海水润滑滑靴副的仿生凹坑表面动压润滑性能仿真研究

发布时间：2020-06-14 11:00

【摘要】：为探寻仿生非光滑表面在高压海水轴向柱塞泵滑靴副上的应用效果,将不同形状凹坑布置在斜盘表面,采用CFD方法对非光滑表面滑靴副全水动压润滑模型进行数值模拟,通过分析水膜上表面的压力分布、凹坑纵截面的速度分布,探寻仿生凹坑的动压润滑机理及凹坑几何参数对承载特性的影响规律。研究结果表明:水膜上表面最大正静压位于凹坑前缘,最小负静压位于凹坑中心;最大动压位于凹坑上方,且随凹坑分布圆半径的增大而明显增大;总压承载力主要来自于动压的贡献,4种凹坑承载力由大到小依次为F球F圆柱F柱锥F圆锥;承载力随凹坑面积率的增大而增大,摩擦系数随凹坑面积率的增大而减小,且深径比越大,这种增大或减小的趋势越明显。
【图文】：

示意图,仿生非光滑表面,滑靴,斜盘

214燕山大学学报201610mm时，对进气流速和质量流率有显著的提高。仿生非光滑表面优异的降粘、减阻能力在内燃机活塞缸套、汽车车身、柴油机进气道、轧辊等摩擦副中已得到验证，但在高压海水轴向柱塞泵滑靴副中的应用几乎未见报道。受此启发，本文将凹坑仿生非光滑单元体布置在斜盘表面，采用CFD方法分析不同凹坑形状、大孝深度、间距等对高压海水轴向柱塞泵滑靴副润滑承载性能的影响规律，为其在水压泵的工程应用奠定基矗1非光滑表面滑靴副模型建立1．1几何模型如图1所示，将仿生凹坑布置于高压海水轴向柱塞泵的斜盘正面，滑靴底面保持光滑，图中只展现多个滑靴中的任意一个。图1仿生非光滑表面斜盘与滑靴三维示意图Fig．1The3Dschematicdiagramoftheswash-platewithbionicnon-smoothsurfaceandtheslipper为便于数值计算，假设滑靴副处于全膜润滑状态，选取靴底中心处一扇形单元下的水膜及3×3凹坑作为计算流域，既可节约计算资源，又能够考察凹坑间的相互作用，如图2所示。设置坐标原点在斜盘中心处，采用柱坐标系分析该润滑问题。Ｒ1=40mm、Ｒ2=46mm分别为扇形单元内、外曲面半径;Ｒ3=41mm、Ｒ4=43mm、Ｒ5=45mm分别为凹坑分布圆半径。每个凹坑均位于一假想扇形控制单元中心，定义凹坑总面积与扇形总面积的比率为凹坑面积占有率S，则有S=3240r02θ(Ｒ22－Ｒ12)，(1)其中，r0为凹坑半径，θ=8°。图3为滑靴副仿生凹坑纵截面结构及相对运动示意图，图中h=10μm为水膜厚度。定义凹坑深度与直径的比率为深径比δ，则有δ=h02r0，(2)式中，h0为凹坑深度，r0为凹坑半径。图2扇形水膜及3×3凹坑计算流域Fig．2Thecomputationalfluiddomainoffan-shaped

示意图,凹坑,水膜,扇形

泵滑靴副润滑承载性能的影响规律，为其在水压泵的工程应用奠定基矗1非光滑表面滑靴副模型建立1．1几何模型如图1所示，将仿生凹坑布置于高压海水轴向柱塞泵的斜盘正面，滑靴底面保持光滑，图中只展现多个滑靴中的任意一个。图1仿生非光滑表面斜盘与滑靴三维示意图Fig．1The3Dschematicdiagramoftheswash-platewithbionicnon-smoothsurfaceandtheslipper为便于数值计算，假设滑靴副处于全膜润滑状态，选取靴底中心处一扇形单元下的水膜及3×3凹坑作为计算流域，既可节约计算资源，又能够考察凹坑间的相互作用，如图2所示。设置坐标原点在斜盘中心处，采用柱坐标系分析该润滑问题。Ｒ1=40mm、Ｒ2=46mm分别为扇形单元内、外曲面半径;Ｒ3=41mm、Ｒ4=43mm、Ｒ5=45mm分别为凹坑分布圆半径。每个凹坑均位于一假想扇形控制单元中心，定义凹坑总面积与扇形总面积的比率为凹坑面积占有率S，则有S=3240r02θ(Ｒ22－Ｒ12)，(1)其中，r0为凹坑半径，θ=8°。图3为滑靴副仿生凹坑纵截面结构及相对运动示意图，图中h=10μm为水膜厚度。定义凹坑深度与直径的比率为深径比δ，则有δ=h02r0，(2)式中，h0为凹坑深度，r0为凹坑半径。图2扇形水膜及3×3凹坑计算流域Fig．2Thecomputationalfluiddomainoffan-shapedseawaterfilmand3×3pits图3凹坑纵截面结构示意图Fig．3Thelongitudinalsectiondiagramofpit4种不同形状的仿生凹坑如图4所示。设定面积率S为10%～70%，计算相应的凹坑半径;设定深径比δ为0．05～0．5，计算相应的凹坑深度。图44种不同形状仿生凹坑Fig．4Thefourdifferentshapesofbionicpits工作介质海水的密度ρ为1025kg/m3，动力黏度μ为6．15×1

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