یاتاقان رانش پد کج شده

View Categories

یاتاقان رانش پد کج شده

13 min read

PDF

یاتاقان رانش پد کج شده
معرفی
یاتاقان‌های رانش لنت کج شده در انواع ماشین‌های دوار استفاده می‌شوند که باید بار رانش بالایی را تحمل کنند. بار رانش از طریق لایه های روغن هیدرودینامیکی از یک قسمت لغزنده به قسمت ثابت منتقل می شود. یاتاقان رانش لنت کج شامل یک سری سطوح صاف است که روی لنت های کج ثابت می لغزند. حرکت سطح صاف لغزنده روان کننده را به سمت شکاف کاهشی بین پد کج شده و سطح کشویی می کشاند. فشار ایجاد شده در روان کننده بین سطح کشویی و لنت کج شده با بار خارجی وارد شده به سطح کشویی مقابله می کند و بنابراین از تماس بین دو سطح جلوگیری می کند. معادله رینولدز بر روی سطح پد کج شده حل می شود تا توزیع فشار روی سطح پد کج شده را پیدا کند.
تعریف مدل
فشار در روان کننده (روغن موتور) توسط معادله رینولدز کنترل می شود. برای یک سیال تراکم ناپذیر بدون شرایط لغزش، معادله رینولدز در محدوده پیوسته با استفاده از
در معادله فوق، ρ چگالی (واحد SI: kg/m 3 )، h ضخامت روان کننده، η   ویسکوزیته (واحد SI: Pa.s)، p فشار (واحد SI: Pa)، a است. محل (واحد SI: m) پایه کانال، a سرعت مماسی (واحد SI: m/s) پایه کانال، b مکان (واحد SI: m) دیوار جامد، و v است . b سرعت مماسی (واحد SI: m/s) دیوار جامد است. در اینجا سطح کشویی پایه در نظر گرفته می شود. از آنجایی که فشار از طریق ضخامت لایه روان کننده ثابت است، COMSOL از عملگر مشتق مماسی استفاده می کند(یعنی پیش بینی عملگر گرادیان به صفحه مماس) برای محاسبه توزیع فشار روی سطح روان کننده. معادله رینولدز بر روی سطح پد کج شده حل می شود. بار خارجی ( ext ) اعمال شده به سطح لغزنده با فشار موجود در روان کننده متعادل می شود. این به عنوان محدودیت اعمال می شود:
(1)
فشار هیدرودینامیکی اعمال شده توسط روانکار باعث تغییر شکل الاستیک دو سطح حاوی روان کننده می شود. در این مثال، سطح مورد نظر، پد کج ثابت است. فشار هیدرودینامیکی به عنوان یک بار مکانیکی روی پد کج شده برای محاسبه تغییر شکل الاستیک پد استفاده می شود. این مثال همچنین یک مطالعه پارامتری در مورد درجه شیب انجام می دهد.
شکل 1 توزیع ضخامت روان کننده روی سطح پد کج شده را نشان می دهد. فلش ها جهت چرخش یک سطح صاف را بر روی پد کج نشان می دهد.
شکل 1: ضخامت روان کننده و جهت چرخش سطح صاف.
شرایط مرزی
معادله رینولدز
لبه های سطح بالایی پد کج شده یک شرایط مرزی از فشار محیط اختصاص داده می شود
مکانیک سازه
سطح بالایی پد کج شده دارای بارگذاری صورت است
مرز پایین با جابجایی های صفر در جهت های x ، y و z ثابت است . تمام مرزهای دیگر آزاد هستند.
نتایج و بحث
توزیع فشار در روغن موتور در شکل 2 نشان داده شده است . همانطور که انتظار می رود، فشار حداکثر به سمت ناحیه کاهش ارتفاع فیلم است. تغییر شکل الاستیک مربوطه (اغراق آمیز) و جابجایی پد کج شده در شکل 3 نشان داده شده است .
شکل 2: توزیع فشار در روغن موتور.
شکل 3: تغییر شکل الاستیک پد کج شده.
مسیر کتابخانه برنامه: CFD_Module/Thin-Film_Flow/tilted_pad_bearing
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی  Model  Wizard کلیک کنید .
مدل جادوگر
1
در پنجره Model  Wizard ، روی  3D کلیک کنید .
2
در درخت Select  Physics ، Fluid  Flow>Thin-Film  Flow>Thin-Film  Flow  (tff) را انتخاب کنید .
