调查湍流的影响在平滑和多步轴颈轴承的摩擦学性能和流体动力学模拟gydF4y2Ba

1介绍gydF4y2Ba

轴承限制机器的组件之间的相对运动。他们承受负载,维持轴不断旋转的轴,抚平旋转运动,并减少两个表面之间的摩擦。另外,轴承抑制振动由于轴和电机的旋转运动(gydF4y2Ba马尔科姆和领导者,2001年gydF4y2Ba)。一个运动常见的工业机器的轴自转需要轴承的轴始终在轴上。径向轴颈轴承使用超过其他类型。它使用液体动力润滑和更有利,因为它安装方便、维护成本低和高阻尼能力。相比之下,轴颈轴承是用于高负荷、速度和精度(gydF4y2BaDhande潘德,2017gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

各种方法提高轴颈轴承的摩擦学性能,如压力分布、承载力(LCC),摩擦力,气蚀和弹性变形。研究表明,在径向轴承摩擦学性能可以增强使用实验或通过建模模拟湍流流动。此外,轴颈轴承流湍流建模了,因为它是被一个脉动速度场的存在。然而,流湍流将复杂的实际工程的计算,因为它有一个脉动速度场,是规模小,具有很高的频率(gydF4y2BaKohnke 1999gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

Venkateswarlu et al。(1990)gydF4y2Ba发现层流模型只能执行在轴颈轴承润滑流雷诺数之前达到临界点产生压力低于湍流。符合这一点,gydF4y2BaDousti et al。(2012)gydF4y2Ba的建模使用层流和紊流润滑相比,发现湍流增加了压力。gydF4y2BaSusiloewati et al。(2016)gydF4y2Ba还发现,流体压力分布表现出类似的趋势在层流和湍流。层流和紊流模型的区别是振幅。表明,湍流产生的最大压力振幅高于层流。在实际操作条件下,气流通常发生在径向轴承,迫使湍流模型在一个模拟世界中。gydF4y2Ba李et al。(2019)gydF4y2Ba说,转子的旋转速度的增加会使流体不稳定,导致一个不稳定的间隙。转子速度通常是增加以提高性能,确保广泛的动荡。gydF4y2Ba

径向轴承的性能已得到改进使用几种方法,如应用纹理。nanomechanics和仿生学的科学家已经考虑修改轴承表面和他们的应用程序。表面纹理涉及更改工程模型,位置模式,以及使用的方法。此外,一些改性技术研究,如粗糙度控制,特别是纹理的表面,疏水性涂料,nanobubble捕获。gydF4y2Ba王et al。(2006)gydF4y2Ba研究了优化碳化硅表面纹理的滑动在水里。发现摩擦减少时指出不同的酒窝是多种多样的。纹理提供润滑液使用不同的形状和纹理配售,如圆点状表面纹理(gydF4y2BaTala-Ighil 2008gydF4y2Ba)。圆形点缀质感增加承载力时轴颈轴承放在一个密封区域。此外,gydF4y2BaCupillard et al。(2010)gydF4y2Ba检查轴承的显微组织或杂志小半球形结构的形状。研究发现,膜厚度顶部位置结构减少了摩擦力在低负荷。纹理放置在最大压力区域减少重加载下的摩擦力。多步轴颈轴承的一个例子是一个比其他材质纹理更确切的形状。显微组织凹槽需要很多压痕与严密的几何。相比之下,一个多步轴颈轴承只有小压痕但半径较长或面积较大。gydF4y2Ba梅瑞尔,Cavalca (2021)gydF4y2Ba提出了一种新的方法命名为连续段法(CSM)建模复杂转子系统与多个磁盘和轴承。他们观察到CSM适用于各向同性和均匀转子横截面。gydF4y2BaBiswas和Chacraborti (2015)gydF4y2Ba调查了三叶齿轮轴颈轴承的计算流体动力学(CFD)方法考虑表面粗糙度。发现增加的压力是通过增加表面粗糙度水平。之后,gydF4y2Ba陈et al。(2017)gydF4y2Ba研究杂志上的水动力特征轴承在高速、重载的新闻系统通过考虑热影响和空化通过改变纹理的一步。他们得出的结论是,偏心率的影响,转速,轴颈轴承的油膜厚度对水动力行为是至关重要的。从材料的角度来看,gydF4y2Ba张(2022)gydF4y2Ba开发了一种新颖的陶瓷,碳化硼carbide-silicon陶瓷。他们发现这种陶瓷可以表现出更好的摩擦学特性,也就是说,低摩擦磨损。为详细了解陶瓷用于各种摩擦学的组件润滑下,读者可以参考一个有趣的引用gydF4y2Ba张(2022 b)gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

然而,没有研究调查了湍流模型对多步的影响轴承》杂志上。gydF4y2Ba

2材料和方法gydF4y2Ba

本研究采用ANSYS CFD程序通过数值方法,采用n - s方程和连续性。动量守恒(gydF4y2BaBompos Nikolakopoulos, 2016gydF4y2Ba)也用于迭代直至收敛标准(1×10gydF4y2Ba^{−7gydF4y2Ba}和1×10gydF4y2Ba^{−4gydF4y2Ba})对能源和其他方程。gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BaρgydF4y2Ba是流体密度,gydF4y2BavgydF4y2Ba是速度,gydF4y2BapgydF4y2Ba压力梯度,gydF4y2Ba $\stackrel{\to gydF4y2Ba}{\mathrm{ggydF4y2Ba}}$ 是重力加速度,gydF4y2Ba $\stackrel{-gydF4y2Ba}{\stackrel{-gydF4y2Ba}{\mathrm{\tau gydF4y2Ba}}}$ 是压力张量。在这些条件下,张量的计算需要轴承寿命。这是表示如下:gydF4y2Ba

根据湍流行为,计算采用跑(Reynolds-averaged n - s模拟)方程。该模型解决了湍流效应在不同流设计而有效地实现收敛。基于确定内部压力的一般形式的电影,跑方程不可压缩粘性流体的解决方案交付如下(gydF4y2BaKohnke 1999gydF4y2Ba):gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2Ba $-gydF4y2Ba\mathrm{\rho gydF4y2Ba}{{\mathrm{ugydF4y2Ba}}^{\prime gydF4y2Ba}}_{\mathrm{我gydF4y2Ba}}{{\mathrm{ugydF4y2Ba}}^{\prime gydF4y2Ba}}_{\mathrm{jgydF4y2Ba}}$ =一个动荡的组件。在这项研究中,解决了动荡的标准gydF4y2Bak -gydF4y2Ba $\mathrm{\epsilon gydF4y2Ba}$ 在高雷诺数模型,它是经常使用。是指出,在ANSYS中,有几个gydF4y2Bak -gydF4y2Ba $\mathrm{\epsilon gydF4y2Ba}$ 模型。在这项研究中,我们使用标准gydF4y2Bak -gydF4y2Ba $\mathrm{\epsilon gydF4y2Ba}$ 由于更少的计算工作量和简化模型计算而不降低精度(ANSY、引用)。gydF4y2Ba

从gydF4y2Ba方程式。gydF4y2Ba- - - - - -gydF4y2Ba4gydF4y2Ba可以计算,流体压力。通过集成的流体动压润滑的表面积,LCC计算。轴颈轴承的LCC然后数学表示如下(gydF4y2BaBompos Nikolakopoulos, 2016gydF4y2Ba):gydF4y2Ba

在哪里gydF4y2BapgydF4y2Ba_jgydF4y2Ba=轴颈轴承的压力gydF4y2Ba一个gydF4y2Ba_jgydF4y2Ba=轴颈轴承的面积。gydF4y2Ba

在模拟空化也考虑在内。当压力低于饱和蒸汽压时,空化发生,引起相变。混合物的基本阶段空化模型指导运输(混合模型)或阶段(欧拉多相),和一个典型的湍流模型,k型号,使用通常的粘性流方程在多相空化建模技术。液汽质(蒸发和冷凝)空化是由蒸汽输运方程。采用Zwart-Gerber-Belamri空化由于更少的计算时间与精度高(gydF4y2BaKohnke 1999gydF4y2Ba)。gydF4y2Ba

