（轮机工程专业论文）基于分形理论的柴油机缸套活塞环磨合期摩擦磨损特性研究.pdf

摘要 磨损是机械零部件最主要、最常见的失效形式。缸套活塞环是柴油机中一对 重要的摩擦副，该摩擦副由于工作条件十分恶劣，运行工况、环境、受力状态、 运行方式等复杂多变，很容易因润滑不良而引起异常磨损失效，不仅缩短了其使 用寿命，还由此造成较大的经济损失。因此，缸套一活塞环摩擦磨损性能的好坏直 接关系着内燃机运行状态的优劣。 本文针对缸套活塞环磨合期的摩擦磨损问题展开分析和讨论。首先论述了与 该摩擦副相关的摩擦磨损研究现状，指出当前研究的不足。并根据分形理论在摩 擦学研究中的应用，提出了利用分形理论定量、半定量研究缸套一活塞环摩擦磨损 特性的分析方法。然后，在实验室进行了以缸套活塞环样品为摩擦副的摩擦磨损 实验研究，测量并提取了能反应缸套一活塞环摩擦副摩擦磨损过程的主要参数如磨 损失重、表面粗糙度、摩擦力矩等；并通过基于摩擦系数、磨损失重、表面粗糙 度等方法的分析和基于分形理论方法的分析，深入探讨了不同润滑状态下缸套活 塞环磨合期内的摩擦磨损特性。得出各种分析方法在评定缸套一活塞环摩擦磨损过 程的一致性规律和差别，说明传统分析方法只能宏观的粗略诠释缸套一活塞环的摩 擦磨损过程和润滑状态，而分形理论则能够更为详细和准确地反映摩擦副不同磨 损时问阶段的特征信息，有利于准确地界定摩擦磨损过程，评价摩擦磨损质量。 最后通过对不同分析方法的比较，得出了分形理论比一般分析方法能更准确、有 效地评价摩擦副摩擦磨损特性的结论。 缸套一活塞环摩擦副在上、下止点处的磨损最为严重，本研究尽可能模拟实船 运行中活塞环处于上、下止点附近的工况参数，采用了大载荷和低转速。还分别 以浸油润滑和滴油润滑方式模拟其润滑良好和润滑不良工况。因此，本试验特别 是针对于处在磨合期内的摩擦副摩擦磨损特性的研究，针对于合理制定缸套一活塞 环的磨合程序、界定磨合阶段的完成和评价磨合质量具有一定的理论和现实意义c 关键词：缸套；活塞环；摩擦磨损；润滑；分形理论 r e s e a r c ho nf r i c t i o na n dw e a rc h a r a c t e r i s t i co fc y l i n d e rl i n e r - p i s t o n r i n gf o rd i e s e le n g i n ei nr u n n i n g i np e r i o db a s e do nf r a c t a lt h e o r y a b s t r a c t m o s t l yt h ef a i l u r eo fm a c h i n ep a n sc o n s i s t so fw e a r f o rt h ec y l i n d e rl i n e r p i s t o n r i n g - 一一一o n eo fm o s ti m p o r t a n tf r i c t i o np a i r si nd i e s e le n g i n e 一一一一a st h ev e r yh a r d o p e r a t i n gc o n d i t i o n ，i n c l u d i n go p e r a t i o n s t a t u s ，e n v i r o n m e n t ，s t r e s sa n dm o v e m e n t m o d ee t c ，t h ea b n o r m a lw e a rf a i l u r eh a sb e e np r o d u c e dd u et oi n s u f f i c i e n tl u b r i c a t i o n i tn o to n l yr e d u c e si t ss e r v i c el i f e t i m e ，b u ta l s oc a u s e sc o n s i d e r a b l ee c o n o m i cl o s s t h e r e f o r e ，t h ef r i c t i o na n dw e a rc h a r a c t e r i s t i co fc y l i n d e rl i n e r p i s t o nr i n gc o n n e c t s d i r e c t l yw i t ht h eq u a l i t yo fd i e s e le n g i n e i nt h i sp a p e r ，t h ef r i c t i o na n dw e a ro f c y l i n d e rl i n e r p i s t o nr i n gd u r i n gr u n