3
روی افزودن کلیک کنید .
4
در درخت Select  Physics ، Structural  Mechanics>Solid  Mechanics  (جامد) را انتخاب کنید .
5
روی افزودن کلیک کنید .
6
 روی مطالعه کلیک کنید .
7
در درخت انتخاب  مطالعه ، General  Studies>Stationary را انتخاب کنید .
8
 روی Done کلیک کنید .
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Global  Definitions روی Parameters  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
نام
اصطلاح
ارزش
شرح
کج کردن
1e-4
1E-4
پارامتر شیب
h0
10[یک]
1E-5 متر
ضخامت فیلم اولیه
W_ext
5 [kN]
5000 نیوتن
بار خارجی
امگا
1[rad/s]
1 راد در ثانیه
سرعت زاویهای
هندسه 1
صفحه کار 1 (wp1)
1
در نوار ابزار هندسه ، روی صفحه  کار  کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای صفحه کار  ، روی نمایش صفحه کار کلیک کنید .
صفحه کار 1 (wp1)> هندسه صفحه
در پنجره Model  Builder ، روی صفحه  هندسه کلیک کنید .
صفحه کار 1 (wp1)> دایره 1 (c1)
1
در نوار ابزار Work Plane ، روی  Circle کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات دایره ، بخش اندازه  و  شکل را پیدا کنید .
3
در قسمت متن Radius ، 0.2 را تایپ کنید .
4
در قسمت نوشتار زاویه بخش ،  45 را تایپ کنید .
5
قسمت Rotation  Angle را پیدا کنید . در قسمت متن چرخش ، -135 را تایپ کنید .
6
برای گسترش بخش لایه ها کلیک کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
نام لایه
ضخامت (متر)
لایه 1
0.1
7
 روی Build  Selected کلیک کنید .
8
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
صفحه کار 1 (wp1)> حذف نهادهای 1 (del1)
1
روی Plane  Geometry کلیک راست کرده و Delete  Entities را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای حذف  نهادها ، بخش Entities  یا  Objects  to  Delete را پیدا کنید .
3
از لیست سطح نهاد هندسی  ، دامنه را انتخاب کنید .
4
در شیء c1 ، فقط دامنه 1 را انتخاب کنید.
5
 روی Build  Selected کلیک کنید .
6
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
اکسترود 1 (ext1)
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1)>Geometry  1 روی Work  Plane   (wp1) کلیک راست کرده و Extrude را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Extrude ، بخش Distances را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
فواصل (متر)
0.01
4
در نوار ابزار Geometry ، روی  ساختن  همه کلیک کنید .
فرم اتحادیه (فین)
1
 روی ساخت  همه کلیک کنید .
2
 روی دکمه Go  to  Default  View در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
3
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
هندسه مدل اکنون کامل شده است.
تعاریف
سیستم استوانه ای 2 (sys2)
در نوار ابزار تعاریف ، روی  Coordinate  Systems کلیک کنید و سیستم استوانه ای  را انتخاب کنید .
متغیرهای 1
1
در نوار ابزار تعاریف ، روی متغیرهای  محلی  کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای متغیرها ، بخش متغیرها را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
نام
اصطلاح
واحد
شرح
U
-omega*sys2.r*sin(sys2.phi)
ام‌اس
سرعت لغزنده، جزء x
V
omega*sys2.r*cos(sys2.phi)
ام‌اس
سرعت لغزنده، جزء y
F_fluid
intop1 (pfilm)
بار سیال کل
در اینجا intop1 به یک جفت ادغام غیر محلی برای سطح لغزنده اشاره دارد. این جفت را به صورت زیر تعریف کنید.
ادغام 1 (در اول)
1
در نوار ابزار تعاریف ، روی  Nonlocal  Couplings کلیک کرده و Integration را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای ادغام ، بخش انتخاب منبع  را پیدا کنید .
3
از لیست سطح نهاد هندسی  ، Boundary را انتخاب کنید .
4
فقط مرز 4 را انتخاب کنید.
جریان لایه نازک (TFF)
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Thin-Film  Flow  (tff) کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای جریان لایه نازک  ، بخش انتخاب مرز را پیدا کنید .
3
 روی Clear  Selection کلیک کنید .
4
فقط مرز 4 را انتخاب کنید.
