液黏传动摩擦油液压力分布的新算法.pdf

2 0 1 4年 1 0月 第 4 2卷 第 1 9期 机床与液压 MAC HI NE T00L ＆ HYDRAULI CS 0c t ． 2 01 4 V0 1 ． 4 2 No ． 1 9 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 9 ． 0 2 2 液黏传动摩擦油液压力分布的新算法 魏振华，侯红伟 中煤科工集 团上海研 究院，上海 2 0 0 0 3 0 摘要为了研究液黏传动油液承载力的变化，选取非惯性坐标系，从流体力学方程人手，推导得到液黏传动摩擦油液 的雷诺方程，利用 R a y l e i g h动压润滑原理求解径向油槽下油液压力分布，并对其进行仿真。仿真结果与实验结果对比表明 两者的变化趋势是一致的，但理论值比实验值偏高，考虑到摩擦片间形成的油膜并非每一处都是充足的，所以油膜压力的 实际值总是小于理论值；摩擦片间有油槽区域的油液比无油槽区域的油液要更加充足，就油液的压力值而言，前者 比后者 更加符合理论值，但都符合仿真结果和实验值。仿真结果为油膜承载力的研究提供较好的指导。 关键词液黏传动摩擦； ．雷诺方程；R a y l e i g h动压润滑；油液压力分布；摩擦片；油膜承载力 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 3 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 9 0 8 2 3 Ne w Al g o r i t hm o f Pr e s s ur e Di s t r i bu tio n o f Oi l wi t h i n Li qu i d Vi s c o u s Fr i c tio n Dr i v e W EI Zh e n h u a． H0U Ho n g we i C h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g G r o u p S h a n g h a i I n s t i t u t e ， S h a n g h a i 2 0 0 0 3 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o r e s e a r c h t h e b e a r i n g c a p a c i t y c h a n g e o f t h e o i l w i t h i n v i s c o u s f ric t i o n d ri v e ．b y c h o o s i n g a n o n i n e r t i a l c o o r d i n a t e s y s t e m，s t a r t e d f r o m t h e h y d r o d y n a mi c e q u a t i o n s ，t h e Re y n o l d s e q u a t i o n o f t h e o i l wi t h i n v i s c o u s f r i c t i o n d ri v e we r e o b t a i n e d ． B y u s i n g Ra y l e i g h h y d r o d y n a mi c l u b ri c a t i o n t h e o r y，t h e n p r e s s u r e d i s t ri b u t i o n o f t h e o i l u n d e r t h e r a d i a l g r o o v e wa s s o l v e d，a n d s i mu - l a t e d ．B y c o mp a ri n g t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s w i t h e x p e ri me n t a l r e s u l t s ，i t i s f o u n d t h a t b o t h t r e n d s a r e c o n s i s t e n t ，b u t t h e t h e o r e t i c a l d a t a are s o me wh a t h i g h e r t h a n e x p e rime n t a l d a t a ．I n c o n s i d e ri n g t h a t t h e o i l fi l m w i t h i n t h e v i s c o u s f ric t i o n d ri v e we r e n o t a l wa y s s u ffic i e n t e v e r y wh e r e ，S O t h e a c t u a l p r e s s u r e v a l u e o f o i l fi l m a r e a l w a y s l o we r t h a n t h e t h e o r e t i c a l v a l u e ．