（机械设计及理论专业论文）柴油机曲柄连杆机构流体动力润滑研究.pdf

，j c r a n k a s s e m b l y i nd i e s e le n g i n e b yz h a n gy a n w u s u p e r v i s o r ：v i c ep r o f e s s o rl is h e n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 二芏2 二 思。 学位论文作者签名：删 日 期：2 叼2 2 芎 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： t乞 天摘要 油机曲柄连杆机构流体动力润滑研究 摘要 目前，柴油机向着高强化、高速化、大扭矩化发展，使得气缸的爆发压力 急剧上升，对柴油机各个构件的要求也越来越高。柴油机曲柄连杆机构作为柴 油机主要的润滑部件，对它进行流体动力润滑方面的研究有助于我们了解柴油 机的摩擦和磨损状态，同时这也是构建柴油机完整动力环境的必要研究内容。 首先，在多体动力学分析理论的基础上，采用有限元法对曲轴模态进行了 计算，并与实际实验结果进行了分析验证，在此基础上以康明斯6 b t 5 9 柴油机 为研究对象，在a d a m s 中建立其多体动力学计算仿真模型，对主轴承载荷进 行了计算分析。 其次，在滑动轴承流体动力润滑理论基础上，筛选了适用于柴油机曲轴轴 承润滑的雷诺方程和相应的边界条件，同时采用有限差分法编程求解雷诺方 程；对荷氏法轴心轨迹计算模型进行改进，分析了油膜厚度；分析表明轴承相 对间隙、轴承宽度和油膜粘度都对轴承正常运行有重要影响。 第三，对润滑油的温度和粘度关系进行了分析并推导出r e y n o l d s 粘温方 程。通过对轴承消耗功率和润滑油流量的分析，提出了计算轴承温升的计算流 程并编写计算程序，分析表明轴承温升对曲轴轴承的正常运转影响很大。 第四，在滑动轴承实验台上研究了滑动轴承在不同转速、不同载荷条件下 的润滑特性，对滑动轴承的摩擦特性、油膜压力分布以及轴承承载能力进行了 测量分析，实验结果证实了理论分析的正确性。 第五，对活塞运动过程和受力情况进行了分析，建立了活塞一缸套流体动 力润滑模型，对活塞裙部润滑油膜的承载力和油膜历程的计算方法进行了研 究，同时编写了计算程序。 最后，采用本文提出的分析方法和编写的计算程序，在额定工况下，计算 了康明斯6 b t 5 9 柴油机七个主轴承的轴心轨迹、最小油膜厚度、油膜反力、最 大油膜压力和轴承温升。同时也计算得出六个气缸活塞裙部润滑油膜的承载力 和油膜厚度的变化情况。计算结果表明，柴油机曲柄连杆机构的润滑状况对柴 油机的正常运行影响很大，它们直接影响到柴油机整体的可靠性和耐久性。 关键词：柴油机；摩擦：动力润滑；油膜；滑动轴承；活塞 i i - f 7 j j l j 东北大学硕士学位论文a b s t r a c t r e s e a r c ho nh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o no f cr a n k a s s e m b l yi nd i e s e le n g i n e a bs t r a c t a tp r e s e n t ，t h ed i e s e le n g i n ed e v e l o p st o w a r dh i g hi n t e n s i t y , h i g h s p e e da n d h i g ht o r q u ed e v e l o p m e n t i tm a k e st h ei n c y l i n d e rp r e s s u r er i s es or a p i d l yt h a tt h e d e m a n d so ft h ev a r i o u sd i e s e l e n g i n ec o m p o n e n t si n c r e a s eh i g h e ra n dh i g h e r c r a n ka s s e m b l yi sac r i t i c a ll u b r i c a t i o nc o m p o n e n ti nd i e s e le n g i n e ，s oi t av e r y u s e f u lt od or e s e a r c ho nh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o