Kandó Kálmán Doktori Iskola  

BME Közlekedés- és Járműmérnöki Kar, Vasúti Járművek, Repülőgépek és Hajók Tanszék

Témavezető: Dr. Veress Árpád

Viszkózus torziós lengéscsillapítók feltöltési folyamatának vizsgálata

A kutatási téma néhány soros bemutatása

A nagyteljesítményű belső égésű motorok főtengelyén fellépő káros torziós lengések csillapítására és a motoralkatrészek kifáradásának elkerülésére viszkózus torziós lengéscsillapítókat alkalmaznak. Ezen csillapítóeszköz működése a benne található szilikonolaj viszkozitásának változásán alapul, amelynek nagysága leginkább a nyírási sebességtől és a hőmérséklettől függ. A kutatás célja az olaj reológiai tulajdonságainak kimérése és anyagmodelljének megalkotása, melynek felhasználásával lehetővé válik a lengéscsillapító feltöltési folyamatának és működésének költséghatékony vizsgálata, fejlesztése és optimalizálása korszerű numerikus áramlástani szimulációk segítségével. A numerikus úton nyert folyadékáramlási eredmények pontosságáról a kutatás keretében elvégzett neutronsugaras átvilágítással végrehajtott mérések segítségével lehet meggyőződni. A munka eredményeként nem csak a torziós lengéscsillapítók fejlesztési és gyártási ideje, illetve költsége csökkenthető, hanem minden olyan berendezésé, amelyben szintén a vizsgált szilikonolaj a munkaközeg.

 

A kutatóhely rövid bemutatása

 

A BME VRHT a „Műszaki számítások és járműipari alkalmazásai” c. kutatási területen több száz ipari, pályázati és kutatási projektben vett részt. A jelen kutatásban a Bay Zoltán Alkalmazott Kutató Intézettel, az MTA Központi Fizikai Kutatóintézetével, a Knorr-Bremse Fékrendszerek Kft.-vel és a Hasse & Wrede vállalattal működik együtt.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

 

Napjaink korszerű belső égésű motorjainak tervezésében megfigyelhető az a trend, ami a motor méreteinek és a hajtott tengely fordulatszámának csökkentésével jár. Ennek eredményeként jelentősen megnövekszik az átvitt nyomaték és a motor főtengelyének igénybevétele. A motor üzeme közben káros lengések alakulhatnak ki a tengelyen, amelyek közül a legveszélyesebbek a torziós lengések. A torziós lengések nemcsak a motortól vonnak el teljesítményt és növelik a fogyasztást, de a hajtásláncon keresztül átadódva a motor és kiegészítő alkatrészeinek idő előtti, fáradásos törését idézhetik elő. [1]

A Knorr-Bremse vállalatcsoport Hasse & Wrede berlini székhelyű piacvezető együttműködő kompetenciaközpontja több évtizede foglalkozik torziós lengéscsillapítók tervezésével, fejlesztésével, gyártásával és forgalmazásával. Ezen berendezések alkalmazásával növelhető a motor élettartama azáltal, hogy a lengések elnyelésével egyenletesebbé válik a főtengely forgása. Ezen lengéscsillapítók viszkózus változata (lásd 1. ábra) a szilikonolaj nem-newtoni viszkoelasztikus tulajdonságára alapozva fejti ki csillapító hatást. A csillapítófolyadék csillapítási jellemzői, elsősorban a folyadék viszkozitása, változik az igénybevétel (nyírás) és a hőmérséklet hatására, amelyet a gyártási és az üzemszerű használat esetén is figyelembe kell venni.

A berendezés fejlesztése során – a virtuális prototípus előállításának előnyeit kihasználva – a geometriai optimalizáció alkalmazásával jelentősen csökkenthetők a tervezési, a gyártási és az üzemeltetési költség- és időszükségletek.

 

1. ábra: Viszkózus torziós lengéscsillapító felépítése [2]

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

 

A jelen kutatás célja a viszkózus torziós lengéscsillapítók i.) működésének és viszkózus olajjal történő feltöltési folyamatának mélyebb megértése, ii.) a fizikai jelenségekre hatást gyakorló paraméterek érzékenységének vizsgálata, iii.) a jelentős hatást kifejtő paraméterek kiválasztása, meghatározása és/vagy javítása a pontosság növelése, illetve a gyártási és működési folyamatok optimalizálása céljából.

