CN113010977B - 一种齿轮喷油润滑优化仿真方法 - Google Patents

一种齿轮喷油润滑优化仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于仿真技术领域，提供一种齿轮喷油润滑优化仿真方法。本发明根据齿轮及其润滑系统设计图纸建立一个空间上完全包含齿轮副、油管和喷油嘴的正方体模型，并用正方体拓扑减去齿轮副、油管和喷油嘴，生成齿轮喷油润滑流场模型，并对流场模型进行网格划分和边界域定义，求解参数设置，并进行喷油润滑的瞬态仿真计算，输出润滑流场云图和动画；变更喷油嘴结构、方位和角向参数，或入口滑油压力参数，重复上述步骤，直至得到最佳参数条件组合。本发明齿轮喷油润滑优化方法有助于发现齿轮副工作过程中润滑不足问题并加以改进，从而提高齿轮喷油润滑的可靠性和质量，缩短产品的研发周期，提高产品的设计质量。

Description

一种齿轮喷油润滑优化仿真方法
技术领域
本发明涉及机械行业中的齿轮喷油润滑优化设计方法，具体涉及一种对工作状态下的齿轮喷油润滑情况进行仿真模拟，并根据模拟结果对其进行润滑优化的方法。
背景技术
齿轮是机械设备中最关键的零件之一，确保齿轮配合面的流体润滑质量可以减少摩损并促进摩擦部位冷却，同时还有清洁和防腐的作用，因此，良好的齿轮润滑可以改善齿轮传动性能、降低噪音和提高齿轮使用寿命。
除了采用试验方法对齿轮润滑效果进行宏观验证外，仿真方法也是一个重要的验证方法，可以动态、直观地观察润滑流场的性能参数，特别是齿轮副啮合区域的滑油流速、压力及体积分数的分布情况。因此，从产品设计伊始，通过调整滑油介质工作参数和润滑喷嘴的结构参数，对比分析不同工况下的润滑仿真模拟结果，便可实现齿轮喷油润滑的优化改进。
目前，国内齿轮喷油润滑仿真分析开展的比较少，缺乏一套完整且严谨的模拟流程，流场建模亦不规范，动网格定义与仿真设置无章可循，这些势必造成润滑流场模拟结果不可靠、不准确。
Fluent软件是目前国内外使用最多、最流行的CFD商业软件之一，其物理模型均经过工程确认，能够精确地模拟动网格、湍流及多相流等复杂流动问题。但是针对不同产品，由于其结构差异，仿真模拟需要进行重新架构设计，难度较大，特别是对于发动机齿轮喷油是一个高速动态过程，设计齿轮等硬件结构，同时又包括速度、压力等功况参数，实际模拟仿真时难度非常大，缺乏可借鉴的模型或案例。
发明内容
本发明所要解决的问题是，提供一种齿轮喷油润滑优化仿真方法，它将齿轮喷油润滑的工程问题转化为数学问题，用数值模拟的方法直观显示齿轮副的润滑性能。
为解决该技术问题，本发明所提供的技术方案为：
一种齿轮喷油润滑优化仿真方法，先建立包括齿轮副及对应油管、喷油嘴的实体模型，并对齿轮副的齿面进行缩齿处理；并在所建实体模型界面中，建立空间上包含齿轮副、油管和喷油嘴的立方体模型，并在立方体模型中用减去齿轮副、油管和喷油嘴，生成齿轮喷油润滑流场模型；然后对生成的齿轮喷油润滑流场模型进行网格划分和边界域定义，形成网格模型；生成的网格模型进行流体介质属性、边界条件、两相流、动网格及求解参数设置，并进行喷油润滑的瞬态仿真计算；将计算结果处理后输出润滑流场云图和/或动画；改变油管和/或喷油嘴模型/功况参数，迭代修改实体模型，并重复进行模拟仿真，直至完成齿轮喷油润滑优化。
所述实体模型是根据齿轮及其润滑系统设计图纸，运用三维建模软件NX建立的包括齿轮副及对应油管、喷油嘴的实体模型，并保存*.prt文件以备后续优化改进模型使用。其中，三维建模软件NX为常规建模软件，*.prt文件为该NX软件的输出文件保存格式。
所述立方体模型为用于模拟齿轮副、油管和喷油嘴的燃油流场的计算空间，要求其边界与实体模型之间的空间间距至少不小于齿轮半径。
所述齿轮喷油润滑流场模型进行网格划分时，通过前处理软件ANSA进行网格划分，首先对油管、喷油嘴的细微结构特征及齿面进行面网格细化，然后依次完成整体面网格划分、体网格划分。
