Research Article

Metoda projektowania optymalizacji parametrycznej tarcz ciernych sprzęgieł hydroleskotycznych

DOI:

10.3791/68328

⸱

July 22nd, 2025

 ,  ,  , 
1School of Mechanical Engineering, Jiangsu University of Technology

In This Article

Summary

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W niniejszym badaniu połączono oprogramowanie do analizy numerycznej z metodologią powierzchni odpowiedzi (RSM) w celu systematycznego badania metody projektowania optymalizacji tarcz ciernych sprzęgieł hydro-lepkościowych.

Abstract

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Sprzęgło hydro-lepkościowe (HVC) działa w oparciu o teorię płynnego przenoszenia lepkości, wykorzystując lepki płyn jako czynnik roboczy do przenoszenia mocy poprzez siłę ścinającą filmu olejowego między tarczami ciernymi. Struktura rowków na tarczach ciernych ma bezpośredni wpływ na zdolność przenoszenia momentu obrotowego i wzrost temperatury filmu olejowego wywołanej ścinaniem. Dlatego projektowanie konstrukcji tarcz ciernych, które równoważą efektywne przenoszenie momentu obrotowego i niski wzrost temperatury, ma ogromne znaczenie. Aby rozwiązać ten problem, w niniejszym badaniu przeanalizowano wpływ struktury rowka na charakterystykę filmu olejowego i zidentyfikowano kluczowe czynniki wpływające. Następnie wykorzystano oprogramowanie symulacyjne do obliczenia momentu obrotowego i wzrostu temperatury filmu olejowego pod różnymi strukturami rowków. Parametry konstrukcyjne tarcz ciernych zostały następnie zoptymalizowane przy użyciu obliczeń Boxa-Behnkena w ramach metodologii powierzchni odpowiedzi (RSM). Wyniki pokazują, że zoptymalizowana konstrukcja tarczy ciernej, charakteryzująca się głębokością rowka 0,214 mm, długością łuku 5 mm, 16 promieniowymi rowkami w kształcie łuku i 5 rowkami obwodowymi, może znacznie obniżyć temperaturę filmu olejowego, zapewniając jednocześnie przenoszenie wysokiego momentu obrotowego. Takie podejście projektowe stanowi odniesienie dla zoptymalizowanego projektowania par ciernych w sprzęgłach hydrolepkościowych o różnych rozmiarach.

Introduction

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Wraz z szybkim rozwojem produktywności społecznej w procesach budowlanych i produkcyjnych wykorzystuje się coraz więcej dużych maszyn do dużych obciążeń. Maszyny te wymagają dynamicznej regulacji prędkości o dużej mocy, a jednocześnie uwzględniają niskie zużycie energii.

W ostatnich latach zaproponowano nowy typ urządzenia do kontroli prędkości, które jest stosowane w ciężkich maszynach, w szczególności sprzęgło hydro-lepkościowe. To urządzenie integruje technologie mechaniczne, elektroniczne i hydrauliczne, obejmujące zarówno przekładnię ścinania płynu, jak i mechaniczne przenoszenie tarcia. Jego energooszczędne właściwości doprowadziły do coraz powszechniejszych zastosowań 1,2,3.

Zasada działania sprzęgła hydro-lepkościowego opiera się na prawie tarcia wewnętrznego Newtona, wykorzystując moment obrotowy generowany przez ścinanie filmu olejowego w celu uzyskania przenoszenia mocy i płynnej regulacji prędkości. Dlatego sprzęgło hydro-lepkie może zapewnić stabilne przenoszenie mocy i kontrolę 4,5. Kluczowymi czynnikami wpływającymi na film olejowy są struktura powierzchni tarczy ciernej. Powierzchnia tarcz ciernych sprzęgła hydro-lepkiego nie jest gładka, ale zawiera rowki o różnych kształtach. Obecność tych rowków zapewnia tworzenie dynamicznego filmu olejowego pod ciśnieniem i dobrą wydajność rozpraszania ciepła; Jednak film olejowy utworzony przez rowkowane tarcze cierne wpływa na teoretyczny lepki moment ścinania. Dodatkowo struktura rowka wpływa nie tylko na jednorodność utworzonego filmu olejowego, ale także odnosi się do temperatury generowanej przez ścinanie filmu olejowego, co z kolei wpływa na efekt chłodzenia tarczy ciernej. Nadmierna temperatura może powodować wypaczanie i deformację tarcz ciernych, prowadząc do trwałej awarii6. Dlatego projekt konstrukcyjny sprzęgła hydro-lepkościowego koncentruje się przede wszystkim na konstrukcji tarcz ciernych, przy czym kluczowym wyzwaniem jest optymalizacja następujących parametrów: przenoszony moment obrotowy, nośność filmu olejowego, jednorodność filmu olejowego, temperatura filmu olejowego, temperatura tarczy ciernej i wytrzymałość tarczy ciernej 7,8.