n i n g - i n p e r i o dh a sb e e ns t u d i e d f i r s t l y ，t h ec u r r e n tr e s e a r c hs i t u a t i o no ft h ef r i c t i o na n dw e a r r e l e v a n tt ot h ef r i c t i o np a i r sh a sb e e ns u m m a r i z e d ，a n dt h ei n s u f f i c i e n c yw a sp o i n t e do u t t h eq u a n t i t a t i v ea n ds e m i q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sm e t h o db a s e do nt h ef r a c t a lt h e o r yi n t r i b o l o g i c a lr e s e a r c hh a sb e e np r o p o s e d t h e n ，t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n to f t h ec y l i n d e r l i n e r p i s t o nr i n gf r i c t i o np a i rw a sc a r r i e do u t t h ee x p e r i m e n td a t as u c ha sw e a rl o s s ， s u r f a c er o u g h n e s s ，f r i c t i o nm o m e n tw a sm e a s u r e da n dp i c k e du p t h ef r i c t i o na n dw e a r c h a r a c t e r i s t i co ft h ec y l i n d e rl i n e r p i s t o nr i n gd u r i n gr u n n i n g - i np e r i o du n d e rd i f f e r e n t l u b r i c a t i o n sh a sb e e nd i s c u s s e d t h e n ，t h ei d e n t i t ya n dd i f f e r e n c eb ym e a n so fv a r i o u s m e t h o d st oa p p r a i s et h ew e a rp r o c e s so fc y l i n d e rl i n e r p i s t o nr i n gh a v eb e e ne v a l u a t e d i tw a ss h o w nt h a tt h ef r i c t i o np r o c e s sa n dl u b r i c a t i o nc o n d i t i o nc a nb ei n t e r p r e t e db y t r a d i t i o n a la n a l y s i sm e t h o d s b u tt h ec h a r a c t e r i s t i ci n f o r m a t i o ni nd i f f e r e n tw e a rs t e p s c a nb ea c c u r a t e l yr e f l e c t e db yt h ea n a l y s i sm e t h o d sb a s e do nf r a c t a lt h e o r y f i n a l l y ， c o m p a r i n gt h ed i f f e r e n ta n a l y s i sm e t h o d s ，i ti s c o n c l u d e dt h a tt h ea n a l y s i sm e t h o d so f f r a c t a lt h e o r ya r em o r ea c c u r a t et h a nt h et r a d i t i o n a la n a l y s i sm e t h o d si na p p r a i s i n gt h e f r i c t i o np a i r s c h a r a c t e r i s t i c g e n e r a l l y ，t h es e r i o u sw e a ro c