沿周向的變化。由圖 14可知：溝槽區(qū)油膜的溫度(t9)最低，無(wú)溝槽區(qū)油膜的溫度(t11)最高，且溝槽兩邊的溫度略有不同(t10略低于t12)，溝槽區(qū)溫度明顯低于無(wú)溝槽區(qū)；平行界面間油膜的溫度略高于變形界面間油膜的溫度。

圖12 油膜溫度沿徑向的變化Fig.12 Variation of oil film temperature along radial direction

圖13 溫度測(cè)點(diǎn)沿周向的布置圖Fig.13 Arrangement diagram of temperature measuring points along circumferential direction

圖14 油膜溫度沿周向的變化Fig.14 Variation of oil film temperature along circumferential direction

5 結(jié)論

(1) 在實(shí)驗(yàn)測(cè)量的時(shí)間范圍內(nèi)，平行界面和變形界面間油膜的溫度隨時(shí)間的延長(zhǎng)而升高；油膜的溫度與時(shí)間近似呈線性關(guān)系升高，無(wú)溝槽區(qū)的溫度明顯高于有溝槽區(qū)的溫度。

(2) 在同一時(shí)刻，平行界面和變形界面間油膜的溫度沿徑向遞增，且與半徑近似呈線性關(guān)系；有溝槽區(qū)油膜的溫升較小，約為1 ℃，而無(wú)溝槽區(qū)溫升約為10 ℃；變形界面有溝槽區(qū)和無(wú)溝槽區(qū)油膜的溫度均略低于平行界面間油膜的溫度。

(3) 溝槽區(qū)油膜溫度沿摩擦片旋轉(zhuǎn)的反方向逐漸降低；無(wú)溝槽區(qū)油膜溫度，從無(wú)溝槽區(qū)域的一側(cè)到另一側(cè)溫度先逐漸升高，接近另一側(cè)時(shí)溫度達(dá)到最高；變形界面間徑向溫度略低于平行界面間油膜的溫度，原因是油膜的黏度降低，流動(dòng)速度增加，相同時(shí)間帶走的熱量增多。

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