基于熱流固耦合理論斜-平面曲軸止推片潤(rùn)滑性能分析*

(長(zhǎng)春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 吉林長(zhǎng)春 130022)

汽車發(fā)動(dòng)機(jī)80%以上的故障均與軸瓦、止推片等摩擦副的磨損有關(guān)，而磨損故障最直接、最根本的原因往往就是潤(rùn)滑失效[1]。目前，發(fā)動(dòng)機(jī)常用的曲軸止推片多為平面型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、承受載荷的能力較低。當(dāng)軸向載荷較大時(shí)，止推片與曲軸止推面之間由流體潤(rùn)滑轉(zhuǎn)換為混合潤(rùn)滑，使?jié)櫥偷臏囟燃眲∩仙?、黏度下降進(jìn)而減弱潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑性能，輕則磨損加劇，縮短使用壽命，重則發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象，不能正常運(yùn)行。

為改進(jìn)曲軸止推片的性能，長(zhǎng)城綠靜2.0T柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用了斜-平面結(jié)構(gòu)曲軸止推片(長(zhǎng)城GW4D20止推片STD)。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)斜-平面瓦研究不多，對(duì)止推片研究的就更少了。王如意等[2]結(jié)合數(shù)值分析和有限元的方法，研究船用水潤(rùn)滑斜面平臺(tái)瓦推力軸承瓦塊傾角和斜面平臺(tái)比對(duì)最小水膜厚度、最大水膜壓力、瓦塊功耗、摩擦因數(shù)、瓦塊最高溫度和最大熱彈性變形的影響。李正等人[3]等基于CFD理論，考慮了水的空化現(xiàn)象，研究了不同膜厚，瓦斜面升高比，瓦斜面占長(zhǎng)比，轉(zhuǎn)速對(duì)斜-平面瓦推力軸承承載能力的影響。鄭昂和楊玉東[4]針對(duì)高速泵平面止推軸承出現(xiàn)損壞的問題，對(duì)髙速泵的平面、斜面止推軸承的潤(rùn)滑性能進(jìn)行了計(jì)算分析，并對(duì)2種軸承的使用性能開展實(shí)際試驗(yàn)研究。張文濤等[5]建立不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的螺旋面瓦推力滑動(dòng)軸承潤(rùn)滑模型，并用FLUENT軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，研究油膜厚度、瓦面螺距以及轉(zhuǎn)速對(duì)軸承承載性能的影響規(guī)律。

本文作者以長(zhǎng)城GW4D20止推片STD為研究對(duì)象，參照推力軸承的常用結(jié)構(gòu)——斜-平面結(jié)構(gòu)，對(duì)止推片進(jìn)行單向熱流固耦合分析，探討不同潤(rùn)滑油膜厚度對(duì)斜-平面曲軸止推片潤(rùn)滑性能的影響規(guī)律，為曲軸止推片的設(shè)計(jì)提供參考，以降低研發(fā)成本。

1 斜-平面曲軸止推片結(jié)構(gòu)

為保證數(shù)值模擬的可靠性，同時(shí)縮短計(jì)算時(shí)間和減少文件的儲(chǔ)存空間，文中取曲軸止推片1/6為研究對(duì)象，采用周期性對(duì)稱邊界條件進(jìn)行分析。斜-平面曲軸止推片結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。其中已知結(jié)構(gòu)參數(shù)：D1=64 mm，D2=80 mm，Dm=72 mm，α=8°,h1=0.4 mm，h2=0.7 mm，h3=2 mm。

D1為止推片內(nèi)徑；D2為止推片外徑；Dm為止推片中徑；α為油溝包角；L為止推片中徑弧長(zhǎng)；V為曲軸轉(zhuǎn)速；h為最小油膜厚度；h1為油溝深度；h2為合金層的厚度；h3為止推片的厚度；L1為軸瓦斜面部分中徑上的弧長(zhǎng)；r為斜面在中徑上的弧長(zhǎng)所占比例；γ為軸瓦傾角