c u r so nt h et o pd e a dc e n t e ra n db o t t o md e a dc e n t e r i i o fc y l i n d e rl i n e r i nt h i ss t u d yt h ee x p e r i m e n t a lp a r a m e t e r s ( 1 e a da n dr o t a t i o ns p e e d ) t o b ec l o s e dt oo p e r a t i n gs t a t eo ft o pd e a dc e n t e ra n db o t t o md e a dc e n t e rw e r es e l e c t e d t h ed i f f e r e n tl u b r i c a t i o ns t a t e sw e r es i m u l a t e db yd i f f e r e n tl u b r i c a t i o nm o d e ss u c ha s s o a k i n gl u b r i c a t i o na n dd r o p p i n gl u b r i c a t i o n t h e r e f o r e ，t h er e s u l t so fs t u d yc a np r o v i d e t h er e f e r e n c ef o ru n d e r s t a n d i n gt h ef r i c t i o np a i r sc h a r a c t e r i s t i ci nr u n n i n g i np e r i o d ， f o r m u l a t i n gt h er a t i o n a lp r o g r a mo fr u n n i n g i np r o c e d u r e ，d e t e r m i n i n gt h ec o m p l e t i o n o f r u n n i n g i np r o c e d u r ea n da p p r a i s i n gt h eq u a l i t yo f r u n n i n g i n k e y w o r d s ：c y l i n d e rl i n e r ；p i s t o nr i n g ；f r i c t i o na n d w e a r ；l u b r i c a t i o n ； f r a c t a lt h e o r y i i i 大连海事大学学位论文原刨性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成硕士学位论文 ：基王筮垄堡迨的墼旦苤迪丑照堡：适壅巫廑整廑塑壁性婴 兰型二。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人 或集体己经公开发表或未公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：f 毽谚口2 彩年j 月髟日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连海事大学研究生学位论文提交、 版权使用管理办法”，同意大连海事大学保留并向国家有关部门或机构送交学位 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于：保密口 不保密( 请在以上方框内打“”) 敝作者签名：咖聊签名：帮兔林 同期：z 七年弓月硌日 第一章绪论 1 1 问题的提出 全球经济和海运量的稳定增长使世界船舶市场正进入一个需求的高峰期，预计 未来5 1 0 年，世界造船市场需求量年均大于5 0 0 0 万d w t ，国内造船市场需求量 年均大于2 0 0 万d w t 。造船市场的繁荣，给国内船用柴油机企业的发展带来了机遇。 而我国现阶段内燃机行业的水平还处于初级阶段，其中工艺落后是目前制约该行 业发展的瓶颈。柴油机的磨合质量优化便是其中之一。 缸套一活塞环是柴油机中一对重要的具有往复式运动的摩擦副。由于该摩擦副 的工作条件苛刻，在高温、高压燃气的作用和冲刷下，产生很大的机械应力和热 应力；工作表面产生不同程度的腐蚀与摩擦磨损。特别是船用低速大功率柴油机 的单机功率、平均有效压力、强载荷等参数不断提高，平均有效压力达到 1 , 9 1 9 5 m p a ，最大燃烧压力在1 5 1 6 m p a 左右，使缸套一活塞环承受了较大的机 械载荷。在这种工作条件下，缸套一活塞环的接触表面经常处于半干摩擦或瞬时于 摩擦状态，摩擦磨损严重，所消耗的摩擦功约占整台机器的6 0 6 5 。 