A kitűzött célok elérésének érdekében elvégzendő 1.) a szilikonolaj nem-newtoni viselkedésének leírására alkalmas és mérési eredményeken alapuló matematikai modelljének (anyagmodell) előállítása, 2.) az egyszerűsített feltöltési folyamat valós térben, mérőberendezések segítségével való vizsgálata (mért feltöltési folyamat), 3.) továbbá a virtuális térben is korszerű numerikus áramlástani és termikus szimulációk segítségével való vizsgálata (szimulált feltöltési folyamat), miközben 4.) az anyagmodell paramétereinek további hangolásával minimálisra csökkentendő a mért és a szimulált feltöltési folyamat eredményei közötti különbség 5.) A pontos modell segítségével elvégezhető a működés és a feltöltés optimalizálása.

Az anyagtulajdonság és a feltöltési folyamat mérése során megoldást kell találni a.) a vizsgálatra kijelölt AK1.000.000 típusú nagy viszkozitású szilikonolaj reológiai mérésekor jelentkező Weissenberg-hatás [3], valamint b.) a tixotrópia [4] eredményekre gyakorolt hatásának helyes figyelembevételére; c.) a lengéscsillapító fémes, zárt geometriájának átvilágítására feltöltés közben és az olaj útjának követésére az eszköz belsejében; d.) az átvilágításhoz használt mintaalkatrész elkészítésére; valamint e.) a csillapító helyszíni feltöltését biztosító feltöltőberendezés kivitelezésére.

 

 

Módszerek

 

A reológia tudománya a folyadékok folyási és deformációs tulajdonságainak leírásával foglalkozik vegyészmérnöki és szilárdságtani ismeretekre alapozva. Rotációs reométer segítségével 0,1–100 Hz frekvenciatartományban szükséges az általam vizsgálni kívánt AK1.000.000 típusú nagy viszkozitású, nem-newtoni folyadékok csoportjába tartozó szilikonolaj reológiai jellemzőit (nyírófeszültség és viszkozitás a nyírási sebesség függvényében) meghatározni a 25–200 °C hőmérséklettartományban. A folyadékban nyírás hatására ébredő () nyírófeszültség és a () nyírási sebesség (nyírás mértéke) közötti nemlineáris kapcsolatot a () dinamikai viszkozitás fejezi ki az (1) egyenlet alapján [5].

                                                                                                                  (1)

 

A miskolci kutatóintézetben található Anton Paar Physica MCR 501-es rotációs reométerrel a 0,628 – 628 rad/s nyírási sebesség tartományban végzek kis amplitúdójú frekvenciapásztázó méréseket az olaj dinamikai viszkozitását leíró Carreau–Yasuda viszkozitásmodell (lásd (2) egyenlet) megalkotásához, ahol a meghatározandó modellparaméterek a következők: () zérus nyíráshoz tartozó viszkozitás; () végtelen nagy nyíráshoz tartozó viszkozitás; () időrelaxációs faktor; () viszkozitásátmenet- szélesség és () „Power Law”-index [6].

 

                                    (2)

 

A neutronradiográfia a modern anyagkutatás egyik legfejlettebb roncsolásmentes anyagvizsgálati módszerének számít, melynek lényege a vizsgálati tárgy neutronnyalábokkal való átvilágítása és az atomi struktúrákon szóródott vagy visszavert neutronok megfigyelése. Míg a röntgensugár csak az elektronfelhővel lép kölcsönhatásba addig a neutronsugár képes egészen az atommagig behatolni és egy olyan világot feltárni, amire a röntgen vagy bármi más, kontrollált körülmények között előállított sugárzás, eddigi ismereteink alapján, nem. Mivel a neutronnyaláb hidrogéntartalmú anyagokon (például víz vagy szilikonolaj) nehezebben hatol át, mint a fémeken, alkalmas arra, hogy a fémen „átlátva” követni tudjuk a folyadék mozgását a fémeszköz belsejében. [7] Ellenőrzött körülmények között neutronnyalábhoz egy működő atomreaktor blokkjának megcsapolásával lehet jutni.