Konstrukcja struktury rowka olejowego dla tarcz ciernych sprzęgła hydro-lepkościowego obejmuje głównie różne układy, takie jak rowki obwodowe, rowki promieniowe i rowki w kształcie łuku 9,10,11. Dotychczasowe badania wskazują, że oprócz różnic w formach układu, różnią się również przekroje poprzeczne rowków olejowych, w tym rowki prostokątne, trapezowe i łukowe. Różnice strukturalne rowków olejowych mają różny wpływ na charakterystykę filmu olejowego 12,13,14,15,16. W określonych warunkach film olejowy utworzony przez różne struktury rowków może mieć różny wpływ na działanie sprzęgła. Wymiary sprzęgieł stosowanych w różnych urządzeniach mechanicznych nie są wyjątkowe; W związku z tym wydajność tarcz ciernych o tej samej budowie może się znacznie różnić, gdy są stosowane w sprzęgłach o różnych rozmiarach i warunkach pracy. W związku z tym projektowanie tarcz ciernych sprzęgła hydro-lepkościowego dla różnych maszyn i różnych warunków pracy wymaga ekonomicznego i czasooszczędnego schematu projektowania i oceny.

Podejście do projektowania tarcz ciernych sprzęgła hydro-lepkiego obejmuje różne aspekty, w tym analizę teoretyczną, badania eksperymentalne i symulacje numeryczne, koncentrując się na tym, jak pola ciśnienia, pola temperatury i pola prędkości filmu olejowego wpływają na wydajność 8,17,18,19,20,21 . Ponadto wielu naukowców oparło swoje badania na mikroteksturze powierzchni tarczy ciernej i materiałach zastosowanych w tarczach ciernych w celu poprawy osiągów sprzęgła hydro-lepkościowego22,23. Wielu uczonych badało związek między charakterystyką kawitacji wirującego pola przepływu w sprzęgłach hydroleptycznych a kształtem przekroju poprzecznego zbiornika oleju. Przeanalizowali pozycje inicjacji kawitacji ścinającej filmu olejowego przy różnych parametrach strukturalnych rowka, dostarczając podstaw teoretycznych i wsparcia technicznego do przewidywania początku kawitacji ścinającej film olejowy24,25. Wśród tych metod symulacje numeryczne stały się kluczowym narzędziem badawczym, a wraz z rozwojem oprogramowania symulacyjnego badania stopniowo stawały się coraz bardziej wyrafinowane. Moduł Fluent jest wykorzystywany przede wszystkim do symulacji i analizy wpływu różnych struktur rowków olejowych na wydajność pola przepływu, z konkretnym celem optymalizacji właściwości filmu olejowego poprzez zmiany w strukturach rowków 26,27,28. Jednak analizy symulacyjne i wyniki eksperymentalne uzyskane dla konkretnych wymagań konsekwentnie spełniały oczekiwania, ale nie zostały potwierdzone pod kątem ich przydatności do projektowania tarcz ciernych w sprzęgłach hydro-lepkościowych o różnych rozmiarach.

Łącząc istniejące metody badawcze, w badaniu wykorzystano oprogramowanie symulacyjne Fluent i optymalizację parametrów metodologii powierzchni odpowiedzi RSM (RSM), aby zaproponować schemat projektowania odpowiedni dla struktur rowków olejowych w płytach ciernych o różnych rozmiarach. Obejmuje to analizę charakterystyki filmu olejowego przy różnych parametrach rowka za pomocą Fluent, omówienie kluczowych czynników, które istotnie wpływają na te charakterystyki, obliczenie momentu obrotowego i zmian temperatury filmu olejowego utworzonego przez różne parametry rowka oraz statystyczną optymalizację parametrów strukturalnych tarczy ciernej metodą Boxa-Behnkena.