新生产和大修后的内燃机在投入使用前必须经过磨合，磨合过程通常被视为摩 擦副的表面特性在机器运转初期连续且单调的变化过程，是由摩擦副和摩擦副中 间介质组成的摩擦学系统的自适应和调整的过程，即动力学系统从非平衡态到稳 态的收敛过程。该过程是一个涉及表面几何特征、材料及介质的物理化学特性等 诸多因素的动力学过程。磨合又是一个在各种不同因素作用下进行的非常复杂而 精细的过程，这些因素如表面粗糙度、表面形状、实际接触面积、应力状态和润 滑剂等在磨合过程中不断变化。磨合不仅能使摩擦副在几何形状上互相帖服，同 时使表面层的结构和性质发生变化，获得适应工况条件的稳定的表面质量。尽管 人们对磨合问题进行了大量的研究，但大多都是定性的分析和探讨，至今也没有 磨合过程的通用理论和评定磨合质量的有效标准。我国现行的柴油机试车磨合工 艺，大多是根据经验和参考同类机型制定的，磨合工艺是否合理，质量是否达到 预定标准均缺乏系统的研究和可靠的实验依据。本研究就是在这一背景下提出并 展开的。 1 2 缸套一活塞环摩擦磨损的研究现状 1 2 1 缸套一活塞环的摩擦学理论研究“。3 1 从缸套一活塞环的研究历史上看，早期对缸套一活塞环的摩擦学研究主要是集 中于内燃机的摩擦损耗。自s t a n t o n ，t e 1 9 2 5 年发表第一个摩擦力研究结果以来， 人们围绕着缸套一活塞环的摩擦和润滑问题作了大量的工作。r o g o w k i ，a r 指出 活塞连杆系统的摩擦损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 。r i c a r d o ，h 的研究表明当内燃机以1 6 0 0 r m i n 转速运转时，活塞连杆系统的损失占机械损失的5 8 ，同时指出，对所有内燃机 而言，活塞连杆系统的摩擦功耗是机械损耗的最大组成部分，同时也是最难准确 地进行定量描述的部分。m i t 的学者们首先在点火内燃机上进行了摩擦力的测量， 并通过研究得到了摩擦力随气体压力升高略有增加的结论。 f a r o b a r r o s ，a 和d y s o n ，a 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 a k u r i ，y 等人通过对摩擦力的测量和分析，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的数目对摩擦力的影 响以及缸套一活塞环间油膜厚度随粘度的变化。 f u r u h a m s ，s 等人对缸套一活塞环摩擦学特性研究做出了巨大的贡献。他们于 上世纪7 0 年代末期研制的可动缸测量摩擦力装置，有效地克服了惯性力、气体压 力等因素的影响，测得了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，且己 被后来进一步的理论研究所证实。 r i c h e s ，m f 等人则侧重于混合润滑效应的研究，他们从理论和实验两方面对 缸套一活塞环间的摩擦力进行了研究，指出在低速及低粘度条件下充分考虑混合润 滑作用的重要性。 刘琨等基于活塞系统的二阶运动研究了活塞裙部型线和曲柄转速对活塞系统 二阶运动及摩擦力的影响。研究结果表明，采用抛物线裙部型线可减少活塞环的 偏摆和横向运动，但随凸起高度的增加，活塞的裙部与缸套的摩擦力增大。随着 曲柄转速升高，偏摆及横向位移减小不大，但摩擦力增加。 12 2 缸套一活塞环的润滑研究4 “” 润滑的目的是在摩擦表面问形成低剪切强度的润滑膜，以减少摩擦阻力，降低 零部件的摩擦和磨损。出于内燃机的缸套活塞环的工作条件苛刻，如何使缸套一 活塞环系统在高温、高速、重载的情况下保持良好的摩擦与润滑性能是人们长期 致力解决的问题。自上世纪3 0 年代以来，很多学者和工程技术人员针对缸套一活 塞环的润滑作了大量的理论和实验研究。 1 9 3 6 年c a s t l e m a n 最先对缸套一活塞环流体润坩进行了计算，求得在活塞和缸 套表面间可以产生足够厚的油膜，从而形成流体动压润滑。1 9 5 7 年e l l o n 和 s a u n d e r s 基于缸套一活塞环所受主要力的平衡计算了润滑油膜的厚度。1 9 6 0 年 f u r u h a m a 发现只有考虑挤压作用的影响才能在整个冲程中对活塞环的问题进行求 解，因此他利用简化的一维雷诺方程，同时考虑了挤压效应，对缸套一活塞环间的 润滑进行了计算，证实了缸套一活塞环间的润滑是动压效应和挤压效应共同作用的 结果。1 9 7 9 年d o w s o n 等人采用弹动力润滑模型和雷诺边界条件研究了活塞环的润 滑，并把该研究推广到活塞环组，考虑了活塞环问的相互作用。 