所述整体面网格划分工具为Adv.Front、CFD或Best，检查标准为Aspect＜2.5，Skewness＜0.5；
体网格划分工具为TetraFEM或TetraCFD，检查标准为Aspect＜12，Skewness＜0.8；
体网格划分参数参照下述：
Maximum growth rate(1-3)取1.1～1.2；
Maximum element length取max_shell_size；
Fluent Max_Skewness(0-1)取0.75～0.9。
上述检查标准根据齿轮喷油润滑优化需要所设计的网格划分标准，以在满足模拟优化的前提下，提高计算精度。
所述齿轮喷油润滑流场模型进行边界域定义时，分别定义入口、出口、墙面以及转子域边界，并完成定义流体域，其中边界域即为流体域的边界。
所述网格模型导入流场分析软件Fluent，完成流体介质属性、边界条件、两相流、动网格及求解参数设置，利用该流场分析软件Fluent进行喷油润滑的瞬态仿真计算，输出流场仿真结果文件*.cas和*.dat。
所述运用Fluent软件进行喷油润滑的瞬态仿真分析，在两相流设置中，两相流模型采用VOF模型，赋予主相为空气、次相为润滑油，并定义流体表面张力为0.072N/m，以提高喷油润滑仿真精度。
所述运用Fluent软件进行喷油润滑的瞬态仿真分析，在动网格设置中，可采用Profile(适用于转子轴线与坐标系轴线平行)或UDF(适用于转子轴线与坐标系轴线不平行)方式赋予齿轮转动矢量和速度，并定义刚体转子域轴心位置；所采用的动网格更新方法包括Smoothing(光顺)和Remeshing(重构)。动网格设置结束后，可分别预览转子域与网格的运动情况，以验证动网格设置是否存在问题。
同时启动动网格的两种更新方法Smoothing和Remeshing；
Smoothing可选用Spring方法，该方法适用于简单流场，弹性刚度与拉普拉斯节点松弛因子分别取0.6；Smoothing也可选用Diffusion方法，该方法适用于复杂流场，扩散参数取0.5，Remeshing多采用默认参数设置。
所述运用Fluent软件进行喷油润滑的瞬态仿真分析，在边界条件设置中，定义流场进口边界的压力或流量条件，定义出口边界的压力条件，设置进口边界的润滑油体积分数，进、出口湍流边界条件采用默认设置。
运用Fluent软件进行喷油润滑的瞬态仿真分析，在流场求解设置中，分别对计算方法、离散格式、收敛标准、初始化参数及时间步长等进行设置。
计算一般采用SIMPLE算法，也可采用PISO算法(采用该算法可提高松驰因子)；
梯度曲线Gradient采用Green-gauss Node Based(基于格林高斯节点)选项；
如果收敛困难可以考虑将Monmentum离散格式改为FirstOrderUpwind；
为提高仿真稳定性，建议除压力外的松弛因子参照默认值下调0.2～0.5；
为提高仿真准确度，建议将所有收敛标准值设为默认值的十分之一或更低；
定义初始化流场中的次相分数比；
定义仿真计算输出参数；
定义时间步长与计算步数，时间步长一般介于10-6～10-5。
所述步骤4)中，运用Fluent软件进行喷油润滑的瞬态仿真分析，在其他设置中，包括空气与润滑油的密度和粘度参数；湍流模型采用该Fluent软件中的k-e模型中的RNG模型或Realizable模型。
另外，通过改变实体模型中的喷油嘴结构、方位和角向参数，以及滑油压力参数，重复进行多次模拟计算，对比多次模拟的润滑流场云图数据，直至得到齿轮副喷油润滑优化的最佳参数条件，完成齿轮喷油润滑优化。
所述运用NX建立的实体模型需包括但不限于齿轮副、油管和喷油嘴，在实体产品具有机匣壳体、挡油板或风口的实体特征时，实体模型也应包括上述实体特征，类似的，立方体模型也包含其实体特征。
对齿轮副的齿面进行缩齿操作时，建议单侧齿面缩齿量近似于齿厚的十分之一。
