液黏傳動摩擦副流固耦合傳熱分析

(1.中國礦業大學機電工程學院 江蘇徐州 221116；2.濰柴動力股份有限公司研究院 山東濰坊 261000)

液黏傳動作為一種新型流體傳動形式，其原理是基于牛頓內摩擦定律，利用流體內部的剪切作用來實現動力傳輸。基于該原理開發的液黏傳動裝置主要靠摩擦片和對偶片間油膜剪切作用來實現扭矩傳遞，該裝置調速范圍大(理論上可實現無級調速)、傳遞效率高、啟動沖擊小等，廣泛應用于風機、水泵、帶式輸送機等大功率設備來實現節能減排。其中摩擦副是液黏調速裝置的核心部件，不但對傳動效率影響極大，而且對主機的可靠性至關重要。因此，對摩擦副進行研究對工程實際生產十分重要。

國內外很多專家學者對液黏傳動裝置進行了研究。陳寧[1]采用邊界條件分部疊加法對徑向溝槽進行模型解析，對摩擦片間油膜壓力分布和油液徑向流量進行了分析計算; MENG和HOU[2]建立了修正瞬態雷諾方程、熱能量方程和黏溫方程，通過數值計算對液黏調速裝置啟動過程中油膜的溫度場、壓力場、承載力和傳遞扭矩進行了研究; MIYAGAWA等[3]建立了油膜溝槽數值模型，研究了徑向槽和周向槽對摩擦片表面溫度和扭矩傳遞性能的影響; 謝方偉[4]采用ANSYS數值模擬的方法對平行和變形界面間油膜的溫度場、壓力場和扭矩傳遞特性進行了仿真分析，并對對偶片進行熱塑性變形分析;姚壽文等[5]基于流固耦合利用CFX與Workbench對徑向槽摩擦副剛強度進行分析；崔紅偉等[6-7]分析了液黏調速離合器摩擦副油槽參數對帶排扭矩的影響，對結構參數進行優化設計；王凱等人[8]采用FLUENT對不同溝槽形式下油膜承載力和傳遞扭矩能力進行數值模擬；崔健中等[9-10]利用FLUENT對摩擦副間流場進行分析，得到油膜溫度及動壓分布規律；鄧元元等[11]以雙圓弧溝槽為研究對象，分析了溝槽數目、寬度、偏心距及內圈偏心圓直徑對油膜剪切轉矩的影響規律；孫正等人[12]以引用全空化模型的CFD方法對徑向滑動軸承潤滑油膜進行仿真，得到壓力與溫度的分布特性；王其良等[13]利用Workbench對液黏調速裝置混合摩擦階段摩擦副進行仿真模擬，得到摩擦副的溫度分布情況；王勻等人[14]根據液黏調速離合器摩擦副熱-結構耦合分析結果，得到了不同材料組合情況下摩擦副的溫度和變形差異。目前，在研究液黏調速裝置溫升問題時，大都先研究油膜特性然后加載到摩擦片上間接地得出摩擦副的溫度變化，相較于實際工況存在出入，并且在純流體階段油膜與摩擦副的耦合關系更為復雜，單單依靠流固分開模擬的方法存在一定缺陷。為此，本文作者利用FLUENT對純流體狀態下開有徑向溝槽摩擦副及中間流場進行整體分析，實現摩擦副的熱流固耦合來整體分析摩擦副溫度分布情況，以實現更接近實際工況的目的。

1 物理模型

摩擦副是液黏調速裝置核心部件。摩擦副包含摩擦片和對偶片，其中摩擦片由基片和襯片組成。在摩擦片和對偶片中間充滿工作油形成的薄盤狀油膜，如圖1所示。摩擦片表面通常開有溝槽，如徑向槽、華夫槽、方格槽等，其中徑向槽過油性好，因此文中采用徑向槽。一般摩擦片上徑向油槽寬度是不變的，考慮到積分計算的方便，可近似認為徑向油槽是一個扇形通道[15]，如圖2所示。物理模型使用三維建模軟件Solidworks構建，具體尺寸參數：油膜及摩擦副內外半徑分別為115和150 mm；油膜厚度0.1 mm；溝槽寬度(圓心角)8 °，溝槽深度0.3 mm，溝槽密度12個；摩擦片襯片厚度0.8 mm；基片厚度1.5 mm；對偶片厚度3 mm。

