提高液粘调速离合器流-固-热耦合动态调速特性的摩擦副设计方法研究

Industrial energy conservation is the priority of energy field in China. Hydroviscous Drive (HVD in short) is the efficient way of energy-saving in fan and pump which are widely used in mine and power plants.However, the speed stability and range of HVD are the main bottleneck of energy-saving efficiency. The frictional pair of HVD is used as the research subject, in which the fluid characteristic of fluid-solid-thermal coupling, dynamic characteristic of speed modulation and design method are set as the basic scientific research. The detailed research includes: firstly, analyze and simulate the frictional pair's characteristics of load capacity and temperature field; secondly, the numerical and simulation models of fluid-solid-thermal coupling are built, which are used to analyze the thermal-elastic stability and found the dynamic torque model of speed modulation,then the structural design method of new frictional pair is done with the multi-disciplinary and topology optimization based on the dynamic characteristics; thirdly, the performance prediction model is built with structural parameters of frictional pair based on the fluid-solid -thermal model and the result of test, which are used to realize the design of new frictional pair. The project aims to reveal the dynamic speed modulation characteristic of frictional pairs based on fluid-solid-thermal coupling technology, improve the speed stability, broaden the speed range, realize the design and performance forcast of frictional pairs. The results are the theoretical and technological basis for the design of high efficiency HVD.

工业节能是我国能源领域的优先主题。液粘调速离合器是实现矿山、电厂大量应用的风机和水泵节能的有效途径。然而，实际应用时液粘调速离合器的转速稳定性和调速范围成为制约该设备节能效果的主要瓶颈。本项目以液粘调速离合器摩擦副为研究对象，对摩擦副流-固-热多场耦合的流场特征、动态调速特性和设计方法进行基础科学研究。具体内容包括：理论分析和计算摩擦副承载特性、温度场特性；研究摩擦副流-固-热多场耦合的计算流体动力学建模方法，分析摩擦副多场耦合的热-弹稳定性，建立调速过程的动态转矩模型；研究新型摩擦副结构多学科拓扑设计方法；结合试验，建立基于摩擦副结构参数的流-固-热多场耦合摩擦副动态调速特性预测模型，实现新型摩擦副的设计。本项目旨在揭示摩擦副流-固-热耦合的动态调速特性，提高转速稳定性和调速范围，实现液粘调速离合器摩擦副设计和性能预测，为研制高效节能的液粘调速离合器奠定理论和技术基础。

本项目以提高节能为目标，以液粘传动摩擦副为主要研究对象，开展流场特性、动态调速特性以及设计方法研究，以期达到改善调速特性、拓宽调速范围、提高转速稳定性以及改进摩擦副结构设计的目的。. 在摩擦副纯油膜剪切阶段，考虑摩擦副间流体黏温特性，建立了摩擦副流体流场特性数学模型，基于雷诺边界条件建立了摩擦副油膜等效半径模型和流体剪切转矩模型，得到了不同工况参数条件下调速过程中摩擦副纯油膜剪切阶段的流场特性和转矩特性。 在摩擦副混合摩擦阶段，建立了考虑粗糙峰效应的油膜平均流量模型及表征摩擦副粗糙峰接触性质的粗糙表面分形接触模型，考虑了接触摩擦系数随着摩擦副比压的变化，得到了摩擦副混合摩擦模型，求解了混合摩擦阶段的摩擦特性和转矩特性，分析了摩擦副参数对混合摩擦特性的影响。运用温度-位移耦合分析方法、摩擦副界定试验和磨损率试验，结合热弹稳定性理论，建立了摩擦副工况区间图，为液粘传动的控制提供了量化的依据。. 针对高速工况，运用自由表面（VOF）模型，对摩擦副流体进行了数值模拟，分析了两相流流场，得到了两相流区域分布以及其演变规律，提高了液粘传动动态性能的预测精度。通过联系比压、摩擦副摩擦系数与对偶钢片工作表面温度分布情况，建立了摩擦副转矩-比压模型，提出了一套计算、预测摩擦副输出转矩的流程。构建了摩擦副油槽参数三维集成优化设计平台，以提高油膜剪切转矩为优化目标对油槽结构参数进行了优化设计。. 搭建了液黏调速离合器转矩特性试验台架，测量了调速过程中摩擦副间油膜厚度的变化值，验证了摩擦副纯油膜剪切阶段和混合摩擦阶段转矩理论预测模型的合理性。. 结合理论和试验研究，基于ANSYS WorkBench平台，封装ANSYS DesignModeler、ANSYS Meshing、ANSYS CFX和ANSYS DX等模块，开发了摩擦副参数化建模，湍流模型剪切热计算，温度场、压力场及速度场等液粘传动性能分析、油槽参数敏度分析和优化的软件。