Forschung zum Kavitationseffekt mikrotexturierter Arrays

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 13455 (2022) Diesen Artikel zitieren

818 Zugriffe

1 Zitate

Details zu den Metriken

In dieser Arbeit werden die Oberflächentexturparameter und Verteilungsmuster durch numerische Simulation und Experiment untersucht. Zunächst wird ein dreidimensionales mikrotexturiertes CFD-Flüssigkeitsschmiermodell mit Kavitationseffekt erstellt und verschiedene Texturarrays entworfen, um den Einfluss verschiedener Verteilungsmodi auf die Tragfähigkeit, den Reibungskoeffizienten und die Druckverteilung des Ölfilms zu untersuchen. Anschließend werden die Simulationsergebnisse durch die visualisierte Plane-Slider-Experimentierplattform weiter analysiert und verifiziert, und die Bildungsregeln von Kavitationsblasen in der mikrotexturierten Anordnung sowie die Einflüsse der Oberflächenform und der verschiedenen Verteilungsmodi der mikrotexturierten Anordnung werden untersucht Anordnung auf den Kavitationsblasen werden diskutiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das Vorhandensein von Kavitation einer der Hauptgründe dafür ist, dass die Mikrotextur die Tragfähigkeit des Ölfilms erhöht, was in der Simulationsstudie nicht ignoriert werden kann. Die Texturanordnung mit einfacher symmetrischer Ausrichtung eignet sich am besten zur Verbesserung der Ölfilmtragfähigkeit, und die Lagerleistung ist am besten, wenn der Texturneigungswinkel 26,6° beträgt. Der Reibungskoeffizient der asymmetrisch ausgerichteten Texturanordnung ist 29,4 % niedriger als der von die nicht texturierte Probe. Die Ergebnisse im Experiment stimmen mit der Simulation überein.

Oberflächentexturierung, bei der im Allgemeinen eine spezielle Verarbeitungstechnologie verwendet wird, um die Mikrostruktur mit einer bestimmten Größe, Form und Anordnung auf der Oberfläche des Reibungspaars vorzubereiten, kann angewendet werden, um die hydrodynamische Schmierleistung mechanischer Komponenten zu verbessern1. Eine Oberflächentextur mit einem angemessenen Design kann eine deutliche Verbesserung bieten. Unter Flüssigkeitsschmierungsbedingungen kann der durch die Textur induzierte Kavitationseffekt2,3,4 die Tragfähigkeit5,6 des Reibungspaares erheblich erhöhen. Daher ist die theoretische und experimentelle Erforschung des texturinduzierten Kavitationseffekts sehr wichtig, um die Schmierung7,8,9 mechanischer Teile zu verbessern und den Energieverbrauch zu senken10.

Die geometrischen Parameter der Mikrotextur sind die Hauptfaktoren, die die hydrodynamische Schmierleistung der Oberflächentextur beeinflussen. Durch eine geeignete Gestaltung der geometrischen Parameter kann die strukturierte Oberfläche eine optimale Schmier- und Reibungsreduzierungsleistung aufweisen11,12. Wang et al.13 stellten durch reaktives Ionenätzen kreisförmige Mikrotexturen auf der Drucklageroberfläche her und führten eine Reihe experimenteller Studien zur Lasttragfähigkeit von Mikrogruben unterschiedlicher Größe, Tiefe und Dichte unter Wasserschmierungsbedingungen durch. Yu et al.14 untersuchten den Einfluss verschiedener Grübchenformen (kreisförmig, dreieckig und elliptisch) und der Anordnungsrichtung von Texturen auf die Druckverteilung. Während Nanbu et al.15 sich auf die Optimierung der Bodenoberflächentopographie von Kratern konzentrierten. Wang et al.16 entwarfen die Oberflächentextur der SiC-Oberfläche mit unterschiedlichen Verteilungsmodi, und die Ergebnisse zeigen, dass die gemischte Textur die Tragfähigkeit von SiC-Keramik stärker verbessern kann als die Textur einer einzelnen Größe. Shen et al.17 schlugen eine numerische Texturoptimierungsmethode vor, die auf dem SQP-Algorithmus basiert.

Im Hinblick auf numerische Simulationsstudien führten Siripuram und Stephens18 numerische Analysen für verschiedene Formen von Kratern und konvexen Körpergeweben durch. Caramia et al.19 lösten die Mikrotextur-Oberflächenschmierungsleistungsanalyse der Reynolds-Gleichung bzw. der NS-Gleichung für die Mikrowebmaschine und stellten im Vergleich fest, dass die Trägheitskraft einen signifikanten Einfluss auf den dynamischen Druckeffekt der Mikrowebmaschine hat und ein ist Liu et al.20 haben ein zweidimensionales Modell der asymmetrischen Mikrotextur erstellt und den Einfluss des Auslassneigungswinkels der Textur auf die Flüssigkeitsdruckverteilung, die Form des Strömungsfelds, die Tragfähigkeit der oberen Wand und den Reibungskoeffizienten untersucht strukturierter Bereich. Jiang et al.21 verwendeten ANSYS Fluent, um ein numerisches Modell des dreidimensionalen Strömungsfeldes einer Gleitringdichtung mit einem elliptischen Webstuhl zu erstellen. Die Schwierigkeit, die NS-Gleichung zu lösen, hat sich aufgrund der aktuellen Verbesserung der Computerleistung und der Beliebtheit kommerzieller CFD-Codes, die auf der NS-Gleichung basieren, erheblich verringert22. Daher ist es zu einem unvermeidlichen Trend geworden, die NS-Gleichung zur Lösung des Webschmierungsmodells unter Berücksichtigung des Kavitationseffekts zu verwenden.

