（机械设计及理论专业论文）关于内燃机润滑系统网络法设计理论和方法的研究.pdf

摘要 从传统上来说，在内燃机设计和使用中对润滑系统的基本要求是供给摩擦副充分的润滑 油和润滑系统不出故障，以保障内燃机可靠工作然而，当代社会的经济发展对内燃机润滑 系统设计提出了更新的要求：在继续满足和进一步改善传统要求的同时，还需满足不断提高 的捧放限制等环保性、节能性要求环保性方面，有关试验研究证实，润滑油颗粒捧放的形 成与内燃机润滑油消耗有很大的关系节能性方面，试验表明，一台中速内燃机每年的机油 费用约占燃油费用的4 。同时，润滑系统中机油泵的驱动功率也具备有降低燃油耗的一种潜 力。传统的经验方法和单一工况下的研究已经不能满足对现代内燃机润滑系统设计的要求， 需要有一个更完善的理论分析方法用于对润滑系统的工作特性进行全面考察。论文针对目前 国际上采用的内燃机润滑系统网络法设计中的几个关键问题进行了探讨，并结合样机，利用 改进的网络化分析方法和试验研究对润滑系统多工况下的工作特性进行了考察。 论文首先将润滑系统网络法分析中各种简化的轴承流量特性计算方法分别作了阐述。在 此基础上，提出了一种新的表达方法用于描述轴承润滑油流量与压降关系。通过实例计算将 这些方法得到的结果同流体动力润滑分析得到的结果进行了比较研究。同时，还以某内燃机 主轴承为例，阐述了一种计入热变形影响时的内燃机主轴承热流体动力润滑分析方法，并进 行数值仿真计算。通过对考虑和不考虑热变形因素影响时得到的分析结果进行比较研究，探 讨了热变形对内燃机主轴承热流体动力润滑性能的影响。论文还对径向滑动轴承在启动和运 行过程中加速、加载时轴承温度变化的历程特性进行了试验研究。 结合润滑油在内燃机管道中流动的实际情况，研制了用于测量管道内润滑油流动特性的 专用试验装置。并根据相应的试验结果数据，对目前润滑系统网络法分析中用于描述润滑油 在内燃机管道内流动特性的几种计算方法进行了对比分析同时，还通过试验考察了管径、 管长和油温等因素对润滑油在管道中流动特性的影响情况。 分别对样机机油泵、机油滤清器和冷却器等典型部件的流量特性进行了试验研究，并利 用b p 神经网络的非线性映射建模功能，结合相关试验数据建立了表达内燃机机油泵供油特性 以及滤清器、冷却器流量特性的仿真模型，探讨了神经网络模型建立过程中训练样本的选择 等问题，并通过试验验证了所建模型的正确性。 对于所建立的内燃机润滑系统网络模型，利用质量守恒、能量守恒原理，建立了各网络 节点上的流压关系；提出了利用基于最小二乘算法的最优化方法来求解网络法润滑系统分析 中建立的非线性方程组，并结台样机进行实例仿真分析，重点考察了内燃机工作过程中润滑 系统流量分配以及压力分布状况。 论文最后，结合内燃机多工况下的试验研究对润滑系统网络模拟法的应用情况进行了检 验。论文对样机的磨合试验和多工况下的示功图测试工作进行了阐述，并对测试结果进行了 分析；结合示功图测试数据，完成了多工况下内燃机轴承载荷的计算和分析工作。论文还将 几种轴承流量计算方法分别应用于润滑系统的网络法模拟分析过程中，并结合试验对各个模 拟分析结果进行了对比研究，分析了各种轴承流量计算方法对润滑系统设计中机油泵选择的 影响；通过网络模拟分析，结合试验测试结果，论文重点考察了多工况下内燃机转速、负荷 和润滑油温度等因素对润滑系统主油道压力特性的影响情况，以及多工况下内燃机缸内润滑 油消耗情况。 论文的创新点主要有，将目前网络法润滑系统分析中各种轴承流量特性的计算方法进行 了对比分析。提出了一种计入热变形因素影响的轴承润滑分析方法。并分析了各种轴承流量 计算方法对润滑系统设计中机油泵选择的影响。研制了用于测量管道内润滑油流动特性的试 验装置，对目前润滑系统网络法分析中的各种管道内润滑油流动特性计算方法进行了试验检 测。建立了表达内燃机机油泵供油特性以及滤清器、冷却器流量特性的b p 神经网络仿真模型， 并提出可以通过采用正交设计法选取机油泵神经网络模型的训练样本来提高部件建模效率。 提出一种利用p r o e 提供的m e c h a n i s m 模块和m a t l a b 软件对内燃机轴承载荷进行联合仿真求 解的简便有效方法。提出了利用基于最小二乘算法的优化方法来求解网络法分析中表达样机 润滑系统网络模型的非线性方程组，实现了对润滑系统网络化仿真分析方法的改进应用。针 对样机，对润滑系统在全负荷、部分负荷等多工况下的工作特性进行了网络法仿真分析，并 结合主油道压力特性试验结果对仿真结果进行了检验，证明了润滑系统改进网络化分析方法 的可行性和正确性。 关键词：内燃机润滑系统网络法多工况试验研究 a b s t r a c t b a s i cd e m a n d sf o rl u b r i c a t i o ns y s t e mi nt r a d i t i o n a ld e s i g n i n gp r o c e s so fi n t e r n a lc o m b u s t i o n e n g i n e ( i c e ) i s t os u p p l ys u f f i c i e n tl u b r i c a n tt 0f r i c t i o np a r t sa n dt ow o r kw i t h o u tf a i l u r ei no r d e rt o m a k es u r et h a ti c ec a no p e r a t ec r e d i b l y h o w e v e r , t h ed e v e l o p m e n to fm o d e ms o c i e t yh a v ep u t f o r w a r dm o