CN108662020A - 一种基于Taylor涡调控的液体润滑转轴减阻方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Taylor涡调控的液体润滑转轴减阻方法，属于液体润滑转轴减阻技术领域。该液体润滑转轴减阻方法利用Taylor‑Couette流动情况下Taylor涡的迟滞效应，转轴在转动时，转轴和轴套之间润滑液体的周向流动属于Taylor‑Couette流动，通过控制Taylor‑Couette流动中转轴和轴套之间间隙的液面高度，控制转轴的转速和待测液体的注入速度，实现不同雷诺数、不同注入速度下Taylor涡的迟滞效应，通过缓慢增加转轴和轴套之间润滑液体的液位高度，改变Taylor涡的尺寸和数量，从而减少转轴的阻力。该液体润滑转轴减阻方法具有操作便捷，易于实现、减阻效率显著、稳定，适用范围广的特点。

Description

一种基于Taylor涡调控的液体润滑转轴减阻方法

技术领域

本发明涉及一种液体润滑转轴减阻方法，具体地说，涉及一种基于Taylor涡调控的液体润滑转轴减阻方法。

背景技术

液体润滑的转轴与轴套在工程中应用很普遍，是通用的转动副形式。当转轴在轴套中旋转时，会带动润滑液体沿周向流动，附带产生的摩擦阻力是该类型转动副的主要阻力来源。在文献“Experimental study of expansion and compression effects on thestability of Taylor vortex flow[J].”(Fluid Dynamics Research,2016,48(4):045502.)文中，介绍了一种通过逐渐移动Taylor-Couette装置上顶板的方法达到Taylor涡调控的目的。但该装置设计复杂，在工业领域较难以应用，且未能通过Taylor涡调控达到减阻的目的。目前工业应用领域没有较好的方法能持续有效地降低转轴和轴套间的阻力。

转轴与轴套之间润滑液体的流动属于Taylor-Couette流动，当转轴的转速超过一临界值时，该临界值对应的Taylor数一般约为1708。在液体内部会产生沿主轴方向呈规则周期性分布的Taylor涡对，且这些稳定涡结构的尺寸和数量主要与转轴和轴套之间的距离以及转动副内润滑液体的液位高度有关。已有研究表明，润滑液体产生摩擦阻力的大小与主轴方向分布的横向Taylor涡强度和尺度密切相关。在相同运动条件下，Taylor涡数量越少，强度越低，则转轴所受摩擦阻力就越小。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种基于Taylor涡调控的液体润滑转轴减阻方法；该液体润滑转轴减阻方法利用Taylor-Couette流动情况下Taylor涡的迟滞效应，通过缓慢增加转轴和轴套之间润滑液体的液位高度，改变Taylor涡的尺寸和数量，从而减少转轴的阻力。该液体润滑转轴减阻方法具有易于实现、减阻效率显著、稳定的特点。

转轴在转动时，转轴和轴套之间润滑液体的周向流动属于Taylor-Couette流动，由于Taylor涡具有保持原有状态不变的效应——迟滞性。当通过注射孔逐渐增加液位高度时，Taylor涡为维持原状会被逐渐拉长，达到相同液位高度时，逐渐加注液体时Taylor涡的尺寸要比不加注液体时相同液位高度Taylor涡的尺寸要大很多，即在相同的液位高度下加注液体时Taylor涡的数目要小于不加注液体时Taylor涡的数目。由于相同液位高度下Taylor涡的数目减少，对应的转矩值降低，即实现了逐渐增加间隙的液位高度实现减阻的目的。

本发明解决技术问题所采用的技术方案是:一种基于Taylor涡调控的液体润滑转轴减阻方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.选取转轴和轴套的尺寸；

要求0.9≥η＝R_i/R_o≥0.5，ξ＝H/(R_o-R_i)≥3，式中，R_i为转轴半径，R_o为轴套半径，H为转轴的高度；转轴外表面和轴套内表面粗糙度均小于1.6，利用超声波对转轴外表面与轴套内表面做清洁处理，确保转轴外表面与轴套内表面无残留杂质；在轴套侧壁上距离下底面20mm处开有直径为2mm的注射孔，转轴与轴套同轴度小于0.02，且垂直于下表面；