截至2 0 世纪7 0 年代_ ：术，人们求解缸套一活塞环润滑都是在假定缸套和环的表 面绝对光滑的前提下进行的，它揭示了活塞环表面轮廓对活塞环特性的重要影响， 但是却解释不了实验所监测到的上、下止点处出现较大的摩擦力的现象。这促使 人口j 开始研究缸套一活塞环的表面形貌对润滑特性的影响。1 9 7 8 年，p a t i r 和c h e n g 考虑了表而粗糙度的影响而对平均r e y n o l d s 方程进行了修改，提出了用平均流量 模型来训算粗糙表而的流体压力分布。8 0 年代后，人们在研究缸套一活塞环司润滑 时升始考虑表面粗糙度的影响，r 将缸套活塞环的研究扩展到了混合润滑区域。 1 9 8 0 年r o h d e 首次建立了包含表面粗糙度影响的活塞环润滑模型。更好地分析了 缸套一活塞环的润滑问题，包括流量因予和粗糙峰的分布对缸套活塞环的影响， 同时还研究了表面纹理、润滑特性以及机器运转条件对活塞环摩擦的影响，解释 了一些用光滑面流体润滑解释不了的问题，从理论上证明了r 、下j t 点处的摩擦 力最大，指出了在混和润滑区域接触时，活塞环的摩擦依赖于活塞环的表面形貌。 1 9 9 2 年j e n g 等对富油和贫油条件下的润滑油膜厚度、摩擦力和功率损耗分别进行 了计算，富油的入口条件和几何形状的非轴对称性被考虑。胡元中等考虑了活塞 了计算，富油的入口条什和几何形状的非轴对称性被考虑。胡元中等考虑了活塞 环弹性变形的影响，提出了油膜特性不对称的模型。日本学者通过观察实测的油 膜厚度，指出活塞的拍击运动、活塞环的窜动及其活塞的润滑油供给等因素都能 影响活塞环的油膜厚度。刘琨等使用了二维平均雷诺方程和微凸体接触方程，并 考虑了活塞环系统的偏摆和润滑油粘度的变化以及贫油和活塞环接触压力的影 晌，对缸套一活塞环进行了润滑计算。张勇等在采用二维雷诺方程模型的基础上， 考虑了紊流效应、变密度效应等因素，计算了最小膜厚和压力分布。 在对缸套一活塞环润滑理论研究的同时，实验研究也取得了很大的进展。实验 研究缸套一活塞环的润滑特性主要包含两个方面的工作，一是通过实验测量油膜厚 度，二是测量油膜厚度在内燃机工作过程的变化规律。p o p p i n g a ，r 摄先使用电 阻法测量了油膜厚度。而后人们又提出了用电容法和电感法测量油膜厚度的循环 变化。w i n g ，r d 和s a u n d e r ，0 a 等人通过测量得出了油膜厚度通常在5 1 2u m 之间的结果。 1 2 3 缸套一活塞环的磨损研究”“” 缸套一活塞环的磨损直接影响到内燃机的使用寿命。为了延长内燃机的使用寿 命，许多学者都进行了缸套一活塞环磨损机理的研究。n e a l c ，m j 经过，1 泛调查， 于1 9 7 0 年发表文章阐述了缸套一活塞环的一般磨损机理，提出了一些改进措施， 指出了需要加强研究的问题。基于a r c h m r d ，j f 磨损定律，t i n g ，l l 等人提出 了一种分析缸套一活塞环磨损的模型，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。国内的桂长林教授也提出了一种将a r c h a r d ，j f 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，指出缸套 一活塞环磨损问题的研究成效不显著的原因是由于在设计上没有建立起一个可以 预测缸套一活塞环耐磨寿命的计算模型和计算方法。b a k e r ，a j s 等人探讨了影 响活塞环擦伤的动力学因素，提出了一种用无量纲临界功能法分析内燃机活塞环 工况的方法，此外还探讨了载荷因素对缸套磨损的影响，并对磨损进行了测量。 孔凌嘉以系统润滑状态和系统中的磨粒状态为基础建立了系统的综合磨损模型， 包括二体磨粒磨损和三体磨粒磨损，把润滑和磨损放在一个模型中考虑，可以得 到缸套的磨损分布及环的径向磨损量，揭示了缸套磨损沿轴向分布是不均匀的。 刘琨以a r c h a r d 模型为理论基础，重点从系统识别的角度分析了磨粒浓度对缸套一 4 活塞环磨损的影响，建立了反映磨损动态变化的模型，通过此模型可以定量描述 磨粒浓度对缸套一活塞环的影响。 1 ，2 4 缸套一活塞环的磨合过程研究“5 ”1 ( 1 ) 磨合磨损机理的研究 磨合是加工表面经过动态磨损达到稳定低磨损率之匹配表面的过程，磨合表 面是摩擦副表面接触达到动态应力平衡状态的结果。磨合会导致两摩擦副表面发 生一系列的变化，其最主要的特征是摩擦系数和磨损率的降低。s a l o m o n 和d eg r e e 认为，当磨合表面处于混合润滑状态时，摩擦系数和磨损率的降低是由于润滑条 件的改善。最初，两摩擦表面并没有完全被润滑剂分开，在粗糙峰的较高处还有 接触，随着磨合的进行，接触的粗糙峰会被抛光磨掉，最终，在两表面间建立了 充分的流体润滑膜而使两表面分离，从而大大降低摩擦系数和磨损率；而处于边 界润滑时，他们则认为摩擦系数和磨损率的降低是由于在磨合过程中因摩擦化学 效应而在两磨合表面生成的各种表面膜所致。