W i t h i n t h e v i s c o u s f ric t i o n d ri v e ，t h e o i l i n t h e t a n k a r e mo r e s u ffic i e n t t h a n t h a t n o t i n t h e t a n k，S O t o t h e 0 i l p r e s s u r e v a l u e， t h e f o r me r a r e mo r e i n l i n e w i t h t h e o r e t i c a l v a l u e t h a n t h e l a t t e r ，b u t a l l o f t h e m a r e i n l i n e wi t h t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s a n d e x p e rime n t a l d a t a ．Th e s i mu l a t i o n r e s u l t s c a n s u p p l y b e t t e r g u i d a n c e t o t h e r e s e a r c h o f o i l fi l m b e a ri n g c a p a c i t y ． Ke y wo r d s L i q u i d v i s c o u s f r i c t i o n d ri v e；Re y n o l d s e q u a t i o n；Ra y l e i g h h y d r o d y n a mi c l u b ric a t i o n；P r e s s u r e d i s t r i b u t i o n o f o i l ； F r i c t i o n d i s c ；Oi l f i l m b e a ri n g c a p a c i t y 0前言 现实很多工况，尤其是需要大功率机械的场合， 通 常需要性能优越 的软起动调速器。液黏 调速离合器 初始投资低、可靠性高，可以实现同步传动而且响应 速度快、调速性能好、启动平稳 ，能够很好地实现特 定的启动曲线 ，因而得到了广泛的应用。为了保证液 黏摩擦副的使用寿命，液黏调速器摩擦副间必须要保 证有一定的油膜厚度 ，这样既能避免摩擦副直接接触 摩擦 ，又可以将油液摩擦产生的热量带走 ，保证油膜 黏度值 的稳定 ，从而可 以保证传递扭矩值的稳定 。而 油膜之所以能够保持一定的厚度，主要取决于油液的 静压力和由于油槽的存在而产生的动压力，两者作用 于摩擦片进而形成丁油膜的承载力。在整个控制过程 中，保证液压控制过程的受力平衡至关重要。在这其 中，摩擦片间距 的变化，主被动摩擦片转速差的变 化 ，油槽的数量和深度等都会导致油膜的承载力不停 地变化 ，因此对油膜压力分布进行理论研究就显得非 常重要。目前国内，液黏摩擦油膜承载力的研究 ，大 都借鉴了魏宸官教授和赵家象教授的 液体黏性传 动技术和浙江大学硕士研究生邵威的论文 液体 黏性传动摩擦副的研究 中的方法，本文作者从流 体力学的角度人手，借助 R a y l e i g h动压润滑原理 ，得 到了油液压力分布的表达式，并与实验结果进行 了对 比，相较于前两种方法 ，文中的方法更加通俗易懂， 计算过程简便。 1 摩擦片间油膜压力的分布求解 选取一个非惯性坐标系，随主动盘一起旋转，设 为主动盘 的角速度 ，∞ 为被动盘 的角速度 。 收稿 日期 2 0 1 3 0 9 0 2 作者简介魏振华 l 9 8 6 一 ，男，硕士，助理工程师，研究方向为带式输送机设计。Em a i l w z h w z h 1 2 6 ． c o m。 第 1 9期 魏振华 等液黏传动摩擦油液压力分布的新算法 8 3 图 1 为 圆周方 向上 一个 R a y l e i g h阶梯段 ，0 。 和 h 为油槽部分扇形油膜对应的角度和厚度 ，0 一0 和 6 。 为无油槽部分扇形油膜对应 的角度 和厚 度。 0 -占 o J l - O 2 0 1 0 2 _ 一 二 二 _ _ _ _ _ _ _ 一 ‘一一 _ 1 二 I ■ 二 I 图 1 圆 周 方 向上 一 个 R a y l e i g h阶 梯 段 将油液视为不可压缩流体，黏性为常量 ，简化之 后 的连续性 方程和 N S 方程为 旦 0 1 a r r r a 、 警 一 业 2 ∞ 。 一 ， 2 1， 十 ⋯一 二 ∞ ， 一 ．r t J r P O r ‘ 、 y 一 1 0 _ 2 3 V 一 l j J a pr a 、 式中r 为半径，0为圆周角度， 为油液的运动黏 度，P为油液密度 ，u和 分别为油液半径方向和圆 周方 向上的速度分量 ， P为油液压力 。 推导得到雷诺方程 窖 3 45 ∞ 。∞ 3 a r r a r r a 、 ‘ 求解压力P ，注意 P是 r 和 0的函数 ， 是一个 f 7 小量，可认为等于0 ，所以就可以知道 0 ， 是 一 个只关于 r 的函数。如果将油液流动区域分为有油 槽区域和无油槽区域 ，那么这两个区域的压力P的表 达式为 p I _ p 3 4 - 3 w 22 r a 0b - l n r C 1 0d p Ⅱ 3 ∞ 4 ∞ z 3 r 。 b 2 l n r C 2 0d 2 而 如果假 定摩擦 片上没有油槽 ，那么 P只是 r 的 函数 ，可以很容易求出 p I 3 4 - ∞ 3 p 一 p 3 4 ∞ 3 t o 22 r 2 一r ， ] _ _ 二 一 p z l l n r 2 p 3 4 o - 2 3 ∞ i 2 n r 2 2 l l n r 1一 l n r 2 其中 0 1 、b 1 、c 1 、d l 、0 2 、b 2 、c 2 、d 2是待定 常数。 毫无 疑 问，当 0 0和 00 时 ，压 力值应 该跟无 油 槽的情况下的压力值相等 ，因为这两处是没有 R a y l e i g h动压力 的 。这 样可 以得 到 4个 相应 的方 程 ，根 据压力 连续性 条 件 ，00 时得 到两个 相应 的方程 ， 最后根据流量连续性条件可得到 c l 4 因 此 可 以 转 化 为 求0 。 