r en e wd e m a n d so nt h ed e s i g no fi c e l u b r i c a t i o ns y s t e m r e q u i r e m e n t sf r o m e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o na n de n e r g ys a v i n ga r e as u c ha se m i s s i o nc o n t r o lr e g u l a t i o n ss h o u l db e r e s o l v e dw h e nt r a d i t i o n a lo n ec o n t i n u e st ob ef u l f i l l e da n di m p r o v e d o ne n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n , s u l t sf r o me x p e r i m e n t a ls t u d ys h o wt h a tt h e r e ss t r o n gc o n n e c t i o nb e t w e e nt h ef o r m a t i o no f p a r t i c l ee m i s s i o na n do i lc o n s u m p t i o nf r o ml u b r i c a t i o ns y s t e m i nt h ee n e r g ys a v i n ga r e a , t h e r e s e x p e r i m e n t a ls t u d yw h i c hs h o wt h a tt h eo i lf e ec o n s u m e db yam e a ni c ei no n ey e a ri sa b o u t4 p e r c e n to ft h ef u e lf e e a n d 女a n l et i m e ，t h e r e sp o t e n t i a lt or e d u c ef u e le o n s u m 【p t i o nw i t h i np u m p s d r i v i n gp o w e ri nl u b r i c a t i o ns y s t e m t r a d i t i o n a lm e t h o dw i t he x p e r i e n c e sa n dr e s e a r c hi ns i n g l e o p e r a t i n gc o n d i t i o nc a nn o ts a t i s f yt h ed e m a n d so f m o d e md e s i g no f i c e sl u b r i c a t i o ns y s t e m t h e r e s h o u l dh a v ef lm o r ep e r f e c tt h e o r yu s e dt or e v i e wt h eo p e r a t i n gp r o p e r t yo f i c e sl u b r i c a t i o ns y s t e m s e v e r a lk e yp o i n t si nt h ep r o c e s so fn e t w o r ka n a l y z i n gw i t hl u b r i c a t i o ns y s t e mw e r ed i s c u s s e di n t h i sp a p e lc o m b i n i n gw i t ham o d e le n g i n e ，ai m p r o v e dn e t w o r ka n a l y s i sm e t h o dw a su s e dt o a n a l y z e t h e p r o p e r t y o f l u b r i c a t i o ns y s t e m i n m u l t i p l e o p e r a t i n g c o n d i t i o n s s e v e r a lk i n d so f s i m p l i f i e dm e t h o d sf o rf l o wc h a r a c t e r i s t i co f o i li nb e 撕n ga r ed e s c r i b e df i r s t l y i nt h i sp a p e r a n dan e wi d e aw a sa l s op u tf o r w a r d b ya n a l r z i n gw i t ha r le x a m p l e a i lt h o s em e t h o d s h a v eb e e nc o m p a r e dw i t ht h em e t h o db yh y d r o d y n a m i cl u b r i c a t i n ga n a l y s i s ar e s e a r c ho nt h e l u b r i c a t i o no fi c e sm a i nb e a r i n gc o n s i d e r i n gt h e r m a ld e f o r m a t