步骤2.固定注射装置，通过直径为2mm的无弹性连接软管将注射装置和轴套连接，转轴与轴套之间初始的液位高度不能小于2(R_o-R_i)，其中,R_i为转轴半径，R_o为轴套半径；

步骤3.设定注射装置的液体注入速度，待转轴达到设定转速稳定3分钟后启动注射装置；在整个过程中确保转轴转动稳定，并且液体注入过程中不带入杂质和气泡，注入液体的速度为30ml/h；

步骤4.当转轴与轴套间隙充满液体时，不再向间隙中注入液体，实现扩大Taylor尺寸、减少Taylor数量的液体转轴减阻，计算该方法的减阻率按照公式:

DR＝(T₁-T₂)/T₁×100％

式中，T₁为未使用该方法时给定液位高度时对应的转轴的扭矩值，T₂为通过逐渐加注达到给定液位高度后转轴的扭矩值；并且整个过程中减阻率稳定。

有益效果

本发明提出的一种基于Taylor涡调控的液体润滑转轴减阻方法；该液体润滑转轴减阻方法利用Taylor-Couette流动情况下Taylor涡的迟滞效应，转轴在转动时，转轴和轴套之间润滑液体的周向流动属于Taylor-Couette流动，通过控制Taylor-Couette流动中转轴和轴套之间间隙的液面高度，控制转轴的转速和待测液体的注入速度，实现不同雷诺数、不同注入速度下Taylor涡的迟滞效应，通过缓慢增加转轴和轴套之间润滑液体的液位高度，改变Taylor涡的尺寸和数量，从而减少转轴的阻力。该液体润滑转轴减阻方法具有操作便捷，易于实现、减阻效率显著、稳定，适用范围广的特点。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种基于Taylor涡调控的液体润滑转轴减阻方法作进一步详细说明。

图1为本发明的液体润滑转轴与轴套安装部位示意图。

图2为基于Taylor-Couette流动的转矩测试系统示意图。

图3为不同初始液位高度情况下转矩变化示意图。

图4为不同初始液位高度加注到给定液位高度对应的Taylor涡结构图。

图5为不同初始液位高度加注到给定液位高度对应的减阻规律图。

图6为本发明基于Taylor涡调控的液体润滑转轴减阻方法流程图。

图中:

1.转轴2.轴套3.软管4.微量注射泵

具体实施方式

本实施例是一种基于Taylor涡调控的液体润滑转轴减阻方法。

参阅图1、图2、图6，应用本实施例基于Taylor涡调控的液体润滑转轴减阻方法进行实验，具体步骤为:

第一步、选取转轴和轴套的尺寸；

要求0.9≥η＝R_i/R_o≥0.5，ξ＝H/(R_o-R_i)≥3，式中，R_i为转轴半径，R_o为轴套半径，H为转轴的高度；转轴外表面和轴套内表面粗糙度均小于1.6，利用超声波对转轴外表面与轴套内表面做清洁处理，确保转轴外表面与轴套内表面无残留杂质；在轴套上距离下底面20mm处开有直径为2mm的注射孔，转轴与轴套同轴度小于0.02，且垂直于下表面；

第二步、固定注射装置，通过直径为2mm的无弹性连接软管将注射装置和轴套连接，转轴与轴套之间初始的液位高度不能小于2(R_o-R_i)，式中,R_i为转轴半径，R_o为轴套半径；

第三步、设定注射装置的液体注入速度，待转轴达到设定转速稳定3分钟后启动注射装置；在整个过程中确保转轴转动稳定，并且液体注入过程中不带入杂质和气泡，注入液体的速度为30ml/h；

第四步、当转轴与轴套间隙充满液体时，不再向间隙中注入流体，实现扩大Taylor尺寸、减少Taylor数量的液体转轴减阻，计算该方法的减阻率按照公式:

DR＝(T₁-T₂)/T₁×100％

式中，T₁为未使用该方法时给定液位高度时对应的转轴的扭矩值，T₂为通过逐渐加注达到给定液位高度后转轴的扭矩值；并且整个过程中减阻率稳定。

实施例

本实施例中,首先将试验装置固定于试验台，在轴套上距离下底面20mm处加工有直径为2mm的注射孔。安装轴套2和转轴1时确保转轴和轴套同轴度小于0.02，且垂直于试验台。在转轴1和轴套2的间隙中加入一定液位高度的润滑液体。并且在该过程中使得转轴表面和润滑液体中没有气泡和杂质的存在。通过控制转子的转速和待测液体的注入速度可实现不同雷诺数、不同注入速度下Taylor涡的迟滞效应，以实现基于泰勒涡迟滞效应的减阻方法。具体步骤为:

