趙 輝,崔傳輝,王優(yōu)強(qiáng)
(1. 青島理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 山東青島 266520;2. 聊城大學(xué)東昌學(xué)院,山東聊城 252000)
齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)的主要形式之一,它在機(jī)械傳動(dòng)中有著極其廣泛的應(yīng)用。齒輪在傳動(dòng)過程中,接觸表面的載荷、速度、曲率半徑等均是沿嚙合線不斷變化的,即齒輪是在瞬態(tài)工況條件下工作的??紤]到齒輪箱中相對(duì)較高的沖擊載荷、齒面接觸應(yīng)力和溫度,所以所用齒輪的潤(rùn)滑油必須能提供設(shè)備正常運(yùn)行所需的油膜厚度,減少邊界潤(rùn)滑,避免干摩擦,同時(shí)保持良好的密封性以及抗剪強(qiáng)度,使零部件能夠在較長(zhǎng)的使用壽命內(nèi)正常工作。磁流體[1]被定義為一種多功能流體,由磁性納米微粒、載液和表面活性劑組成。國(guó)內(nèi)學(xué)者在磁流體力學(xué)方面的研究[2]為磁流體技術(shù)研究奠定了基礎(chǔ)。近年來,黃巍等[3]對(duì)鐵磁流體潤(rùn)滑的現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。
因?yàn)榇蠊β适褂玫囊螅诋?dāng)前的工業(yè)中,齒輪傳動(dòng)所用的比例越來越高,所以應(yīng)保證齒面潤(rùn)滑,在接觸區(qū)形成一個(gè)充分供油的油膜,以避免任何潛在的齒面接觸區(qū)接觸問題。但是,在齒輪傳動(dòng)中,由于潤(rùn)滑油泄漏,可能會(huì)出現(xiàn)潤(rùn)滑不足的情況。像直升機(jī)齒輪潤(rùn)滑性能的不足對(duì)齒輪傳動(dòng)的可靠性和安全性有嚴(yán)重的負(fù)面影響。劉懷舉等人[4]提出乏油熱彈流潤(rùn)滑模型研究乏油潤(rùn)滑對(duì)直齒輪副彈流接觸性能的影響。R.Prabu Sekar等人[5]用Archard磨損模型描述齒面磨損和彈流潤(rùn)滑的評(píng)價(jià)直齒輪副的特性。也有一些學(xué)者對(duì)磁流體潤(rùn)滑性能進(jìn)行了分析,史修江[6]對(duì)不同載液磁流體潤(rùn)滑滑動(dòng)軸承進(jìn)行了彈流潤(rùn)滑數(shù)值分析。K.Shahrivar等[7]研究了等粘度彈性潤(rùn)滑狀態(tài)下點(diǎn)接觸式磁流體潤(rùn)滑性能,發(fā)現(xiàn)施加磁場(chǎng)能使表面更易分離,降低Couette摩擦力,進(jìn)而減小摩擦系數(shù)。大部分對(duì)磁流體潤(rùn)滑研究都是基于充分供油進(jìn)行的數(shù)值分析,然而,在磁流體潤(rùn)滑齒輪傳動(dòng)的過程中,可能出現(xiàn)乏油潤(rùn)滑狀況,應(yīng)評(píng)估潤(rùn)滑性能的損失,以確保設(shè)備正常使用。池長(zhǎng)青證明了鐵磁流體潤(rùn)滑中的非牛頓流影響[8]。Shah等[9]近年來對(duì)不同磁流體潤(rùn)滑多孔材料階梯軸承進(jìn)行了一系列的研究,分析了顆粒旋轉(zhuǎn)、各向異性磁導(dǎo)率和滑移速度對(duì)多孔滲透擠壓薄膜軸承承載能力和中心壓力位置的影響,并運(yùn)用Neuringer-Rosensweig、Jenkins和Shliomis三種模型,在均勻和非均勻磁場(chǎng)下進(jìn)行了長(zhǎng)軸頸軸承擠壓膜特性的對(duì)比研究,發(fā)現(xiàn)非均勻磁場(chǎng)比均勻磁場(chǎng)能產(chǎn)生更大的承載力。Osman等[10]以非牛頓流體研究了磁流體潤(rùn)滑軸承的動(dòng)靜態(tài)特性,探討了磁場(chǎng)參數(shù)對(duì)磁流體潤(rùn)滑軸承承載能力和摩擦系數(shù)等的影響。Vashi等[11]使用Neuringer-Rosensweig模型,計(jì)入了磁場(chǎng)強(qiáng)度、滑移速度和表面粗糙度以及應(yīng)力偶效應(yīng)的影響,研究了磁流體擠壓膜的性能。但是針對(duì)磁流體潤(rùn)滑齒輪的研究比較少,本文針對(duì)不同供油條件下磁流體作為非牛頓流體潤(rùn)滑漸開線直齒圓柱齒輪進(jìn)行摩擦性能分析。