i o ne f f e c t sm p r e s e n t e dc o m b i n i n g w i t ham o d e le n g i n e sm a i nb e a r i n g t h r o u g hc o m p a r i n gt h er e s u l t sf r o ma n a l y s i sb yw i t ha n d w i t h o u tc o n s i d e r i n gt h e r m a ld e f o r m a t i o ne f f e o s ，e f f e c t sf r o mt h e r m a ld e f o r m a t i o nf a c t o r so nt h e t h e r m a lh y d r o d y n a m i ca n a l y s i so f i c e sm a i nb e a r i n gw e r ed i s c u s s e d a ne x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h e t e m p e r a t u r eo fj o u m a lb e a r i n gd u r i n gs t a r t u pa n do p e r a t i o np r o c e s sw i t hv a r i a t i o no fw o r k i n g c o n d i t i o nw a sa l s oc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r c o m b i n i n gw i t ht h et r u es t a t eo fo i lt h a tf l o w i n gi nl u b r i c a t i o ns y s t e m sp i p e ，as p e c i a l e q u i p m e n tu s e dt ot e s tt h ec h a r a c t e ro f o i lf l o w i n gi np i p ew a sc o n s t r u c t e d w i t ht h er e s u l t sf r o mt e s t , s e v e r a lm e a s u r e st h a tc u r r e n t l yu s e dt od e s c r i b et h ec h a r a c t e ro f o i lf l o w i n gi np i p ew e 衅a n a l y z e db y c o m p a r i n g a n de f f e c t so nt h ec h a r a c t e ro f o i lf l o w i n gi np i p ef r o mm a n yf a c t o r s , s u c ha sd i a m e t e r o f p i p e ，l e n g t ho f p i p ea n do i lt e m p e r a t u r e ，w e r es t u d i e db yt h i st e s t w o r k i n gc h a r a c t e r so fo 1p u m p , o i lf i l t e ra n dc o o l e rw e r ei n v e s t i g a t e ds e p a r a t e l yb y e x p e r i m e n t s a n dt h e s ec h 釉c o e 糟w e r em o d e l e db yu s i n gt h ef u n c t i o no fm o d e l i n gn o n l i n e a r l yo f b pn e u r a ln e tc o m b i n i n gw i t ht h er e s u l t sf r o mt e s t h o wt oc h o o s el e a r n i n gs a m p l e si nt h ep r o c e s so f m o d e l i n gw i t hn e u r a ln e t w o r kw a sd i s c u s s e dh e r ea n dw a sa l s oe x a m i n e db yt h et e s t w i t ht h e o r i e so fc o n v e r s a t i o no fe n e r g ya n dm a s s - r e l a t i o n s h i p so fd r o p - f l o w i n go l le a c hn e t n o d ew e r ee s t a b l i s h e df o rn e t w o r km o d 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p e r a t i n gc o n d i t i o no fi c e w e r e p r e s e n t e d ，a n da l lr e s u l t so ft h e s et e s t sh a v eb e e na n a l y z e d c a l c u l a t i o n sa n da n a l