圖1 斜-平面曲軸止推片結(jié)構(gòu)圖

Fig 1 Tapered-flat crankshaft thrust halfring model

2 耦合基本方程

熱流固耦合數(shù)值模擬需要求解的耦合方程，除了流體的質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程以及能量守恒方程之外，還需要求解氣相運(yùn)輸方程、固體控制方程、熱傳控制方程和耦合控制方程[6-9]。

2.1 氣相運(yùn)輸方程

(1a)

式中：t是時(shí)間；av為氣相體積分?jǐn)?shù)；ρv為氣相的密度；vv為氣相速度向量；Re與Rc分別為氣相產(chǎn)生相和破裂的傳質(zhì)源相。

若不考慮液相與氣相的滑移速度，流體中壓力與氣泡容積的關(guān)系可通過方程Rayleigh-Plesset[10-11]表達(dá)出來

(1b)

式中：Rb為氣泡半徑；pb為氣泡內(nèi)的壓力；σ是表面張力系數(shù)；ρ1和μ1是液相的密度和動(dòng)力黏度。

2.2 固體控制方程

(2)

式中：Ms為質(zhì)量矩陣；Cs為阻尼矩陣；Ks為剛度矩陣；r為固體的位移；τs為固體受到的應(yīng)力。

2.3 熱傳控制方程

Q=kAΔtm

(3)

式中：k為傳熱系數(shù)；A為傳熱面積；Δtm為傳熱的平均溫差。

2.4 耦合控制方程

流固交界面處應(yīng)滿足流體與固體的位移、熱流量、溫度、應(yīng)力等相：

nf·τf=nf·τs

(4a)

rf=rs

(4b)

qf=qs

(4c)

Tf=Ts

(4d)

式中：下標(biāo)f為流體；下標(biāo)s為固體；q為熱流量；T為溫度。

2.5 潤(rùn)滑油流動(dòng)狀態(tài)的確定

在滑動(dòng)軸承理論中，用雷諾數(shù)Re表示慣性力與黏性力的比值[12]：

(5)

式中：μ為流體的動(dòng)力黏度，Pa·s；ρ為流體的密度，kg/m3；v為流速，m/s；hm為流體平均膜厚,m。

大多數(shù)實(shí)驗(yàn)和理論分析結(jié)果表明：當(dāng)雷諾數(shù)Re達(dá)到1 000～1 500時(shí)，軸承則完全進(jìn)入了紊流潤(rùn)滑狀態(tài)[12]。文中取1 000作為臨界雷諾數(shù)Rec的參考值。經(jīng)計(jì)算當(dāng)油膜厚度小于1.56 mm時(shí)，均為層流。文中油膜厚度均小于該值，故采用層流進(jìn)行分析。

3 邊界條件設(shè)置

文中使用ANSYS Workbench軟件將曲軸止推片簡(jiǎn)化為單向熱流固耦合模型，模型兩側(cè)設(shè)置為周期性邊界條件，油膜上表面為旋轉(zhuǎn)壁面，下表面與軸瓦端面耦合，實(shí)現(xiàn)溫度對(duì)流換熱，固體內(nèi)部熱傳遞，外部與周圍空氣對(duì)流換熱，換熱系數(shù)為10 W/(m2·K)，如圖2所示。

圖2 邊界條件Fig 2 Boundary condition(a)fluid boundary setting；(b)solid boundary setting

工作介質(zhì)選用5W-30多級(jí)潤(rùn)滑油，軸承外側(cè)壓力供油，進(jìn)油口壓力為152 kPa(1.5倍大氣壓)，參考溫度為333 K，出油口壓力為101 kPa(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓)。潤(rùn)滑油黏溫特性曲線如圖3所示。固體分析以流體分析的結(jié)果為初始條件，固定底部端面。

圖3 潤(rùn)滑油黏-溫關(guān)系Fig 3 Lubricating oil viscosity and temperature relationship

