發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油濾清器濾層強(qiáng)度分析及優(yōu)化

劉攀勇, 陳振雷, 商 晴, 柳超杰, 林枝強(qiáng)

發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油濾清器濾層強(qiáng)度分析及優(yōu)化

劉攀勇, 陳振雷*, 商 晴, 柳超杰, 林枝強(qiáng)

（寧波大學(xué) 海運(yùn)學(xué)院, 浙江 寧波 315832）

針對(duì)機(jī)油濾清器工作工況下進(jìn)出口壓差、機(jī)油濾層強(qiáng)度及導(dǎo)流樁高度等問(wèn)題, 通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試與仿真相結(jié)合, 對(duì)濾清器初步設(shè)計(jì)進(jìn)行了評(píng)估及優(yōu)化, 以確保濾清器在工作工況下進(jìn)出口壓降及濾層強(qiáng)度能滿足要求. 首先進(jìn)行濾層性能試驗(yàn), 得到濾層的慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù); 再通過(guò)濾層多孔介質(zhì)CFD分析, 對(duì)濾清器進(jìn)出口壓降進(jìn)行分析計(jì)算. 結(jié)果表明: 在-18℃、25℃和70℃的工況下, 進(jìn)出口壓降都小于10kPa, 滿足相關(guān)要求. 針對(duì)濾層的最大主應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度的問(wèn)題, 通過(guò)CAE仿真分析, 優(yōu)化濾層與導(dǎo)流樁間隙, 將濾層最大主應(yīng)力由110.1MPa降至36.99MPa, 小于其抗拉強(qiáng)度42.8MPa.

濾清器; 濾層; 黏性阻力系數(shù); 慣性阻力系數(shù); 強(qiáng)度分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油過(guò)濾器能優(yōu)先濾除對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)磨損最有害的金屬屑和無(wú)機(jī)雜質(zhì)等物質(zhì), 從而能有效降低發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦副的磨損, 延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命, 同時(shí)還能較好地改善發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油品質(zhì), 達(dá)到延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)壽命的作用[1-3]. 所以機(jī)油濾清器必須具有濾清能力強(qiáng), 流通阻力小, 使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)[4]. 但影響濾清器過(guò)濾性能的主要是濾層, 如果濾紙所受主應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度, 則會(huì)破壞濾紙, 導(dǎo)致濾層喪失過(guò)濾能力. 更為嚴(yán)重的是, 材質(zhì)較差或損壞的濾紙產(chǎn)生大量紙屑, 造成發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)油路堵塞或零部件異常, 導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)損壞或報(bào)廢.

因此大量學(xué)者針對(duì)濾清器過(guò)濾問(wèn)題做了許多研究. Kaukopaasi等[5]在研究中證實(shí), 濾清器多層復(fù)合濾紙?jiān)谶^(guò)濾效率和使用壽命上明顯優(yōu)于單層濾紙, 但是復(fù)合多少層可以達(dá)到最好效果還有待研究. 梁云等[6]用纖維梯度結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念制備了具有梯度過(guò)濾功能的濾紙, 但是要想過(guò)濾精度高, 孔徑就要變小, 阻力就會(huì)變大, 反之精度就會(huì)降低. 李亨等[7]綜合對(duì)比了多孔介質(zhì)-純流體耦合流動(dòng)區(qū)域的數(shù)值模擬方法及現(xiàn)狀, 認(rèn)為多孔介質(zhì)模型可以用于多孔介質(zhì)中流體流動(dòng)的數(shù)值模擬, 且此方法后續(xù)一直延用在濾層的CFD計(jì)算中.

本文針對(duì)過(guò)濾器進(jìn)出口壓降及濾紙強(qiáng)度不足的問(wèn)題, 在完成濾紙?jiān)囼?yàn)測(cè)試的基礎(chǔ)上, 通過(guò)CFD計(jì)算出在-18℃、25℃和70℃工況下的進(jìn)出口壓降以及濾紙所受最大主應(yīng)力, 最終通過(guò)優(yōu)化分析并完善了濾清器的下殼體以及改變?yōu)V層與導(dǎo)流樁間距, 在保證進(jìn)出口油壓的同時(shí), 減小了濾紙受到的最大主應(yīng)力.