y s i so fh e a r i n g l o a d su n d e r m u l t i p l e o p e r a t i n g c o n d i t i o n o f l c e w e r e d o n e w i t h t h e r e s u l t s o f i n d i c a t o r d i a g r a m t e s t s s i m p l i f i e dm e t h o d sf o rf l o wc h a r a c t e r i s t i co fo i li nb e a r i n gw e r ea p p l i e di nt h ep r o c e s so fn e t w o r k a n a l y s i so fl u b r i c a t i o ns y s t e m t h r o u g hc o m p a r i n gw i t ht e s tr e s u l t s ，i n f l u e n c e so ft h e s es i m p l i f i e d m e t h o d so ut h es e l e c t i o no f o i lp u m pi nt h ep r o c e s so f i c e sl u b r i c a t i o ns y s t e md e s i g np r o c e s sw e r e a n a l y z e d e f f e c t so ut h ep r e s s u r ep r o p e r t yo f m a i no i lg a l l e r yf r o m t h o s ef a c t o r ss u c h 硒r o t a t es p e e d ， l o a 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mo fs a m p l ee n g i n ew a sc a r r i e do u tu n d e rb o t hf u l ll o a d c o n d i t i o na n dp a r tl o a dc o n d i t i o n a n db yt h ee x p e r i m e n t a ls t u d yo nt h ep r e s s u r ep r o p e r t yo fm a i n o i lg a l l e r y , f e a s i b i l i t yo f i m p r o v e dn e t w o r km e t h o dw a st e s t i f i e d k e y w o r d s ：i n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n e ；l u b r i c a t i o ns y s t e m ；n e t w o r km e t h o d ； m u l t i p l eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ；e x p e r i m e n t a ls t u d y 插图清单 图卜1 一种典型的子网络油路2 图卜2 某内燃机润滑系统示意图4 图卜3 我国机油消耗与国外的差距对比图6 图卜42 5 y - 6 1 0 0 q 型车用内燃机的外特性7 图卜5 一台4 l v 8 型铝发动机机油泵驱动功率消耗的实例8 图1 - 6 论文的基本研究思路l o 图2 - 1 动载滑动轴承示意图1 4 图2 2 轴承展开图1 8 图2 - 3r e y n o d s 方程求解区域划分1 8 图2 - 4 几种近似计算方法的比较2 2 图2 - 5 内燃机轴承载荷图2 3 图2 - 6 几种方法计算结果的比较2 3 图2 - 7 轴承润滑流量特性影响因素分析( 一) 2 4 图2 - 8 轴承润滑流量特性影响因素分析( 二) 2 4 图2 - 9 主轴承局部截面有限元网格划分示意图2 5 图2 - 1 0 计及热变形的主轴承t h d 分析求解流程图2 7 图2 1 14 1 0 5 柴油机一主轴承载荷图2 8 图2 一1 2 仿真分析使用的边界约束条件2 8 图2 1 3 不同热变形边界条件下的轴心轨迹以及间隙圆形状的比较2 8 图2 - 1 4 曲柄转角为o o 时油膜厚度的周向分布2 9 图2 - 1 5 曲柄转角为矿对的油膜压力分布3 0 图2 - 1 6 试验装置示意图及现场照片3 2 图2 一1 7 空载下启动转速对轴承温度的影响3 3 图2 一1 8 一定转速下启动载荷对轴承温度的影响3 3 图2 - 1 9 空载下启动、加速时轴承温度的变化3 3 图2 2 0 加速、加载时轴承温度的变化3 3 图2 - 2 1 活塞环摩擦副润滑油上窜途径3 5 图2 2 2 活塞环润滑示意图3 6 图2 2 3 缸内气压变化情况3 9 图2 2 4 顶环缸壁最小油膜厚度分布4 0 图2 2 5 润滑油上窜流量4 0 图3 - 1 润滑油管路流动特性试验装置示意图4 2 图3 2 图3 - 3 图3 - 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 - 8 图3 9 图3 一l o 图3 - 1 1 图3 - 1 2 图3 - 1 3 图3 1 4 图3 - 1 5 图3 1 6 图3 一1 7 图3 1 8 图4 一l 图4 - 2 图4 - 3 