no fc r a n ka s s e m b l y t h er e s e a r c h a c h i e v e m e n to ft h et h e s i sp r o v i d e sf o u n d a t i o nt ou n d e r s t a n dt h ef r i c t i o na n dw e a r s t a t eo fd i e s e le n g i n e b e s i d e si t san e c e s s a r ys t e pt ob u i l dt h e d y n a m i c e n v i r o n m e n to fd i e s e le n g i n e f i r s to fa l l ，t h ep r e s e n ts t a t u so ft h em u l t i b o d yd y n a m i c a lt h e o r yi sr e v i e w e d t h ec r a n k s h a f tm o d ei sc a l c u l a t e du s i n gf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，a n dt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o nr e s u l t sc o m p a r ew i t ht h ea c t u a le x p e r i m e n t a ld a t e s t h em u l t i b o d y d y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lo f6 b t 5 9c u m m i n sd i e s e le n g i n e i se s t a b l i s h e d m a k i n gu s eo fa d a m s t h em a i nb e a r i n gl o a d sa r ec a l c u l a t e d s e c o n d l y , o nt h eb a s i so ft h eh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o nt h e o r yo ns l i d i n g b e a r i n g ，t h er e y n o l d se q u a t i o na n dt h ec o r r e s p o n d i n gb o u n d a r yc o n d i t i o n ，t h a ta r e a p p l i c a b l et oc r a n k s h a f tb e a r i n g so fd i e s e le n g i n e ，a r ep u tf o r w a r d t h er e y n o l d s e q u a t i o ni sc a l c u l a t e di nu s eo ft h ef i n i t ed i f f e r e n c em e t h o df o rp r o g r a m m i n g t h e o i lf i l mp r e s s u r eo nt h eb e a r i n ga n db e a r i n gl o a da r ea n a l y z e d t h eh o l l a n d m e t h o di s i m p r o v e d c o m b i n e dw i t hd i e s e l e n g i n e c r a n k s h a f t d y n a m i c a l c h a r a c t e r i s t i c s t h i r d ，t h er e l a t i o no ft h eo i lv i s c o s i t ya n dt e m p e r a t u r ei sa n a l y z e d ，a n dt h e e q u a t i o no fv i s c o s i t y t e m p e r a t u r ei ss e tu p t h r o u g ha n a l y z i n ga n