發動機機油濾清器濾層強度分析及優化

劉攀勇, 陳振雷, 商 晴, 柳超杰, 林枝強

發動機機油濾清器濾層強度分析及優化

劉攀勇, 陳振雷*, 商 晴, 柳超杰, 林枝強

（寧波大學 海運學院, 浙江 寧波 315832）

針對機油濾清器工作工況下進出口壓差、機油濾層強度及導流樁高度等問題, 通過試驗測試與仿真相結合, 對濾清器初步設計進行了評估及優化, 以確保濾清器在工作工況下進出口壓降及濾層強度能滿足要求. 首先進行濾層性能試驗, 得到濾層的慣性阻力系數和黏性阻力系數; 再通過濾層多孔介質CFD分析, 對濾清器進出口壓降進行分析計算. 結果表明: 在-18℃、25℃和70℃的工況下, 進出口壓降都小于10kPa, 滿足相關要求. 針對濾層的最大主應力超過其抗拉強度的問題, 通過CAE仿真分析, 優化濾層與導流樁間隙, 將濾層最大主應力由110.1MPa降至36.99MPa, 小于其抗拉強度42.8MPa.

濾清器; 濾層; 黏性阻力系數; 慣性阻力系數; 強度分析

發動機的機油過濾器能優先濾除對發動機磨損最有害的金屬屑和無機雜質等物質, 從而能有效降低發動機摩擦副的磨損, 延長發動機使用壽命, 同時還能較好地改善發動機機油品質, 達到延長發動機壽命的作用[1-3]. 所以機油濾清器必須具有濾清能力強, 流通阻力小, 使用壽命長等特點[4]. 但影響濾清器過濾性能的主要是濾層, 如果濾紙所受主應力大于其抗拉強度, 則會破壞濾紙, 導致濾層喪失過濾能力. 更為嚴重的是, 材質較差或損壞的濾紙產生大量紙屑, 造成發動機潤滑系統油路堵塞或零部件異常, 導致發動機損壞或報廢.

因此大量學者針對濾清器過濾問題做了許多研究. Kaukopaasi等[5]在研究中證實, 濾清器多層復合濾紙在過濾效率和使用壽命上明顯優于單層濾紙, 但是復合多少層可以達到最好效果還有待研究. 梁云等[6]用纖維梯度結構設計理念制備了具有梯度過濾功能的濾紙, 但是要想過濾精度高, 孔徑就要變小, 阻力就會變大, 反之精度就會降低. 李亨等[7]綜合對比了多孔介質-純流體耦合流動區域的數值模擬方法及現狀, 認為多孔介質模型可以用于多孔介質中流體流動的數值模擬, 且此方法后續一直延用在濾層的CFD計算中.

本文針對過濾器進出口壓降及濾紙強度不足的問題, 在完成濾紙試驗測試的基礎上, 通過CFD計算出在-18℃、25℃和70℃工況下的進出口壓降以及濾紙所受最大主應力, 最終通過優化分析并完善了濾清器的下殼體以及改變濾層與導流樁間距, 在保證進出口油壓的同時, 減小了濾紙受到的最大主應力.

1 理論分析

1.1 數學模型

機油濾清器在工作流量范圍內一般采用湍流模型, 在計算時采用Reynolds時均方程法對模型進行計算[8]. 流體運動滿足質量守恒定律和動量守恒定律, 基本瞬時控制方程組由質量守恒方程和動量守恒方程組成[9].

質量守恒方程:

動量守恒方程:

流體流過濾層(多孔介質)時遵守Darcy定律[10], 當流經均勻的多孔介質時, 動量方程的源項由黏性損失項和慣性損失項組成, 計算公式如下[11]:

將上式在濾層厚度方向進行積分, 可得:

1.2 邊界條件

2 模型建立

2.1 網格模型建立

使用Hypermesh軟件對機油濾清器進行四面體網格劃分[12], 最小網格尺寸為0.1mm, 最大網格尺寸為5.12mm, 網格總數量為226萬, 濾層的厚度為1.2mm. 初始設計中, 濾層和導流樁之間的距離為0.4mm, 濾清器下殼體內有8個長方體的導流樁, 當濾層受力時, 導流樁對濾層起到支撐作用, 濾清器模型如圖1所示.

2.2 各工況邊界條件

當濾清器處于工作狀態, 流經的機油油溫不同時, 機油的各項參數也有所不同. 3種不同溫度下濾清器中機油的各項相關參數見表1.

表1 各溫度下的機油參數

按設計要求, 過濾的機油在不同溫度條件下,流經濾層時對濾清器進出口油壓有一定壓差要求, 同時也對濾層所受最大主應力有一定的要求. 設計的具體工況條件見表2.

表2 各工況邊界條件

由表2可知, 在-18℃且進口流量為4L?min-1時, 進出口壓降要小于15kPa; 在25℃且進口流量為15L?min-1時, 進出口壓降要小于10kPa; 在70℃且進口流量為20L?min-1時, 進出口壓降要小于15kPa. 并且需要滿足在25℃溫度下, 當濾層上下壓差為85kPa負壓時, 濾層所受最大主應力不能超過其本身的抗拉強度42.8MPa.