图4 - 4 囝4 - 5 图4 - 6 图4 - 7 图4 _ 8 图4 - 9 图4 一l o 图4 - 1 i 图4 - 1 2 图4 - 1 3 图4 1 4 图4 - 1 5 图4 - 1 6 图4 - 1 7 图4 - 1 8 试验测试用管道4 2 采用电接点温度表构成的温度控制系统4 3 试验现场照片“ 流体在管道中流动示意图4 6 c d l 5 w 4 0 润滑油粘温关系镐 几种方法的计算结果与试验结果的比较4 9 几种方法的计算结果与试验结果的比较5 0 几种方法的计算结果与试验结果的比较5 0 几种方法的计算结果与试验结果的比较5 1 管道直径大小对压降的影响5 2 管道长度对压降的影响5 2 温度对压降的影响5 3 串联管路5 4 并联管路5 4 润滑油在管道中流动串联特性的试验研究5 5 试验用并联管路5 5 润滑油在管道中流动并联特性的试验研究5 6 机油泵供油特性测试装置示意图5 9 机油泵流量特性测试现场照片6 0 机油泵转速特性曲线6 2 机油泵温度特性曲线6 2 机油泵流压特性曲线图6 3 机油泵流量特性曲面图6 3 机油冷却器流量特性测试装置管路示意图6 4 机油冷却器流量特性测试现场照片6 5 机油冷却器流量特性测试结果数据分析( 一) 6 7 机油冷却器流量特性测试结果数据分析( 二) 6 7 机油滤清器流量特性测试装置示意图6 8 机油滤清器流量特性测试现场照片6 9 机油滤清器流量特性测试结果数据分析( 一) 7 0 机油滤清器流量特性测试结果数据分析( 二) 7 1 网络结构的设计7 4 各转速下机油泵压力特性神经网络预测结果的对比7 6 机油泵转速特性的神经网络预测7 7 机油泵温度特性的神经网络预测7 7 图4 1 9 机油泵供油特性7 7 图4 2 0 机油滤清器流量特性的b p 神经网络模型7 8 图4 2 l 机油冷却器流量特性的b p 神经网络模型7 8 图4 2 2 机油滤清器流量特性的神经网络建模7 9 图4 2 3 机油冷却器流量特性的神经网络建模8 0 图5 1 内燃机机油流量泵流量特性曲线8 4 图5 2 仿真流程图8 4 图5 3 曲柄连杆机构运动简图8 5 图5 4 零部件的实体建模8 7 图5 - 5 曲轴部分局部结构的实体建模8 7 图5 6 模型的装配8 8 图5 7n 4 1 0 5 柴油机在某工况下的示功图8 8 图5 - 8 活塞销中心位置8 9 图5 - 9 活塞往复运动速度8 9 图5 一1 0 活塞往复运动加速度8 9 图5 - i i 连杆大头轴承载荷图8 9 图5 一1 2 第一主轴承载荷图8 9 图5 一1 3 第二主轴承载荷图9 0 图5 1 4 第三主轴承载荷图9 0 图5 一1 5 第四主轴承载荷图9 0 图5 一1 6 第五主轴承载荷图9 0 图5 1 7 内燃机输出扭矩曲线9 1 图5 1 8 样机润滑系统布置示意图9 】 图5 1 9 润滑系统网络法分析节点分布9 3 图5 2 0 计算流程图9 4 图5 2 l 各类轴承流量分配比例图9 4 图5 2 2 各轴承流量大小比较9 5 图5 2 3 各主轴承流量大小的比较9 5 图5 2 4 机油泵供油压力与主轴承、连杆轴承的进油压力9 6 圈5 2 5 主轴承、连杆轴承的进油压力比较9 6 图6 - 1 缸套与活塞环表面磨合前后的表面形貌及接触密合性变化9 9 图6 2 试验测试系统示意图1 0 0 图6 3 试验测试现场照片1 0 2 图6 - 4s d 4 1 0 5 柴油机的负荷转速特性1 0 3 图6 5 不同工况下s d 4 1 0 5 柴油机示功图1 0 4 图6 - 6 多工况下s d 4 1 0 5 柴油机气缸内的最大爆发压力1 0 5 图6 7s d 4 1 0 5 柴油机气缸内最大爆发压力随负荷变化情况1 0 5 图6 8 不同负荷条件下连杆轴承的径向载荷对比情况1 0 6 图6 - 9 不同转速下连杆轴承的径向载荷对比情况1 0 7 图6 1 0 机油泵供油特性和润滑系统流量特性曲线1 0 9 图6 一1 1 各种轴承流量计算方法的应用比较1 1 1 图6 1 2 主油道压力特性( - - ) 1 1 2 图6 - 1 3 主油道压力特性( 二) 1 1 3 图6 - 1 4 各轴承进油压力大小比较1 1 3 图6 - 1 5 主油道压力特性( 三) 1 1 4 图6 - 1 6 顶环缸壁最小油膜厚度( 3 2 0 0 r m i n ) 1 1 5 图6 一1 7 顶环缸壁最小油膜厚度( 1 0 0 负荷) 1 1 5 图6 - 1 8 上行润滑油总量比较( 3 2 0 0 r m i n ) 1 1 5 图6 1 9 上行润滑油总量比较( 1 0 0 负荷) 1 1 5 图6 2 0 内燃机不同工况下的机油耗测量结果1 1 6 表格清单 轴承、润滑油及工况参数表2 2 轴承、润滑油及工况参数表2 6 数值仿真计算结果3 1 滑动轴承结构、运行工况等参数3 2 仿真模型的基本参数3 9 试验测试管道尺寸大小4 2 试验主要用仪器设备4 4 试验研究因素和水平4 5 试验测量用仪器仪表精度5 9 试验研究因素和水平6 0 机油泵供油特性试验研究6 1 试验研究因素和水平二6 6 试验研究因素和水平6 9 1 9 ( 3 3 ) 正交表7 3 三因素学习样本的各位级取值情况7 3 神经网络模型对随机输入的预测与相对误差7 5 各部件的材辩属性8 6 曲轴局部结构的质量属性分析结果8 7 仿真模型的基本参数8 8 某4 1 0 5 柴油机四种主要轴承及相关尺寸9 2 试验样机主要技术规格9 8 s d 4 1 0 5 型柴油机4 5 小时磨合规范1 0 0 试验用主要仪器设备型号、性能参数和生产厂家1 0 1