Questo studio combina il software di analisi numerica con la metodologia della superficie di risposta (RSM) per esplorare sistematicamente il metodo di progettazione dell'ottimizzazione per le piastre di attrito delle frizioni idroviscose.
Research Article
Questo studio combina il software di analisi numerica con la metodologia della superficie di risposta (RSM) per esplorare sistematicamente il metodo di progettazione dell'ottimizzazione per le piastre di attrito delle frizioni idroviscose.
La frizione idro-viscosa (HVC) funziona in base alla teoria della trasmissione fluida e viscosa, utilizzando il fluido viscoso come mezzo di lavoro per trasmettere la potenza attraverso la forza di taglio del film d'olio tra le piastre di attrito. La struttura della scanalatura sulle piastre di attrito influisce direttamente sulla capacità di trasmissione della coppia e sull'aumento della temperatura indotta dal taglio del film d'olio. Pertanto, la progettazione di strutture della piastra di attrito che bilancino un'efficiente trasmissione della coppia e un basso aumento della temperatura è di grande importanza. Per affrontare questo problema, questo studio analizza l'impatto della struttura del solco sulle caratteristiche del film d'olio e identifica i fattori chiave che lo influenzano. Successivamente, è stato utilizzato un software di simulazione per calcolare la coppia e l'aumento di temperatura del film d'olio sotto diverse strutture di scanalature. I parametri strutturali delle piastre di attrito sono stati quindi ottimizzati utilizzando il progetto Box-Behnken della metodologia della superficie di risposta (RSM). I risultati mostrano che il design ottimizzato della piastra di attrito, con una profondità della scanalatura di 0,214 mm, una lunghezza dell'arco di 5 mm, 16 scanalature radiali a forma di arco e 5 scanalature circonferenziali, può ridurre significativamente la temperatura del film d'olio garantendo al contempo un'elevata trasmissione della coppia. Questo approccio progettuale fornisce un riferimento per la progettazione ottimizzata di coppie di attrito in frizioni idroviscose di varie dimensioni.
Con il rapido sviluppo della produttività sociale, un numero crescente di macchine per carichi pesanti di grandi dimensioni viene utilizzato nei processi di costruzione e produzione. Queste macchine richiedono una regolazione dinamica della velocità ad alta potenza, tenendo conto anche del basso consumo energetico.
Negli ultimi anni, un nuovo tipo di dispositivo di controllo della velocità è stato proposto e utilizzato in macchinari pesanti, in particolare la frizione idro-viscosa. Questo dispositivo integra tecnologie meccaniche, elettroniche e idrauliche, incorporando sia la trasmissione a taglio fluido che la trasmissione meccanica ad attrito. Le sue caratteristiche di efficienza energetica hanno portato ad applicazioni sempre più diffuse 1,2,3.
Il principio di funzionamento della frizione idro-viscosa si basa sulla legge di attrito interno di Newton, utilizzando la coppia generata dal taglio del film d'olio per ottenere una trasmissione di potenza e una regolazione regolare della velocità. Pertanto, la frizione idro-viscosa può realizzare una trasmissione di potenza stabile e il controllo 4,5. I fattori chiave che influenzano il film d'olio sono la struttura superficiale della piastra di attrito. La superficie delle piastre di attrito della frizione idro-viscosa non è liscia ma contiene scanalature di varie forme. La presenza di queste scanalature garantisce la formazione di un film d'olio a pressione dinamica e buone prestazioni di dissipazione del calore; Tuttavia, il film d'olio formato dalle piastre di attrito scanalate influisce sulla coppia di taglio viscosa teorica. Inoltre, la struttura della scanalatura non solo influisce sull'uniformità del film d'olio formato, ma si riferisce anche alla temperatura generata dal taglio del film d'olio, influenzando successivamente l'effetto di raffreddamento della piastra di attrito. Una temperatura eccessiva può causare la deformazione e la deformazione delle piastre di attrito, con conseguente guasto permanente6. Pertanto, la progettazione strutturale della frizione idro-viscosa si concentra principalmente sulla progettazione delle piastre di attrito, con la sfida principale di ottimizzare i seguenti parametri: coppia trasmessa, capacità di carico del film d'olio, uniformità del film d'olio, temperatura del film d'olio, temperatura della piastra di attrito e resistenza della piastra di attrito 7,8.