خواص فیلم سیال 1
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1)>Thin-Film  Flow  (tff) روی Fluid-Film  Properties  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای ویژگی های فیلم سیال  ، قسمت ویژگی های دیوار را پیدا کنید .
3
در قسمت نوشتاری 1 ، h0-tilt*x را تایپ کنید .
4
از لیست w ، فیلد جابجایی  (جامد) را انتخاب کنید .
5
قسمت Base  Properties را پیدا کنید . بردار b را به عنوان مشخص کنید
 
0
ایکس
0
y
Deltax_b
z
در اینجا Deltax_b یک جابجایی ثابت است که مقداری را می گیرد که محدودیت بار کل در معادله 1 برآورده شود. شما Deltax_b را با استفاده از یک گره ویژگی معادله جهانی که به زودی به رابط کاربری مکانیک سازه اضافه شده است، تعریف خواهید کرد.
6
از لیست b ، User  defined را انتخاب کنید . بردار را به صورت مشخص کنید
 
U
ایکس
V
y
0
z
مواد را اضافه کنید
1
در نوار ابزار Home ، روی  Add  Material کلیک کنید تا پنجره Add  Material باز شود .
2
به پنجره Add  Material بروید .
3
در درخت، Built-in>Nylon را انتخاب کنید .
4
روی Add  to  Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید .
5
در درخت، مایعات  و گازها > مایعات >  روغن موتور  را انتخاب کنید .
6
روی Add  to  Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید .
7
در نوار ابزار Home ، روی  Add  Material کلیک کنید تا پنجره Add  Material بسته شود .
مواد
نایلون (مت1)
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1)>Materials روی نایلون  (mat1) کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material  Contents را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
ویژگی
متغیر
ارزش
واحد
گروه اموال
تراکم
rho
0.33
کیلوگرم بر متر مکعب
پایه ای
روغن موتور (mat2)
1
در پنجره Model  Builder ، روی Engine  oil  (mat2) کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی  را پیدا کنید .
3
از لیست سطح نهاد هندسی  ، Boundary را انتخاب کنید .
4
فقط مرز 4 را انتخاب کنید.
مکانیک جامدات (جامدات)
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Component   (comp1) روی Solid  Mechanics  (solid) کلیک کنید .
محدودیت ثابت 1
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Fixed  Constraint را انتخاب کنید .
2
فقط مرز 3 را انتخاب کنید.
بار مرزی 1
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Boundary  Load را انتخاب کنید .
2
فقط مرز 4 را انتخاب کنید.
3
در پنجره تنظیمات برای بار مرزی  ، بخش Force را پیدا کنید .
4
از لیست A ، Fluid  load  on  wall  (tff/ffp1) را انتخاب کنید .
5
 روی دکمه Show  More  Options در نوار ابزار Model Builder کلیک کنید .
6
در کادر محاوره‌ای Show  More  Options ، در درخت، کادر را برای گره Physics>Equation-Based  Contributions انتخاب کنید .
7
روی OK کلیک کنید .
معادلات جهانی 1
1
در نوار ابزار Physics ، روی  Global کلیک کنید و Global  Equations را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای معادلات جهانی  ، بخش معادلات جهانی را پیدا کنید .
3
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
نام
F(U,UT,UTT,T) (1)
مقدار اولیه (U_0) (1)
مقدار اولیه (U_T0) (1/S)
شرح
Deltax_b
F_fluid-W_ext
0
0
جابجایی پایه کانال محدودیت بار کلی را اعمال می کند
4
قسمت Units را پیدا کنید .  روی Select  Dependent  Variable  Quantity کلیک کنید .
5
در کادر محاوره‌ای Physical  Quantity ، جابجایی را در قسمت متن تایپ کنید.
6
 روی Filter کلیک کنید .
7
در درخت، General>Displacement  (m) را انتخاب کنید .
8
روی OK کلیک کنید .
9
در پنجره تنظیمات معادلات جهانی ، بخش  واحدها را بیابید .
10
 روی انتخاب  مقدار مدت منبع  کلیک کنید .
11
در کادر محاوره‌ای Physical  Quantity ، نیروی را در قسمت متن تایپ کنید.
12
 روی Filter کلیک کنید .
13
در درخت، General>Force  (N) را انتخاب کنید .
14
روی OK کلیک کنید .
مش 1
نقشه برداری 1
1
در نوار ابزار Mesh ، روی  Boundary کلیک کنید و Mapped را انتخاب کنید .