dc a l c u l a t i n gt h e b e a r i n gw a s t i n gp o w e ra n do i lf l u x ，t h ec a l c u l a t i o np r o c e s so fb e a r i n gt e m p e r a t u r e i sp u tf o r w a r d t h ef a c t o r sa f f e c t i n gb e a r i n gt e m p e r a t u r ea r ea n a l y z e d f o u r t h ，u n d e rs o m ew o r kc o n d i t i o n s ，t h el u b r i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs l i d i n g b e a r i n g a r es t u d i e di nt h eu s eo f s l i d i n gb e a r i n gt e s t b e d t h e f r i c t i o n c h a r a c t e r i s t i c ，o i lf i l mp r e s s u r ea n db e a r i n gc a p a c i t yo fs l i d i n gb e a r i n ga r e i i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t m e a s u r e da n da n a l y z e d i t ss h o w nt h a tt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sa r ec o i n c i d e n t w i t ht h et h e o r e t i c a la n a l y s i s f i f t h ，w i t ht h es t u d yo fd y n a m i ce n v i r o n m e n to fp i s t o ni n d i e s e le n g i n e ，t h e h y d r o d y n a m i c l u b r i c a t i o nm o d e lo fp i s t o ni sf o u n d e d t h eo i lf i l mb e a r i n g c a p a c i t ya n do i lf i l mc o u r s eo ft h ep i s t o ns k i r ta r ed i s c u s s e d f i n a l l y , b a s e do nt h el u b r i c a t i o nm o d e la n ds i m u l a t i o nm e t h o dp r e s e n t e d 、 a b o v e ，t h et r i b o l o g i c a lb e h a v i o r so f6 b t 5 9c u m m i n sd i e s e le n g i n ea r ea n a l y z e d u n d e rr a t e dw o r kc o n d i t i o n t h e j o u r n a lc e n t e rl o c u s ，m i n i m u mo i lf i l mt h i c k n e s s ， o i lf i l mf o r c e m a x i m a lo i lp r e s s u r ea n do i lf i l mt e m p e r a t u r eo fs e v e nm a i n b e a r i n g sa r ec a l c u l a t e di n aw o r kc y c l eo fd i e s e le n g i n e ，a sa l s ot h eo i lf i l m b e a r i n gc a p a c i t ya n do i lf i l mc o u r s eo fs i xp i s t o ns k i r t sa r ec a l c u l a t e d i t ss h o w n t h a tf r i c t i o np e r