Für Oberflächenwebkavitationsexperimente ist eine Visualisierungsbank erforderlich, um das Kavitationsphänomen23,24 direkt zu beobachten und den Bildungsmechanismus zu untersuchen. Qiu et al.25 beobachteten experimentell das Kavitationsphänomen von Oberflächenkratern in Axiallagern, untersuchten den Einfluss der Geschwindigkeit auf den Kavitationseffekt und schlugen vor, dass die Geschwindigkeit den Kavitationsdruck beeinflussen könnte. Reiner Wahl et al.26 verwendeten zur Beobachtung Stift-Scheiben-Experimente Das oberflächeninduzierte Kavitationsphänomen der Maschenrille ergab, dass Blasen als kleine Schweife am stromabwärtigen Ende des konvexen Körpers oder an den Seiten des konvexen Körpers vorhanden waren, und stellte fest, dass eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht werden muss, damit Kavitation auftritt. Bai et al.27 untersuchten den vorübergehenden Wachstumsprozess des durch Mikroweben induzierten, durch Schmiermittel erzeugten Kavitationsphänomens auf der Oberfläche eines Axiallagers und stellten fest, dass die Blasen im Kavitationsbereich mit zunehmender Laufzeit zunahmen und allmählich einen stationären Zustand erreichten impliziert, dass eine Übergangszeit erforderlich ist, um ein Gleichgewicht zu erreichen. Es wird außerdem geschlussfolgert, dass die aus dem Schmiermittel ausgeschiedene Luft der Hauptbestandteil der Kavitationsblasen ist und die Verdunstung des Schmiermittels nur geringe Auswirkungen hat.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in der oben genannten Literatur der Effekt der Synergie zwischen den Webarrays weniger erforscht ist und dass nur wenige dreidimensionale CFD-Modelle unter Berücksichtigung der Kavitation erstellt wurden und die Morphologie der Arraywebung relativ einheitlich ist. Zweitens sind in Bezug auf Experimente zur induzierten Kavitation von gewebten Arrays die Experimente, die sich auf den Verteilungsmodus von gewebten Arrays beziehen, in der Literatur ebenfalls weniger involviert.

Der Zweck dieser Studie besteht darin, zu untersuchen, wie die mikrotexturierte Anordnung das Auftreten von Kavitation reguliert. Der Abschnitt „Ergebnis“ beschreibt die Erstellung, Lösung und Analyse des mikrotexturierten Array-Modells. Unter Berücksichtigung des Kavitationseffekts wird eine dreidimensionale numerische Simulation der Oberflächenmikrotextur mithilfe der ANSYS-Fluent-Software durchgeführt, um den Einfluss von Texturverteilungsmodi auf die Schmierleistung zu untersuchen. Um die Rationalität der Simulationsergebnisse zu überprüfen, werden die entsprechenden Experimente durchgeführt werden mithilfe einer visuellen Gleitplattform durchgeführt, um die Bildung von Kavitationsblasen zu analysieren. Experimentelle Details, Analysen und Ergebnisse werden in den Abschnitten „Diskussion“ und „Schlussfolgerungen“ vorgestellt. Abschließend werden im letzten Abschnitt die Schlussfolgerungen dargelegt.

Bei der Untersuchung des Einflusses der Mikrotextur auf den Flüssigkeitsschmiereffekt entscheiden sich die meisten Wissenschaftler dafür, das Strömungsfeld einer einzelnen Textur zu simulieren, ignorieren jedoch die gegenseitige Beeinflussung zwischen den Texturen. Die Kooperationsbeziehung zwischen der Textur ist noch nicht klar und bedarf weiterer Untersuchungen. Daher erstellt diese Studie ein 4 × 4-Mikrotextur-Array-Modell, wie in Abb. 1 dargestellt, für die Simulationsberechnungsanalyse. Erstens kann das 4 × 4-Mikrotextur-Array-Modell das Variationsgesetz seines Drucks, seiner Tragfähigkeit und seiner Reibungskraft in horizontaler und vertikaler Richtung besser analysieren. Zweitens können Simulationsberechnungen durch Auswahl eines 4 × 4-Mikrotextur-Array-Modells besser durchgeführt werden. Ein zu komplexes Strukturdesign führt zu einem starken Anstieg des Berechnungsaufwands, was der Datenanalyse nicht förderlich ist.

