مدل سازی گذرای عددی و بررسی تجربی اثر بافت سطح بر روان‌کاری الاستوهیدرودینامیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

پدیده سایش و اصطکاک و راه‌کارهای کاهش آنها بسیار مورد توجه بوده است. یکی از این روش‌ها الگودهی سطح و ایجاد ریزحفره روی آن است که با استفاده از لیزر با سرعت و دقت بالا قابل انجام است. در این پژوهش ابتدا مدل عددی به صورت گذرا برای بررسی رفتار اصطکاکی و شکل‌گیری لایه روان‌کار با وجود حفره روی سطح توسعه داده شده است.  نتابج بررسی عددی نشان داد که فرض دو گام زمانی که در مطالعات رایج است خطای بزرگی در تخمین ضریب اصطکاک ایجاد می‌کند و برای عبور از روی حفره تعداد 11 گام زمانی پیشنهاد می‌شود. سپس اثر ایجاد بافت لیزری بر‌روی دیسکی از جنس فولاد ST37 در شرایط تماس خطی در رژیم روان‌کاری مخلوط به صورت تجربی بررسی شده‌است. در این پژوهش دو پارامتر ورودی سرعت خطی و بار اعمالی متغیر بودند. با تغییر این پارامترها ضریب اصطکاک به طور متوسط پس از طی مسافت‌های 100متری اندازه گیری شده است. با بررسی‌های صورت‌گرفته مشخص گردید که با افزایش سرعت و کاهش نیروی اعمالی میزان اصطکاک کاهش پیدا می‌کند. همچنین با مقایسه نتایج بین دیسک‌های الگودهی‌شده و صیقلی مشخص شد که میزان ضریب اصطکاک بین 12 تا 23 درصد در بررسی تجربی کاهش یافته است درحالی که در تخمین عددی امکان داشتن کاهشی بین 25 تا 40 درصد نیز پیش‌بینی می‌شود. در سرعت‌های بالا تخمین‌های مدل عددی و نتایج بدست‌آمده از آزمایش بسیار بهم نزدیک شده‌اند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Transient numerical modeling and experimental investigation of the effect of surface texture on elastohydrodynamic lubrication

نویسندگان [English]

  • Amir Torabi 1
  • Saleh Akbarzadeh 2
  • Behnam Azami 2
1 Assistant professor, Engineering Department, Shahrekord University, Shahrekord, Iran.
2 Associated professor, Mechanical Engineering Department, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
چکیده [English]

The phenomenon of abrasion and friction in mechanical mechanisms and the ways to reduce them have been highly regarded. One of these methods is surface texturing, which can be accomplished using a laser with high speed and accuracy. These textures usually include holes with different geometric shapes. In this study, a precise numerical model is developed to investigate the frictional behavior of the dimple transient film formation effect. Then the effect of laser-made textures on a ST37 steel disc is studied experimentally in linear contact situation in the mixed lubrication regime. In this study, the friction coefficient is measured after 100m distance for different input important parameters of velocity and vertical load. Numerical results have shown that flow modeling using conventional two-step modeling cause a considerable error and taking about 11 time steps for crossing the dimple is recommended. The friction coefficient decreases with increasing speed and decreasing applied force. Comparison of the results between the textured and smooth discs showed that the friction coefficient decreased by 12 to 23% in the experimental study, while numerical estimates of the possibility of a decrease of between 25 and 40% were also predicted. At high velocities, the numerical model estimates and the results of the experiment are very close.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Lubrication
  • Textured surface
  • Friction
  • Elastohydrodynamic
  • Laser

مراجع

[1] I. Etsion, lubrication, Laser surface texturing and applications, Recent developments in wear prevention, friction, (2010) 137-158.
[2] I. Etsion, State of the art in laser surface texturing, Journal of Tribology, 127(1) (2005) 248-253.
[3] I. Etsion, L. Burstein, A model for mechanical seals with regular microsurface structure, Tribology Transactions, 39(3) (1996) 677-683.
[4] Y. Qiu, M. Khonsari, Experimental investigation of tribological performance of laser textured stainless steel rings, Tribology International, 44(5) (2011) 635-644.
[5] S. Kango, D. Singh, R. Sharma, Numerical investigation on the influence of surface texture on the performance of hydrodynamic journal bearing, Meccanica, 47(2) (2012) 469-482.
[6] D. Xiong, Y. Qin, J. Li, Y. Wan, R. Tyagi, Tribological properties of PTFE/laser surface textured stainless steel under starved oil lubrication, Tribology International, 82 (2015) 305-310.
[7] D. Braun, C. Greiner, J. Schneider, P. Gumbsch, Efficiency of laser surface texturing in the reduction of friction under mixed lubrication, Tribology international, 77 (2014) 142-147.
 [8] R. Chaudhary, R. Pandey, S. Mazumdar, Tribological studies of low and high viscous oils lubricated heavily loaded textured point contacts under the reciprocating motion, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 234(2) (2020) 229-246.
[9] G. Caramia, G. Carbone, P. De Palma, Hydrodynamic lubrication of micro-textured surfaces: Two dimensional CFD-analysis, Tribology International, 88 (2015) 162-169.
[10] J. Han, L. Fang, J. Sun, S. Ge, Hydrodynamic lubrication of microdimple textured surface using three-dimensional CFD, Tribology transactions, 53(6) (2010) 860-870.
[11] D. Gropper, T.J. Harvey, L. Wang, Numerical analysis and optimization of surface textures for a tilting pad thrust bearing, Tribology International, 124 (2018) 134-144.
[12] D. Gropper, T.J. Harvey, L. Wang, A numerical model for design and optimization of surface textures for tilting pad thrust bearings, Tribology International, 119 (2018) 190-207.
[13] R. Rahmani, H. Rahnejat, Enhanced performance of optimised partially textured load bearing surfaces, Tribology International, 117 (2018) 272-282.
 [14] X. Meng, C. Gu, Y. Xie, Elasto-plastic contact of rough surfaces: a mixed-lubrication model for the textured surface analysis, Meccanica, 52(7) (2017) 1541-1559.
[15] M. Rom, S. Müller, An effective Navier-Stokes model for the simulation of textured surface lubrication, Tribology International, 124 (2018) 247-258.
[16] M. Taee, A. Torabi, S. Akbarzadeh, M. Khonsari, M. Badrossamay, On the performance of EHL contacts with textured surfaces, Tribology Letters, 65(3) (2017) 85.
[17] X.-L. Yan, Y.-Y. Zhang, G.-X. Xie, X.-Q. Du, F. Qin, Effects of texture orientation on the mixed thermal elastohydrodynamic lubrication and fatigue life in point contacts, Journal of Tribology, 141(1) (2019).
[18] B.J. Hamrock, S.R. Schmid, B.O. Jacobson, Fundamentals of fluid film lubrication, CRC press, 2004.
[19] G. Stachowiak, A.W. Batchelor, Engineering tribology, Butterworth-Heinemann, 2013.
[20] B. Antoszewski, The effect of laser surface texturing on frictional performance of sliding pair, Zeszyty Naukowe/Akademia Morska w Szczecinie, (2012) 14-18.
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 53، شماره 5 (Special Issue)
مرداد 1400
صفحه 3201-3212

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار