通过数值模拟优化润滑系统

2019年7月11日

短语“油腻的机器”通常用于描述平稳运行的操作,并且有充分的理由:在系统中接触物体之间引入润滑(如油)有助于缓解运动和减少磨损。但是,添加润滑剂改变了机制行为,这给工程师带来了新的挑战。SIMTEC的专家使用数值建模设计了一种润滑机械接触,以快速预测系统内轴承的行为。他们还建立了一个应用程序,以优化设计中润滑的使用。

用润滑轴承最小化摩擦

交互式表面相对运动时的研究称为摩擦学。该研究领域对于许多系统,无论是机械,机电甚至生物学的基础。摩擦学家研究摩擦的多物理成分,例如相互作用表面的磨损,传热和润滑。

该领域的实验可以追溯到莱昂纳多·达芬奇(Leonardo da Vinci),他被认为(基于他的艺术和科学贡献的许多其他角色)是“摩擦学之父”用于制定两个摩擦法则。

Leonardo da Vinci素描的图像摩擦学实验。
Leonardo da Vinci的摩擦学实验草图。这项工作位于美国的公共领域,其原籍国以及其他国家以及版权期限为作者的寿命加上70年或更少的地区。通过Wikimedia Commons

最小化两个运动部件之间摩擦的机器组件的经典摩擦学示例是一个轴承。滑动和滚动元件轴承均充当材料之间的障碍。滑动轴承有助于滑动运动,滚动轴承有助于滚动运动。Jean-David Wheeler和VincentBruyère,Simtec的模拟专家,188金宝搏优惠Comsol认证顾问,解释:“在滑动和滚动轴承中,目的是允许两个具有最小摩擦和最小磨损的移动物体之间的速度适应。”

轴承及其运动涉及许多复杂的多物理现象。例如,在滚动轴承中,笼子和滚动元素之间的滑动触点可能会出现问题,即它们导致功率损失。此设置的其他问题:负载不纯粹是径向,滚子和法兰相遇的几何形状可能会有所不同。正如惠勒(Wheeler)和布鲁耶尔(Bruyère)所指出的那样:“如果轴承的应用不正确,则可能会严重损坏甚至破坏,从而导致整个机制故障。”

在此类问题上引入润滑是必须的。润滑剂材料通常放在轴承中,并将在两个接触表面之间(通常以膜的形式)扩散,以便材料避免彼此直接接触。但是,虽然惠勒和布鲁耶尔说,在接触中引入油和油脂通常是关键的,但“难以获得准确的摩擦和磨损预测”。为什么润滑剂行为很难预测,以及如何在设计中考虑它?

缺乏润滑的自行车轴承的照片。
自行车轴承的一个例子过早失败,部分原因是润滑问题。Ben PCC的图像 - 自己的作品和在公共领域通过Wikimedia Commons

考虑不可预测的润滑剂行为

气候和天气等环境因素有助于润滑剂的不可预测行为,以及系统内部的热因素和耗能。添加润滑剂的过程也可能引起问题:例如,如果油过于苛刻,则膜厚度会减少,从而导致过早磨损。这种表面损伤会导致轴承的干扰。而且,有些接触(例如滚子轴承中的法兰辊端临界接触)可能更难用油进料,并且可以产生高功率损失。另外,接触的确切位置通常移至侧面而不是中间,导致接触截断。这种功率损失转化为热量产生,改变润滑剂特性并减少膜厚度。

通常,润滑剂和运动最终导致弹性流体动力润滑(EHL),涉及流体流动,固体力学和由于液体压缩和剪切生成的热而引起的热效应。从固体处于厘米/分解尺度上,接触表面为毫米尺度,并且膜厚度的厚度为微/纳米尺度,EHL现象也是多尺度的。当速度场和接触物体的形状是不寻常的(如法兰滚子端接触中)时,这些问题可能会变得更加复杂。在压力下,润滑剂从接触中流出。相同的压力会增加油粘度,并在较高的压力下降低流量。在表面之间拖动了压电的流体,这种EHL现象最终会导致润滑剂膜分离表面。

这就是为什么能够在设计过程中早期预测润滑剂行为很重要的原因。根据SIMTEC团队的说法,建模联系行为有助于构建可靠的系统。Wheeler和Bruyère说:“模拟还可以通过再现轴承的工作条件来更好地理解故障模式。”这有助于他们深入了解该机制,并经常使他们更好地识别问题。

为了处理这些不可预测的行为,Simtec创建了一个数值模型和一个使用该行为188金宝搏优惠comsolMultiphysics®软件。

一种颜色编码的传说,用于两种示意图,显示轴承润滑。
图形显示滚动轴承中的润滑。
示意图显示在滑动轴承中。

将润滑在滚动轴承(左)和滑动轴承(右)中。图像由Simtec提供。

使用COMSOLMultiphysics®用润滑垫对滑动轴承进行建模188金宝搏优惠

计算摩擦学与实验相结合是研究润滑接触的行为,这是由于接触之间发生的复杂多物理行为。工程师必须从一开始就可以预测膜的摩擦和厚度。为了节省时间和金钱,Simtec创建了带有润滑机械接触垫的滑动轴承的有限元模型。这些组件通常在工业机械中发现。