潤(rùn)滑劑為Ree-Eyring流體,非穩(wěn)態(tài)線接觸的Reynolds方程為
(1)
膜厚方程為
(2)
潤(rùn)滑油為Ree-Eyring非牛頓流體的本構(gòu)方程為
(3)
嚙合齒輪相關(guān)模型公式可以查閱參考文獻(xiàn)[12]和[13]。
數(shù)值計(jì)算中,嚙合點(diǎn)的載荷使用的是齒輪傳動(dòng)中一對(duì)輪齒上的實(shí)際載荷譜簡(jiǎn)化模型[12]所對(duì)應(yīng)的3個(gè)點(diǎn)的載荷。齒輪供油條件數(shù)值分析方法可以參考文獻(xiàn)[13],此處不再敘述。
采用Ree-Eyring流體模型,嚙合齒輪的相關(guān)參數(shù)齒輪參數(shù)可以查閱參考文獻(xiàn)[13]。
磁流體的相關(guān)參數(shù)如表1所示。
表1 磁流體參數(shù)Tab.1 Parameters of magnetic fluid
如圖1(a)所示,在嚙入點(diǎn)位置,供油條件為充分供油,對(duì)于壓力分布,Ree-Eyring流體的第二壓力峰更加明顯;如圖1(b)所示在乏油條件下,對(duì)于壓力分布,磁流體油膜壓力非常接近Hertz壓力,與牛頓流體在乏油下的情況接近。如圖2(a)所示,在嚙入點(diǎn)位置,供油條件為充分供油,對(duì)于膜厚分布,磁流體由于粘度小,膜厚比Ree-Eyring流體小對(duì)于膜厚分布;如圖2(b)所示,在乏油條件下,磁流體的膜厚反而比Ree-Eyring流體大,由此可以看出,當(dāng)齒輪傳動(dòng)出現(xiàn)乏油、斷油現(xiàn)象,磁流體可以改善齒輪嚙入點(diǎn)位置的潤(rùn)滑工況,對(duì)齒輪傳動(dòng)有利。
圖1 嚙入點(diǎn)不同供油條件下Ree-Eyring流體與磁流體壓力分布Fig. 1 Pressure distribution of Ree-Eyring and magnetic fluid under different oil supply conditions at the engagement point
圖2 嚙入點(diǎn)不同供油條件下Ree-Eyring流體與磁流體膜厚分布Fig. 2 Film thickness distribution of Ree-Eyring and magnetic fluid under different oil supply conditions at the engagement point
如圖3(a)所示,在節(jié)點(diǎn)位置,和嚙入點(diǎn)類似,供油條件為充分供油,對(duì)于壓力分布,Ree-Eyring流體的第二壓力峰更加明顯,和嚙入點(diǎn)類似;如圖3(b)所示在乏油條件下,對(duì)于壓力分布,兩種潤(rùn)滑油壓力分布接近,非常接近Hertz壓力。如圖4(a)所示,在節(jié)點(diǎn)位置,供油條件為充分供油,對(duì)于膜厚分布,磁流體由于粘度小,膜厚比Ree-Eyring流體小,這些和嚙入點(diǎn)類似;如圖4(b)所示在乏油條件下,對(duì)于膜厚分布,磁流體的部分區(qū)域膜厚比Ree-Eyring流體大,由此可以看出,當(dāng)齒輪傳動(dòng)出現(xiàn)乏油、斷油現(xiàn)象,在節(jié)點(diǎn)位置,磁流體可以部分改善齒輪節(jié)點(diǎn)位置的潤(rùn)滑工況,但沒有嚙入點(diǎn)效果明顯。
圖3 節(jié)點(diǎn)不同供油條件下Ree-Eyring流體與磁流體壓力分布Fig.3 Pressure distribution of Ree-Eyring and magnetic fluid under different oil supply conditions at the node
圖4 節(jié)點(diǎn)不同供油條件下Ree-Eyring流體與磁流體膜厚分布Fig.4 Film thickness distribution of Ree-Eyring and magnetic fluid under different oil supply conditions at the node