W pracy przedstawiono analizę optymalizacyjną płyt ciernych o kompozytowej budowie rowków, w skład której wchodzą rowki obwodowe o przekroju prostokątnym połączone z rowkami promieniowymi o przekroju łukowym. Celem jest zaprojektowanie tarcz ciernych, które mogą jednocześnie osiągać wysokie przenoszenie momentu obrotowego i niską temperaturę filmu olejowego. Przyszłe projekty dla różnych rozmiarów tarcz ciernych będą wymagały jedynie zmian w początkowych wymiarach modelu przy zachowaniu tego samego planu badawczego i procedur.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

UWAGA: Na rysunku 1 przedstawiono ścieżkę techniczną schematu projektowego, która obejmuje głównie tworzenie modelu, analizę symulacyjną i optymalizację parametrów. Ustanowienie modelu obejmuje dwie główne kategorie: modele wymagane do analizy jednoczynnikowej oraz modele wyprowadzone z projektu eksperymentalnego podanego przez metodologię powierzchni odpowiedzi (RSM) po określeniu czynników wpływających. Tworzenie modelu odbywa się w SolidWorks, analiza symulacyjna jest wykonywana w Fluent, a optymalizacja parametrów jest przeprowadzana w Design-Expert.

1. Ustanowienie modelu

  1. Określ podstawowe wymiary klocka ciernego i ustaw promień wewnętrzny klocka ciernego na 110 mm, promień zewnętrzny na 160 mm, a grubość filmu olejowego na 0,3 mm.
  2. Ustal model podstawowy, tworząc szkic kołowy o średnicy wewnętrznej 110 mm i średnicy zewnętrznej 160 mm na płaszczyźnie XY, a następnie wyciągnij okrąg do 0,3 mm. Utwórz model podstawowy, upewniając się, że uzyskany kształt pierścieniowy tworzy model filmu olejowego bez rowków olejowych.
  3. Na jednej bocznej powierzchni modelu pierścieniowego utwórz szkic 2 i narysuj 5 okrągłych ścian o równomiernym rozkładzie i szerokości 3 mm, a następnie wyciągnij je do 0,3 mm. Uformuj film olejowy o prostokątnym przekroju utworzonym przez obwodowy rowek olejowy.
  4. Utwórz szkic 3 na płaszczyźnie YZ, rysując półkolisty łuk o długości łuku 3 mm, który jest styczny do filmu olejowego utworzonego przez obwodowy rowek olejowy, a następnie wyciągnij go promieniowo do zewnętrznej powierzchni filmu olejowego i ułóż bryłę wzdłuż obwodu pętli wewnętrznej, aby utworzyć 14 elementów.
  5. Utwórz szkic 4 na płaszczyźnie XY, rysując okrąg o promieniu 110 mm, a następnie odetnij nadmiar modelu za pomocą szkicu, kończąc tworzenie 14 promieniowych półkolistych filmów olejowych z rowkiem olejowym.
  6. Zapisz ustalony model jako model geometryczny filmu olejowego utworzonego przez oryginalne parametry rowka olejowego.
  7. Zmodyfikuj szkic 2, aby narysować 3-7 równomiernie rozmieszczonych obwodowych rowków olejowych, każdy o szerokości 3 mm, i wygenerować pięć modeli filmu olejowego, które różnią się tylko obwodowymi rowkami olejowymi. Zapisz te modele w formacie STEP.
  8. Zmodyfikuj szkic 3, aby dostosować długość łuku półkolistego do 3-6 mm, zwiększając długość łuku za każdym razem o 0,5 mm, i wygeneruj siedem modeli filmu olejnego, które różnią się tylko promieniową strukturą półkolistą. Zapisz te modele w formacie STEP.
  9. Zmodyfikuj szkic 2, dostosowując grubość wytłaczania do 0,1-0,4 mm, zwiększając grubość za każdym razem o 0,05 mm, i wygeneruj siedem modeli filmu olejowego, które różnią się tylko głębokością rowków olejowych. Zapisz te modele w formacie STEP.
  10. Dostosuj wielkość obwodu w szkicu 3, aby zmodyfikować liczbę promieniowych rowków olejowych na 10-16 i wygenerować siedem modeli filmu olejowego, które różnią się tylko liczbą rowków promieniowych. Zapisz te modele w formacie STEP.

2. Analiza symulacyjna

UWAGA: Analiza symulacyjna obejmuje wstępne przetwarzanie modelu, partycjonowanie siatki i obliczenia symulacyjne. Wszystkie kroki są wykonywane w ANSYS Workbench.