f o r m a n c eo fc r a n ka s s e m b l yi nd i e s e le n g i n eh a v ed i r e c te f f e c to n t h er e l i a b i l i t ya n dd u r a b i l i t yo fd i e s e le n g i n e k e yw o r d s ：d i e s e le n g i n e ；f r i c t i o n ；h y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i o n ；o i lf i l m ；s l i d i n g b e a r i n g ；p i s t o n i v 目录 a b s t r a c t i i i 第1 章绪论l 1 1 引言1 1 2 柴油机曲柄连杆机构润滑研究概况1 1 2 1 曲轴一轴承摩擦副研究状况2 1 2 2 缸套一活塞摩擦副研究状况3 1 2 3 缸套一活塞环摩擦副研究状况4 1 3 本课题的研究背景和意义5 1 3 1 课题研究背景5 1 3 2 课题研究意义5 1 4 本文的研究内容和结构6 1 5d 、结6 第2 章柴油机曲轴轴承载荷计算分析7 2 1 引言7 2 2 多体动力学分析理论简介7 2 2 1 多刚体系统动力学相关概念7 2 2 2 多柔体系统动力学相关概念”9 2 3 柴油机曲轴模态分析l0 2 3 1 曲轴有限元模态计算1 0 2 3 2 曲轴实验模态分析1 3 2 4 六缸柴油机曲轴轴承载荷计算分析1 5 2 4 1 曲轴轴系多体动力学仿真计算模型l5 2 4 2 主轴承载荷计算1 7 2 5 小结2 2 第3 章曲轴轴承流体动力润滑分析2 3 v 一 东北大学硕士学位论文目录 3 1 引言2 3 3 2 流体动力润滑基本理论2 3 3 3 滑动轴承流体动力润滑分析2 6 3 3 1 雷诺方程及其边界条件2 6 3 3 2 雷诺方程的求解2 8 3 3 3 油膜承载力与作用角3 0 3 3 4 轴心轨迹仿真算法3 1 3 3 5 油膜厚度分析3 5 3 4 曲轴轴承润滑性能影响因素“3 6 3 4 1 轴承相对间隙对润滑性能的影响3 6 3 4 2 轴承宽度比对润滑性能的影响3 7 3 4 3 润滑油粘度对润滑性能的影响3 7 3 5 小结3 8 第4 章曲轴轴承热平衡分析3 9 4 1 引言3 9 4 2 温度与粘度关系3 9 4 3 消耗功率计算模型分析4 0 4 4 润滑油流量计算模型分析4 3 4 4 1 旋转流量计算模型分析4 3 4 4 2 供压流量计算模型分析4 4 4 5 轴承温升计算程序4 4 4 6 j 、结4 6 第5 章滑动轴承性能实验研究4 7 5 1 引言4 7 5 2 实验系统4 7 5 2 1 实验装置结构简介4 7 5 2 2 实验装置参数确定4 8 5 2 3 实验原理分析4 9 5 3 实验方案设计4 9 5 4 实验结果与分析5 0 5 4 1 摩擦特性分析5 0 5 4 2 油膜周向压力分布研究5 3 5 4 3 油膜承载力分析5 4 v i 目录 5 5 小结5 5 第6 章活塞一缸套流体动力润滑分析5 7 6 1 引言5 7 6 2 活塞动力学分析”5 7 6 3 活塞一缸套流体动力润滑模型研究6 0 6 4 润滑油膜历程分析6 3 6 5d 、结6 4 第7 章康明斯柴油机曲柄连杆机构流体动力润滑分析6 5 7 1 引言6 5 7 2 曲轴轴承摩擦学分析6 5 7 2 1 主轴承轴心轨迹6 5 7 2 2 主轴承最小油膜厚度6 7 7 2 3 主轴承油膜反力6 9 7 2 4 主轴承最大油膜压力7 1 7 2 5 主轴承温升计算7 2 7 3 活塞一缸套摩擦学分析7 4 7 3 1 活塞润滑油膜承载力7 4 7 3 2 活塞润滑油膜历程一1 7 5 7 4 小结7 7 第8 章结论与展望7 9 8 1 本文主要研究内容7 9 8 2 本文的主要结论8 0 8 3 对本课题研究方向的展望“8 0 参考文献8l 致谢8 4 v i i t 北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 引言 第1 章绪论 柴油机是一种量大面广的动力机械，它具有热效率高、重量轻、功率范围 广等优点【l 】，在内燃机车、船舶、车辆以及工程机械上被广泛使用，而它运 行状态的优劣直接影响其动力性、经济性和可靠性。