2
فقط مرز 4 را انتخاب کنید.
اندازه
1
در پنجره Model  Builder ، روی Size کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای اندازه ، قسمت اندازه عنصر  را پیدا کنید .
3
از لیست Predefined ، Finer را انتخاب کنید .
4
 روی ساخت  همه کلیک کنید .
جارو 1
1
در نوار ابزار Mesh ، روی  Swept کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Swept ، روی  Build  All کلیک کنید .
مطالعه 1
مرحله 1: ثابت
1
در پنجره Model  Builder ، در بخش مطالعه  1 ، روی Step  1:  Stationary کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Stationary ، بخش Physics  and  Variables  Selection را پیدا کنید .
3
در جدول، کادر حل  برای Solid  Mechanics  (جامد) را پاک کنید .
در مرحله اول فقط برای متغیرهای Lubrication Shell حل کنید تا یک راه حل اولیه برای مشکل جفت شده بدست آورید. یک مرحله مطالعه جداگانه برای مرحله حل دوم اضافه کنید.
ثابت 2
1
در نوار ابزار مطالعه ، روی  Study  Steps کلیک کنید و Stationary>Stationary را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Stationary ، برای گسترش بخش Study  Extensions کلیک کنید .
3
کادر بررسی جارو کمکی  را انتخاب کنید .
4
 روی افزودن کلیک کنید .
5
در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید:
 
نام پارامتر
لیست مقادیر پارامتر
واحد پارامتر
شیب (پارامتر شیب)
محدوده (1e-4, (5e-4-1e-4)/19,5e-4)
راه حل 1 (sol1)
1
در نوار ابزار مطالعه ، روی  Show  Default  Solver کلیک کنید .
2
در پنجره Model  Builder ، گره Solution   (sol1) را گسترش دهید .
3
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Study  1>Solver  Configurations>Solution   (sol1) روی Dependent  Variables  2 کلیک کنید .
4
در پنجره تنظیمات برای متغیرهای وابسته  ، بخش Scaling را پیدا کنید .
5
از لیست روش ، دستی را انتخاب کنید .
6
در قسمت متن مقیاس ، 1e-5 را تایپ کنید .
7
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Study  1>Solver  Configurations>Solution   (sol1)> Dependent  Variables  2 روی Pressure  (comp1.pfilm) کلیک کنید .
8
در پنجره تنظیمات برای فیلد ، بخش Scaling را پیدا کنید .
9
از لیست روش ، مقدار اولیه  مبتنی بر را انتخاب کنید .
فشار در مقیاس حدود 11 مرتبه قدر متفاوت است. بنابراین نیاز به یک ضریب مقیاس بندی جداگانه دارد که می توانید آن را از محلول اولیه بگیرید.
حل کننده جدا شده پیش فرض برای این مشکل کار نمی کند، که بهتر است به طور کامل جفت شده حل شود.
10
در پنجره Model  Builder ، گره Study  1>Solver  Configurations>Solution   (sol1)>Stationary  Solver  2 را گسترش دهید .
11
روی Study  1>Solver  Configurations>Solution   (sol1)>Stationary  Solver  2 کلیک راست کرده و Fully  Coupled را انتخاب کنید .
12
در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید .
نتایج
اولین گروه نمودار پیش فرض فشار سیال را به عنوان نمودار سطحی برای مقدار شیب نهایی در جاروب پارامتری نشان می دهد. این نمودار را تغییر دهید تا نمودار نشان داده شده در شکل 2 به صورت زیر نمایش داده شود:
فشار سیال (tff)
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Results روی Fluid  Pressure  (tff) کلیک کنید .
2
در پنجره Settings for 3D  Plot  Group ، بخش Data را پیدا کنید .
3
از لیست مقدار پارامتر  (tilt) ، 1E-4 را انتخاب کنید .
4
قسمت Plot  Settings را پیدا کنید . کادر بررسی لبه های مجموعه داده Plot را  پاک کنید .
سطح 1
1
در پنجره Model  Builder ، گره Fluid  Pressure  (tff) را گسترش دهید ، سپس روی Surface  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Coloring  and  Style را پیدا کنید .
3
از لیست Coloring ، Gradient را انتخاب کنید .
4
از لیست رنگ پایین  ، آبی را انتخاب کنید .