Il design della struttura della scanalatura dell'olio per le piastre di attrito della frizione idro-viscosa include principalmente varie disposizioni, come scanalature circonferenziali, scanalature radiali e scanalature a forma di arco 9,10,11. Ricerche precedenti indicano che, oltre alle differenze nelle forme di disposizione, variano anche i design della sezione trasversale delle scanalature dell'olio, comprese le scanalature rettangolari, trapezoidali e a forma di arco. Le differenze strutturali delle scanalature dell'olio hanno vari impatti sulle caratteristiche del film d'olio 12,13,14,15,16. In condizioni specifiche, il film d'olio formato da diverse strutture di scanalature può avere impatti variabili sulle prestazioni della frizione. Le dimensioni delle frizioni utilizzate in diversi dispositivi meccanici non sono uniche; Pertanto, le prestazioni delle piastre di attrito con la stessa struttura possono differire in modo significativo se utilizzate in frizioni di diverse dimensioni e condizioni operative. Pertanto, la progettazione di dischi di attrito per frizioni idroviscose per vari macchinari e diverse condizioni operative richiede uno schema di progettazione e valutazione efficiente in termini di costi e tempo.
L'approccio progettuale per le piastre di attrito della frizione idro-viscosa comprende vari aspetti, tra cui l'analisi teorica, la ricerca sperimentale e le simulazioni numeriche, concentrandosi su come i campi di pressione, i campi di temperatura e i campi di velocità del film d'olio influenzano le prestazioni 8,17,18,19,20,21 . Inoltre, numerosi studiosi hanno basato le loro ricerche sulla micro-texture della superficie della piastra di attrito e sui materiali utilizzati nelle piastre di attrito per migliorare le prestazioni della frizione idro-viscosa22,23. Molti studiosi hanno studiato la relazione tra le caratteristiche di cavitazione del campo di flusso rotante in frizioni idro-viscose e la forma della sezione trasversale del giacimento di petrolio. Hanno analizzato le posizioni di inizio della cavitazione a taglio del film d'olio sotto diversi parametri strutturali del solco, fornendo una base teorica e un supporto tecnico per prevedere l'inizio della cavitazione a taglio del film d'olio24,25. Tra questi metodi, la simulazione numerica è diventata uno strumento di ricerca chiave e, con lo sviluppo del software di simulazione, la ricerca è diventata progressivamente più raffinata. Il modulo Fluent viene utilizzato principalmente per simulare e analizzare l'impatto di diverse strutture di scanalature dell'olio sulle prestazioni del campo di flusso, con l'obiettivo specifico di ottimizzare le proprietà del film d'olio attraverso modifiche alle strutture delle scanalature 26,27,28. Tuttavia, le analisi di simulazione e i risultati sperimentali ottenuti per requisiti specifici hanno costantemente soddisfatto le aspettative, ma non sono stati convalidati per la loro applicabilità alla progettazione di piastre di attrito in frizioni idroviscose di diverse dimensioni.
Combinando i metodi di ricerca esistenti, questo studio sfrutta il software di simulazione Fluent e l'ottimizzazione dei parametri della metodologia della superficie di risposta RSM (RSM) per proporre uno schema di progettazione adatto a strutture di scanalature dell'olio in piastre di attrito di varie dimensioni. Ciò comporta l'analisi delle caratteristiche del film d'olio in base a diversi parametri della scanalatura utilizzando Fluent, la discussione dei fattori chiave che influenzano in modo significativo queste caratteristiche, il calcolo delle variazioni di coppia e temperatura del film d'olio formato da diversi parametri della scanalatura e l'ottimizzazione statistica dei parametri strutturali della piastra di attrito utilizzando il metodo Box-Behnken.