Fünf Arten von 4 × 4-Mikrotextur-Array-Layouts.

In dieser Studie wird der dreidimensionale ANSYS-Fluent-Löser mit doppelter Genauigkeit für die Simulationsberechnung und das k-ε-Turbulenzmodell verwendet. Die Kavitationssimulation nutzt das Mixture-Mehrphasenströmungsmodell und das Schnerr-Sauer-Kavitationsmodell. Die Druck-Geschwindigkeits-Kopplung verwendet die gekoppelte Methode, der Impulsterm und der Energieterm werden beide als Schnell ausgewählt, der Druckterm liegt im PRESTO! Format und der Konvergenzfaktor beträgt 1 × 10−5. Um die Berechnung zu erleichtern, werden die übrigen Bedingungen als Standard ausgewählt. Der Lösungsprozess umfasst hauptsächlich die Erstellung des geometrischen Modells und der Vernetzung, die Festlegung von Randbedingungen, physikalischen Parametern und der Lösungsmethode sowie die Nachbearbeitungsanalyse mit der Tecplot-Software. Die in der Simulation verwendeten physikalischen Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Um die Auswirkungen verschiedener Texturmodelle auf die Schmierleistung zu vergleichen, werden dimensionslose Tragfähigkeit, dimensionslose Reibung und der Reibungskoeffizient f ausgewählt, um die Schmierleistung des Reibungspaares zu charakterisieren:

In der Formel ist Fy die normale Tragfähigkeit, p(x, z) die Druckverteilung an der oberen Wand, F0 die Referenzkraft, p0 der Atmosphärendruck, Fx die tangentiale Reibungskraft und τ′ Scherkraft.

Um das Auftreten und Verhalten der durch die mikrotexturierte Anordnung verursachten Kavitation zu überprüfen, wurden im Abschnitt der Schmiertest und die Beobachtung von Texturproben mit einem selbstgebauten visuellen Tribotester durchgeführt.

Abbildung 2 zeigt ein schematisches Diagramm der visuellen flachen Tribo-Tester. Die obere Probe wird durch die Klemme (9) festgezogen, und die untere Probe wird mit der rotierenden Einheit verbunden, die von einem Schrittmotor angetrieben wird, und zwischen den Proben wird Schmieröl hinzugefügt. Die vertikale Last wird über das Ladehandrad (6) auf die Stützstange ausgeübt. Die Belastungskraft wird vom Drucksensor 7 und die Reibungskraft vom Drucksensor 2 gemessen. Mit einem Mikroskop wird von unten durch die Glasprobe (10) hindurch beobachtet und ein Kavitationsbild aufgenommen. In diesem Experiment der Reihe nach Um die Vorbereitung und Beobachtung zu erleichtern, besteht die obere Probe aus Messing. Es hat eine zylindrische Form mit einem rechteckigen Querschnitt von 1,2 mm × 2,0 mm, um die Installation und Anpassung an die untere Probe zu erleichtern.

Muster- und Vorrichtungszeichnung.

Als Schmierstoff wird in diesem Versuch das Schmieröl Castrol 5 W-40 verwendet. Die kinematische Viskosität beträgt 86 mm2/s (40 °C) bzw. 13,7 mm2/s (100 °C) und die Dichte bei Raumtemperatur (25 °C) beträgt 0,856 g/cm2. Der Versuch wird bei Raumtemperatur durchgeführt, die dynamische Viskosität des Schmieröls beträgt bei Raumtemperatur 0,0933 Pa·s. Vor dem Experiment wird ausreichend Schmieröl in den Öltank der rotierenden Scheibe gegeben und die strukturierte Probe in das Schmieröl eingetaucht. Der Tribo-Tester muss eine Zeit lang im Leerlauf, bei niedriger Geschwindigkeit und ausreichender Schmierung betrieben werden, damit eine kleine Menge der in der Texturgrube gespeicherten Luft mit dem Schmieröl abfließen kann. Wenn sich keine Blasen mehr in der Textur befinden, stoppen Sie die rotierende Einheit, setzen Sie die Testlast, die Geschwindigkeit und andere Parameter zurück und starten Sie die rotierende Einheit für den formellen Test neu. Die endgültigen Testergebnisse werden durch die Messung der Reibung und anderer verwandter Parameter unter stabilen Bedingungen sowie durch die Überwachung und Fotografie der Kavitationsbilder der Reibungsoberfläche in Echtzeit über ein Bilderfassungssystem erzielt.

Abbildung 3a zeigt die dimensionslose Tragfähigkeit einer Texturanordnung unterschiedlicher Formen bei einer Geschwindigkeit von 6 m/s, die Probe mit einer Parallelogramm-Texturanordnung weist die maximale Tragfähigkeit auf. Abbildung 4 zeigt die Druckverteilung an der oberen Wand des Texturarrays mit unterschiedlichen Formen. Aus Abb. 4a, b lässt sich schließen, dass aufgrund der Konfluenzrolle der Texturen der maximale Druck der konvergenten trapezförmigen Texturanordnung größer ist als der der divergenten trapezförmigen Texturanordnung, die Fläche der Boost-Zone jedoch viel kleiner ist als die des divergenten trapezförmigen Texturarrays, was schließlich zu einer geringeren Gesamttragfähigkeit für die Probe mit dem konvergenten trapezförmigen Texturarray führt. Der Grund dafür ist, dass für das Texturarray die gegenseitige Beeinflussung benachbarter Texturen senkrecht zur Bewegungsrichtung berücksichtigt werden muss. Daher kann aus Abb. 4c, d geschlossen werden, dass der höchste Druck der Diamant-Array-Textur größer ist als der des Parallelogramms, aber sowohl die Hochdruck-Spitzenfläche als auch die Niederdruck-Kavitationsfläche des Parallelogramms haben sich verschoben. Dadurch wird die Hemmung zwischen den vorderen und hinteren Mikrotexturen verringert und die Gesamttragfähigkeit erhöht, was besser ist als bei der rhombischen Texturanordnung, was dem Simulationsergebnis einer einzelnen Textur entspricht.

Dimensionslose Tragfähigkeiten.

Druckverteilung.

Wie in Abb. 3b gezeigt, wird die dimensionslose Tragfähigkeit von fünf verschiedenen Verteilungsmustern mikrotexturierter Arrays bei einer Geschwindigkeit von 6 m/s verglichen. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass der Anpassungsmodus zwischen den Mikrotexturen Texturen haben in der numerischen Simulation einen stärkeren Einfluss auf das Strömungs- und Druckfeld als nur eine Änderung der Form der Texturen.

Abbildung 4e–h zeigt die Druckverteilung des quadratischen mikrotexturierten Arrays und der drei verschiedenen Musterarrays. Unterschiedliche Muster von Parallelogramm-Texturarrays verändern nicht nur das Druckfeld der Flüssigkeitsdomäne, sondern beeinflussen auch das Strömungsfeld. Aus dem Stromliniendiagramm des quadratischen Texturarrays ist ersichtlich, dass die Stromlinien in der Nähe des Textureingangs und -ausgangs nur teilweise gebogen sind und die angrenzenden Texturen ihre jeweiligen Strömungsfelder nicht beeinflussen. In den einfachsymmetrischen und paarsymmetrischen Texturanordnungen lässt die Neigung der Parallelogrammtextur das Strömungsfeld als offensichtlichen Konfluenzeffekt erscheinen, was die Erzeugung eines höheren Ölfilmdrucks begünstigt. Die Stromlinien in der Texturanordnung mit einer einzigen Ausrichtung sind offensichtlich geneigt, aber es gibt keinen Konfluenzeffekt, und der seitliche Fluss der Flüssigkeit führt zu einer Energiedissipation, schwächt den dynamischen Druckeffekt der Textur und macht sie zur niedrigsten Tragfähigkeit. Ähnlich wie die Parallelogrammtextur in der Einzeltextursimulation haben auch die Texturarrays anderer unterschiedlicher Verteilungsmuster aufgrund der Hochdruckspitzenfläche und der Niederdruckkavitation den Effekt, den Unterdrückungseffekt zwischen den Vorder- und Rückseitentexturen zu verringern Bereich haben sich verschoben. Der Hochdruckbereich des Auslasses kann sich besser in Richtung des Flüssigkeitsflusses erstrecken.

Abbildung 5a zeigt die Druckverteilung des Texturarrays mit einer einzigen Symmetrieausrichtung. Wie in Abb. 5b gezeigt, nimmt in einem Texturarray mit einfacher Symmetrieorientierung der Druck auf die Mittellinie e der oberen Wand mit zunehmendem Neigungswinkel erheblich zu. Mit zunehmendem Neigungswinkel der Mikrotextur wird die Auslassdruckzone der zweiten und dritten Reihe der Mikrotextur näher zusammenrücken, was den Ölfilmdruck verbessert. Wenn jedoch der Neigungswinkel der Mikrotextur zu groß ist, wird die Reichweite der Druckzone verringert und der Ölfilmdruck beeinträchtigt.

Druckverteilung mit unterschiedlichen Neigungswinkeln.

Abbildung 5c zeigt die Druckverteilung eines multisymmetrischen Orientierungstexturarrays. Wie in Abb. 5d gezeigt, nimmt der Ölfilmdruck auf der geraden Linie f zwischen der ersten und zweiten Texturreihe mit zunehmendem Neigungswinkel allmählich zu. Darüber hinaus ist aus Abb. 5e ersichtlich, dass die Vergrößerung des Neigungswinkels der Texturen den Druck auf die Mittellinie g der oberen Wandfläche verringert.