A reológiai mérések eredményeiből megalkotott Carreau–Yasuda viszkozitásmodellt az Ansys Workbench környezetben működő, többfázisú áramlások számítására alkalmas Fluent almodulba implementálom. A neutronsugaras mérésnél használt mintadarab geometriájával és a mérési körülmények szoftverben történő beállításával tranziens áramlástani és termikus szimulációt készítek a feltöltési folyamatról. A véges térfogat elvén működő számítás során az áramlási tér nagyszámú és kis méretű úgynevezett ellenőrző térfogatokra lesz felosztva, amely térfogatok mindegyikén iteratív módon oldható meg a tömeg-, az impulzus- és az energiamegmaradás leírására szolgáló áramlástani alapegyenlet. A minden egyes cellára kiszámolt áramlástani paraméter figyelembevételével előáll a teljes áramlási téren értelmezett megoldás, köztük a nyomás-, a sebesség-, a hőmérséklet- és a viszkozitásmező, valamint a folyadékfront aktuális helyzete. [8]

Eddigi eredmények

 

Az AK1.000.000 szilikonolaj vizsgálata előtt előméréseket végeztem az AK600.000 szilikonolajjal, mivel ez az olaj kisebb viszkozitású és folyósabb, ezért rövidebb időt igényel a minta előkészítése (mérőpohárba öntés, buborékmentesítés és tisztítás). Az előméréseket a 0,1–100 1/s nyírásisebesség-tartományban 100 °C hőmérsékleten hajtottam végre 15 másodperces nyírási idővel. Az eredményekből kiderült, hogy különböző (ugyanabból az olajból vett) mintákkal dolgozva a mért eredmények kis szórással közel esnek egymáshoz, vagyis a mérések könnyen reprodukálhatók. Amennyiben kétszer hosszabb ideig (30 s) tart a nyírás a nyírási sebesség egy adott értékén, a viszkozitásváltozás meredekebb. Eltérő viszkozitáseredményeket kaptam abban az esetben is, ha a mintákat eltérő ideig hagytam pihentetni egy mérés után (a molekulaláncoknak időre van szükségük a regenerálódáshoz). A reológiai tulajdonságok időtől való függését tixotrópiának nevezzük, amelynek figyelembevétele megnehezíti az olaj viszkozitásváltozásának matematikai leírását. A szakirodalomban fellelhető mérési eredmények [9] felhasználásával létrehoztam az AK1.000.000 szilikonolaj 0-80 °C hőmérséklet tartományban érvényes Carreau–Yasuda-viszkozitásmodelljét, ami 9%-os relatív hibával adta vissza a mérési eredményeket. A lengéscsillapító mintadarabjának neutronsugaras átvilágítása előtt előméréseket végeztem annak kiderítésére, hogy milyen anyagból érdemes készíteni a tesztdarabot, ahhoz hogy az olaj a lehető legnagyobb mértékben láthatóvá váljon az eredményképeken. Az előmérések bebizonyították, hogy a nagy tömeggyengítési együtthatóval rendelkező fémek (úgymint a nikkel, mangán, króm, kobalt és vas) nemcsak nagymértékben felaktiválódnak és hosszú pihentetési időt idéznek elő, de a szilikonolajat is erősen takarják az eredményképeken (lásd 2. ábra bal oldala). Ellenben az alumínium házba helyezett szilikonolaj csepp láthatósága jelentős mértékben javul (lásd 2. ábra jobb oldala).

 

2. ábra: Szilikonolaj neutronradiográfiás képe vasöntvény (balra) és alumínium házban (jobbra)

 

A reológiai mérési eredmények felhasználásával előálló, AK1.000.000 olajra érvényes Carreau–Yasuda-viszkozitásmodell Ansys Fluent-be történő implementálásával és a neutronsugaras méréshez használt mintadarab CAD-modelljének létrehozása után 80 °C hőmérsékletű olajjal elkészítettem az első olajfeltöltési szimulációt a mintadarab negyedgeometriáján (lásd 3. ábra). A numerikus eredmények szerint 7,5 gramm szilikonolaj betöltéséhez 0,9 s időre van szükség. A betöltés során (balról jobbra haladva) az olaj viszkozitása folyamatosan növekszik, és a beáramlás lassul.