柴油机在运行过程中，随 着零部件的磨损和老化，特别是润滑部件的失效，会加剧柴油机功率损失并导 致出现突发性的故障，直接或间接造成巨大的经济损失，造成极为严重的后果 【2 】。因此，柴油机的运行状况在很大程度上都与其润滑状况密切相关，其性能 的提高离不开对柴油机中润滑问题的深入研究。 1 2 柴油机曲柄连杆机构润滑研究概况 目前国际上使用的柴油机绝大部分为往复式活塞发动机。尽管其排列方式 和气缸数量不一，但其工作原理和摩擦副的位置和形式基本相同，其中最核心 的运动部件就是曲柄连杆机构。 图1 1 曲柄连杆机构简图 f i g 1 1d i a g r a mo fc r a n ka s s e m b l y 柴油机的曲柄连杆机构简图如图1 1 所示，主要包括气缸、活塞、连杆、曲 轴以及主轴承，其中活塞头部还有活塞环用来密封气体。柴油机通过曲柄连杆 机构，将活塞的往复运动转换为曲轴的回转运动，使气缸内燃油燃烧所产生的 热能转变为曲轴输出的机械功。柴油机曲柄连杆机构中主要存在两种摩擦副： 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 回转运动摩擦副，如曲轴一轴承摩擦副；往复运动的摩擦副，如缸套一活塞摩 擦副，缸套一活塞环摩擦副。这两种摩擦副的工作性能与其润滑状况密切相关， 国内外学者对它们都进行了很多研究，现阐述如下。 1 2 1 曲轴一轴承摩擦副研究状况 对曲轴一轴承这对摩擦副的研究主要是对滑动轴承润滑的分析研究。早在 1 8 8 6 年r e y n o l d 在t o w e r 的机车轮轴轴承试验的基础上，根据流体力学的基本理 论，导出了流体润滑的基本方程，为现代流体润滑理论奠定了基础。随着数值 计算技术的提高和流体润滑理论本身的发展，上世纪5 0 年代以后，人们开始进 行研究动载荷轴承的油膜压力和轴心轨迹。其中，最具代表性的算法有h a h n 提出的压力叠加法，h o l l a n d 提出的承载力矢量叠加法和b o o k e r 提出的迁移率 法。迁移率法由于求解轴心运动时不需要求解r e y n o l d s 方程，所以求解速度快， 并具有一定的精度，在英美等国被广泛使用。 对于滑动轴承，如何确定油膜压力的起点和终点，一直是一个复杂的问题。 常用的边界条件有三种：s o m m e r f e l d 边界条件，半s o m m e r f e l d 边界条件和 r e y n o l d s 边界条件，而r e y n o l d s 边界条件被认为是最合理的边界条件，并得到 广泛采用。1 9 8 1 年e l r o d 提出了质量守恒的空穴算法”】，这种算法保证了油膜边 界的质量守恒，克服了r e y n o l d s 边界条件仅在油膜破裂满足流量的质量守恒的 缺点。1 9 9 0 年，p a r a n j p e 等人首次用质量守恒算法对内燃机曲轴轴承进行性能 分析，并与用雷诺边界条件下计算的结果比较，发现两种算法所求得的最大油 膜压力与最小油膜厚度都相近，但用质量守恒算法计算出的空穴区要大得多， 且流量也大不相同。此外，研究表明【4 5 】，采用质量守恒算法可以更精确地预测 流量、流速和功耗。 为了使轴承的润滑分析更接近于工程实际，后来人们又把表面形貌、热效 应、弹性变形和润滑剂变形等诸多因素考虑进来进行分析。在对表面形貌因素 研究方面，1 9 9 3 年，复旦大学裘祖干【6 】等用c h r i s t e n s e n 的随机模型对有限长动 载粗糙轴承进行了润滑分析，推导出了纵向粗糙度和横向粗糙度的雷诺方程以 及相应承载力流量系数和摩擦系数公式。 对轴承进行的热流体动力润滑分析又简称t h d 分析。1 9 8 8 年，o t t 等首次 对动载轴承进行了t h d 分析，并且计入了入口区的回流效应。随后在1 9 9 6 年， p a r a n j p e 7 】研究了内燃机轴承的性能，发现油膜温度随时间和位置变化明显， 他提出了一个计算油膜有效温度的简便t h d 分析方法。在此基础上，h i r a n i 8 】 等于2 0 0 0 年应用复合计算法对内燃机轴承进行了t h d 分析。 此外，连杆轴承德结构刚度有限，分析中需要考虑轴承工作表面的弹性变 形对油膜压力分布和油膜承载力的影响。1 9 8 5 年，o h 和g o e n k a 9 】用弹流润滑理 - 2 第1 章绪论 论求解动载轴承，得到了与刚性表面模型不同的结果。1 9 9 0 年，b a t e s 等 1 0 1 对 一台高速汽油机的连杆轴承进行了弹流润滑计算，并对比了试验结果，分析了 曲轴转速和润滑剂粘度的影响。