Solidworks將模型建好后導成.X_T或.STEP格式，然后導入到FLUENT前處理軟件ICEM CFD，進行網格劃分。文中網格劃分時需要特別注意以下幾點：①因模型分襯片、基片、對偶片、油膜4部分，各部分材料不同，因此在網格劃分時要創建不同的Part或使用混合網格處理，以實現FLUENT可以準確讀取。②由于模型相對簡單，所以在ICEM CFD采用結構化網格劃分方法，且溝槽處及流固交接處做網格加密處理，以便減少計算機工作量，提高FLUENT求解速度和求解質量。③在處理熱流固耦合問題網格劃分時邊界層處理對求解結果的準確性影響極大，根據旋轉圓盤附近的流體理論[16]，油膜厚度方向尺寸將較薄盤圓環直徑尺寸差別太大，因此油膜厚度完全處于邊界層之內，則只需要保證油膜網格層數不低于兩層，以滿足摩擦片和對偶片不同的運動形式即可。網格劃分如圖3所示，一共劃分出1 707 890個網格。進行網格檢查：網格質量大于0.71，縱橫比不大于21.9，最小角度大于45°，網格質量良好，滿足計算要求。

圖3 網格劃分Fig 3 Meshing of the model

2 數值仿真

導入FLUENT的網格經檢查后，開啟能量方程，選擇黏性生熱選項；因流體雷諾數低于2 000，故采用層流模型；設置對偶片為旋轉部件且壁面無滑移壁面，轉速1 440 r/min，摩擦片為靜止部件且無滑移壁面。定義材料設置如表1所示。進口為壓力進口，數值為0.3 MPa，出口為壓力出口，數值為0，溫度初設為30 ℃；摩擦片襯片內外端面換熱系數分別380、130 W/(m2·℃)，摩擦片基片對偶片內外端面換熱系數分別為1 890、630 W/(m2·℃)。

表1 FLUENT模型材料參數設置Table 1 The basic parameters of FLUENT models’ material

3 結果與分析

為研究液黏傳動裝置中開有徑向槽摩擦副的溫度分布特性，采用FLUENT對摩擦副及中間工作油進行流固耦合傳熱分析，后處理得到溫度云圖，如圖4所示。

圖4 摩擦副及油膜溫度云圖Fig 4 Temperature nephogram of the friction pair and oil film (a)friction pair and oil film;(b)the friction pair;(c)the dual disc;(d)the oil film

由圖4(a)、(b)不難看出：沿徑向方向隨著半徑的增加摩擦片的溫度逐漸增大，摩擦片最高溫度為34.7 ℃，出現在摩擦片沿轉速方向的溝槽側外邊緣。由圖4(c)可知：對偶片溫度在徑向方向上隨半徑的增大溫度先增大后減小，對偶片最高溫度為33.3 ℃，溝槽處溫度低于無溝槽處。由圖4(d)可以得到：油膜溫度隨半徑增大而升高，最高溫度為37.3 ℃，溝槽區溫度明顯低于無溝槽區。由以上結果可知摩擦片徑向溝槽有利于液黏傳動流體階段油膜的散熱。

圖4(b)、(c) 、(d)可清晰地看到摩擦副外端溫度有回落且溝槽處溫度回落更加明顯，這是工作油回流所致；沿周向方向上，摩擦副沿轉速方向的溝槽側溫度明顯高于另一側，且最高溫度出現在沿轉速方向的溝槽側外邊緣，同一半徑上溝槽區溫度明顯低于兩側。

由圖4(b)、(c)可知，摩擦副在純油膜階段摩擦片升溫明顯高于對偶片升溫，這是因為摩擦片開有溝槽增大了與油膜的換熱面積，吸收了更多油膜黏性產熱。

4 實驗驗證

液黏傳動實驗裝置如圖5所示，該實驗裝置主要由液壓系統、機械系統和電控系統3部分組成，其液壓系統即為液黏實驗裝置的液壓泵站，主要是向液黏傳動裝置提供工作油液和控制油液；機械系統由液黏傳動裝置、電機、聯軸器及底座等構成，是整個實驗裝置的主要工作部分；電控系統由計算機、傳感器及電控柜等組成，其主要作用是對實驗中的參數進行檢測與控制，同時把測量的數據保存記錄在計算機中。此外，實驗摩擦副參數與文中仿真時所列參數相同。