  1. Wstępne przetwarzanie modelu
    1. Otwórz stację roboczą Środowisko pracy i przeciągnij geometrię z Przybornika > Systemy komponentów > Geometria do obszaru schematu projektu.
    2. Kliknij prawym przyciskiem myszy geometrię, wybierz opcję Importuj model geometrii , aby zaimportować ukończony model, a następnie kliknij, aby edytować model geometrii w obszarze Roszczenie do pomieszczenia.
    3. Na pasku narzędzi Zajmowanie przestrzeni kliknij Napraw, a następnie wybierz Dodatkowe krawędzie i Podziel krawędzie, aby zakończyć naprawę, scalając dotknięte linie podziału.
    4. Kolejno kliknij Pasek narzędzi > Projekt > Wybór w Wybór, a następnie wybierz wewnętrzną powierzchnię modelu i kliknij Utwórz NS w grupie, nadając jej nazwę Wlot.
    5. Korzystając z tego samego procesu, kliknij zewnętrzną powierzchnię i nazwij jej Wylot; kliknij gładką dolną powierzchnię ścianki i nazwij jej B jako powierzchnię ściany, na której film olejowy styka się z pasywną podkładką cierną; wybierz wszystkie nienazwane powierzchnie i nadaj im nazwę Z jako obracającą się powierzchnię ścianki, w której film olejowy styka się z aktywnym klockiem ciernym.
    6. Wyjdź z roszczenia do miejsca i zapisz plik, aby zakończyć wstępne przetwarzanie modelu.
      UWAGA: Całe wstępne przetwarzanie modelu geometrycznego przed zakończeniem symulacji odbywa się zgodnie z powyższymi krokami. Jedyna różnica polega na tym, że aktywny model ściany jest niespójny, ale nie ma to wpływu na żadne operacje.
  2. Partycjonowanie siatki
    1. Na stacji roboczej Workbench przeciągnij Fluent z Toolbox > Component Systems > Fluent do obszaru schematu projektu, w którym dodano geometrię.
    2. Kliknij Geometria i przeciągnij mysz do siatki w projekcie Fluent, aby połączyć jej moduł siatki z danymi nadrzędnymi geometrii.
    3. Kliknij dwukrotnie, aby otworzyć siatkę i wybierz opcję Wodoszczelna geometria dla podziału siatki. Postępuj zgodnie z procedurą wykonywania zadań krok po kroku, aby zaimportować model geometrii i dodać lokalne wymiarowanie.
    4. Kliknij opcję Generuj siatkę powierzchniową, ustaw Minimalny rozmiar na 0,3 mm, Maksymalny rozmiar na 8 mm, a Kąt normy krzywizny na 10. Po ustawieniu tych parametrów kliknij przycisk Generuj siatkę powierzchniową.
    5. Sprawdź jakość siatki powierzchniowej, klikając prawym przyciskiem myszy wygenerowaną siatkę powierzchniową i wybierając opcję Wstaw poprawioną jakość siatki powierzchniowej. Ustaw Minimalną jakość siatki na 0,7 i kliknij przycisk OK , aby zakończyć ulepszanie siatki powierzchniowej.
    6. Kliknij przycisk Opisz model geometryczny, wybierając model geometrii jako składający się wyłącznie z płynnego obszaru bez przerw, pozostawiając inne opcje z ustawieniami domyślnymi.
    7. Kolejno kliknij przycisk Opisz strukturę geometrii i Aktualizuj ustawienia typu obszaru, zachowując ustawienia domyślne i kończąc proces.
    8. Kliknij opcję Dodaj warstwę obwiedni, wybierając liczbę 3 jako liczbę warstw, pozostawiając inne ustawienia domyślne.
    9. Kliknij opcję Generuj siatkę objętości i wstaw poprawioną jakość siatki objętości , aby upewnić się, że jej jakość przekracza 0,12.
      UWAGA: Zakończone partycjonowanie siatki pokazano na rysunku uzupełniającym 1.
    10. Po wygenerowaniu siatki kliknij przycisk Przełącz do trybu solver. Poczekaj na zakończenie partycjonowania siatki i importowania do modułu analizy.
      UWAGA: Ilość i jakość elementów siatki mają kluczowe znaczenie dla dokładności wyników obliczeń. Wodoszczelna geometria służy do kontrolowania liczby i jakości siatki poprzez zmianę rozmiaru komórki. Jak pokazano na rysunku 2, zmniejszenie określonego minimalnego rozmiaru elementu siatki z 0,8 mm do 0,1 mm zwiększa liczbę elementów z 534 595 do 2 649 371. Wraz ze zmianą liczby elementów, średnia temperatura filmu olejowego i wynik przenoszonego momentu obrotowego pozostają stabilne, co wskazuje, że dalszy wzrost jakości siatki ma minimalny wpływ na wyniki. W związku z tym do tworzenia siatki wybierany jest minimalny rozmiar elementu wynoszący 0,3 mm.
  3. Rozwiązywanie symulacji
    1. Przełącz się z partycjonowania siatki na tryb solver. Po zakończeniu wczytywania siatki kliknij przycisk Sprawdź wielkość liter w menu Ogólne , aby sprawdzić skuteczność modelu elementów skończonych i sprawdzić, czy siatka ma ujemną objętość.