Abbildung 5f zeigt die Druckverteilung an der oberen Wand des strukturierten Arrays mit einer einzigen Ausrichtung, wenn der Neigungswinkel 45° beträgt. Daraus kann geschlossen werden, dass ein Texturarray mit einer einzigen Ausrichtung den Druck nicht konvergieren kann. Nehmen Sie die gerade Linie h am Ausgang der dritten Texturreihe, um die Druckverteilung zu analysieren, wie in Abb. 5g dargestellt. Mit zunehmendem Kippwinkel verschiebt sich die Druckspitze am Ausgang der Parallelogrammtextur in Kipprichtung und gleichzeitig nimmt auch der Druck entsprechend ab. Daher wird davon ausgegangen, dass ein parallelogrammförmiges mikrotexturiertes Array mit einer einzigen Ausrichtung im Vergleich zu einer quadratischen Textur keinen Einfluss auf die Verbesserung der Tragfähigkeit hat und dass je größer der Neigungswinkel ist und je größer der Neigungswinkel ist, desto schwächer wird der dynamische Druckeffekt Textur.

In28 wurde die Existenz eines Wirbelstroms durch Analyse des Geschwindigkeitsfelds festgestellt und die folgende Erklärung gegeben: Die Vergrößerung der Tiefe der Mikrovertiefungen wird den Keileffekt verstärken und die hydrodynamische Druckleistung verbessern, aber andererseits Das Wirbelstromphänomen führt zu einem Energieverlust, der die hydrodynamische Tragfähigkeit beeinträchtigt. Daher gibt es einen optimalen Wert für die Texturtiefe, so dass die dynamische Drucktragfähigkeit der Mikrogrubeneinheit am stärksten ist. Dies weist darauf hin, dass die Abschwächung der hydrodynamischen Leistung mit zunehmender Texturtiefe auf die Kombination zurückzuführen ist Wirkung der Verringerung der Kavitationszone und der Vergrößerung der Wirbelzone.

Abbildung 6a zeigt die dimensionslose Tragfähigkeit der quadratischen Texturanordnung und dreier Parallelogramm-Texturanordnungen mit einer Neigung von 26,6°. Mit zunehmender Geschwindigkeit nimmt die dimensionslose Tragfähigkeit aller Mustertexturarrays allmählich zu, und der Unterschied in der Tragleistung zwischen verschiedenen Musterarrays ist offensichtlich. Innerhalb des in diesem Artikel untersuchten Geschwindigkeitsbereichs ist die Tragfähigkeit des Texturarrays mit einfacher symmetrischer Ausrichtung immer am besten.

Tragfähigkeit.

Die Abbildungen 6b–f zeigen die dimensionslose Tragfähigkeit einer asymmetrisch ausgerichteten Texturanordnung mit unterschiedlichen Neigungswinkeln unter verschiedenen Geschwindigkeitsbedingungen. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass die asymmetrische Ausrichtungsarray unter verschiedenen Geschwindigkeitsbedingungen einen optimalen Neigungswinkel aufweist, um das Dimensionslos zu machen Tragfähigkeit am höchsten. Mit zunehmender Geschwindigkeit nimmt der optimale Neigungswinkel tendenziell zu. Bei einer Geschwindigkeit von 18 m/s erhöht sich der optimale Neigungswinkel des asymmetrischen Arrays von 26,6° auf 36,9°. Dies liegt daran, dass die Erhöhung der Geschwindigkeit die Unterdrückung des dynamischen Druckeffekts zwischen den vorderen und hinteren Texturen verstärkt und je größer der Neigungswinkel des Parallelogramms ist, desto günstiger ist die Staffelung der Niederdruckzone am Eingang der Textur und die Hochdruckspitzenzone am Austritt in Strömungsrichtung. Die Hochdruckzone des Texturauslasses erstreckt sich in Strömungsrichtung nach hinten und vergrößert so die Reichweite der Hochdruckzone.

Die Wechselwirkung zwischen Texturen kann die Druckverteilung und das Strömungsfeld des Fluidbereichs stärker verändern, was der Hauptgrund für die Verschlimmerung der Kavitation ist. Unterschiedliche Mikrotexturtiefen, Anordnungen, Winkel, Formen und andere Faktoren verändern die Druckverteilung und das Strömungsfeld.

In17 wird die Kavitation von Schmieröl in Gaskavitation und Dampfkavitation unterteilt. Typischerweise enthalten Schmieröle gelöste Luft mit einem Sättigungsdruck auf atmosphärischem Niveau. Wenn der lokale Flüssigkeitsdruck niedriger als der Sättigungsdruck ist, entweicht das gelöste Gas aus der Lösung und bildet einen Lufthohlraum. Wenn der Flüssigkeitsdruck weiter auf den Dampfdruck absinkt, kann das Schmieröl bei Umgebungstemperatur sieden und Dampfkavitation bilden. Um den Kavitationstyp und die Blasenzusammensetzung der texturinduzierten Kavitation weiter zu untersuchen, wurde daher der Zustand der Kavitationsblasen nach Beendigung des Experiments weiter beobachtet, wie in Abb. 7 dargestellt.

Kavitationsblasendiagramm nach dem Herunterfahren.

Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass beim Anhalten des Drehtisches die Blasen in der Textur nicht sofort verschwinden, sondern sich allmählich vom Textureingang lösen und zu einer ganzen Blase zusammenlaufen, die in der Textur hängt. Dies zeigt, dass unter den Bedingungen dieses Experiments der Hauptgrund für die Entstehung von Kavitationsblasen die Gaskavitation ist, da der durch Dampfkavitation erzeugte Öldampf sofort absorbiert werden kann, während die Auflösung des vom Schmieröl getrennten Gases lange dauert.

Das Verhalten texturinduzierter Kavitationsblasen ist ein dynamischer Gleichgewichtsprozess. Erstens bildet sich durch die Rotation der unteren Probe eine lokale Druckabfallzone am Eingang der Textur, und die im Schmieröl ausgefällte Luft sammelt sich nach der Bildung von Kavitationsgaskeimen kontinuierlich an und die Luftblasen sind mit bloßem Auge sichtbar werden nach und nach gebildet. Aufgrund der Scher- und Schleppwirkung der Rotation der unteren Probe auf das Schmieröl und die Luftblasen dehnen sich die Kavitationsblasen dann allmählich stromabwärts aus, und der Fluss des Schmieröls bringt mehr gelöste Luft und das kontinuierlich ausgefällte Gas mit macht die Luftblasen groß. Wenn schließlich die Ausfällung des Schmierölgases und die Auflösung des Gases ein Gleichgewicht erreichen, bilden sich stabile Kavitationsblasen.

Die feste Last beträgt 10 N und das Experiment wird unter verschiedenen Geschwindigkeitsbedingungen durchgeführt, um den Reibungskoeffizienten der nicht texturierten Probe und fünf Arten von Texturproben unterschiedlicher Form zu vergleichen. Die fünf Texturarrays unterschiedlicher Form können die Schmierleistung des Reibungspaares im Vergleich zu den nichttexturierten Proben verbessern und ihre Reibungskoeffizienten werden alle reduziert.

Bei einer Geschwindigkeit von 6 U/min (0,019 m/s) unterscheiden sich die Reibungskoeffizienten der Proben nicht wesentlich. Bei niedriger Drehzahl ist der Ölfilm des Reibpaares noch nicht vollständig ausgebildet und die Textur hat kaum Einfluss auf die Verbesserung der Ölfilmtragfähigkeit. Wenn die Geschwindigkeit größer als 18 U/min (0,057 m/s) ist, ist die Schmierleistung der Probe mit der konvergenten trapezförmigen Textur immer am geringsten. Bei einer Geschwindigkeit von 24 U/min (0,076 m/s) sind die Kavitationsbilder von Texturanordnungen mit unterschiedlichen Formen in Abb. 7 dargestellt. Aus der Abbildung lässt sich ableiten, dass auf der Oberfläche der texturierten Proben Kavitation aufgetreten ist verschiedene Formen. Die unterschiedlichen Texturverteilungspositionen führen jedoch dazu, dass die Druckverteilung um die Textur unterschiedlich ist und auch die durch die Textur verursachten Kavitationsblasen deutlich unterschiedlich sind. Die Texturen, die sich stromabwärts des Texturarrays befinden, sind anfälliger für das Herausziehen von Kavitationsblasen. Der Grund liegt darin, dass diese Texturen näher am Druckauslass liegen und der umgebende Ölfilmdruck relativ gering ist. Darüber hinaus zeigt ein Vergleich der Kavitationsblasen, die durch Texturanordnungen unterschiedlicher Form entstehen, dass die konvergente trapezförmige Texturanordnung die wenigsten Blasen erzeugt, während die divergente trapezförmige Textur die meisten Kavitationsblasen induziert.

Abbildung 8 zeigt den Kavitationszustand von drei verschiedenen Parallelogramm-Texturarray-Proben bei einer Geschwindigkeit von 24 U/min. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass nur ein kleiner Teil der Texturen in der Texturanordnung mit asymmetrischer Ausrichtung Kavitationsblasen aufweist, die überlaufen. In einer Texturanordnung mit mehreren symmetrischen Ausrichtungen gibt es bestimmte Kavitationsblasen am hinteren Ende des Auslasses. Der Kavitationseffekt, der durch die Texturanordnung mit einer einzigen Orientierung hervorgerufen wird, ist am schwerwiegendsten, was auf die Konvergenz der Kavitationsblasen der stromaufwärts und stromabwärts gelegenen Texturen zurückzuführen ist, wodurch ein größerer Kavitationsbereich entsteht. Beim Vergleich der Druckverteilung des Texturarrays mit verschiedenen Modi in der vorherigen Simulation ist ersichtlich, dass in dem Bereich, in dem der Ölfilmdruck höher ist, die Wahrscheinlichkeit geringer ist, dass sich Kavitationsblasen bilden.

Kavitationsbilder.

