Cavitation and film formation in hydrodynamicallylubricated parallel sliding contacts
Kavitation und schmierfilmverhalten in geschmierten hydrodynamischen parallelen kontakten
- Tez No: 759294
- Danışmanlar: PROF. DR. GERHARD POLL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 155
Özet
Kavitation beeinflusst die Druckverteilung und den Schmierfilmaufbau in hydrodynmaischen geschmierten Kontakten und somit auch das Lasttragvermögen. In der vorliegenden Arbeit wird der Schmierfilmaufbau in nominell parrallelen Gleitkontakten mit dem Schwerpunkt Kavitation experimentell und numerisch untersucht. Das Reibmoment, die Kontakttemperaturen und die Schmierfilmdicke wurden in strukturierten und unstrukturierten Rechteckdichtungen gemessen. Die strukturierten Dichtungen waren heribei mit Tförmigen Strukturen in der axialen Kontaktfläche versehen. Die Experimente zeigten hierbei, dass die strukturierten Dichtungen niedrigere Reibung lieferten. Hierbei zeigten sich besonders bei höheren Geschwindigkeiten niedrigere Reibmomente und korrelierende niedrigere Kontakttemperaturen im Vergleich zu unstrukturierten Dichtungen. Mithilfe Laser induzierter Fluoreszenz (LIF) wurde die Kavitation optisch betrachtet und die Schmeirfilmdicke gemessen. In strukturierten Dichtkontakten konnte eine Konzentration der Kavitation innerhalb der divergierenden Strukturhälften beobachtet werden. In den unstruktureierten Dichtungen wurde Kavitation in kleinen zufällig verteilten Bereichen auf der Oberfläche erkannt. Hierbei konnten die Orte Unregelmäßigkeiten der Oberfläche, sowohl Makro- und Mikroskopisch, zugeordnet werden. Der Anteil der Kontaktfläche auf der Oberfläche steigt mit steigender Geschwindigkeit im Bereich der Mischreibung an. Im Gebiet der Vollschmierung findet die Ausbreitung nicht mehr mit derselben Geschwindigkeitsabhängigkeit statt. Sowohl Kavitationsausbreitung als auch Schmierfilmdicke sind hierbei von der Schmierstofftemperatur abhänging und nehmen mit steigender Temperatur ab. Die Schmierfilmdicke korreliert hierbei mit dem Kavitationsanteil auf der Oberfläche der Dichtungen. Weiterhin wurden zur Beobachtung der lokalen Effekte Messungen mittels Inrarotthermografie durchgeführt. Somit wurde die Entstehung und räumliche Verteilung der Erwärmungen im Kontakt ermittelt. Hierbei zeigte sich in den strukturierten Dichtungen eine Erwärmung im Bereich, der dem Auftreten der Kavition entspricht. Unstrukturierte Dichtungen erwärmten sich in Flecken, die über den gesamten Kontaktbereich verteilt waren. Eine numerische Modellierung der Kontakte wurde durchgeführt. Hierzu wurde die Reynoldsgleichung mit dem masseerhaltendenden Kavitationsmodell von Jakobsson-Floberg-Olsson genutzt, welches mittels Fischer-Burmeister-Newton Algorithmus gelöst wurde. Die Ergebnisse wurden mit den Experimentellen Ergebnissen abgeglichen und validiert. Anschließend wurden Effekte und Einflüsse einzeln und detaillierter betrachtet. Es wurden die Einflüsse der Strukturierung, makroskopischer Oberflächeneigenschaften, Welligkeit, Verkippen der Dichtung und Kavitationsdruck untersucht. Bei Einbeziehung der gemessenen Kontakttemperaturen konnten die gemessenen Schmierfilmdicken gut abgebildet werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Strukturierung einen hydrodynmaischen Druckaufbau begünstigt. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass makroskopische Oberflächenabweichungen die Kavitationsbildung und damit den Druckaufbau deutlich beeinflussen. Es ist zur genaueren Vorhersage der Schmierfilmbildung in derartigen Systemen notwendig diese Makroabweichungen zu berücksichtigen. In den untersuchten strukturierten Dichtungen überwiegen die Effekte der Strukturen über den durch Welligkeit und Verkippung der Dichtung erzeugtem Druckaufbau. Aus der Studie des Kavitationsdruckes konnten in Verbindung mit den Experimenten realistische Werte ermittelt werden. Es wurde die Beeinflussung des Schmierfilmaufbaus gezeigt durch den Kavitationsdruck gezeigt. Die Anwendung des numerischen Modells auf weitere technische System wurde erarbeitet. Hierbei wurde der Einfluss von Strukturen bei einer Flügelzellenpumpe gezeigt. In der Anwendung einer nominell parallelen Gleitpaarung wurde eine Erweiterung zur Berücksichtung der Rauheiten erstellt. Hierbei werden die Wechselwirkungen zwischen Rauheit und Kavitation sowie deren Beitrag zur Schmierfilmbildung herausgearbeitet.
Özet (Çeviri)
Cavitation and Film Formation in Hydrodynamically Lubricated Parallel Sliding Contacts Cavitation influences the pressure distribution in hydrodynamically lubricated contacts and therefore also the load carrying capacity. Film formation in parallel sliders is investigated experimentally and numerically by focusing on its relationship with cavitation. Friction torque, contact temperature and film thickness measurements are conducted on textured and non-textured rectangular face seals. The textured seals have bidirectional structures ('T-shape' structures) on their axial faces. It is found that the textured seals have a better performance. The friction torque and the contact temperatures of the structured seals are lower at high speeds. Cavitation is observed and film thickness measurements are performed by using the laser induced fluorescence method. Cavitation forms in the divergent zones of the structures for the structured seals. Cavitation is randomly distributed over the seal interfaces of the standard seals and it seems to occur due to macro and micro surface irregularities. The cavitation area ratio increases rapidly with speed in the mixed lubrication regime. In the hydrodynamic regime, the change in cavitation with speed becomes small. Both the film thickness and the cavitation area ratio decrease with increasing sump temperature and pressure. There is a strong correlation between lubricant film thickness and cavitation. Local contact temperatures over the sealing contact are observed via infrared thermography. The structured seals heat up near cavitation zone. The standard seals warm in patches on their axial faces. It is observed that structuring can generate cooling effect. Hydrodynamic film formation is modelled based on cavitation by a mass conservative JakobssonFloberg-Olsson cavitation model solved using the Fischer-Burmeister-Newton algorithm. The numerical results are validated via the experiments. Influences of structuring, macro surface irregularities, waviness, radial taper, and cavitation pressure are investigated. Experimental and numerical results correlate well in the hydrodynamic regime when realistic contact temperatures and realistic cavitation pressures are taken into account. It is shown that surface structuring can generate a considerable hydrodynamic load support. The manufactured surfaces of the seals influence pressure generation and cavitation. Therefore, it is necessary to consider the manufactured surfaces to predict the cavitation and film formation accurately. For the current application, surface structures are found to be more dominant on film formation than waviness and radial taper. A variation of the cavitation pressure showed that increasing cavitation pressure can result in higher film thicknesses and lower cavitation sizes. Comparison of these results with the results from optical experiments enabled a prediction of a feasible cavitation pressure for the system. Furthermore, the implementation of the numerical model for other applications is described. Surface structuring of a vane pump is analysed. Here, dimple like structures are investigated. The numerical model is further extended and roughness is considered in the application of nominally flat sliding contacts. Thus, first attempts to understand the influence of roughness on film formation and interasperity cavitation are described.
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