    2. Otwórz równanie energii w ustawieniach modelu. Wejdź do interfejsu ustawień modelu lepkościowego, wybierz model laminarny i włącz opcję ogrzewania lepkiego .
      UWAGA: Wybór modelu lepkiego zależy od stanu płynięcia pola przepływu filmu olejowego, zwykle ocenianego za pomocą liczby Reynoldsa. Gdy liczba Reynoldsa jest niska, cząsteczki płynu pozostają nienaruszone, co powoduje przepływ laminarny. I odwrotnie, wysoka liczba Reynoldsa wskazuje, że zakłócenia między płynami są wzmacniane, przekształcając przepływ laminarny w przepływ turbulentny. Opierając się na teorii przepływu wokół obracającego się dysku, liczbę Reynoldsa związaną z prędkością styczną na promieniu zewnętrznym oblicza się za pomocą wzoru Re = R2ω/v. Gdzie Re to liczba Reynoldsa, R to zewnętrzna średnica tarcz ciernych, ω to prędkość obrotowa tarczy ciernej, a v to lepkość kinematyczna. Gdy Re < 1 × 105, przepływ jest laminarny; gdy 2 ×10 5 < Re < 3 × 105, przepływ jest turbulentny. Dla płynu badanego w tym artykule, o v = 30 mm2/s i R = 160 mm, można wyprowadzić następujące wyniki. Gdy prędkość obrotowa tarczy ciernej wynosi ω = 1000 obr./min, liczba Reynoldsa pola przepływu filmu olejowego Re < 1 × 105, co wskazuje, że film olejowy jest w stanie przepływu laminarnego.
    3. Zmodyfikuj parametry materiału w ustawieniach zgodnie z właściwościami dwóch materiałów wymienionych w Tabeli 1. Zmodyfikuj parametry materiału ciekłego o nazwie "Powietrze" w układzie, a dla materiału stałego zmodyfikuj parametry o nazwie "Aluminium".
      UWAGA: Ciecz zostanie wybrana jako olej hydrauliczny #8 dla materiału filmu olejowego, a ciało stałe będzie wykorzystywać materiał na bazie miedzi jako materiał klocków ciernych.
    4. Kliknij Warunki brzegowe, wybierz aktywną powierzchnię ściany podkładki ciernej o nazwie "Z", kliknij Ustawienia pędu i ustaw ją jako obracającą się powierzchnię ściany, która obraca się o 100 rad/s wokół osi Y, z warunkiem ścinania Bez poślizgu.
    5. Kliknij Warunki brzegowe, wybierz pasywną powierzchnię ściany podkładki ciernej o nazwie "B", kliknij Ustawienia pędu i ustaw ją jako nieruchomą powierzchnię ściany z warunkiem ścinania Bez poślizgu.
    6. Ustaw warunki brzegowe związane z transferem energii za pomocą sprzężenia systemów.
    7. Ustaw warunki brzegowe wlotu i wylotu, klikając Wylot i ustawiając go na Wylot ciśnieniowy, z ciśnieniem manometrycznym ustawionym na 0, co odpowiada standardowemu ciśnieniu atmosferycznemu.
    8. Ustaw warunki brzegowe wlotu, klikając wlot, ustawiając go jako wlot prędkości o prędkości przepływu 1 m/s i temperaturze wlotu 30 °C.
    9. Kliknij Ustawienia rozwiązania , wybierając algorytm SIMPLE dla modelu metody rozwiązania. Wybierz format pierwszego rzędu pod wiatr dla pędu i energii i zachowaj wartości resztkowe na poziomie ustawień domyślnych.
    10. Po wykonaniu powyższych kroków należy ustawić stan domeny obliczeniowej w momencie początkowym, na przykład z temperaturą początkową 26 °C, ciśnieniem 0 Pa i prędkościami w kierunkach XYZ ustawionymi na 0.
    11. Ustaw liczbę iteracjis na 300 kroków, kliknij przycisk Oblicz, aby rozpocząć obliczenia i poczekaj na wyniki.
    12. Po zakończeniu obliczeń iteracyjnych kliknij pozycję Wyniki > Raporty > Strumienie. Wybierz masowe natężenie przepływu w strumieniach, sprawdź masowe natężenia przepływu dla wlotu i wylotu, upewniając się, że błąd między nimi jest mniejszy niż 0,1%, aby sprawdzić dokładność wyników obliczeń.
    13. Wykonaj powyższe kroki, a następnie przeanalizuj wyniki symulacji. Kliknij opcję Wyniki > Raporty > Siły, wybierz moment obrotowy wokół osi Y dla powierzchni ściany B i zinterpretuj wynikową wartość lepkości jako moment ścinający przenoszony przez film olejowy.
    14. Wyjdź z modułu obliczania przepływu płynów i na stacji roboczej Workbench przeciągnij pola Wyniki z Toolbox > Component Systems > Results do obszaru schematu projektu, w którym zakończono obliczenia symulacji przepływu płynów. Kliknij rozwiązanie w module przepływu płynów i przeciągnij myszką, aby wyświetlić wyniki.
    15. Wprowadź wyniki, kliknij Kalkulatory i wybierz Kalkulator funkcji , aby obliczyć średnią temperaturę całego filmu olejowego. Kliknij Oblicz, aby uzyskać ogólną średnią temperaturę filmu olejowego.