3 濾層性能測試

3.1 試驗原理

CFD計算進出口油壓和濾層表面壓差時, 計算軟件對于多孔介質所需要的輸入參數中, 缺失濾層的慣性阻力系數和黏性阻力系數. 為獲得準確的流體力學分析參數, 需進行濾層性能試驗[13], 以得到對應濾層的慣性阻力系數和黏性阻力系數.

根據式(4), 在已知機油黏性系數、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和慣性阻力系數, 需要試驗得到迎面風速和濾層兩側的壓降.

試驗在規定壓差條件下, 測試一定時間內垂直通過試樣給定面積的氣流流量, 計算出透氣率, 再將透氣率換算成迎面風速, 即1L?(m2s)-1為10-3m?s-1. 具體測試數據見表3. 表3中的風速值為每組試驗壓降下5次試驗風速的平均值, 以確保數據的可靠性.

表3 風速與壓降測試數據

3.2 試驗數據處理

根據上述表3數據, 通過數據擬合可以得到以下壓降與風速的表達式:

4 結果及優化分析

4.1 結果分析

通過濾層的性能試驗, 得到了相對準確的黏性阻力系數和慣性阻力系數. 通過Fluent軟件計算得到初始設計下表2中3個工況的進出口壓降分別為3.2、3.9和4.6kPa. 以-18℃的工況為例, 進出口壓降云圖如圖3所示, 且3個工況下的進出口壓降全部小于10kPa, 符合要求.

圖3 -18℃工況下進出口壓降圖

但在25℃溫度下, 濾層上下壓差為85kPa時, 濾層的最大主應力云圖如圖4所示. 由圖可見, 在濾層與導流樁接觸部位的最大主應力為110.1MPa, 超過濾層抗拉強度42.8MPa, 不符合要求, 需要對其進行優化分析.

圖4 濾層最大主應力云圖

圖5為濾層位移云圖, 由圖可知, 濾層的最大位移量為1.565mm, 但在初始設計中濾層和導流樁的間隙僅0.4mm. 所以在工作狀態時, 導流樁對濾層出現過度支撐, 導致濾層產生高達110.18MPa的應力.

圖5 濾層位移云圖

4.2 優化分析

導流樁在機油濾清器工作的過程中起著承擔濾層部分應力的作用. 如果導流樁數量較少, 與濾層的間隙過大, 導流樁將不能對濾層產生有效支撐, 從而導致濾層在其邊緣產生過大應力. 如果導流樁與濾層的間隙過小, 則會使得導流樁對濾層產生過度支撐, 導致濾層接觸局部產生過大應力. 因此, 需要對導流樁的形狀及其與濾層的間隙進行優化, 使其滿足項目目標.

針對圖4導流樁局部產生應力過大的情況, 對導流樁進行優化. 圖6為優化后的下殼體模型, 初始設計的8個長方體導流樁改進為23個表面帶有過渡圓弧狀的導流樁. 23個導流樁均勻分布為6行, 每行3~4個, 出油口兩端各分布1個, 均勻分散來自濾層的應力. 同時導流樁的布設應滿足基本導流作用, 避免因導流樁分布過密影響出油效率.

圖6 優化后下殼體模型

采用Abaqus軟件[14], 進行濾層應力最優設計計算分析. 分析表明, 逐步增加濾層與導流樁間隙將導致濾層中部與導流樁接觸的部位應力減少, 同時濾層邊緣部位應力增加. 間隙量達到2mm, 且濾層上下壓差為85kPa條件時, 濾層邊緣最大主應力為36.99MPa, 濾層中部與導流樁接觸應力為14.04MPa, 均小于濾層材料抗拉強度42.8MPa的要求, 符合條件. 圖7為優化后的對應應力云圖. 圖8為優化后濾層的位移云圖, 濾層的最大位移量為2.03mm, 此時濾層和導流樁剛好接觸, 最大應力出現在濾層邊緣部位.

最后通過Fluent軟件計算得到表2的3個工況下的進出口壓降分別為4.8、4.5和5.0kPa, 也滿足要求. 圖9為25℃工況下優化后濾清器進出口壓降云圖.

5 結語

針對過濾器進出口壓降及濾層強度不足的問題, 在通過濾層性能測試獲得計算參數的基礎上, 進行流場與強度仿真, 并通過優化分析, 在不增加成本的條件下, 滿足了進出口壓降及濾層強度要求, 結論如下:

圖7 優化后濾層最大主應力云圖

圖8 優化后濾層位移云圖

圖9 優化后25℃工況下進出口壓降圖

(2)通過濾層多孔介質CFD分析, 對濾清器進出口壓降進行分析計算. 結果表明在-18℃、25℃和70℃的3個工況下, 進出口壓降都小于10kPa, 滿足要求.

(3)針對濾層最大主應力超過其抗拉強度的問題, 通過Abaqus仿真分析, 優化了濾層與導流樁間隙, 將濾層最大主應力由110.1MPa降至36.99 MPa, 小于其抗拉強度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.

寧波大學學報（理工版）網址: http://journallg.nbu.edu.cn/

國家自然科學基金（11972203）; 寧波大學人才工程項目（理）.

劉攀勇（1995－）, 男, 安徽巢湖人, 在讀碩士研究生, 主要研究方向: 流體與動力機械結構仿真. 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

（責任編輯 章踐立）