 

3. ábra: Szilikonolaj szétterjedésének numerikus szimulációja (piros – olaj, kék – levegő)

Várható impakt, további kutatás

 

Jelen kutatás eredménye reológiai méréseken alapuló, numerikus áramlástani szoftverbe implementálható nem-newtoni viszkozitásmodell kidolgozására alkalmas eljárásrendszer kifejlesztése és alkalmazása torziós lengéscsillapítók fejlesztésére és gyártás-optimalizálására. A módszertan nemcsak a járműiparban alkalmazható idő-, költség- és kapacitás-megtakarítás érdekében, hanem az élet minden olyan területén (pl. űrhajózás, egészségügy, egyéb ipari szegmensek), ahol szilikonolajat használnak munkaközegként. A neutronsugaras átvilágítási módszer először ebben a kutatásban kerül felhasználásra viszkózus közeg szétterjedésének nyomon-követésére. A fejlesztés eredményeit méréssel célszerű visszaellenőrizni a jelen munka folytatásaként. A szélesebb lefedettségi terület elérése miatt további vizsgálatokat szükséges elvégezni többféle olajtípusra, illetve a számítási eredmények ismeretében a felületi feszültség és a nedvesítő hatás meghatározása érdekében.

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk:

 

M. Venczel, Á. Veress: Introduction to Design and Analysis of Torsional Vibration Dampers in Vehicle Industry, International Journal of Engineering and Management Sciences, 4(1), 310–324, 2019. https://doi.org/10.21791/IJEMS.2019.1.39.

 

Venczel Márk, Dr. Veress Árpád: A viszkózus torziós lengéscsillapítók termikus vizsgálata hőmérséklet-csökkentés céljából, GÉP, 70, 38–42, 2019.

Link: http://real.mtak.hu/94180/ (2020.08.25.)

 

Márk Venczel, Árpád Veress: Model development with verification for thermal analysis of torsional vibration dampers, 17th International Conference of Numerical Analysis and Applied Mathematics, Rodosz, Görögország, Időpont: 2019. szeptember 23–28. Konferenciakiadvány: AIP Conference Proceedings, 2293, 200011, 2020. https://doi.org/10.1063/5.0026437

 

Hivatkozások:

 

[1]    Wojciech Homik: Diagnostics, maintenance and regeneration of torsional vibration dampers for crankshafts of ship diesel engines, Polish Maritime Research, 1(64) Vol 17, 62-68. oldal, link: https://content.sciendo.com/downloadpdf/journals/pomr/17/1/article-p62.xml (2020.08.25.) 

 

[2]    Hasse&Wrede: Visco damper, After Sales Service, Service flyer, Hasse&Wrede GmbH, Berlin, Germany. Link: https://www.hassewrede.com/media/documents/Serviceflyer.pdf (2020.08.25.)

 

[3]    Dealy, J.M.; Vu, T.K.P.: The Weissenberg effect in molten polymers, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics 1977, 3(2), 127–140. https://doi.org/10.1016/0377-0257(77)80045-1

 

[4]    Giorgia Bettin: Thixotropy - a review, lecture material, 2006. Link: https://nnf.mit.edu/sites/default/files/documents/sr-2006-1.pdf (2020.08.25.)

 

[5]    Malvern Instruments Worldwide: A Basic Introduction to Rheology, 2016. Link: https://cdn.technologynetworks.com/TN/Resources/PDF/WP160620BasicIntroRheology.pdf (2020.08.25.)

 

[6]    https://www.computationalfluiddynamics.com.au/tips-on-modelling-non-newtonian-fluid-viscosity/ (2020.08.25.)

 

[7]    https://nmi3.eu/news-and-media/neutron-imaging-past-present-and-future.html (2020.08.25.)

 

[8]    https://www.math.uci.edu/~chenlong/226/FVM.pdf (2020.08.25.)

 

[9]    Kőkúti, Z.; Dr. Czirják, A. Szilikonolaj nemlineáris viszkoelasztikus tulajdonságainak mérése és modellezése, PhD értekezés, Fizika Doktori Iskola, Szegedi Tudományegyetem, Műszaki és Anyagtudományi Intézet, Szeged, 2015. Link:

http://doktori.bibl.u-szeged.hu/2672/1/Kokuti_Zoltan_PhD_Ertekezes.pdf (2020.08.25.)