4 結(jié)果與分析

4.1 潤(rùn)滑油油膜特性分析

以軸瓦包角15°、油穴包角8°、軸瓦傾角0.28°的止推片為例，取其1/6為研究對(duì)象，分析轉(zhuǎn)速1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 r/min時(shí)，不同油膜厚度下承載力、壓力、壁面切應(yīng)力、油膜及止推片的溫度、變形等的變化規(guī)律。

不同轉(zhuǎn)速下的油膜承載力、壓力、溫度、壁面切應(yīng)力隨油膜厚度變化規(guī)律如圖4所示?？芍?，油膜的承載力、壓力、溫度及壁面切應(yīng)力均隨著油膜厚度增大而降低，且速度越大越明顯。

圖4 油膜承載力、壓力、溫度、壁面切應(yīng)力隨油膜厚度變化曲線Fig 4 Variation of bearing capacity(a), temperature(b),pressure(c) and shear stress(d) with oil film thickness

圖5展示了速度為3 000 r/min時(shí)，油膜厚度為10、15、20、25、30 μm的空穴區(qū)域分布情況?？傻?，空穴主要分布在與油溝接觸的平面區(qū)域中，且油膜厚度越小空穴區(qū)域越大，氣相體積分?jǐn)?shù)越高。當(dāng)油膜厚為30 μm時(shí)，由于油膜壓力場(chǎng)出口處的壓力值小于氣泡空化的壓力，因此并不會(huì)形成空穴。

圖5 空穴區(qū)域分布Fig 5 Cavitation area distribution

不同轉(zhuǎn)速下，不同油膜厚度對(duì)軸瓦出口湍泄量影響如圖6所示。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)：轉(zhuǎn)速相同時(shí)，軸瓦出口湍泄量隨油膜厚度增加而增加，但變化不太明顯；油膜厚度相同時(shí)，軸瓦湍泄量隨轉(zhuǎn)速增加而增大，且變化顯著。因此，轉(zhuǎn)速對(duì)軸瓦湍泄量的影響遠(yuǎn)大于油膜厚度的影響。

圖6 軸瓦出口湍泄量與油膜厚度的關(guān)系Fig 6 Relationship between the leakage at the outlet of the bearing shell and the oil film thickness

不同轉(zhuǎn)速下的摩擦因數(shù)與潤(rùn)滑油膜厚度的關(guān)系如圖7 所示。相同轉(zhuǎn)速下，摩擦因數(shù)總體隨油膜厚度的增加而增加，但顯然轉(zhuǎn)速為1 000 r/min是略有不同的，其呈現(xiàn)出先升高后降低的變化規(guī)律，但數(shù)值相差并不是很大。油膜厚度相同時(shí)，潤(rùn)滑油的摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，且增大的趨勢(shì)逐漸降低，造成這一現(xiàn)象的主要原因是“溫度”與“空穴效應(yīng)”。如圖所示，在油膜厚度為10 μm時(shí)，摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化可以說是毫無規(guī)律可言的。這是因?yàn)橛湍ず穸刃?，壁面切?yīng)力大，使?jié)櫥图眲∩郎?，而溫度升高?dǎo)致黏度下降，流體的黏性阻力下降，潤(rùn)滑油膜的承載能力降低。但速度升高，油膜的動(dòng)壓效應(yīng)增強(qiáng)，進(jìn)而使承載能力上升，流體的黏性阻力上升。另外，由于平面所占比例大、油膜厚度小，空穴區(qū)域受轉(zhuǎn)速與溫度的影響特別大，且分布不規(guī)律，這也是造成摩擦因數(shù)變化不規(guī)律的重要原因。

圖7 摩擦因數(shù)隨油膜厚度變化曲線Fig 7 Variation of friction coefficient with oil film thickness