Um den Mechanismus der Verbesserung der tribologischen Leistung durch Texturanordnungen unterschiedlicher Muster weiter zu analysieren, wird der Laser-Wegsensor zur Schätzung der Ölfilmdicke verwendet. Aus Abb. 9 ist ersichtlich, dass im Vergleich zur nicht texturierten Probe die Ölfilmdicke aller anderen Texturmodi zugenommen hat. Durch die Kombination der vorherigen Simulationsanalyse mit der vorherigen Simulationsanalyse wird festgestellt, dass die Ölfilmtragfähigkeit der texturierten Anordnung direkt proportional zur Ölfilmdicke ist. Diese Schlussfolgerung steht im Einklang mit der Literatur. Die Erhöhung der Ölfilmdicke verringert den Reibungskoeffizienten der Probe und verbessert die Schmierleistung. Somit führt die Zunahme der Dicke des Ölfilms dazu, dass die direkte Kontaktfläche der oberen und unteren Probe verringert wird, wodurch die Schmierung ausreichender wird.

Ölfilmdicke einer Texturanordnung mit unterschiedlichen Mustern.

Basierend auf den Berechnungen und Experimenten werden folgende Schlussfolgerungen gezogen:

Kavitation ist einer der Hauptgründe dafür, dass die Mikrostruktur die Tragfähigkeit des Ölfilms verbessert.

Die Simulationsergebnisse des mikrotexturierten Arrays zeigen, dass das einfach symmetrisch ausgerichtete Texturarray der Verbesserung der Tragfähigkeit des Ölfilms am förderlichsten ist und der Trageffekt am besten ist, wenn die Texturneigung 26,6° beträgt. Die Wechselwirkung zwischen den Texturen kann die Druckverteilung und das Strömungsfeld der Fluidverteilungsdomäne erheblich verändern.

Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass Oberflächentexturen die Schmierwirkung des Reibpaares verbessern können, hauptsächlich weil die mikrotexturierte Anordnung die Tragfähigkeit des Ölfilms verbessert und die Dicke des Ölfilms erhöht.

Der Reibungskoeffizient der asymmetrisch orientierten texturierten Probe ist 29,4 % niedriger als der der untexturierten Probe und die Schmierleistung ist am besten.

Yu, H., Wang, X. & Zhou, F. Geometrische Formeffekte der Oberflächentextur auf die Erzeugung von hydrodynamischem Druck zwischen konformen Kontaktflächen. Tribol. Lette. 37(2), 123–130 (2010).

Artikel Google Scholar

Woloszynski, T., Podsiadlo, P. & Stachowiak, GW Effiziente Lösung des Kavitationsproblems in der hydrodynamischen Schmierung. Tribol. Lette. 58(1), 18 (2015).

Artikel Google Scholar

Yang, M. et al. Modellierung und Optimierung der Kavitation auf einer strukturierten Zylinderoberfläche gekoppelt mit dem Keileffekt. Tribol. Int. 104(12), 212–224 (2016).

Google Scholar

Shi, X. & Ni, T. Auswirkungen von Rillentexturen auf vollgeschmiertes Gleiten mit Kavitation. Tribol. Int. 44, 2022–2028 (2011).

Artikel Google Scholar

Etsion, I. Verbesserung der tribologischen Leistung mechanischer Komponenten durch Laseroberflächentexturierung. Tribol. Lette. 17(4), 733–737 (2004).

Artikel CAS Google Scholar

Gropper, D., Wang, L. & Harvey, TJ Hydrodynamische Schmierung strukturierter Oberflächen: Ein Überblick über Modellierungstechniken und wichtige Erkenntnisse. Tribol. Int. 94, 509–529 (2016).

Artikel Google Scholar

Hamilton, DB, Walowit, JA & Allen, CM Eine Theorie der Schmierung durch Mikrounregelmäßigkeiten. J. Basic Eng. 88(1), 177–185 (1966).

Artikel Google Scholar

Brizmer, V., Kligerman, Y. & Etsion, I. Ein paralleles Axiallager mit Laseroberflächentextur. Tribol. Trans. 46(3), 397–403 (2003).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, XL, Kato, K., Adachi, K. & Aizawa, K. Lasttragfähigkeitskarte für das Oberflächentexturdesign von SiC-Drucklagern, die im Wasser gleiten. Tribol. Int. 36(3), 189–197 (2003).

Artikel CAS Google Scholar

Putignano, C. et al. Lasermikrotexturierung weicher Materie zur Reibungsreduzierung: Eine experimentelle Untersuchung. Tribol. Int. 136, 82–86 (2019).

Artikel Google Scholar

Toshikazu, N. Mikrotexturen in konzentrierter Kontaktschmierung: Auswirkungen der Texturbodenform und der relativen Oberflächenbewegung. Tribol. Lette. 29(3), 241–252 (2008).

Artikel Google Scholar

Hongyan, R., Jianjunl, L., Huil, S., Xiaol, W., Jianningl'Z, D. Forschung zur hydrodynamischen Schmierung verschiedener Oberflächentexturen. China Mech. Ing. 20(9), 1033–1036 (2009).