圖5 液黏傳動實驗裝置Fig 5 HVD experimental device

實驗選用廣州圣測科技公司生產的分離式溫度傳感器對油膜溫度進行檢測，型號為WZPT-PT100-3/30-3000-TEF，該型號傳感器將測溫探桿跟變送器進行了分離以便于安裝盒的拆卸，具有耐高溫、耐高壓、穩定性好，多種連接方式及互換性好等優點。表2給出了該溫度傳感器的性能參數。實驗選用北京一航華科科技公司的電渦流位移傳感器對摩擦副間的油膜厚度進行檢測，該型號傳感器具有線性范圍廣、靈敏度高、響應速度快、長期工作可靠性好等優點，能在油、汽、水等惡劣環境下長期連續工作，能檢測各種旋轉機械的軸位移、偏心、油膜厚度等。表3給出了該電渦流位移傳感器的性能參數。

表2 溫度傳感器性能參數Table 2 Performance parameters of temperature sensor

表3 位移傳感器性能參數Table 3 Performance parameters of displacement sensor

實驗過程中，為了得到摩擦副間溫度的分布規律，需要在主動摩擦片上合理布置溫度傳感器，同時為了能夠有效控制油膜厚度，在摩擦片上布置了位移傳感器。傳感器觀測點布置如圖6所示。

有溝槽區溫度沿徑向的分布大小由AT1、AT3、AT2、AT4表示；無溝槽區溫度沿徑向的分布大小由AT5、AT7、AT6、AT8表示；摩擦片上溫度沿周向的分布大小由AT6、AT2、AT9表示。

當油溫達到30 ℃時開始記錄，每隔10 s記錄一次據。根據文獻[2]研究：啟動過程中當油膜厚度為0.1 mm時對應啟動時間為10～15 s。實驗油膜溫度數據如圖7所示。

實驗數據與仿真模擬對比如圖8、圖9所示。

圖6 摩擦片上傳感器的布置Fig 6 Arrangement of sensors on friction disks

圖7 徑向槽摩擦副間油膜溫度場隨時間的變化Fig 7 Variation of temperature of oil film between radial groove friction pair with time

圖8 徑向槽摩擦副間油膜溫度沿半徑分布Fig 8 Temperature distribution of oil film in the radial direction (a) the experimental data；(b) the simulation data

圖9 徑向槽摩擦副間油膜溫度沿周向分布Fig 9 Temperature distribution of oil film along circumferential direction (a) the experimental data;(b) the simulation data

對比分析實驗和仿真結果，可知其變化規律大致相同，油膜溫度沿徑向方向隨半徑的增大逐漸增大，溝槽區溫度明顯低于無溝槽區;在周向方向上同一半徑處溫度從無溝槽區到溝槽區會發生突變，溝槽區溫度低于無溝槽區。實驗數據和仿真結果在數值上存在較小的偏差，可能的原因為：實驗過程中不能完全保證工作油的黏性及清潔度問題，工作油中參雜了機器磨損的碎屑會導致升溫明顯，機器運轉后潤滑、供油系統油液流回油箱可能導致工作油液升溫；此外，因傳感器對于油膜厚度的檢測，溫度的反饋靈敏度問題也會導致偏差。

5 結論

(1)沿徑向方向隨著半徑的增加摩擦片的溫度逐漸增大，摩擦片最高溫度出現在摩擦片沿轉速方向的溝槽側外邊緣；對偶片溫度隨半徑的增大溫度先增大后減小，溝槽處溫度低于無溝槽處；油膜溫度隨半徑增大而升高，溝槽區溫度明顯低于無溝槽區。因此溝槽的存在可以有效地提高液黏傳動裝置在流體階段工作油的散熱效率、降低油溫。

(2)沿周向方向上，摩擦副沿轉速方向的溝槽側溫度明顯高于另一側，且最高溫度出現在沿轉速方向的溝槽側外邊緣，同一半徑上溝槽區溫度明顯低于兩側，因此摩擦片的設計要注意最高升溫處摩擦片的合理設計。

(3)摩擦副在純油膜階段摩擦片升溫明顯高于對偶片升溫，這是因為摩擦片開有溝槽增大了與油膜的換熱面積，吸收了更多油膜黏性產熱，且摩擦副外端溫度有回落且溝槽處溫度回落更加明顯，這是工作油回流所致。因此，純油膜階段對于摩擦副的設計重點要放在摩擦片的設計并且注意油液回流對摩擦副的影響，以保證減小摩擦副流體階段溫升，保證機器可靠性和使用壽命。

(4)實驗結果和仿真模擬結果趨勢大致相同，驗證理論流固耦合傳熱分析的可靠性。