潤(rùn)滑油膜厚度增大時(shí)，其動(dòng)壓效應(yīng)減弱，降低油膜的承載能力，使流體的黏性阻力下降，摩擦力下降，摩擦功耗降低。油膜厚度相同時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的上升，油膜動(dòng)壓效應(yīng)增強(qiáng)，承載力升高，流體的黏性阻力上升，摩擦力上升，摩擦功耗增大。如圖8所示。

圖8 摩擦功耗隨油膜厚度的變化趨勢(shì)Fig 8 Variation of frictional power consumption with oil film thickness

4.2 止推片特性分析

圖9 展示了在轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)，不同潤(rùn)滑油膜厚度對(duì)應(yīng)的止推片溫度場(chǎng)分布情況?？芍?，止推片溫度隨油膜厚度增加而降低，徑向溫度沒有周向溫度變化明顯；徑向方向上，越靠近出口，線速度越高，壁面切應(yīng)力越大，溫度越高；圓周方向上，隨著油膜厚度逐漸減小，壁面切應(yīng)力逐漸升高，溫度隨之上升；止推片的高溫區(qū)主要分布在軸瓦平面部分的出口處，低溫區(qū)在油槽入口處，這是由于潤(rùn)滑油膜在動(dòng)態(tài)平衡的條件下，內(nèi)部的熱潤(rùn)滑油與外部流入的冷潤(rùn)滑油混合會(huì)帶走一部分熱量，此外，外部的冷潤(rùn)滑油與止推片進(jìn)行對(duì)流換熱，也會(huì)降低止推片的溫度，避免過高的油溫使止推片變形，導(dǎo)致潤(rùn)滑油膜破裂。

圖9 止推片溫度場(chǎng)分布(℃)Fig 9 Crankshaft thrust halfring temperature field distribution(℃)

油膜厚度15 μm、轉(zhuǎn)速3 000 r/min時(shí)的總變形、溫度變形、壓力變形如圖10所示。對(duì)比可發(fā)現(xiàn)：考慮溫度與壓力的總變形與只考慮溫度的熱變形其變化程度極其接近，且最大變形與最小變形分布區(qū)域相同；壓力變形區(qū)域與動(dòng)壓油膜壓力分布區(qū)域相同，最大變形區(qū)域在斜面與平面的交界處，壓力越大變形越大。

為詳細(xì)分析影響止推片變形的主要因素，文中分析了油膜厚度為15 μm時(shí)不同轉(zhuǎn)速對(duì)變形的影響規(guī)律，如圖11所示?？梢园l(fā)現(xiàn)：溫度變形峰值與總變形峰值隨不同轉(zhuǎn)速的變化曲線是相互吻合的；壓力峰值隨不同轉(zhuǎn)速的變化曲線幾乎是一條水平的直線。因此，溫度是影響止推片變形的主要因素。另外，溫度還影響潤(rùn)滑油的黏度，溫度越高，黏度越低，承載力越小。所以說，為提高承載力，可以從降低溫度這一方面入手。

圖10 膜厚15 μm、轉(zhuǎn)速3 000 r/min下的 總變形、溫度變形、壓力變形(mm)Fig 10 Total deformation(a)，temperature deformation(b) and pressure deformation(c) under film thickness of 15 μm and rotation speed of 3 000 r/min(mm)

圖11 油膜厚為15 μm時(shí)總變形、溫度變 形、壓力變形隨轉(zhuǎn)速的變化Fig 11 Variation of total deformation, temperature deformation and pressure deformation with the rotation speed under the oil film thickness of 15 μm

轉(zhuǎn)速3 000 r/min、油膜厚度分別為10、15、20、25、30 μm時(shí)對(duì)應(yīng)的推片總變形分布，如圖12所示。對(duì)比發(fā)現(xiàn)：軸瓦總變形區(qū)域不隨油膜厚度改變而變化，且軸瓦總變形最值分布位置相同，即變形最大值在靠近軸瓦出口的平面處，最小值在軸瓦斜面區(qū)域與油溝交匯處，這與潤(rùn)滑油膜溫度分布區(qū)域息息相關(guān)。