1.安装固定粘度计、微量注射泵和轴套。

2.选取直径为25mm高90mm的转轴，转轴表面粗糙度小于1.6，并利用超声波对表面进行处理，使其表面不含有杂质。转轴连接于BrookFIELD DV-Ⅱ+Pro粘度计上，粘度计的具体参数为:转速100RPM、量程0.0673milli Newton-m

3.设计轴套材质为有机玻璃，高度为110mm、内径为34mm、外径为40mm，轴套内表面粗糙度小于1.6。并要求圆柱转轴和有机玻璃轴套的同心度小于0.02。装置的半径比η＝R_i/R_o＝0.74，式中，R_i为圆柱转轴半径，R_o为有机玻璃轴套内径。长径比ξ＝H/(R_o-R_i)＝20，式中，H为圆柱转轴高度。并且有机玻璃轴套侧面距离下底面20mm处开有直径为2mm的注射孔，以便液体从轴套侧壁面孔注入。

4.选取直径为2mm的连接软管,软管一端连接有机玻璃轴套，一端连接微量注射泵，注射速度为30ml/h，待转轴达到设定转速稳定3分钟后启动注射装置。

5.给定不同的初始液位高度，并通过微量注射泵缓慢增加间隙的液位高结合PIV来观测不同初始液位高度情况下Taylor涡的数量和对应的转矩值。通过公式DR＝(T₁-T₂)/T₁×100％计算该方法的减阻率，式中，T₁为未使用该方法时给定液位高度时对应的转轴的转矩值，T₂为通过逐渐加水到给定液位高度后转轴的转矩值。

如图3、图4，不同初始液位高度加水到给定液位高度情况下转矩变化图和不同初始液位高度加注到给定液位高度情况下Taylor涡结构图。不同初始液位高度情况下的转矩值明显小于不加水情况下的转矩值，而且初始液位高度越低，最终转矩值越小。最终液位高度相同时，初始液位高度越低，相应的涡尺寸越大涡对数越少。初始加注液位高度越低涡对数越少，对应的涡对间隙处和中心处的速度梯度更低，所以转矩值更低。并且整个过程涡对数稳定，可达到稳定的减阻且减阻效果明显。

图5为在不同初始液位高度情况下对应的减阻效果图，初始液位高度越低减阻效果越明显。在该套装置的试验条件下最大减阻率达到了19％，且在整个测试条件范围内具有稳定的减阻率。

Claims (1)

1.一种基于Taylor涡调控的液体润滑转轴减阻方法，其特征在于包括以下步骤:

步骤1.选取转轴和轴套的尺寸；

要求0.9≥η＝R_i/R_o≥0.5，ξ＝H/(R_o-R_i)≥3，式中，R_i为转轴半径，R_o为轴套半径，H为转轴的高度；转轴外表面和轴套内表面粗糙度均小于1.6，利用超声波对转轴外表面与轴套内表面做清洁处理，确保转轴外表面与轴套内表面无残留杂质；在轴套侧壁上距离下底面20mm处开有直径为2mm的注射孔，转轴与轴套同轴度小于0.02，且垂直于下表面；

步骤2.固定注射装置，通过直径为2mm的无弹性连接软管将注射装置和轴套连接，转轴与轴套之间初始的液位高度不能小于2(R_o-R_i)，其中,R_i为转轴半径，R_o为轴套半径；

步骤3.设定注射装置的液体注入速度，待转轴达到设定转速稳定3分钟后启动注射装置；在整个过程中确保转轴转动稳定，并且液体注入过程中不带入杂质和气泡，注入液体的速度为30ml/h；

步骤4.当转轴与轴套间隙充满液体时，不再向间隙中注入液体，实现扩大Taylor尺寸、减少Taylor数量的液体转轴减阻，计算该方法的减阻率按照公式:

DR＝(T₁-T₂)/T₁×100％

式中，T₁为未使用该方法时给定液位高度时对应的转轴的扭矩值，T₂为通过逐渐加注达到给定液位高度后转轴的扭矩值；并且整个过程中减阻率稳定。