3. Optymalizacja parametrów

UWAGA: Optymalizacja parametrów jest zakończona przy użyciu metodologii powierzchni odpowiedzi do modelowania i analizy. Metodologia powierzchni odpowiedzi wymaga wybrania trzech czynników, które w istotny sposób wpływają na przenoszony moment obrotowy i temperaturę filmu olejowego, określając ich wartości wysokiego i niskiego poziomu. Następnie wykonywane jest modelowanie i analiza dla nowych kombinacji wygenerowanych z wybranych czynników i zmiennych wpływających, a następnie obliczenia optymalizacyjne z wykorzystaniem uzyskanych danych.

  1. W oprogramowaniu Design-Expert kliknij NOWY PROJEKT , aby utworzyć nowy projekt.
  2. W nowym projekcie wybierz BOX-Behnken z Response Surface , aby ustanowić trzyskładnikowy, dwupoziomowy model optymalizacji.
  3. Kliknij Czynniki numeryczne , aby wybrać trzy czynniki: liczbę promieniowych rowków olejowych w klocku ciernym, głębokość rowków i długość łuku rowków olejowych, a następnie wypełnij odpowiednią tabelę.
  4. Do odpowiedniej tabeli należy wprowadzić wartości wysokiego i niskiego poziomu uzyskane w wyniku analizy trzech czynników wpływających.
  5. Ustaw punkty środkowe na blok na pięć, a następnie kliknij następny krok, aby zmienić zmienne odpowiedzi na 2, które są momentem obrotowym przenoszonym przez film olejowy i średnią temperaturą filmu olejowego. Kliknij przycisk Zakończ , aby wygenerować 17 zestawów losowych punktów próbkowania.
  6. Ustal dane modelu, ponownie łącząc trzy czynniki wpływające z 17 zestawów losowych punktów próbek, a następnie powtórz sekcję 1, aby zakończyć ustalanie modelu.
  7. Powtórzyć sekcję 2 dla analizy symulacyjnej w celu uzyskania przenoszonego momentu obrotowego i średniej temperatury filmu olejowego po rekombinacji. Połącz przewidywane zmienne A, B i C z trzech kombinacji wpływu z symulowanymi wynikami przenoszonego momentu obrotowego i średniej temperatury, aby utworzyć nową tabelę zmiennych.
  8. Następnie wybierz opcję Kwadratowa dla kolejności procesów w modelu i wybierz opcję Wielomianowy dla typu modelu, zachowując inne ustawienia domyślne.
  9. Po zakończeniu tworzenia modelu powierzchni odpowiedzi należy obliczyć zarówno moment obrotowy, jak i średnią temperaturę.
  10. Po zakończeniu analizy należy przeprowadzić analizę błędów modelu. Kliknij Analiza wariancji (ANOVA) i przeanalizuj wartości R² i Adeq Precision w statystykach dopasowania , aby sprawdzić, czy model spełnia standardy.
  11. Kliknij Optymalizacja > Numeryczne kryteria >, pozostawiając zakresy dla trzech czynników wpływających bez zmian. Kliknij Rozwiązania, aby znaleźć maksymalny moment obrotowy i minimalną średnią temperaturę dla przybliżonych wartości.
  12. Oblicz różne wyniki dla tablic, przy czym kombinacja oznaczona jako 1 jest optymalnym rozwiązaniem dla modelu.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Results