5
از لیست تبدیل جدول رنگ  ، Reverse را انتخاب کنید .
سطح 2
1
در پنجره Model  Builder ، روی Fluid  Pressure  (tff) کلیک راست کرده و Surface را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Expression را پیدا کنید .
3
در قسمت Expression text، 1 را تایپ کنید .
4
قسمت Coloring  and  Style را پیدا کنید . از لیست Coloring ، Uniform را انتخاب کنید .
5
از لیست رنگ ، خاکستری را انتخاب کنید .
انتخاب 1
1
روی Surface  کلیک راست کرده و Selection را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای انتخاب ، قسمت انتخاب را پیدا کنید .
3
از لیست انتخاب ، همه  مرزها را انتخاب کنید .
4
فقط مرزهای 1-3، 5 و 6 را انتخاب کنید.
5
در نوار ابزار فشار سیال (tff) ، روی  Plot کلیک کنید .
6
 روی دکمه Zoom  Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید .
دومین گروه نمودار پیش فرض نمودار سطحی تنش فون میزس و نمودار تغییر شکل جابجایی را نشان می دهد. این گروه نمودار را برای نمایش نمودار تغییر شکل در شکل 3 با دنبال کردن مراحل زیر تغییر دهید:
استرس (جامد)
1
در پنجره Model  Builder ، در قسمت Results روی Stress  (solid) کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای گروه طرح سه بعدی  ، روی Plot First کلیک کنید . 
جلد 1
1
در پنجره Model  Builder ، گره Stress  (solid) را گسترش دهید ، سپس روی Volume  1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای حجم ، روی Replace  Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component   (comp1)>Solid  Mechanics>Displacement>solid.disp  –  Displacement  magnitude  –  m را انتخاب کنید .
3
قسمت Expression را پیدا کنید . در قسمت Unit ، um را تایپ کنید .
4
قسمت Coloring  and  Style را پیدا کنید .  روی تغییر  جدول رنگ  کلیک کنید .
5
در کادر محاوره ای Color  Table ، Rainbow>Rainbow را در درخت انتخاب کنید.
6
روی OK کلیک کنید .
7
در نوار ابزار استرس (جامد) ، روی  Plot کلیک کنید .
مراحل زیر شکل 1 را بازتولید می کند .
ضخامت روان کننده
1
در پنجره Model  Builder ، روی Fluid  Pressure  (tff) کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای گروه طرح سه بعدی  ، ضخامت روان کننده را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید .
سطح 1
1
در پنجره Model  Builder ، گره ضخامت Lubricant  را گسترش دهید ، سپس روی Surface 1 کلیک کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Surface ، روی Replace  Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component   (comp1)>Thin-Film  Flow>Wall  and  base  properties>tff.h  –  Total  gap  height  –  m را انتخاب کنید .
3
قسمت Expression را پیدا کنید . از لیست واحد ، میکرومتر را انتخاب کنید .
4
در نوار ابزار ضخامت روان کننده ، روی  Plot کلیک کنید .
5
قسمت Coloring  and  Style را پیدا کنید . از فهرست رنگ‌آمیزی ، جدول رنگ  را انتخاب کنید .
6
 روی تغییر  جدول رنگ  کلیک کنید .
7
در کادر محاوره ای Color  Table ، Linear>Cividis را در درخت انتخاب کنید.
8
روی OK کلیک کنید .
9
در پنجره تنظیمات برای Surface ، بخش Coloring  and  Style را پیدا کنید .
10
از لیست تبدیل جدول رنگ  ، هیچکدام را انتخاب کنید .
سطح پیکان 1
1
در پنجره Model  Builder ، روی Lubricant  thickness کلیک راست کرده و Arrow  Surface را انتخاب کنید .
2
در پنجره تنظیمات برای Arrow  Surface ، روی Replace  Expression در گوشه سمت راست بالای بخش Expression کلیک کنید . از منو، Component   (comp1)>Thin-Film  Flow>Wall  and  base  properties>tff.vbtx,…,tff.vbtz  –  Tangential  velocity  of  base  (spatial  frame) را انتخاب کنید .
3
قسمت Coloring  and  Style را پیدا کنید . از لیست نوع پیکان  ، مخروط را انتخاب کنید .
4
از لیست رنگ ، سفید را انتخاب کنید .
5
در نوار ابزار ضخامت روان کننده ، روی  Plot کلیک کنید .