Questo studio dimostra l'analisi di ottimizzazione delle piastre di attrito con una struttura scanalata composita, che include scanalature circonferenziali a sezione trasversale rettangolare combinate con scanalature radiali di sezione trasversale a forma di arco. L'obiettivo è quello di progettare piastre di attrito in grado di raggiungere contemporaneamente un'elevata trasmissione della coppia e una bassa temperatura del film d'olio. I progetti futuri per piastre di attrito di diverse dimensioni richiederanno solo modifiche alle dimensioni iniziali del modello, mantenendo lo stesso piano di ricerca e le stesse procedure.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
NOTA: Il percorso tecnico dello schema di progettazione è mostrato nella Figura 1, che include principalmente la definizione del modello, l'analisi della simulazione e l'ottimizzazione dei parametri. La definizione dei modelli comprende due categorie principali: i modelli necessari per l'analisi a fattore singolo e i modelli derivati dal disegno sperimentale fornito dalla metodologia della superficie di risposta (RSM) dopo aver determinato i fattori di influenza. La definizione del modello viene completata in SolidWorks, l'analisi della simulazione viene eseguita in Fluent e l'ottimizzazione dei parametri viene eseguita in Design-Expert.
1. Istituzione modello
2. Analisi di simulazione
NOTA: l'analisi di simulazione include la pre-elaborazione del modello, il partizionamento della mesh e i calcoli di simulazione. Tutti i passaggi vengono completati in ANSYS Workbench.
3. Ottimizzazione dei parametri
NOTA: L'ottimizzazione dei parametri viene completata utilizzando la metodologia della superficie di risposta per la modellazione e l'analisi. La metodologia della superficie di risposta richiede la selezione di tre fattori che influenzano in modo significativo la coppia e la temperatura trasferite del film d'olio, specificando i loro valori di alto e basso livello. La modellazione e l'analisi vengono quindi eseguite per le nuove combinazioni generate dai fattori di influenza e dalle variabili selezionate, seguite da calcoli di ottimizzazione utilizzando i dati ottenuti.
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Le fasi di modellazione e simulazione dello schema mirano a determinare quali parametri delle scanalature della piastra di attrito influiscono in modo significativo sulla temperatura del film d'olio e sulla coppia trasmessa. Attraverso l'ottimizzazione dei parametri dei dati campionati, vengono regolate le combinazioni di parametri che influenzano le prestazioni del film d'olio, seguite da modellazione e simulazioni ripetute per generare dati, ottenendo infine i parametri ottimali per le scanalature della piastra di attr...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Questo studio propone un metodo di progettazione ottimizzata per la struttura della scanalatura dell'olio dei dischi di attrito della frizione idro-viscosa. In particolare, mira a migliorare le prestazioni del film d'olio modificando parametri come il numero, la disposizione e le dimensioni geometriche delle scanalature10. Una combinazione di simulazioni numeriche che utilizzano il software Fluent e la metodologia della superficie di risposta (RSM) viene impiegata...
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari conflittuali o altri conflitti di interesse.
Questo lavoro è stato sostenuto dalla Research Foundation of Education Bureau della provincia cinese di Hunan (23A0620), dal Fondo congiunto regionale della provincia cinese di Hunan (2025JJ70310), dal programma di innovazione pratica post-laurea della Jiangsu University of Technology (XSJCX24_44).
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
|---|---|---|---|
| Aldary | N/A | N/A | Materiale della lega |
| Ansys-Workbench | ANSYS | ANSYS 2023R1 | Software per programmi di progettazione informatica con metodo multiuso agli elementi finiti. |
| Esperto di design | Stat-Facilità | Esperto di design 13 | Uno strumento sperimentale di analisi dei dati |
| N.8 olio idraulico | N/A | N/A | Liquido |
| PC | N/A | N/A | Apparecchiature informatiche |
| SOLIDWORKS | Dassault Systèmes | solidworks 2023 | Uno strumento di disegno di software di ingegneria |
| Acciaio | N/A | N/A | Materiale della lega |
Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.
Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article
Request Permission