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Etapy modelowania i analizy symulacyjnej w schemacie mają na celu określenie, które parametry rowków tarczy ciernej mają znaczący wpływ na temperaturę filmu olejowego i przenoszony moment obrotowy. Poprzez optymalizację parametrów próbkowanych danych, kombinacje parametrów wpływających na wydajność filmu olejowego są dostosowywane, a następnie powtarzane modelowanie i symulacje w celu wygenerowania danych, ostatecznie uzyskując optymalne parametry rowków tarczy ciernej poprzez optymalizację powierzchni reakcji.

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Discussion

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

W niniejszym badaniu zaproponowano metodę optymalizacji konstrukcji rowków olejowych tarcz ciernych sprzęgła hydro-lepkościowego. W szczególności ma na celu poprawę wydajności filmu olejowego poprzez zmianę parametrów, takich jak liczba, rozmieszczenie i wymiary geometryczne rowków10. Połączenie symulacji numerycznych z wykorzystaniem oprogramowania Fluent i metodologii Response Surface Methodology (RSM) jest wykorzystywane do analizy i optymalizacji parametrów, takich jak liczba rowków promieniow...

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Disclosures

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Autorzy oświadczają, że nie mają sprzecznych interesów finansowych ani innych konfliktów interesów.

Acknowledgements

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Praca ta była wspierana przez Fundację Badawczą Biura Edukacji prowincji Hunan w Chinach (23A0620), Projekt Fundacji Nauk Przyrodniczych Regionalny Wspólny Fundusz Prowincji Hunan w Chinach (2025JJ70310), Program Innowacji Praktyki Podyplomowej Uniwersytetu Technologicznego Jiangsu (XSJCX24_44).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
AldaryN/AN/AMateriał stopowy
Ansys-Stół warsztatowyANSYS (Sieć ANSYS)ANSYS 2023R1Wielofunkcyjne oprogramowanie do projektowania komputerowego metodą elementów skończonych.
Ekspert ds. projektowaniaŁatwość statystykEkspert ds. projektowania 13Eksperymentalne narzędzie do analizy danych 
Olej hydrauliczny nr 8N/AN/ACiecz
Komputer PC N/AN/ASprzęt komputerowy
SOLIDWORKS (Solidworks)Dassault SystemesSolidworks 2023 (wersja SOLIDWORKS)Narzędzie do rysowania oprogramowania inżynierskiego
StalN/AN/AMateriał stopowy