m o o r e 和h a n m i l t o n 通过埋在气缸壁 下的电容传感器观测到了气缸与活塞环之间的油膜厚度随着磨合的进行而增加的 现象。前苏联学者k r a g e l s k y 则把磨合看成是一个接触丽积的弹性部分逐渐增加 而塑性部分逐渐减少的过程。 ( 2 ) 磨合过程中表面形貌的研究 摩擦副表面形貌的变化是磨合过程中表现出来的重要特征，磨合效果主要通过 表面形貌的变化来判定，掌握磨合表面的形貌特征和几何参数是摩擦副表面设计 和磨合过程控制的基础。因此研究表面形貌的变化规律是磨合过程研究的重要内 容。 早在二十世纪七十年代中期，就有很多学者开始进行磨合过程中表面形貌变化 的实验研究。1 9 7 5 年，英国r o w e ，g w 等人对滑动轴承( 轴材料：钢；轴套材料： 黄铜；润滑方式：脂润滑) 做过磨合试验，记录了轴套在磨合过程中表面形貌的 变化，发现在磨合期间轴套表面逐渐变得光滑，但长时间运转后又变得粗糙起来， 致使轴套报废。如果在润滑剂中加入极压添加剂，则能加速磨合，增加载荷也能 加速磨合。并用“储油”和“散热”两方面来分析解释磨合效应，指出磨合磨损 的机理主要是磨粒磨损。但是他们的研究工作只是定性地记录了表面形貌的变化， 而没有进行定量的分析。 1 9 7 7 年，英国人k i n g ，t g 等人用黄铜销与钢圆盘进行滑动磨合试验，比 r o w e ，g w 又前进了一步，他们定性和半定量地研究了磨合过程中黄铜销接触表 面形貌的变化，做出了表面形貌高度分布图，发现未磨合时表面形貌高度分布近 似正态分布，陡度系数k 。= 3 ，歪斜度系数s k 。o 。但磨合后，陡度系数k 。显著增大， 歪斜度系数s 。明显偏离零点，形貌的高度分布图偏离高斯分布越来越明显。 张移山等对磨合过程中缸套表面形貌的变化进行了试验，观测了其原始表面形 貌逐渐被新表面形貌取代的过程，并建立了模拟磨合过程中缸套表面形貌变化的 计算机仿真模型。在这些试验中，表面形貌均是越来越光滑，并且粗糙峰一般是 峰顶被削去而峰谷保持不变。据此k i n g 建立了一个关于磨合过程中表面形貌变化 的t r u n c a t i o n 模型，该模型把任何两个粗糙表面的磨合描述为一个具有该两个表 面复合粗糙度的表面和一个理想平面的磨合。随着磨合的进行，粗糙表而的粗糙 峰顶不断被理想平面削去，一直达到一个稳定状态。还有一些学者在实验中发现， 磨合过程中出现的粗糙度与机械加工后得到的原始粗糙度的大小和性质无关，而 是完全重新建立起来的新的粗糙度。 ( 3 ) 磨合磨损的影响因素分析 通常认为，磨合后得到的最终粗糙度与原始粗糙度无关，但原始粗糙度会影响 磨合进程及磨合过程中的磨损量。e n d o 和k o t a n i 在实验中发现，随着载荷的增加， 磨合后得到的表面形貌的r a 和r m s 增加，而峰顶曲率半径则下降。k r a g e l s k y 则 发现，只要载荷不超过某一临界值，载荷的提高就会改善磨合质量，同时磨合进 程由于磨损率的增加也会加速。当其它摩擦条件不变时，润滑剂对磨合时间和磨 合质量也有很大影响。z a s l a v s k y s ，r n 等曾用d 一1 4 活塞式发动机作了一些磨合 油中添加剂作用机理的实验，发现使用f p f 添加剂可使磨合时间从9 5 m i n 缩短到 1 5 m i n 。h i r a t a ，m 等使用不同的润滑油进行磨合试验，最终发现三种不同的润滑 油会导致三种不同的磨合品质。张家玺等研究了纳米金刚石颗粒作为添加剂对磨 合的作用，将金刚石颗粒按一定质量分数分散与润滑油形成固一液二相体系，一方 面金刚石颗粒对大金属颗粒的碾压和破碎作用，避免了大颗粒磨粒对缸壁的拉伤， 从而改善了缸套一活塞环的磨合质量，另一方面由于金剐石颗粒较易渗透到摩擦副 表面并形成极薄的固体润滑膜，从而使该固一液二相体系表现出优异的承载能力和 减摩抗磨性能。夏延秋等研制了一种磨合油，该磨合油的磨合剂由多种添加剂复 合配制而成，以氮剂为主剂，同时加入防锈剂、抗氧化剂和清静分散剂等多种添 加剂，以提高磨合油的综合性能，试验结果表明这种磨合油的热稳定性和热氧化 安定性能优良，并且具有较高的承载能力和良好的减摩性能，相应的磨合表面更 加光滑。 1 3 当前研究存在的不足 由以上参考文献可以看出当前对缸套一活塞环摩擦磨损特性的研究还存在着 一定的不足： ( 1 ) 对缸套一活塞环的摩擦磨损特性的分析还局限在定性分析或一般的定量 分析阶段。由于缸套一活塞环摩擦副工作条件苛刻、工作状态复杂多变、工作参数 测量困难，因此该领域的研究主要是对摩擦副的运动趋势的定性分析。通过磨损 失重、表面形貌的分析也只是一般的定量探讨。在该摩擦副的摩擦磨损特性的研 究中还缺乏种更为精确的定量分析方法。 ( 2 ) 对缸套一活塞环磨合过程的研究还有很多空白之处。如缺乏磨合过程的 通用理论和评定磨合质量的有效标准、根据经验制定的磨合程序和完成时间缺乏 理论依据等。这些都在一定程度上影响了柴油机的磨合质量，进而影响到柴油机 的工作状态和使用寿命。 ( 3 ) 缸套活塞环摩擦副在上、下止点附近由于工作压力高、润滑不良等原 因常会导致异常的摩擦磨损，摩擦副此时的摩擦磨损特性会直接影响到摩擦副的 工作状态和使用寿命，而针对于此的研究还不够深入和彻底。 1 4 本文的主要内容 基于当前研究工作的不足，本文在对缸套一活塞环摩擦磨损特性的研究中，侧 重于寻求更加有效的定量分析方法，即利用解决非线性问题较好的分形理论方法 对数据进行分析，并通过该方法可以有效分析缸套一活塞环摩擦副在磨合阶段的摩 擦磨损特性的变化，同时为磨合质量的评定和磨合阶段的完成提供了理论依据。 将分形理论应用于缸套一活塞环摩擦副摩擦磨损特性分析等方面的研究很少报道， 因此本课题的选定具有很大的新颖性和重要的实际意义。 本文通过深入研究分析参考文献在第二章提出了分形理论的分析方法，并根据 分形理论的计算原理编制了计算程序为该课题的深入分析提供了数学理论依据。 第三章根据课题要求和实验室条件，即针对摩擦副磨合期上、下止点的摩擦磨 损情况制定了小转速、大载荷的试验方案，研究分析摩擦副在不同润滑条件下的 摩擦磨损特性。同时运用了不同的实验数值提取方法如磨损失熏、表面粗糙度、 摩擦系数和分形理论等，以便对实验进行全面深入的比较和分析。为接下来的实 验数值分析奠定了基础。 第四章通过对摩擦副的润滑状态、磨损失重、表面粗糙度的分析探讨了不同润 滑状态下摩擦副随磨合时间的摩擦磨损特性变化趋势，特别是上、下止点附近缸 套、活塞环在不同的润滑状态下的异同特性，并通过比较分析得出相关结论。 第五章利用分形理论计算方法对实验中测得的摩擦力矩进行分析，通过单重分 形和多重分形方法研究了摩擦副在磨合过程中的摩擦磨损特性变化趋势。并对两 种分形方法和传统的分析方法进行了比较，得出了各种分析方法在分析摩擦副摩 擦磨损特性方面的异同和优缺点。为缸套一活塞环摩擦副的摩擦磨损特性分析和磨 合过程的检测提供依据。 最后根据本文内容得出相关的实验结论，并对如何进一步分析探讨提出了自己 的见解。 第二章缸套一活塞环摩擦磨损的分形理论研究 2 1 分形基本理论 自匕世纪七十年代曼德布罗特( b e n o i tb m a n d e l b r o t ) 提出分形几何基本 理论以来，经过二十几年的发展，分形几何已经成为一j 、 重要的新学科，广泛的 应用于生物学、物理学、化学、材料科学、计算机图形学、经济学_ 手 r 语言学等自 然科学和社会科学几乎所有领域的研究中，成为当今国际上许多学科的前沿研究 课题之一。 2 1 1 分形学的兴起与发展 分形几何以自然界中普遍存在的不规则的复杂现象作为研究对象，描述传统 的欧式几何和微积分方法所不能描述的一大类不光滑或不规则的集合和函数的 般结构，自2 0 世纪7 0 年代初期曼德尔布罗特创建分形理论以来，己取得了许多 重要成果，成为研究和处理非线性和复杂问题的强有力工具，目前己广泛渗透到 自然科学、社会科学和工程技术等各学科和技术领域。分形理论的发展经历了以 下几个阶段。 ( i ) 1 8 7 5 年一1 9 2 5 年。在此期间人们认识到分形的存在，构造了许多典型的 分形对象。1 9 世纪，人们已经能够区别连续与可微的曲线，但通常认为连续与不 可微的情况极少。然而。德国数学家w e i e r s t r a s s ( 1 8 1 5 1 8 9 7 ) 于1 8 7 2 年给出 下面的例子： 矿( 工) = b ”c o s ( a ”栅) ， x r 1( 其中口是奇数，0 d ，则称该集合为分形集，简称为分形。 四年后，他又提出了个实用的定义： 定义2 组成部分以某种方式与整体相似的形体叫分形。 这个定义很通俗且直观，很受科学家的欢迎。他突破了分形的白相似性，反映 了自然中广泛存在的一类物质的基本属性：局部与局部，局部与整体在形态、功 能、信息、时间和空间等方面具有统计意义上的自相似性。 虽然对于分形目前尚无一个确切的定义，但可以指出分形集所具有的主要特 征。可以以生物学家定义生命的类似方式各出其定义：对于某一个集合f ，若具有 以下特征则可称为分形集合。 ( 1 ) 集合f 具有精细结构，即在任意小的比例尺度内包含整体。 ( 2 ) 无论从局部和整体上看，集合f 是极不规则的，以至于不能用传统的集 合语言来描述。 ( 3 ) 集合f 具有某些自相似性，或统计意义的自相似性。 ( 4 ) 集合f 在某种方式下定义的“分形维数”比它的拓扑维数大。 ( 5 ) 在许多情况下集合f 可用非常简单的方法定义，具有递归性，可在计算 机上以递归的方法生成。 