发明效果
本发明充分利用NX实体建模的强大性、ANSA网格划分的高质量性、Fluent先进可靠的流体数值模拟功能和CFD-Post结果后处理的直观性，对齿轮工作状态下喷油润滑过程进行了瞬态模拟。
本发明具有的有益效果是：采用上述仿真模拟技术，建立与实际体系一致的齿轮润滑模型，对齿轮喷油润滑过程进行仿真模拟，得到复杂工况下的流场基本参数如流速、压力和体积分数随时间的变化情况，这些参数可以直观形象地反映出齿轮润滑性能的好坏。同时，根据模拟结果，优化齿轮润滑参数，包括工作参数和结构参数，为齿轮润滑性能的改善提供优化指导，从而提高其使用寿命，降低其运营成本。
本发明已通过部分齿轮磨损故障的润滑仿真分析及润滑试验进行了验证，技术可行，结果可靠，可以有效地解决齿轮设计过程中的润滑仿真问题。
附图说明
图1是本发明的基本流程图。
图2是本发明实施案例的示意图。
图3是Fluent仿真设置流程图。
图4是本发明实施案例的速度矢量云图。
图5是本发明实施案例的滑油体积分数云图。
其中，1、齿轮，2、油管，3、喷嘴，4、简易机匣。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不受实施案例所限：
实施例：请参阅图1，其是本发明齿轮喷油润滑优化仿真方法的流程图，具体实施过程如下：
步骤1)：根据齿轮及其润滑系统设计图纸，运用三维建模软件NX建立包括齿轮副及对应油管、喷油嘴的实体模型，并对齿轮副的齿面进行缩齿处理，保存*.prt文件以备后续优化改进模型使用；齿轮副实体模型见图2，包括齿轮、油管、喷嘴和简易机匣。其中，齿轮模数为2，两个齿轮的牙数分别为25个和35个；
步骤2)：在步骤1)所建实体模型界面中，建立一个空间上完全包含齿轮副、油管和喷油嘴的正方体模型，并用正方体拓扑减去齿轮副、油管和喷油嘴，生成齿轮喷油润滑流场模型，输出*.x_t文件；
其中，运用NX建立的实体模型应包括但不限于齿轮副、油管和喷油嘴，必要时包括机匣壳体、挡油板或风口等实体特征，此时，步骤2)中的正方体模型同样也应将它们包含在其中。
对齿轮副的齿面进行缩齿操作时，建议单侧齿面缩齿量近似于齿厚的十分之一。
所创建的正方体模型的大小应同时兼顾仿真效率与仿真精度，在尽可能减小流场模型尺度的同时，避免人为Wall面可能导致的流场参数失真。
步骤3)：将步骤2)输出的*.x_t文件导入前处理软件ANSA进行网格划分和边界域定义，并输出*.mesh文件；
首先对油管、喷油嘴等细微结构特征及齿面进行面网格细化，然后依次完成整体面网格划分、定义流体域、体网格划分。
整体面网格划分可选工具为Adv.Front、CFD和Best，检查标准为Aspect＜2.5，Skewness＜0.5；
体网格划分可选工具为TetraFEM和TetraCFD，检查标准为Aspect＜12，Skewness＜0.8；
体网格划分参数参照下述：
Maximum growth rate(1-3)取1.1～1.2
Maximum element length取max_shell_size
Fluent Max_Skewness(0-1)取0.75～0.9；
以提高网格精度，保证齿轮喷油润滑模拟质量。
步骤4)：将步骤3)输出的*.mesh文件导入流场分析软件Fluent，完成流体介质属性、边界条件、两相流、动网格及求解参数设置，并进行喷油润滑的瞬态仿真计算，输出流场仿真结果文件*.cas和*.dat；
运用Fluent软件进行喷油润滑的瞬态仿真分析，在通用设置中，应首先将流场模型Scale为mm单位，并定义瞬态选项及重力场，求解器类型设置为Pressure-Based。
所述步骤4)中，运用Fluent软件进行喷油润滑的瞬态仿真分析，在两相流设置中，两相流模型采用VOF模型，赋予主相为空气、次相为润滑油，并定义流体表面张力为0.072N/m。