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Li, J. Application of liquid viscous soft start device in coal mine belt conveyor. Inverter World. 11, 118-123 (2018).
  2. Yan, C. Research and application of safety protection device for coal mine belt conveyor. Energy Energy Saving. 2, 137-138 (2016).
  3. Duan, X., Wang, X. Comparative analysis of speed regulation and energy saving methods for high-power fans and pumps. Energy Saving. 5, 28-31 (2012).
  4. Wei, C., Zhao, J. Liquid Viscous Transmission Technology. , National Defense Industry. Beijing. (1996).
  5. Gu, Z., Yang, Q., Xu, L. Analysis and comparison of advantages and disadvantages of liquid viscous speed-regulating clutch and hydraulic coupling. Mod Manufact Technol Equip. 6, 28-31 (2006).
  6. Xie, F., Hou, Y. Oil film pressure field between deformed friction pairs in liquid viscous transmission. Constr Machinery. 42 (2), 41-44 (2011).
  7. Meng, Q., Hou, Y. Effects of friction disc surface groove on speed-regulating start. Ind Lubr Tribol. 61 (6), 325-331 (2009).
  8. Jen, T. C., Nemecek, D. J. Thermal analysis of a wet-disk clutch subjected to a constant energy engagement. Int J Heat Mass Transf. 51 (7-8), 1757-1769 (2008).
  9. Cui, J., et al. Thermal and mechanical characteristics analysis of radial groove friction discs in liquid viscous clutches. Mech Transmission. 5, 77-81 (2018).
  10. Yang, X., Bao, H., Zhang, W. Z. R. Influence of groove type on friction coefficient of wet friction clutch pair. Int J Automot Technol. 25 (1), 13-21 (2024).
  11. Tan, W., Chen, Z., Li, Z. Y. H. Thermal-fluid-solid coupling simulation and oil groove structure optimization of wet friction clutch for high-speed helicopter. Machines. 11 (2), 296(2023).
  12. Al-Sahb, W. A., Abdullah, O. I. A Three-Dimensional Finite Element Analysis for Grooved Friction Clutches. , SAE Technical Paper. (2015).
  13. Jang, J. Y., Khonsari, M. M., Maki, R. Three-dimensional thermos hydrodynamic analysis of a wet clutch with consideration of grooved friction surfaces. J Tribol. 133, 1703(2011).
  14. Li, M., Khonsari, M. M., McCarthy, D. M. Parametric analysis for a paper-based wet clutch with groove consideration. Tribol Int. 80, 222-233 (2014).
  15. Miyagawa, M., et al. Numerical simulation of temperature and torque curve of multidisk wet clutch with radial and circumferential grooves. Tribol Online. 4, 17-21 (2009).
  16. Zheng, Y., Li, Y. Effects of groove spacing on surface temperature rise and stress in wet clutches. Coal Mine Mach. 40 (9), 85-87 (2019).
  17. Wang, L., Li, L., Li, H. Analysis of temperature field variation process on wet clutch friction interface based on finite element method. Lubr Sealing. 42 (1), 15-26 (2017).
  18. Razzaque, M. M., Kato, T. Effects of a groove on the behavior of a squeeze film between a grooved and a plain rotating annular disk. J Tribol. 121 (4), 808-815 (1999).
  19. Xie, F., Hou, Y. Oil film hydrodynamic load capacity of hydro-viscous drive with variable viscosity. Ind Lubr Tribol. 63 (3), 210-215 (2013).
  20. Tong, Y., et al. Fluid state and transmission characteristics of oil film between rotating friction pair. Recent Pat Mech Eng. 8 (1), 38-43 (2015).
  21. Agarwal, R. K., et al. Research status and outlook for oil film power transmission between friction pairs. Recent Pat Mech Eng. 8 (2), 154-160 (2015).
  22. Zhang, L., et al. Optimization design of micro-texture on friction surface of high-speed wet clutch. Automot Eng. 46 (2), 320-328 (2024).
  23. Zhao, S., Hilmas, G. E., Dharani, L. R. Numerical simulation of wear in a C/C composite multi disk clutch. Carbon. 47 (9), 2219-2225 (2009).
  24. Xie, F., et al. Numerical prediction of oil film shear cavitation inception considering groove structure. J Mech Eng Sci. 236 (20), 16(2022).
  25. Wang, Q., et al. Numerical simulation and experimental investigation on the thermal-fluid-solid multi-physical field coupling characteristics of wet friction pairs considering cavitation effect. Appl Therm Eng. 260, 124955(2025).
  26. Zheng, G., et al. Numerical simulation and evaluation of the oil film flow field in hydro-viscous drive. Int J Digit Content Technol Its Appl. 7 (1), 764-771 (2013).
  27. Cui, J., et al. Numerical investigation on transient thermal behavior of multi disk friction pairs in hydro-viscous drive. Appl Therm Eng. 67 (1-2), 409-422 (2014).
  28. Zagrodzki, P. Thermoelastic instability in friction clutches and brakes: transient modal analysis revealing mechanisms of excitation of unstable modes. Int J Solids Struct. 46 (11), 2463-2476 (2009).
  29. Feng, X., et al. Optimization of an air-based heat management system for dusty particulate matter-covered lithium-ion battery packs. J Vis Exp. (201), e65892(2023).
  30. He, Y., Bayly, A. E., Hassanpour, A. Coupling CFD-DEM with dynamic meshing: a new approach for fluid-structure interaction in particle-fluid flows. Powder Technol. 325, 620-631 (2018).
  31. Zhu, X., et al. DEM simulation of a rotary drum with inclined flights using the response surface methodology. Processes. 11 (5), 1363(2023).
  32. Ballester-Ripoll, R., Leonelli, M. Global sensitivity analysis of uncertain parameters in Bayesian networks. Int J Approx Reasoning. 180, 109368(2025).
  33. Chen, J., Yu, J., Gong, Y. A new multi-physics coupled method for the temperature field of dry clutch assembly. Appl Sci. 13 (20), 11165(2023).

Access restricted. Please log in or start a trial to view this content.

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Tags

Hydro Viscous ClutchFriction Plate DesignOil Film TemperatureTorque TransmissionGroove StructureResponse Surface MethodologyBox Behnken DesignFinite Element ModelMesh PartitioningViscous Heating

Related Articles