1 9 9 5 年，d z a s a 等【1 1 】对柴油机连杆轴承进行了 弹流润滑分析与试验对比，分析中考虑了体积力产生的变形和油孔影响。19 9 9 年，g a r n i e r 等【1 2 】提出了一个新的研究内燃机主轴承的弹流润滑模型，并同时 考虑了各轴承、机体和曲轴弹性变形的共同影响。 在对润滑剂的流变性研究方面，19 9 2 年p a r a n i p e t l 3 】研究了剪切变薄效应对 内燃机轴承润滑性能的影响，结果表明：对于一个存在典型剪切变薄效应的非 牛顿润滑油，当采用非牛顿模型进行计算时，其功耗比牛顿流体模型减少2 5 ， 最小油膜厚度减少3 0 ，最大油膜压力增大1 5 ，流量增加了2 5 - - 3 5 。1 9 9 7 年，w a i t e r s 【1 4 j 提出了一种研究润滑剂非牛顿性在内燃机轴承润滑分析中的重 要性的数值方法。 近年来随着计算条件的改善和研究的不断深入，人们已经开始进行综合考 虑表面形貌、热效应等多个因素的影响。国内的王晓力【l5 】于19 9 9 年提出了计入 表面形貌效应的内燃机主轴承热流体动力润滑的数学模型，获得了完全数值 解。2 0 0 0 年，p a r a n j p e 等 1 6 1 应用有限轴承理论对一台车用v 6 发动机轴承进行了 刚性和弹性流体动力润滑计算，其中刚性轴承计算考虑了多级发动机润滑油的 非牛顿体、质量守恒的穴蚀和平均热效应。 此外，在对于柴油机曲轴轴承润滑分析的实验研究方面，由于测试比较困 难，目前进行的研究还比较少。国外s h e l l 公司的h a t r i p p 等对轴承油膜厚度 进行了虚拟测试，d u c a iw a n g 等测试了连杆轴承的润滑油流量，1 9 9 7 年， k e n n e t hi r a n i 等【1 7 】对一台六缸柴油机的主轴承油膜厚度进行了测量。l9 9 1 年， 国内的周晓宇【ls 】测试了1 7 0 柴油机连杆大端轴承的轴心轨迹，并与h n h n 法计算 结果进行对比；随后武汉工学院的杨光兴等【l9 】详细测试了s 1 9 5 柴油机在不同负 荷及转速下轴心轨迹、轴承润滑油、进出油温、轴瓦温度、进油压力等参数； 2 0 0 4 年，吉林大学的程鹏【2 0 】采用电涡流传感器对s 19 5 型柴油机的轴心轨迹进行 了测试，并对测量误差进行了详细分析。总体来说，以上的测试还都是局限于 实验台上来进行，对实际的柴油机进行在线测试还难以做到，有待进一步的研 究。 1 2 2 缸套一活塞摩擦副研究状况 缸套一活塞系统是柴油机的核心组成部分，最早研究活塞运动的文献是 1 9 4 9 年，从此时到七十年代，人们所依据的分析模型主要是动力学平衡方程， 此时并没考虑缸套和活塞裙部间的流体动力润滑。后来人们观察到活塞裙部注 入润滑剂后发动机的噪声明显下降，开始越来越重视润滑对活塞动力学行为的 3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 影响。19 8 0 年，k n o l l 和p e e k e n 2 l 】分析了活塞裙部的润滑问题，求得了活塞在 往复运动过程中的某些特定位置的速度和流体动压，给出了流体承载能力的分 析结果。1 9 8 3 年f l i d e n n i s 和m r o h d e s t e v e t 2 2 】给出了较为全面的数值分析模 型，他们把活塞的平衡方程和流体润滑方程结合起来，计算出活塞随曲柄转角 变化7 2 0 0 的整个二阶运动轨迹和摩擦力，从而使人们认识到在油膜厚度间存在 着横向振荡运动。后来活塞和缸套的变形开始被考虑在内，1 9 8 7 年，k p o h ， c h l i 和p k g o e n k a 2 3 】用三维有限元法计算了活塞裙部的弹性变形，然后用 n e w t o n r a p h s o n 法进行迭代分析来探讨力变形和流体动力润滑之间的关系。 z h ud o n g 等人【2 4 】在1 9 9 2 年首次建立了活塞裙部与缸套间的混合润滑模型，其 中考虑了表面波度、粗糙度的影响。 多年来，国内的学者也对活塞的摩擦学特性进行了理论分析和实验研究。 1 9 8 6 年，臧权同【25 】从力平衡的角度考虑了活塞摇摆及其对缸套的冲击。1 9 8 9 年，姜恩沪等【2 6 】进行了活塞二阶运动的模拟分析。1 9 9 7 年，国内学者张家玺【2 7 】 通过实验对活塞裙部的润滑进行了分析。1 9 9 8 年，刘琨等【2 8 1 建立了缸套一活塞 的混合润滑模型，从而使国内在这一领域的研究前进了一步。