l n r c 拟 合 吐 的问题 ， 6 I 2 0 1 6 I1 6 “ 。 ’ 用最 小二 乘法 ，求 解得到 o 、c ，将其代人上面所得到的6个方程 ，就 可以求出其余 的待定常数值。至此，求得了在一个 R a y l e i g h阶梯段 内油液压力场的分布。 2 仿真结果与实验对比 取 实验数 据 如下 ， P8 7 2 k g ／ m ， l 1 5 7 r a c E ／ s， 21 2 5． 6 r a d ／s ， 2 4 mm ／s2 ． 4 x 1 0～ m ／s ， h0 ． 8 mm 8 1 0一 i n，6 0． 4 mm 4 1 0一 n l ， 0 1 “i T ， 0 2 而 IT ，r 1 0 - 0 8 5 m，F 2 0 1 3 5 m，P 1 21 0 Pa，P 20。 用 M A T L A B将 一个 R a y l e i g h阶 梯段 内油 液 的压 力分布表示出来，如图 2 所示。 言 一 硝 图2 R a y l e i g h阶梯段内油液的压力分布图 为了能够更加清晰地表示动压力的变化情况，着 重观察 了压 力 沿 圆周 方 向上 的 变 化 ，取 r r r 一 r 0 ． o 9 7 5 m 圆 周 方 向 上 的 压 力 变 化 进 行 分析 ，如图 3 所示 。 8 4 机床与液压 第 4 2卷 出 0 0 ． O 5 O ． 1 O ． 1 5 0 ． 2 0 ． 2 5 0 。 3 0 。 3 5 圆周角度， r a d 图3 半径为0 ． 0 9 7 5 m处圆周方向上的压力分布 rr 1 r 一r 。 0 ． 1 1 m处 圆周方 向上 的压 力分布，如图4所示。 言 一 出 图 4 ／ - r 压力分布， 言 一 R 半径为0 ． 1 1 m处圆周方向上的压力分布 3 r 一r 0 ． 1 2 2 5 m处圆周方向上的 如 图 5所示 。 图 5 半径为 0 ． 1 2 2 5 m处圆周方向上的压力分布 从图3 中可以看出，理论值 比实验值偏高， 但两者的总体变化趋势是一致的。可以发现更加细微 的一点 ，有油槽 的区域 角度 0 ～ 的扇形 区域 比 起无油槽的区域 角度 ～ 的扇形区域 ，压力的 理论值和实验值的误差更小。 3结论 利用雷诺方程和 R a y l e i g h动压润滑原理求解液黏 摩擦副间油液的压力较为简便 ，整个计算过程通俗易 懂。 通过仿真和实验 ，可 以看到 ，径 向油槽会给油液 带来额外的动压力 。理论结果和实验数据 的总体变化 趋势是一样的，但理论值偏高。同时，需要考虑到的 是，在液黏传动摩擦中，主被动摩擦片间的油膜并非 每一处 都是充 足的 ，有油槽 区域 的油液总是 比无油槽 区域的油液更加充足。因此 ，对于有油槽的区域来 说，油膜的实际压力值要更加符合理论值，所以说， 仿真结果能够为实际工况提供较好的指导。 参考文献 [ 1 ]魏宸官， 赵家象． 液体黏性传动技术 [ M] ． 北京 国防工 业出版社 ， 1 9 9 6 ． [ 2 ]吴忘一． 流体力学[ M] ． 北京 北京大学出版社， 2 0 0 9 ． [ 3 ]温诗铸， 黄平． 摩擦学原理[ M] ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 8． [ 4 ]邵威． 液体黏性传动摩擦副的研究 [ D] ． 杭州 浙江大 学 ， 2 0 0 5 ． [ 5 ]陈跃平， 何维廉 ， 卢小虎． 锁止离合器液黏传动机理分析 [ J ] ． 传动技术 ， 2 0 0 7 ， 3 1 1 41 9 ． [ 6 ]郑勇建． 液体黏性调速离合器开发与实验研究 [ J ] ． 轻 工机械 ， 2 0 1 0 ， 6 3 8 6 8 8 ， 9 2 ． [ 7 ]邵威， 陈宁， 魏建华． 液黏调速离合器摩擦副的设计 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 6 1 7 7 7 9 ． [ 8 ]M E N G Q i n g r u i ， H O U Y o u f u ． E f f e c t o f O i l F i l m S q u e e z i n g o n H y d r o v i s c o u s D ri v e S p e e d R e g u l a t i n g S t a r t [ J ] ． T r i b o l - o g y I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 1 0 6 2 1 3 42 1 3 8 ． [ 9 ]ME N G Q i n g n a i ， H O U Y o u f u ． M e c h a n i s m o f H y d r o - v i s c o u s S o ft S t a r t o f B e l t C o n v e y o r [ J ] ． S c i e n c e D i r e c t ， 2 0 0 8 4 4 5 9 4 6 5 ． [ 1 0 ]X I E F a n g w e i ， H O U Y o u f u ． T r a n s i e n t T e m p e r a t u r e F i e l d o f a F ri c t i o n P a i r i n a H V D D e v i c e o f a B e l t C o n v e y o r [ J ] ． Mi n i n g S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 1 0 5 9 0 4 9 0 7 ． 6 S 5 S 4 5 3 5 2 L 2 - 二 L L m L