2 1 3 求分形维数的方法” 由于分形维数定义的困难，使得分形维数的定义有多种方式。对于不同的系统 需要用不同的维数定义，在通常情况下它们是不相等的。目前还没有适合计算各 类无规则分形维数的方法。概括起来测量分形维数的方法有以下五种： ( 1 ) 改变粗视化程度求维数的方法； ( 2 ) 根据测度关系求维数的方法： ( 3 ) 根据相关函数求维数的方法； ( 4 ) 根据分布函数求维数的方法； ( 5 ) 根据频谱求维数的方法。 计算分形维数的具体方法有多种。用来计算曲线分形维数的方法有量规法、周 长面积法、变量法；用来计算平面分形维数的方法有网格法、s a n d b o x 法、半径法、 密度一密度相关函数法；面积分形维数的计算方法有表面积一体积法、相关函数与 功率谱分析法等。 2 1 4 分形的特征 ( 1 ) 自相似性 一个系统的自相似性是指某种结构或过程的特征以不同的空间尺度或时间尺 度来看都是相似的，即跨尺度的对称性；或者某系统或结构的局域性质或局域结 构与整体类似。此外，在整体与整体之间或部分与部分之间，也会存在自相似性。 一般情况下自相似性有比较复杂的表现形式，而不是局域放大一定倍数之后简单 的和整体完全重合。但是，表征白相似系统或结构的定量性质如分形维数，并不 会因为放大或缩小等操作而变化，所改变的只是其外部的表现形式。 ( 2 ) 标度不变性 指在分形体上任选一局部区域，对它进行放大，得到的放火团又会显示出原来 的形态特性。因此，对于分形体，不论将其放大或缩小，其形态、复杂程度、不 规则性等特性均不会发生变化，所以标度不变性又称之为伸缩对称性。通俗讲， 如果用放大镜来观察一个分形体，不管放大倍数如何变化，看到的情形都是一样 的，从观察到的图像，无法判断所用放大镜的倍数。对于实际分形体，标度不变 性只是在一定的尺度范围内适用，这个尺度范围叫做该分形体的无标度区。 具有以上两个性质的物体，被认为具有分形特征，可以利用分形理论的相关方 法计算和分析。 2 1 5 单重分形1 1 盒维数的分形模型 设一般分形模型为：y 。c x ( 。 其中x 和y 为变量，根据具体问题可以代表不同的意义；f ( d ) 称为分维数函 数，也可以称为一般分维数，f ( d ) 选取什么函数形式，依具体研究问题而定。如 取：y = ( 覆盖的盒子数目) ，x = 5 ( 盒子的尺寸) ，f ( d ) = 一q ，则得到盒子 数目和盒子尺寸的关系：n 占一。 由上述分析可以得出盒维数定义： 耻娥- 酱 。 2 盒维数求法 l 鳟 _ 挞 6 = 1 46 = 1 8 图2 1 盒维数计算方法示意图 f i g 2 1t h es k e t c hm a po fb o x - d i m e n s i o nc a l c u l a t i n gm e t h o d 盒维数的求解方法见图2 1 ，将尺寸分别为6 = 1 4 和1 8 的网格覆盖在分形图 形上，计数网格中有图形象素( 不管有许多象素还是很少象素) 的方格数目，例 如得到n ( 1 4 ) = 1 6 和n ( 1 8 ) = 6 0 。不断减小网格尺寸6 继续计数含图形象素 的网格数n ( 6 ) ，直至最小的网格尺寸达到象素为止。为了减少误差，应该使不同 尺寸的网格能覆盖相同大小的图形，如5 1 2 5 1 2 象素的图形的6 应当是1 ，1 2 ， 1 4 ，1 8 ，1 1 6 ，直到降到1 5 1 2 ；而3 6 0 x3 6 0 象素的图形的6 应当是1 ，1 2 ， 1 3 ，1 4 ，1 5 ，1 6 ，1 8 ，直到降到1 3 6 0 。将一系列) 、6 数据作 l o g n ( 6 ) 1 0 9 ( 6 ) 图，如能得到一条直线，它说明( d ) 和6 有如下关系： n o 、6 ( - o d ( 2 2 ) 即直线的斜率的绝对值q 为所求图形的盒维数。如果l o g n ( 6 ) 一l o g ( 6 ) 图上只有一 部分是直线时，则此图形的自相似性( 标度不变性) 只存在于直线部分的测度范 围内。实际的分形和理想的规则分形不同，它只存在于有限的范围之内。 3 盒维数实际计算中的近似方法 在摩擦磨损试验中得到的摩擦力矩数据是单变量的时间序列z j ， ( j = 1 , 2 ，n 。) 。由于摩擦力矩信号具有双尺度性，即它的横向尺度是时间，纵向 尺度是摩擦力矩的幅值。因此可近似采用宽度为占，、高度为6 。的矩形网格来覆盖 信号，其中矩形网格宽度和高度分别对应时间和振幅。首先选择最小的网格尺寸j ， 即选择最小的宽度巧和高度以来覆盖信号，然后逐步放大网格尺寸为瓯女瓦， 女z + ，k 1 时在 甲的求和中大概率子集将起主要作用，即具有较大概率测度的p i n z 。( 占) 的贡 献占优势；相反地，当g o 的项趋于0 ，叼一，( 盘) f ( g ) 0 的项不 应该出现，因为此时将出现无