王政【z 刿在1 9 9 9 年用三维有限元计算了活塞和缸套的稳态温度场、热变形以及活塞瞬态弹性变 形，从而使分析更接近实际情况，结果也更加准确。2 0 0 3 年，戴旭东【3o 】对缸套 一活塞进行了摩擦学与动力学行为耦合分析。 1 2 3 缸套一活塞环摩擦副研究状况 自s t a n t o nt e 1 9 2 5 年发表第一个摩擦力研究结果以来，人们围绕着气缸 壁一活塞环的摩擦及润滑问题也做了许多工作。r o g o w s k i ，a r 指出活塞连杆系 统的摩擦功耗可占到整个内燃机机械损失的7 5 ，而缸套一活塞环的摩擦功耗 又占活塞连杆系统的7 5 ，m i t 的学者们最先在点火内燃机上进行了缸套和活 塞间的摩擦力测量，得出了摩擦力随气体压力的增加略有增加的结果。后来， f a r r o s 和d y s o n 研究了不同粘度润滑油对摩擦力的影响以及在混合润滑区域减 摩添加剂的作用。w e k u r i 3 l j 指出贫油对摩擦力有巨大的影响，同时还探讨了环 组中活塞环数目的不同对摩擦力的影响以及缸套一活塞环间油膜厚度随粘度 的变化。在7 0 年代末期，f u r u h a m a 等人通过研制的可动缸测量摩擦力装置测得 了在整个内燃机工作循环中的摩擦力变化过程，提出了内燃机载荷主要由流体 润滑膜承担，而摩擦力主要受混合润滑区域影响的论断，这一重要论断已被后 来进一步的理论研究所证实。 由于气缸壁一活塞环间存在磨损，所以减少它们之间的磨损也成为摩擦学 研究的一个重要任务。n e a l c ，m j 在1 9 7 0 年发表文章阐述了缸套一活塞环一般的 磨损机理。基于a r c h a r d 磨损定律，t i n g 等人【3 2 】提出了一种分析缸套一活塞环磨 4 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 损的模型，分别计算了缸套上推力面和次推力面的磨损，得出了缸套磨损曲线。 国内的桂长林教授【33 】也提出了一种将a r c h a r d 模型用于机械零件磨损设计的算 法，并重点分析了缸套一活塞环的磨损问题。润滑是降低摩擦、减少磨损的重 要途径，因此人们对缸套一活塞环的润滑也进行了大量的研究。c a s t l e m a n 3 4 】 假定在冲程中部具有典型的载荷和速度，最先对缸套一活塞环流体润滑进行了 计算，证实了表面外凸的活塞环可以与缸套间产生足够厚的油膜。后来人们在 气缸壁一活塞环的润滑分析中把挤压效应考虑在内，用简化的r e y n o l d s 方程来 进行气缸壁一活塞环间的流体压力，油膜厚度和摩擦力的计算。1 9 7 9 年d o w s o n d 等人把气缸壁一活塞环的研究推广到了环组。进入八十年代，人们开始考虑 表面粗糙度的影响，r o h d e t 3 5 】通过把p a t i r 和c h e n g 提出的平均r e y n o l d s 方程与 g r e e n w o o d 和t r i p p 的微凸体接触模型结合起来，建立了关于缸套一活塞环的混 合润滑模型，从理论上证明了上、下死点处的摩擦力最大，解释了一些用光滑 面流体润滑理论解释不了的问题。国内学者刘棍等人【36 】在1 9 9 5 年建立了气缸壁 一活塞环的混合润滑模型，对其气缸壁一活塞环间的摩擦力进行了研究，并考 虑了表面粗糙度、微凸体接触以及活塞环装入缸套后的变形等因素的影响，使 国内在这一领域的研究前进一步。 1 3 本课题的研究背景和意义 1 3 1 课题研究背景 本人所在的东北大学设备诊断工程中心与辽河油田柴油机修理厂合作研 究开发z 1 2 v 1 9 0 b 柴油机工作状态监测仪；同时还与沈阳军区研究开发柴油发 动机故障预测诊断仪。本课题正是基于上述两个实际项目，对柴油机曲柄连杆 机构的流体动力润滑进行深入研究分析。 1 3 2 课题研究意义 柴油机是由诸多构件和运动副组成的复杂系统，特别是曲柄连杆机构运行 状态的好坏直接决定着设备的安全与否。因此，如何在线检测柴油机的常发性 故障成为目前故障诊断的一个热点问题。作为柴油机核心组成部分的曲柄连杆 机构是一个典型的复杂的摩擦学系统，其中几乎包含了所有类型的摩擦学行 为，而其流体动力润滑性能的好坏对柴油机的运行状况有极大的影响，直接影 响到柴油机的稳定性和可靠性，所以如何监测这些摩擦副的润滑状况，研究其 对柴油机整体性能的影响是非常必要的。同时，这些摩擦副中的润滑油膜反力 也是柴油机所受的主要激振力，因此对柴油机曲柄连杆结构进行流体动力润滑 分析也是构建柴油机完整动力环境的必须环节，这为进一步对柴油机进行动态 5 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 特性分析和响应计算奠定了理论基础。