Google Scholar

Wang, X. et al. Lasttragfähigkeitskarte für das Oberflächentexturdesign von im Wasser gleitenden SiC-Drucklagern. Tribol. Int. 36(3), 189–197 (2003).

Artikel CAS Google Scholar

Yu, H. et al. Die Auswirkung von Grübchenformen auf die Reibung paralleler Flächen. ARCHIV Proc. Inst. Mech. Ing. Teil J J. Eng. Tribol. 225(8), 693–703 (2011).

Artikel Google Scholar

Nanbu, T. et al. Mikrotexturen in konzentrierter Kontaktschmierung: Auswirkungen der Texturbodenform und der relativen Oberflächenbewegung. Tribol. Lette. 29(3), 241–252 (2008).

Artikel Google Scholar

Wang, X. et al. Optimierung der Oberflächentextur für das Gleiten von Siliziumkarbid im Wasser. Appl. Surfen. Wissenschaft. 253(3), 1282–1286 (2006).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Shen, C. & Khonsari, MM Numerische Optimierung der Texturform für parallele Oberflächen unter unidirektionalem und bidirektionalem Gleiten. Tribol. Int. 82, 1–11 (2015).

Artikel Google Scholar

Siripuram, R. & Stephens, LS Einfluss der deterministischen Unebenheitsgeometrie auf die hydrodynamische Schmierung. J. Tribol. 126, 527–534 (2004).

Artikel Google Scholar

Caramia, G., Carbone, G. & De Palma, P. Hydrodynamische Schmierung mikrotexturierter Oberflächen: Zweidimensionale CFD-Analyse. Tribol. Int. 88, 162–169 (2015).

Artikel Google Scholar

Liu, D. et al. Die Simulation asymmetrischer Mikrotexturen auf die Schmiereigenschaften von Gleitreibungspaaren. IOP-Konf. Ser. Erdumgebung. Wissenschaft. 240(6), 062019–062030 (2019).

Artikel MathSciNet Google Scholar

Jiang, S. et al. Verbessertes Verständnis von Leckagen in Gleitringdichtungen mit elliptischen Grübchen basierend auf CFD-Simulation. Ind. Lubr. Tribol. 72(1), 24–30 (2020).

Artikel Google Scholar

Brajdicmitidieri, P. et al. CFD-Analyse eines reibungsarmen Taschensegmentlagers. J. Tribol. Trans. Asme 127(4), 803–812 (2005).

Artikel Google Scholar

Profito, FJ et al. Transiente experimentelle und modellierende Studien von lasertexturierten Oberflächen mit Mikrorillen mit Schwerpunkt auf Kolben-Ring-Zylinderlaufbuchsenkontakten. Tribol. Int. 113, 125–136 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Wang, T. et al. Experimentelle Untersuchung zweiphasiger Gleitringdichtungen mit Laseroberflächentexturierung. Tribol. Int. 72, 90–97 (2014).

Artikel Google Scholar

Qiu, Y. & Khonsari, MM Experimentelle Untersuchung der tribologischen Leistung von lasertexturierten Edelstahlringen. Tribol. Int. 44(5), 635–644 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Wahl, R., Schneider, J. & Gumbsch, P. In-situ-Beobachtung der Kavitation in gekreuzten Mikrokanälen. Tribol. Int. 55(2), 81–86 (2012).

Artikel Google Scholar

Bai, L., Meng, Y. & Zhang, V. Experimentelle Studie zum transienten Verhalten des Kavitationsphänomens in texturierten Axiallagern[J]. Tribol. Lette. 63(2), 27–42 (2016).

Artikel Google Scholar

Wang, W. et al. Untersuchung der inneren Strömungsfeldeigenschaften von Rillentexturen in vollgeschmierten Axiallagern. Ind. Lubr. Tribol. 70(4), 754–763 (2018).

Artikel Google Scholar

Referenzen herunterladen

Dieses Papier basiert auf der Forschungsarbeit, die von der National Nature Science Foundation of China (NSFC) (Nr. 51779023) unterstützt wird.

National Natural Science Foundation of China, Förder-/Auszeichnungsnummer: 51779023.

Marine Engineering College, Dalian Maritime University, Dalian, Liaoning, 116026, China

Yuanyuan Jiang, Zhijun Yan, Shengwei Zhang, Ziyu Shen und Haocheng Sun

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

YYJ, ZJY, SWZ, HCS, ZYS trugen zur Gestaltung und Umsetzung der Forschung, zur Analyse der Ergebnisse und zum Verfassen des Manuskripts bei.

Korrespondenz mit Zhijun Yan.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Jiang, Y., Yan, Z., Zhang, S. et al. Forschung zum Kavitationseffekt mikrotexturierter Arrays. Sci Rep 12, 13455 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-17258-0

Zitat herunterladen

Eingegangen: 18. April 2022

Angenommen: 22. Juli 2022

Veröffentlicht: 04. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-17258-0

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein gemeinsam nutzbarer Link verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Zeitschrift für Materialwissenschaft (2022)

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.