Βελτιστοποίηση τριβολογικής συμπεριφοράς ωστικών εδράνων λιπαινόμενων με ηλεκτρορεολογικά ρευστά

Abstract

Στο πλαίσιο της παρούσας εργασίας, εξετάζεται η δυνατότητα βελτιστοποίησης των τριβολογικών χαρακτηριστικών ωστικών εδράνων ολίσθησης τα οποία τροφοδοτούνται με λιπαντικό το οποίο παρουσιάζει χωρικά μεταβαλλόμενο ιξώδες. Η προσομοίωση των εδράνων γίνεται μέσα από τη θεώρηση ενός δισδιάστατου υπολογιστικού μοντέλου, και τη χρήση μεθόδων Υπολογιστικής Ρευστομηχανικής (CFD). Αρχικά, μελετάται έδρανο με ιδανικό λιπαντικό μέσο, το οποίο έχει διαφορετικό ιξώδες σε δύο διακριτές περιοχές του εδράνου. Διατυπώνονται τρία προβλήματα βελτιστοποίησης των παραμέτρων σχεδίασης του εδράνου, για τις περιπτώσεις (α) απλού κεκλιμένου πέλματος, (β) παράλληλου πέλματος με τεχνητή επιφανειακή τραχύτητα και (γ) παράλληλου πέλματος με υδροφοβικές ιδιότητες, με κύριο αντικειμενικό στόχο την ελαχιστοποίηση του συντελεστή τριβής. Καταδεικνύεται ότι, με χρήση χωρικά μεταβαλλόμενου ιξώδους, μπορεί να επιτευχθεί μεγάλη μείωση του συντελεστή τριβής για όλες τις εξεταζόμενες περιπτώσεις. Στη συνέχεια, για να επιτευχθεί η χωρική μεταβολή του ιξώδους, εξετάζεται ως μέσω λίπανσης ηλεκτρορεολογικό ρευστό, του οποίου το ιξώδες μπορεί να ελεγχθεί μέσω επιβολής ηλεκτρικού πεδίου. Παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά του ηλεκτρορεολογικού ρευστού, και μοντελοποιείται μαθηματικά η συμπεριφορά του. Στη συνέχεια, γίνεται αριθμητική επίλυση της ροής μεταξύ παραλλήλων πλακών, και τα αποτελέσματα της επίλυσης επαληθεύονται με βάση τις υπάρχουσες βιβλιογραφικές πηγές. Τέλος, με χρήση του επαληθευμένου μοντέλου του ηλεκτρορεολογικού ρευστού, επανεξετάζεται η περίπτωση του απλού εδράνου ώσης με συγκλίνουσες πλευρές. Παρατηρείται ότι καί στην περίπτωση αυτή, η μείωση του συντελεστή τριβής είναι σημαντική.

In the present work, the possibility of optimizing the tribological characteristics of thrust bearings lubricated with spatially-varying viscosity lubricants is investigated, based on Computational Fluid Dynamics (CFD) and optimization tools. First, a bearing operated with an ideal lubricant that exhibits different values of viscosity in two distinct regions of the domain is considered. Three optimization problems are set, corresponding to (a) a simple convergent slider, (b) a parallel slider with artificial surface texturing at part of the stator surface, and (c) a parallel slider with hydrophobic properties at part of the stator surface, aiming at minimization of friction coefficient. Simulations utilize a two-dimensional computational model. It is demonstrated that, by using spatially-varying viscosity, a substantial reduction of friction coefficient can be achieved for all the cases under consideration. Further, the possibility of using electrorheological fluids, whose viscosity can be controlled by imposing an electric field, is considered. First, the characteristics of electrorheological fluids are presented, and a numerical model is validated against literature results for a case of flow between parallel plates. Finally, the validated model is used for the case of a simple convergent slider, which is shown to exhibit a substantial reduction of friction coefficient.