圖13對(duì)比了轉(zhuǎn)速分別為1 000、2 000、3 000、4 000、5 000 r/min時(shí)的止推片總變形隨油膜厚度變化的規(guī)律?？梢姡恨D(zhuǎn)速相同時(shí)，總變形隨油膜厚度的增加而降低，速度越高，變化越大；油膜厚度相同時(shí)，止推片總變形隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，油膜厚度越小變化越明顯。

圖12 不同膜厚止推片總變形分布Fig 12 Total deformation of crankshaft thrust halfring with different oil film thicknesses

圖13 止推片總變形與油膜厚度的關(guān)系Fig 13 Relationship between total deformation of crankshaft thrust halfring and oil film thickness

5 結(jié)論

(1)油膜承載力、壓力、溫度、壁面切應(yīng)力隨油膜厚度增加而降低，速度越大變化越明顯。油膜厚度相同時(shí)，承載力、壓力、溫度、壁面切應(yīng)力隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，但增加速度逐漸減弱。

(2)與有油溝接觸的平面部分易發(fā)生空穴現(xiàn)象，且油膜厚度越小空穴區(qū)域越大，氣相體積分?jǐn)?shù)越高，當(dāng)油膜厚度超過一定值時(shí)空穴現(xiàn)象消失。

(3)相同轉(zhuǎn)速下，油膜厚度越大，軸瓦出口湍泄量越大，但由于油膜厚度較小，其變化范圍并不明顯。潤(rùn)滑油膜厚度相同時(shí)，軸瓦湍泄量隨轉(zhuǎn)速的增加而增大?？梢娹D(zhuǎn)速對(duì)軸瓦湍泄量的影響遠(yuǎn)比大于油膜厚度的影響。

(4)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，摩擦因數(shù)隨油膜厚度的增加而增加，但轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)卻呈現(xiàn)出先增大后降低的趨勢(shì)，這是由于轉(zhuǎn)速低，動(dòng)壓效應(yīng)弱造成的。油膜厚度相同時(shí)，摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的升高而增大，且增大趨勢(shì)逐漸降低。受“溫度”與“空穴效應(yīng)”的影響，在潤(rùn)滑油油膜厚為10 μm時(shí)，摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化可以說毫無規(guī)律可言。

(5)速度相同時(shí)，摩擦功耗隨油膜厚度的增加而降低，油膜厚度相同時(shí)，摩擦功耗隨轉(zhuǎn)速的增加而增加。

(6)止推片的溫度場(chǎng)與潤(rùn)滑油膜的溫度場(chǎng)分布規(guī)律相同，最高溫度均出現(xiàn)在軸瓦平面區(qū)域的外側(cè)且靠近油溝。止推片徑向溫度隨油膜厚度的變化范圍小；周向溫度隨油膜厚度的變化范圍大，且軸瓦平面區(qū)域的溫度遠(yuǎn)大于軸瓦斜面區(qū)域的溫度。

(7)考慮溫度與壓力的總變形與只考慮溫度的熱變形其變化程度極其接近，且最大變形與最小變形分布區(qū)域相同；壓力變形區(qū)域與動(dòng)壓油膜壓力分布區(qū)域相同，最大變形區(qū)域在斜面與平面的交界處，壓力越大變形越大。

(8)軸瓦總變形區(qū)域不隨油膜厚度改變而變化，且軸瓦總變形最值分布位置相同，即變形最大值在軸瓦出口平面處，最小值在軸瓦斜面區(qū)域與油溝交匯處，這與潤(rùn)滑油膜溫度分布區(qū)域有關(guān)。

(9)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，總變形隨油膜厚度的增加而降低，速度越高，變化越大；油膜厚度相同時(shí)，止推片總變形隨轉(zhuǎn)速的增加而增加，油膜厚度越小變化越明顯。