该188金宝搏优惠团队说:“ Comsol Multiphysics确实是SIMTEC中我们的理想工具。”“作为C188金宝搏优惠omsol认证顾问,我们的主要任务是在该行业的数值模型中引入实验室研究结果。因此,我们对FEM软件的期望很高。确实,它必须足够灵活,可以实施非标准的研究功能,但还必须易于使用且有效地满足工程要求。”

为了建立需要模拟知识以及摩擦学专业知识的复杂数值模型,Simtec团队首先按照其长度,厚度和楔形定义了滑动轴承的几何形状,并将润滑剂放置在两种固体之间。顶固体是静态的(t= 0 m/s),而速度下的底部实心载玻片b。负载 (w)应用于顶部固体,在润滑剂中产生流体动力压力,并将其传播到底部固体。润滑剂的流动在顶部固体的收敛形状中分布压力,使固体下的平均压力变为w/((宽度*长度)。

该团队在工业机械中常见的各种条件下考虑。需要考虑这些条件,以预测导致膜厚度和摩擦的影响。这种影响包括固体的几何形状和线性变形,散热和薄膜本身。

涵盖这些现象所需的管理方程式涉及:

  • 雷诺方程
  • 膜厚度表达
  • 固体变形
  • 负载均衡
  • 传播热量
  • 构成关系,包括:
    • 可压缩性
    • 压电
    • 剪切稀疏

带有标记零件的滑动轴承模型的示意图。
滑动轴承的示意图。图像由Simtec提供。

SIMTEC专家创建的这种数值模型和仿真应用程序涉及复杂的数学和科学,但他们尽了最大的努力使其对没有摩擦学深刻背景的用户可以使用。

评估和验证数值模型结果

通过数值建模,SIMTEC团队能够验证其模型的结果并将其与已发表的文献进行比较。此外,他们还能够对各种工作条件下出现的常见问题进行模拟,以预测和解决接触,整体轴承和系统的摩擦和磨损。这对于理解各个领域的摩擦学应用很有用。正如团队所提到的那样,期刊轴承,轮胎,齿轮,人造髋关节,断裂,发动机等经常存在摩擦学问题。

作为验证案例,该团队研究了简单的等温刚性接触,并与牛顿润滑剂不可压缩的牛顿润滑剂。如下图所示,结果与参考数据(分析方法)非常吻合。实线是模拟的数值结果,概述的圆圈是参考结果。

比较模型和参考数据的薄膜厚度和压力结果的图。
比较薄膜厚度(蓝色)和压力(绿色)之间的数值结果和参考。图像由Simtec提供。

该小组还研究了在较大速度和较大的负载条件下热效应的影响(b= 20 m/s和w= 80,000 n)。他们发现,尽管压力分布并没有真正受热效应的影响,但在包括热效应的情况下,将最小膜厚度切成两半,如下图所示。这些结果表明,工程师应注意其接触设计中的热效应,然后大量高估了膜的厚度以及低估的磨损和寿命。

比较有或没有热效应的轴承的膜厚度和压力的图。
比较膜的厚度(蓝色)和压力(绿色),具有(实心正方形)和没有(概述的正方形)热效应。图像由Simtec提供。

最终,这些和类似的不同物理现象的研究结果有助于他们预测摩擦和磨损。

尽管极其精确的结果需要复杂的流变学建模,但幸运的是,如今已经足够现实,可以通过此处讨论的模型为现实的工业案例提供定量预测。如下图所示,SIMTEC团队能够预测由于剪切速率的增加而导致的剪切速率增加,然后由于热和非牛顿效应而导致的下降,如下图所示。物理期望的行为是针对滑动轴承摩擦的。

显示滑动轴承分析的预测摩擦的图像。
滑动轴承的摩擦预测。图像由Simtec提供。

至于磨损,结果有助于确定滑动轴承所需的操作条件。这种滑动轴承需要在b≥1m/s有效。

图像显示了滑动轴承分析的预测磨损。
穿着滑动轴承的预测。图像由Simtec提供。

为了轻松求解所涉及的方程并使客户可以访问模拟,SIMTEC创建了一个应用程序使用用户友好的接口,因此应用程序用户可以在许多条件和参数下分析润滑垫的行为。他们构建了一个演示应用程序,以便任何有兴趣的人都可以看到自己运行分析的容易性。

Simtec团队说:“我们的滑动轴承演示应用程序专门用于滑动轴承的建模。”“可以在基本和高级假设下定义各种几何,工作条件和润滑剂。在演示应用程序上,可以触发所有参数,但只能同时选择少数参数。当然,整个应用程序没有这种限制。”

润滑垫模型几何形状的图像。
该应用程序可以像润滑垫一样对几何形状进行建模。图像由Simtec提供。

下一步

想尝试滑动轴承演示应用程序吗?联系Simtec请求免费,有担保的访问。

Simtec还可以提供适合您需求的应用程序的改编版本。


评论(0)

发表评论
118bet网址多少
加载...
探索comsol188金宝搏优惠博客