轴颈轴承几何用来模拟流体在这项研究中被采用gydF4y2BaZhang et al。(2014)gydF4y2Ba。变化的情况下也采用了从玉角几何gydF4y2Ba陈et al。(2017)gydF4y2Ba通过添加多步验证几何。gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba显示了轴颈轴承和多步规范。gydF4y2Ba

图1gydF4y2Ba解释的规范gydF4y2Ba表1gydF4y2Ba,显示了光滑轴颈轴承术语用于验证。使用的多步轴颈轴承术语变异阶段II多步所示gydF4y2Ba图2gydF4y2Ba。gydF4y2Ba

进行了验证执行模拟相同的几何形状和边界条件gydF4y2BaZhang et al。(2014)gydF4y2Ba。未来的研究应该进行验证误差不到10%通过改变流动类型和多步增加几何变化。gydF4y2Ba

啮合过程进行流体几何。在验证和变化的情况下,几何图形经过一个啮合过程使用ANSYS啮合特性来获得预期的质量。使用的网由一个统一的六面体网格形成使用面啮合特性。gydF4y2Ba图3gydF4y2Ba显示了啮合仿真结果。gydF4y2Ba

根据定义的边界条件gydF4y2BaZhang et al。(2014)gydF4y2Ba数据作为验证参考。gydF4y2Ba表2gydF4y2Ba显示了边界条件的定义。gydF4y2Ba

仿真采用pressure-based解算器和SIMPLEC压力速度耦合方法快速获得结果。一阶逆风计划用于动量方程、体积分数和能量离散化。收敛精度为1.0 4×打败和1.0×10 - 6和能源的压力,分别。gydF4y2Ba

3结果与讨论gydF4y2Ba

本节讨论的案例研究的计算结果。每种情况下使用CFD软件在解决流体力学(EHD)杂志轴承润滑问题。gydF4y2Ba

流体压力和壁温分布结果与张数值数据的模拟在相同的输入条件下。操作参数被计算不考虑变形的CFD模型。gydF4y2Ba表3gydF4y2Ba比较研究和本研究的轮廓参考。gydF4y2Ba

这种验证的情况下也可以被认为是最大和最小温度实现。仿真结果表明,与张的最大和最小温度相似。gydF4y2Ba表4gydF4y2Ba显示了从模拟获得最高温度及其误差比较。它显示了最高和最低温度参考研究和本研究之间的值。gydF4y2Ba

前面的解释表明,获得的结果是有效的,因为他们有一个最小的错误区别张的和目前的研究。网格独立执行测试来证实这些结果是准确的,没有错误在啮合。仿真网格测试是由添加一个脸层轴颈轴承。啮合的结果被认为是稳定的,当参数不受网格元素的变化。gydF4y2Ba图4gydF4y2Ba显示了网格测试结果。gydF4y2Ba

图4gydF4y2Ba显示了仿真网格的偏心率测试0.7和3000 RPM的角速度。仿真是稳定的,当超过三层。此外,一个独立的测试和复查的啮合进行偏态的啮合结果进行复核,以确保质量很好。三层上的啮合结果可行性会见了0.49617的最大偏态。gydF4y2Ba

第一个变化显示,湍流模型对光滑摩擦学轴颈轴承性能的影响,考虑几个参数,包括压力。gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba显示了湍流模型对压力的影响参数。gydF4y2Ba

通过考虑k-epsilon压力值和k-omega总是高于层流。湍流压力值高于层流。从gydF4y2Ba图5gydF4y2Ba,可以看出最压力升高1.838 MPa,使用标准生成k-epsilon湍流计算模型。压力趋势产生的仿真建模的粘度计算k-omega k-epsilon。k-omega粘度计算模型产生一个更小的压力比k-epsilon粘度计算模型。gydF4y2Ba

湍流粘度建模使用k-epsilon和k-omega总比层流粘性建模产生更大的压力。因此,湍流总是比层流重大压力。层流和紊流流动所产生的最大压力是1.47和1.838 MPa,分别。gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba显示仿真结果的压力分布轮廓。基于gydF4y2Ba图6gydF4y2Ba,它可以观察到,k-epsilon湍流模型给出了一个更高的最大压力比k-omega湍流模型。gydF4y2Ba