所述步骤4)中，运用Fluent软件进行喷油润滑的瞬态仿真分析，在动网格设置中，可采用Profile(适用于转子轴线与坐标系轴线平行)或UDF(适用于转子轴线与坐标系轴线不平行)方式赋予齿轮转动矢量和速度，并定义刚体转子域轴心位置；所采用的动网格更新方法包括Smoothing(光顺)和Remeshing(重构)。动网格设置结束后，可分别预览转子域与网格的运动情况，以验证动网格设置是否存在问题。
同时启动动网格的两种更新方法Smoothing和Remeshing；
Smoothing可选用Spring方法，该方法适用于简单流场，弹性刚度与拉普拉斯节点松弛因子分别取0.6；
Smoothing也可选用Diffusion方法，该方法适用于复杂流场，扩散参数取0.5。Remeshing多采用默认参数设置。
所述步骤4)中，运用Fluent软件进行喷油润滑的瞬态仿真分析，在边界条件设置中，定义流场进口边界的压力或流量条件，定义出口边界的压力条件，设置进口边界的润滑油体积分数，进、出口湍流边界条件采用默认设置。
所述步骤4)中，运用Fluent软件进行喷油润滑的瞬态仿真分析，在流场求解设置中，分别对计算方法、离散格式、收敛标准、初始化参数及时间步长等进行设置。
计算一般采用SIMPLE算法，也可采用PISO算法(采用该算法可提高松驰因子)；
Gradient采用Green-gauss Node Based选项；
如果收敛困难可以考虑将Monmentum离散格式改为FirstOrderUpwind；
为提高仿真稳定性，建议除压力外的松弛因子参照默认值下调0.2～0.5；
为提高仿真准确度，建议将所有收敛标准值设为默认值的十分之一或更低；
定义初始化流场中的次相分数比；
定义仿真计算输出参数；
定义时间步长与计算步数，时间步长一般介于10-6～10-5。
所述步骤4)中，运用Fluent软件进行喷油润滑的瞬态仿真分析，在其他设置中，包括空气与润滑油的密度和粘度参数；湍流模型采用k-e模型中的RNG模型或Realizable模型。
步骤5)：将步骤4)输出的仿真结果文件*.cas和*.dat导入后处理软件CFD-Post，输出润滑流场云图和动画，包括齿轮副啮合区域的速度矢量云图和滑油体积分数云图；图3中几处数字代表流速大小(单位：m/s)，直观低地反应了齿轮啮合区域的滑油运动状态。滑油体积分数云图见图4，其中几处数字代表滑油体积百分数大小(单位：％)，直观地反应了齿轮啮合区域的滑油所占比重。
步骤6)：改变步骤1)中的喷油嘴结构、方位和角向参数，或步骤4)中的滑油压力参数，重复步骤1)～5)，进行多次仿真模拟，对比多次模拟的云图数据，直至得到齿轮副喷油润滑优化的最佳参数条件。通过这些最佳参数条件实现对齿轮副润滑性能的优化指导。
本发明基于Fluent软件，并综合ANSA软件、NX软件、CFD-Post软件，首次实现了对高速旋转的齿轮喷油润滑性能进行仿真模拟，构建了一套完整且严谨的模拟流程，流场建模，动网格定义与仿真设置规范且易于实施，润滑流场模拟结果准确可靠，所获得物理模型均经过工程确认，能够精确地模拟动网格、湍流及多相流等复杂流动问题，相对于现有技术具有较大的技术进步。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内，另外，本发明未详尽部分均为常规技术，特别是未详尽展开说明的软件、模型、参数、字符等术语均为常用术语。

Claims (13)

1.一种齿轮喷油润滑优化仿真方法，其特征在于，先建立包括齿轮副及对应油管、喷油嘴的实体模型，并对齿轮副的齿面进行缩齿处理；并在所建实体模型界面中，建立空间上包含齿轮副、油管和喷油嘴的立方体模型，并在立方体模型中用减去齿轮副、油管和喷油嘴，生成齿轮喷油润滑流场模型；然后对生成的齿轮喷油润滑流场模型进行网格划分和边界域定义，形成网格模型；生成的网格模型进行流体介质属性、边界条件、两相流、动网格及求解参数设置，并进行喷油润滑的瞬态仿真计算；将计算结果处理后输出润滑流场云图和/或动画；改变油管和/或喷油嘴模型/功况参数，迭代修改实体模型，并重复进行模拟仿真，直至完成齿轮喷油润滑优化。
