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本文以修形滚针为应用对象,基于多重网格数值求解技术,研究了大长径比有限长线接触弹性流体动力润滑问题,探讨了修形滚针的稳态热弹流特性。
为了提高多重网格法计算有限长线接触热弹流问题的效率,在减少程序运算迭代次数的同时,又能直接计算较重载荷的工况,对弹流数值求解中压力初值和温度初值的设置进行了优化和改进。针对压力初值提出了“Hertz接触压力分布修正”与“无限长线接触压力作初值”两种初值优化方案。经多次数值试验发现后者更为有效,可直接计算较重载荷的工况,最大Hertz接触压力达到1.45 GPa以上。另外,针对温度初值提出了“增加温度初值”和“设定温度初值曲线”两种初值设置优化方案,这两种方法均使程序计算效率有一定的提高,其中第二种设定温度初值曲线的方法能使温度分布的总趋势较快地显现出来,迭代次数减少了25.5%左右。
通过调整原有多重网格数值法程序解出了大长径比(滚针长度与直径之比)下滚针有限长线接触热弹流的数值解。可分析最大长径比达6:1的滚针弹流问题,在最大Hertz接触压力PH为2.0 GPa的情况下,滚针干接触时的接触区域长度与接触区域宽度之比κ高达169.5,计算所能达到收敛的最小卷吸速度ue为0.3 m/s。据此探讨了载荷与速度的变化在稳态工况下对滚针油膜厚度和接触区域压力分布的影响,分析结果表明滚针中部变化规律同无限长线接触的情况相符合。文中还讨论了滚针长径比、凸度与润滑油的粘度对弹流特性的影响。研究表明,当滚针半径一定时,长径比越大,滚针承受载荷的范围就越大;凸度量较大时,滚针端部所受压力较小;润滑油粘度越大,越有利于油膜形成,油膜的承载能力越大。
利用已有文献的点接触光干涉试验研究结果,通过数值方法对有限长线接触弹流的相似问题进行了类比,分析了滑滚比S对膜厚产生的影响,结果表明:随着滑滚比的增大,润滑油膜将不易形成,而且卷吸速度越大,油膜平行部分就变得越陡,该结果与点接触光干涉试验结果一致。
对比有限长线接触光干涉试验所测得的三种工况下的膜厚结果与相应工况下多重网格法有限长线接触热弹流的数值解,发现两者较为吻合;同时与Jacobi迭代的低松弛顺解法计算出的等温线接触数值结果进行比较,表明多重网格法求解出的油膜分布形状更接近试验所测得的油膜光干涉图。该研究表明,多重网格法能运用于滚针的修形设计。研究结果有助于进一步认识滚子类摩擦副的弹性流体动力润滑机理和各种因素对其特性的影响,也为修形滚针的优化设计与性能分析提供了可行手段。