1 理論分析

1.1 數(shù)學(xué)模型

機(jī)油濾清器在工作流量范圍內(nèi)一般采用湍流模型, 在計(jì)算時(shí)采用Reynolds時(shí)均方程法對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算[8]. 流體運(yùn)動(dòng)滿足質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律, 基本瞬時(shí)控制方程組由質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程組成[9].

質(zhì)量守恒方程:

動(dòng)量守恒方程:

流體流過(guò)濾層(多孔介質(zhì))時(shí)遵守Darcy定律[10], 當(dāng)流經(jīng)均勻的多孔介質(zhì)時(shí), 動(dòng)量方程的源項(xiàng)由黏性損失項(xiàng)和慣性損失項(xiàng)組成, 計(jì)算公式如下[11]:

將上式在濾層厚度方向進(jìn)行積分, 可得:

1.2 邊界條件

2 模型建立

2.1 網(wǎng)格模型建立

使用Hypermesh軟件對(duì)機(jī)油濾清器進(jìn)行四面體網(wǎng)格劃分[12], 最小網(wǎng)格尺寸為0.1mm, 最大網(wǎng)格尺寸為5.12mm, 網(wǎng)格總數(shù)量為226萬(wàn), 濾層的厚度為1.2mm. 初始設(shè)計(jì)中, 濾層和導(dǎo)流樁之間的距離為0.4mm, 濾清器下殼體內(nèi)有8個(gè)長(zhǎng)方體的導(dǎo)流樁, 當(dāng)濾層受力時(shí), 導(dǎo)流樁對(duì)濾層起到支撐作用, 濾清器模型如圖1所示.

2.2 各工況邊界條件

當(dāng)濾清器處于工作狀態(tài), 流經(jīng)的機(jī)油油溫不同時(shí), 機(jī)油的各項(xiàng)參數(shù)也有所不同. 3種不同溫度下濾清器中機(jī)油的各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 各溫度下的機(jī)油參數(shù)

按設(shè)計(jì)要求, 過(guò)濾的機(jī)油在不同溫度條件下,流經(jīng)濾層時(shí)對(duì)濾清器進(jìn)出口油壓有一定壓差要求, 同時(shí)也對(duì)濾層所受最大主應(yīng)力有一定的要求. 設(shè)計(jì)的具體工況條件見(jiàn)表2.

表2 各工況邊界條件

由表2可知, 在-18℃且進(jìn)口流量為4L?min-1時(shí), 進(jìn)出口壓降要小于15kPa; 在25℃且進(jìn)口流量為15L?min-1時(shí), 進(jìn)出口壓降要小于10kPa; 在70℃且進(jìn)口流量為20L?min-1時(shí), 進(jìn)出口壓降要小于15kPa. 并且需要滿足在25℃溫度下, 當(dāng)濾層上下壓差為85kPa負(fù)壓時(shí), 濾層所受最大主應(yīng)力不能超過(guò)其本身的抗拉強(qiáng)度42.8MPa.

3 濾層性能測(cè)試

3.1 試驗(yàn)原理

CFD計(jì)算進(jìn)出口油壓和濾層表面壓差時(shí), 計(jì)算軟件對(duì)于多孔介質(zhì)所需要的輸入?yún)?shù)中, 缺失濾層的慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù). 為獲得準(zhǔn)確的流體力學(xué)分析參數(shù), 需進(jìn)行濾層性能試驗(yàn)[13], 以得到對(duì)應(yīng)濾層的慣性阻力系數(shù)和黏性阻力系數(shù).

根據(jù)式(4), 在已知機(jī)油黏性系數(shù)、密度以及濾層厚度的條件下, 若要得到濾層的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù), 需要試驗(yàn)得到迎面風(fēng)速和濾層兩側(cè)的壓降.

試驗(yàn)在規(guī)定壓差條件下, 測(cè)試一定時(shí)間內(nèi)垂直通過(guò)試樣給定面積的氣流流量, 計(jì)算出透氣率, 再將透氣率換算成迎面風(fēng)速, 即1L?(m2s)-1為10-3m?s-1. 具體測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表3. 表3中的風(fēng)速值為每組試驗(yàn)壓降下5次試驗(yàn)風(fēng)速的平均值, 以確保數(shù)據(jù)的可靠性.