本文希望在前人工作的基础上，更加深 入的研究柴油机的摩擦学行为，尤其是曲柄连杆机构的流体动力润滑状况，从 而为更全面了解柴油机的运行状况提供参考。本课题的研究成果既可以作为柴 油机动力环境研究内容的有益补充，也可以对柴油机工作状态在线监测与故障 诊断提供有利的理论依据，具有重要的实际意义。 1 4 本文的研究内容和结构 本课题从柴油发动机性能检测、故障诊断的实际项目要求出发，着重研究 柴油机的摩擦学行为与其运行状况的关系。在研究过程中，根据先易后难，化 繁为简的原则，对研究过程中的次要因素忽略，对其主要因素重点研究。主要 研究内容和结构如下： ( 1 ) 结合有限元法和多体系统动力学仿真对柴油机曲柄连杆机构进行动力 学分析，利用a d a m s 和a n s y s 建立康明斯六缸柴油机曲轴轴系多体动 力学仿真模型，求解六缸柴油机主轴承的轴承载荷。 ( 2 ) 建立曲轴轴承流体动力润滑分析模型，采用有限差分法求解雷诺方程， 并通过m a t l a b 编制计算程序；通过对荷氏法进行改进计算轴心轨迹， 对轴承的油膜厚度进行分析；对影响轴承润滑性能的因素进行分析。 ( 3 ) 对曲轴轴承进行热平衡计算，通过分析轴承的消耗功率和润滑油流量 编制计算轴承温升的程序，对影响轴承温升的因素进行分析。 ( 4 ) 对滑动轴承的流体动力润滑进行实验验证，搭建实验系统和制定实验 方案，绘制摩擦特性曲线和油膜压力分布曲线，计算实验轴承的油膜 承载力。 ( 5 ) 建立活塞动力学方程，对活塞受力状况进行分析；建立活塞一缸流体 动力润滑分析模型，对其承载力和润滑油膜历程进行分析。 ( 6 ) 利用前面的分析方法和仿真计算程序和对康明斯6 b t 5 9 柴油机曲柄连 杆机构进行流体动力润滑分析。 1 5 小结 本章从论文选题的研究背景和意义出发，对柴油机曲柄连杆机构中摩擦副 的润滑研究发展概况进行了系统的归纳与阐述，重点介绍了曲轴一轴承摩擦 副，缸套一活塞摩擦副和缸套一活塞环摩擦副。在此基础了，结合本课题的研 究背景，提出了本文的研究内容和结构。 6 - 析 柴油机运转过程中，在连杆大头轴承和曲轴的连杆轴颈表面之间，以及主 轴承和曲轴主轴颈的表面之间是在力的作用下互相压紧并且相互作摩擦运动 的。因此，轴承载荷计算是轴承润滑计算的基础，应当掌握轴承和轴颈表面的 载荷情况，以便能够对柴油机曲轴轴承的润滑进行精确计算。目前，将有限元 方法和多体系统动力学仿真相结合来解决柴油机曲轴轴承载荷问题是一种比 较精确和可行的方法。 2 2 多体动力学分析理论简介 多体系统动力学是研究多体系统( 一般由若干个柔性和刚性物体相互连接 所组成) 运动规律的科学。它是在经典力学基础上发展起来的，与运动生物力 学、航天器控制、机器人学、车辆设计、机械动力学等领域密切相关且起着重 要作用的新的分支【37 1 。多体系统动力学包括多刚体系统动力学和多柔体系统动 力学。 2 2 1 多刚体系统动力学相关概念 多刚体系统动力学的研究对象是由有限多个刚体组成的系统，刚体之间以 某种形式的约束连接，这些约束可以是理想完整的约束，非完整的约束，定常 或非定常的约束【3 引。研究这些动力学需要建立非线性运动方程、能量表达式、 运动学表达式以及其他一些量的表达式。 多刚体系统动力学是建立在刚体动力学理论基础之上。以欧拉为代表的经 典刚体动力学，发展至今已有二百多年了。随着现代电子计算机技术的发展， 人们将古典的刚体力学分析与现代的电子计算机技术相结合，从而来仿真机械 系统运动过程中的运动学和动力学特性。多刚体动力学仿真提供了设计过程中 设计方案的分析和优化，在机械设计领域获得越来越广泛的应用。 目前国内外较为流行的多刚体动力学模拟软件主要有a d a m s ， p r o m e c h a n i c a h e 和w o r k i n g m o d e l3 d 等，本文采用a d a m s 3 9 】来进行曲轴系多 体系统动力学分析，其系统运动微分方程采用拉格朗日方程建立。首先选择笛 卡尔广义坐标对系统内的刚性物体进行描述，设多刚体系统由栉个刚体 - 7 东北大学硕士学位论文 第2 章柴油机曲轴轴承载荷计算分析 e ( i = l ，2 ，z ) 组成，地球为零刚体b o 。选定一个惯性参考基e ( 。和每个刚体的 连体基( f = 1 ，2 ，刀) ，e ( 的原点o f 与质心c l 重合。为了确定系统内每个刚体 召f 相对于惯性基的位移，可以用它的质心c i 的位置矢径，f 的三个分量( 而y ，z ) 确 定位置，连体基p