如圖5(a)所示,在嚙出點(diǎn)位置,和嚙入點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)類似,供油條件為充分供油,對(duì)于壓力分布,Ree-Eyring流體的第二壓力峰更加明顯,和嚙入點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)類似;如圖5(b)所示,在乏油條件下,對(duì)于壓力分布,兩種潤(rùn)滑油壓力分布接近。如圖6(a)所示,在嚙出點(diǎn)位置,和嚙入點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)類似,供油條件為充分供油,對(duì)于膜厚分布,磁流體由于粘度小,膜厚比Ree-Eyring流體小,這些和嚙入點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)類似;如圖6(b)所示,在乏油條件下, 對(duì)于膜厚分布,磁流體的部分區(qū)域膜厚比Ree-Eyring流體大,由此可以看出,當(dāng)齒輪傳動(dòng)出現(xiàn)乏油、斷油現(xiàn)象,在嚙出點(diǎn)位置,磁流體可以部分改善齒輪嚙出點(diǎn)位置的潤(rùn)滑工況,效果和節(jié)點(diǎn)差不多,沒有嚙入點(diǎn)效果明顯,這點(diǎn)應(yīng)該與嚙入點(diǎn)供油更充足有關(guān)。
圖5 嚙出點(diǎn)不同供油條件下Ree-Eyring流體與磁流體壓力分布Fig.5 Pressure distribution of Ree-Eyring and magnetic fluid under different oil supply conditions at the meshing point
圖6 嚙出點(diǎn)不同供油條件下Ree-Eyring流體與磁流體膜厚分布Fig.6 Film thickness distribution of Ree-Eyring and magnetic fluid under different oil supply conditions at the meshing point
由于三個(gè)嚙合點(diǎn)中,在乏油條件下,采用H01磁流體的嚙入點(diǎn)油膜厚度比Ree-Eyring流體大,但是H01磁流體的粘度比Ree-Eyring流體小得多,針對(duì)這個(gè)規(guī)律,特選用不同磁流體,對(duì)嚙入點(diǎn)的影響規(guī)律做進(jìn)一步分析。
如圖7(a)所示,在嚙入點(diǎn)位置,供油條件為充分供油,采用不同的磁流體潤(rùn)滑,對(duì)于壓力分布,按E02、E03、H02和H01的順序,第二壓力峰越來越不明顯;對(duì)于膜厚分布,如圖7(b)所示,按E02、E03、H02和H01的順序,膜厚越來越小,這點(diǎn)和非磁流體潤(rùn)滑規(guī)律一致。
如圖8(a)所示在乏油條件下,四種磁流體油膜壓力分布幾乎重合,非常接近Hertz壓力,與牛頓流體在乏油下的情況接近;如圖8(b)所示在乏油條件下,四種磁流體油膜分布差別不是很明顯,但基本和非磁流體潤(rùn)滑規(guī)律一致,可以基于這一點(diǎn)選擇一種性價(jià)比最好的磁流體,從而提高經(jīng)濟(jì)效益。
圖7 嚙入點(diǎn)充分供油條件下不同磁流體壓力膜厚分布Fig. 7 Pressure and film thickness distribution of different MHD under the condition of sufficient oil supply at the engagement point
圖8 嚙入點(diǎn)不同供油條件下不同磁流體壓力膜厚分布Fig. 8 Pressure and film thickness distribution of different MHD under the starved condition at the engagement point
1) 本文分析了不同供油條件下磁流體潤(rùn)滑漸開線直齒圓柱齒輪摩擦性能,得出在齒輪出現(xiàn)乏油現(xiàn)象時(shí),采用磁流體潤(rùn)滑可以改善潤(rùn)滑工況;
2) 對(duì)于采用不同的磁流體潤(rùn)滑,在充分供油條件下,由于粘度的影響,第二壓力峰越來越不明顯,膜厚越來越小,這點(diǎn)和非磁流體潤(rùn)滑規(guī)律一致;在乏油條件下,其壓力膜厚差別不大。