表3 風(fēng)速與壓降測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

根據(jù)上述表3數(shù)據(jù), 通過(guò)數(shù)據(jù)擬合可以得到以下壓降與風(fēng)速的表達(dá)式:

4 結(jié)果及優(yōu)化分析

4.1 結(jié)果分析

通過(guò)濾層的性能試驗(yàn), 得到了相對(duì)準(zhǔn)確的黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù). 通過(guò)Fluent軟件計(jì)算得到初始設(shè)計(jì)下表2中3個(gè)工況的進(jìn)出口壓降分別為3.2、3.9和4.6kPa. 以-18℃的工況為例, 進(jìn)出口壓降云圖如圖3所示, 且3個(gè)工況下的進(jìn)出口壓降全部小于10kPa, 符合要求.

圖3 -18℃工況下進(jìn)出口壓降圖

但在25℃溫度下, 濾層上下壓差為85kPa時(shí), 濾層的最大主應(yīng)力云圖如圖4所示. 由圖可見(jiàn), 在濾層與導(dǎo)流樁接觸部位的最大主應(yīng)力為110.1MPa, 超過(guò)濾層抗拉強(qiáng)度42.8MPa, 不符合要求, 需要對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化分析.

圖4 濾層最大主應(yīng)力云圖

圖5為濾層位移云圖, 由圖可知, 濾層的最大位移量為1.565mm, 但在初始設(shè)計(jì)中濾層和導(dǎo)流樁的間隙僅0.4mm. 所以在工作狀態(tài)時(shí), 導(dǎo)流樁對(duì)濾層出現(xiàn)過(guò)度支撐, 導(dǎo)致濾層產(chǎn)生高達(dá)110.18MPa的應(yīng)力.

圖5 濾層位移云圖

4.2 優(yōu)化分析

導(dǎo)流樁在機(jī)油濾清器工作的過(guò)程中起著承擔(dān)濾層部分應(yīng)力的作用. 如果導(dǎo)流樁數(shù)量較少, 與濾層的間隙過(guò)大, 導(dǎo)流樁將不能對(duì)濾層產(chǎn)生有效支撐, 從而導(dǎo)致濾層在其邊緣產(chǎn)生過(guò)大應(yīng)力. 如果導(dǎo)流樁與濾層的間隙過(guò)小, 則會(huì)使得導(dǎo)流樁對(duì)濾層產(chǎn)生過(guò)度支撐, 導(dǎo)致濾層接觸局部產(chǎn)生過(guò)大應(yīng)力. 因此, 需要對(duì)導(dǎo)流樁的形狀及其與濾層的間隙進(jìn)行優(yōu)化, 使其滿足項(xiàng)目目標(biāo).

針對(duì)圖4導(dǎo)流樁局部產(chǎn)生應(yīng)力過(guò)大的情況, 對(duì)導(dǎo)流樁進(jìn)行優(yōu)化. 圖6為優(yōu)化后的下殼體模型, 初始設(shè)計(jì)的8個(gè)長(zhǎng)方體導(dǎo)流樁改進(jìn)為23個(gè)表面帶有過(guò)渡圓弧狀的導(dǎo)流樁. 23個(gè)導(dǎo)流樁均勻分布為6行, 每行3~4個(gè), 出油口兩端各分布1個(gè), 均勻分散來(lái)自濾層的應(yīng)力. 同時(shí)導(dǎo)流樁的布設(shè)應(yīng)滿足基本導(dǎo)流作用, 避免因?qū)Я鳂斗植歼^(guò)密影響出油效率.

圖6 優(yōu)化后下殼體模型

采用Abaqus軟件[14], 進(jìn)行濾層應(yīng)力最優(yōu)設(shè)計(jì)計(jì)算分析. 分析表明, 逐步增加濾層與導(dǎo)流樁間隙將導(dǎo)致濾層中部與導(dǎo)流樁接觸的部位應(yīng)力減少, 同時(shí)濾層邊緣部位應(yīng)力增加. 間隙量達(dá)到2mm, 且濾層上下壓差為85kPa條件時(shí), 濾層邊緣最大主應(yīng)力為36.99MPa, 濾層中部與導(dǎo)流樁接觸應(yīng)力為14.04MPa, 均小于濾層材料抗拉強(qiáng)度42.8MPa的要求, 符合條件. 圖7為優(yōu)化后的對(duì)應(yīng)應(yīng)力云圖. 圖8為優(yōu)化后濾層的位移云圖, 濾層的最大位移量為2.03mm, 此時(shí)濾層和導(dǎo)流樁剛好接觸, 最大應(yīng)力出現(xiàn)在濾層邊緣部位.

最后通過(guò)Fluent軟件計(jì)算得到表2的3個(gè)工況下的進(jìn)出口壓降分別為4.8、4.5和5.0kPa, 也滿足要求. 圖9為25℃工況下優(yōu)化后濾清器進(jìn)出口壓降云圖.

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)過(guò)濾器進(jìn)出口壓降及濾層強(qiáng)度不足的問(wèn)題, 在通過(guò)濾層性能測(cè)試獲得計(jì)算參數(shù)的基礎(chǔ)上, 進(jìn)行流場(chǎng)與強(qiáng)度仿真, 并通過(guò)優(yōu)化分析, 在不增加成本的條件下, 滿足了進(jìn)出口壓降及濾層強(qiáng)度要求, 結(jié)論如下:

圖7 優(yōu)化后濾層最大主應(yīng)力云圖

圖8 優(yōu)化后濾層位移云圖

圖9 優(yōu)化后25℃工況下進(jìn)出口壓降圖

(2)通過(guò)濾層多孔介質(zhì)CFD分析, 對(duì)濾清器進(jìn)出口壓降進(jìn)行分析計(jì)算. 結(jié)果表明在-18℃、25℃和70℃的3個(gè)工況下, 進(jìn)出口壓降都小于10kPa, 滿足要求.

(3)針對(duì)濾層最大主應(yīng)力超過(guò)其抗拉強(qiáng)度的問(wèn)題, 通過(guò)Abaqus仿真分析, 優(yōu)化了濾層與導(dǎo)流樁間隙, 將濾層最大主應(yīng)力由110.1MPa降至36.99 MPa, 小于其抗拉強(qiáng)度42.8MPa.

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Oil filter layer stress analysis and optimization

LIU Panyong, CHEN Zhenlei*, SHANG Qing, LIU Chaojie, LIN Zhiqiang

( Faculty of Maritime and Transportation, Ningbo University, Ningbo 315832, China )

Aiming at the problems concerning pressure difference between inlet and outlet, strength of oil filter layer and diversion pile height under the working condition of oil filter, the preliminary design of filter is evaluated and optimized by the combination of experiment and simulation, so that the pressure drop of inlet and outlet and the strength of filter layer are ensured to meet the requirements. First, the filter layer performance test is performed to obtain the inertial resistance coefficient and the viscous resistance coefficient of the filter layer. Then the pressure drop at the inlet and outlet of the filter is analyzed and calculated by CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis of the porous media of the filter layer. The results show that, under three working conditions of -18℃, 25℃ and 70℃, the inlet and outlet pressure drop is always less than 10kPa, which meets the requirements. In view of the problem that the maximum principal stress of the filter layer exceeds its tensile strength, CAE simulation analysis is used to optimize the gap between the filter layer and the diversion piles, making the maximum principal stress of the filter layer being reduced from 110.1MPa to 36.99MPa, which is less than its tensile strength of 42.8MPa.

filter; filter layer; viscous drag coefficient; inertial drag coefficient; stress analysis

TK432

A

1001-5132（2021）01-0045-05

2019?12?05.

寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）網(wǎng)址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國(guó)家自然科學(xué)基金（11972203）; 寧波大學(xué)人才工程項(xiàng)目（理）.

劉攀勇（1995－）, 男, 安徽巢湖人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 流體與動(dòng)力機(jī)械結(jié)構(gòu)仿真. E-mail: 1070409780@qq.com

陳振雷（1963－）, 男, 浙江寧波人, 博士/教授, 主要研究方向: 高端制造仿真分析. E-mail: chenzhenlei@nbu.edu.cn

（責(zé)任編輯 章踐立）