湍流性能可以从润滑液和LCC的压力。LCC密切相关,由此产生的压力因为它表面压力积分的结果。gydF4y2Ba图7gydF4y2Ba显示生成LCC的模拟。gydF4y2Ba

建模通过考虑动荡增加了LCC的效果。最高的LCC实现通过考虑变现k-epsilon作为湍流建模与仿真值为4321 n时从LCC的趋势,k-epsilon湍流建模了LCC值高于k-omega湍流建模。因此,仿真中三只不同的区别k-epsilon和k-omega不管建模类型。gydF4y2Ba

第二个变化阶段显示动荡的影响在轴颈轴承添加一个多步。几何的变化影响的结果在润滑情况下摩擦学性能。因此,有必要来模拟湍流的影响多步轴承》杂志上。仿真在第二个变化阶段使用轴承几何验证但多步。gydF4y2Ba图8gydF4y2Ba是压力的结果产生的模拟情况下三世。gydF4y2Ba

墙上静止中腔压力分布显示了相似的多步和光滑轴颈轴承的趋势。最高压力是通过湍流建模考虑k-epsilon。第二个最高及最低的压力通过湍流建模考虑k-omega和层流模型,分别。gydF4y2Ba图9gydF4y2Ba显示了从这个模拟多步轴颈轴承压力等高线。从gydF4y2Ba图9gydF4y2Ba,它可以观察到,湍流效应有更高的压力峰值与层流效应所示gydF4y2Ba图9 b, CgydF4y2Ba。gydF4y2Ba

摩擦学的性能可以从压力和由此产生的空化区域。gydF4y2Ba图10gydF4y2Ba显示了生成的空化图。gydF4y2Ba

情节分布表明,添加一个多步槽减少最大蒸汽轴颈轴承的体积分数。这是由一个实线表示最大蒸汽体积分数低于虚线或光滑的轴颈轴承的图表。此外,降低空化区域的多步槽轴颈轴承。在层流、多步凹槽和光滑的杂志轴承有蒸汽体积分数在160 - 240和146 - 312°,分别。K-epsilon湍流建模和k-omega湍流建模一共有150 - 240°蒸汽体积分数在多步槽轴承》杂志上。蒸汽体积分数出现在135 - 335°在光滑的轴承》杂志上。gydF4y2Ba

蒸汽体积分数的降低是岑的参考研究,在添加一个多步槽轴颈轴承减少了空泡体积分数。减少压力降低蒸汽体积分数的地方发生,降低空化的频率。gydF4y2Ba

体积分数图趋势生成多步和光滑的径向轴承之间是相似的。湍流建模通过考虑k-epsilon体积分数最高价值,而层流建模具有最低的价值。gydF4y2Ba

4结论gydF4y2Ba

本研究分析了多步的thermo-hydro-dynamic行为杂志轴承通过调查流体压力、蒸汽的体积分数,温度,和摩擦力。探索相变,它利用CFD方法,包括多相混合物“空化模型。此外,轴转速的影响和使用步骤的潜在好处进行了讨论。结果和讨论了以下结论:gydF4y2Ba

1)流建模使用湍流模型增加了压力值超过层流模型光滑轴颈轴承模拟。gydF4y2Ba

2)湍流流场建模使用k-epsilon模型的温度和压力高于k-omega模型。gydF4y2Ba

3)建模流入比层流紊流增加压力和温度对多步轴承》杂志上。gydF4y2Ba

4)添加一个多步减少由此产生的压力和空化区域。gydF4y2Ba

数据可用性声明gydF4y2Ba

最初的贡献提出了研究中都包含在这篇文章/补充材料;进一步询问可以针对相应的作者。gydF4y2Ba

作者的贡献gydF4y2Ba

概念化,MM和太;方法,JJ;软件,废话;验证、MM哦,是吧,DW;形式分析,MM;调查,太;资源,JJ;数据管理,废话;原创作品草稿准备,MM和DW;writing-review和编辑,MM)等等; visualization, MT and BS; supervision, JJ; project administration, MM; funding acquisition, JJ. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.

的利益冲突gydF4y2Ba

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。gydF4y2Ba

出版商的注意gydF4y2Ba

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引用gydF4y2Ba