2.根据权利要求1所述的齿轮喷油润滑优化仿真方法，其特征在于，所述实体模型是根据齿轮及其润滑系统设计图纸，运用三维建模软件NX建立的包括齿轮副及对应油管、喷油嘴的实体模型，并保存*.prt文件以备后续优化改进模型使用。
3.根据权利要求1所述的齿轮喷油润滑优化仿真方法，其特征在于，所述立方体模型为用于模拟齿轮副、油管和喷油嘴的燃油流场的计算空间，要求其边界与实体模型之间的空间间距至少不小于齿轮半径。
4.根据权利要求1所述的齿轮喷油润滑优化仿真方法，其特征在于，所述齿轮喷油润滑流场模型进行网格划分时，通过前处理软件ANSA进行网格划分，首先对油管、喷油嘴的细微结构特征及齿面进行面网格细化，然后依次完成整体面网格划分、体网格划分。
5.根据权利要求4所述的齿轮喷油润滑优化仿真方法，其特征在于，
所述整体面网格划分工具为Adv.Front、CFD或Best，检查标准为Aspect＜2.5，Skewness＜0.5；
体网格划分工具为TetraFEM或TetraCFD，检查标准为Aspect＜12，Skewness＜0.8；
体网格划分参数参照下述：
Maximum growth rate(1-3)取1.1～1.2；
Maximum element length取max_shell_size；
Fluent Max_Skewness(0-1)取0.75～0.9。
6.根据权利要求1所述的齿轮喷油润滑优化仿真方法，其特征在于，所述齿轮喷油润滑流场模型进行边界域定义时，分别定义入口、出口、墙面以及转子域边界，并完成定义流体域。
7.根据权利要求1所述的齿轮喷油润滑优化仿真方法，其特征在于，所述网格模型导入流场分析软件Fluent，完成流体介质属性、边界条件、两相流、动网格及求解参数设置，利用该流场分析软件Fluent进行喷油润滑的瞬态仿真计算，输出流场仿真结果文件*.cas和*.dat。
8.根据权利要求7所述齿轮喷油润滑优化仿真方法，其特征在于：运用Fluent软件进行喷油润滑的瞬态仿真分析，在两相流设置中，两相流模型采用VOF模型，赋予主相为空气、次相为润滑油，并定义流体表面张力为0.072N/m。
9.根据权利要求7所述齿轮喷油润滑优化仿真方法，其特征在于：运用Fluent软件进行喷油润滑的瞬态仿真分析，在动网格设置中，采用Profile或UDF方式赋予齿轮转动矢量和速度，并定义刚体转子域轴心位置；所采用的动网格更新方法包括Smoothing和Remeshing，动网格设置结束后，分别预览转子域与网格的运动情况，以验证动网格设置是否存在问题。
10.根据权利要求1所述齿轮喷油润滑优化仿真方法，其特征在于：运用Fluent软件进行喷油润滑的瞬态仿真分析，在边界条件设置中，定义流场进口边界的压力或流量条件，定义出口边界的压力条件，设置进口边界的润滑油体积分数，进、出口湍流边界条件采用默认设置。
11.根据权利要求1所述的齿轮喷油润滑优化仿真方法，其特征在于，改变实体模型中的喷油嘴结构、方位和角向参数，以及滑油压力参数，重复进行多次模拟计算，对比多次模拟的润滑流场云图数据，直至得到齿轮副喷油润滑优化的最佳参数条件，完成齿轮喷油润滑优化。
12.根据权利要求1所述齿轮喷油润滑优化仿真方法，其特征在于：运用NX建立的实体模型需包括但不限于齿轮副、油管和喷油嘴，在实体产品具有机匣壳体、挡油板或风口的实体特征时，实体模型也应包括上述实体特征，类似的，立方体模型也包含其实体特征。
13.根据权利要求1所述齿轮喷油润滑优化仿真方法，其特征在于：对齿轮副的齿面进行缩齿操作时，建议单侧齿面缩齿量近似于齿厚的十分之一。
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