通过xflow流体仿真软件优化齿轮箱效率-凯发网站

对更高效率、更低噪音和更长寿命的工业齿轮装置的需求不断增长。供应商被迫设计设备以降低运营成本和资本支出。

 

工业齿轮装置的系统效率是通过评估功率损耗来估算的，功率损耗可分为负载相关损耗和空载相关损耗。传递扭矩时，齿轮和轴承会产生与负载相关的齿轮功率损耗，而空载损耗则是齿轮箱部件在润滑剂中受到阻力的结果。 

 

 

 

对于任何变速箱设计者来说，减少所有损失，同时确保油在任何操作条件下到达关键位置都不是一个简单的平衡。达索系统提供集成在统一体验中的强大建模和仿真工具 ( modsim )，帮助设计人员应对这一挑战。

 

齿轮箱润滑设计的挑战

对任何工业齿轮箱行为的理论预测解决起来都很复杂，因为流体力学问题与两相流、其界面以及它们与任意数量的旋转部件的相互作用有关。需要对不同的操作条件进行广泛的实验测量，但可能会导致经验或半经验公式即使设计变化很小也显示出很大的偏差。

 

物理测试可以提供准确的信息，以高成本实现最终的生产设计。然而，有时，由于错误的假设、实验设计错误或仅仅因为无法衡量关键绩效指标 (kpi)，他们无法生成适当的数据。

 

 

 

数值模拟可以减少物理测试的数量，为关键绩效指标（如润湿面积、搅拌损失或温度分布）提供定量预测，而这些指标很难或不可能通过实验测量。这可以缩短开发时间和成本，并降低设计变更成本更高的后期失败风险。

 

齿轮箱的搅动损失

搅拌损失是一种复杂的现象，在考虑齿轮装置的飞溅润滑时会产生显着的空载损失。在这种润滑中，部件浸入油浴中，并通过旋转将油“溅”入必要的室中。

 

搅拌损失的大小取决于油位、粘度和转速。调整油位，使齿轮齿在工作条件下不会完全浸入油浴中。否则，会因油浴的搅动而导致过多的损失。另一方面，当通过使用不同的润滑剂或升高温度来降低润滑剂的粘度时，搅拌损失会减少。然而，粘度必须保持足够高，以将摩擦系数保持在安全范围内。最后，除了飞溅模式的明显变化之外，适度的转速会引起油曝气，从而改变有效油粘度并增加流体体积，从而增加油位。

 

对于高速工业齿轮箱，仅使用飞溅润滑会因所需的油位和转速而导致极高的搅拌损失。因此，它们还包括通过指向接触表面的喷嘴进行喷射润滑。这是另一个设计挑战，因为离心力会使油流偏转。

 

 

风阻效应使油流偏转。

 

湿润区域和飞溅图案

任何类型润滑方法的一个常见 kpi 是所有操作条件下的油分布。需要这样做的原因有很多：调整油浴液位、优化喷嘴质量流量和方向、分析热对流等。

 

 

平均场的仿真可视化可帮助用户在任何操作条件下进行齿轮箱分析。

 

即使对于中等转速，由于高速油溅，油分布的实验测量也需要高速相机和图像后处理。数值模拟消除了实验过程中相机位置固定的限制，提供了更大的分析灵活性。

 

齿轮箱油温热分析

齿轮箱的功率损耗主要转化为热量，因此使用适当的冷却系统至关重要。否则油温会升高，失去其理想性能并导致系统故障。

 

为了在受控条件下获得准确的数据，润滑实验测试通过油冷却器系统使油保持恒温。

 

使用类似的数值模拟方法，可以在流动以及固体旋转和固定几何形状的恒定温度假设下求解复杂的流场。一旦气流在几秒钟内收敛，就可以使用对流传热系数 (htc)来分析组件的加热情况。

 

 

无需解决温度的缓慢演变以及快速收敛流，从而实现快速、准确的热分析。

 

齿轮箱润滑的数值模拟

考虑到齿轮箱及其润滑系统设计的复杂性，需要大量的设计迭代是可以理解的。物理测试需要投资并且只能提供有限的信息——计算机辅助工程（cae）工具提供了降低运营成本和资本支出的可能性。

 

有许多模型和离散化方法。这些应用的主要方法是采用有限体积法 (fvm)或平滑粒子流体动力学 (sph)离散化方法的纳维-斯托克斯 (ns)方程，以及格子玻尔兹曼方程/方法 (lbm)。

由于可以根据几何曲率调整离散化，纳维-斯托克斯有限体积法 (fvm) 使用户能够准确捕获流动分离。然而，计算域的拓扑变化或大的元件变形（例如流体在齿轮齿之间被挤压）需要问题简化和顺序模拟。

 

平滑粒子流体动力学 (sph) 特别适合交互式应用程序和具有大运动的瞬态应用程序。尽管它对于润滑应用来说可能是一个不错的选择，但它仅限于以具有竞争力的计算成本和精度求解一个阶段。

 

simulia xflow遵循 lbm 方法，该方法擅长跟踪任意移动部件，并且由于计算域的自动笛卡尔离散化，预处理工作量较低。与 sph 不同，lbm 可以在不损失性能或精度的情况下获得多相解。使用 xflow，可以模拟和可视化任何速度下空气和油的行为，揭示因速度而无法用肉眼看到的影响。

 

结论

齿轮箱内润滑的精确分布对于确保高效性能和长期可靠性至关重要。油流具有复杂的行为，很难使用物理测试进行分析。统一建模和仿真 ( modsim ) 揭示了齿轮箱润滑的特性，并允许工程师分析和优化性能。

 

通过找到搅拌和安全操作之间的最佳粘度权衡，可以最大限度地减少损失。通过模拟快速计算的关键润滑 kpi 可确保正确的油浴液位和喷嘴位置以及热性能。simulia xflow 提供强大而准确的润滑模拟工作流程。在格子玻尔兹曼方法的支持下，即使在齿轮之间的狭窄空间中，它也可以有效地模拟油的流动，从而对变速箱效率进行实际分析。

 

xflow 仿真可加速齿轮箱效率分析，并降低在测试后期或使用过程中发现问题的风险。modsim 降低了开发成本并缩短了上市时间，使制造商能够在竞争激烈的市场中保持领先地位。