（动力机械及工程专业论文）基于空穴理论的内燃机典型摩擦副摩擦润滑研究.pdfVIP

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式润滑控制方程，探讨了微凸体间空穴的影响，结果表明，新的数值计算方法能 够有效地分析活塞环缸套的润滑性能，宏观空穴效应对润滑性能有较大影响， 微凸体间空穴效应也是润滑分析中不可缺少的一部分， 综合考虑宏观空穴效应和 微凸体间空穴效应的润滑模型对更准确地分析润滑性能具有积极意义。 在活塞环缸套试验研究方面：在摩擦磨损试验机 srv r4 上测试了活塞环 缸套切片的摩擦系数，研究了往复运动一个周期内的摩擦系数变化以及载荷、 频率、行程和润滑油温度对往复运动摩擦系数的影响。结果表明，在一个往复周 期内，由于运动速度时刻变化，摩擦系数也随着不断改变；同时，摩擦系数受载 荷、行程、频率和润滑油温度等因素的影响。 关键词：关键词：空穴效应；润滑；摩擦；倾斜轴颈轴承；活塞环缸套；内燃机 abstract plain journal bearing and piston ring/liner are two typical friction pairs in internal combustion engine. lubrication peformance of plain journal bearing directly determines a series of parameters such as its bearing capacity, friction, reliability and lifetime. lubrication peformance of piston ring/liner has great influence on friction loss, wear of piston ring and cylinder liner, blow-by, lubricant consumption and particulate emission in internal combustion engine.therefore, this article firstly carries out study of pain journal bearing lubrication and piston ring/liner lubrication in depth and in detail by theoretical research, considering the macro cavitation and inter-asperity cavitation. then, friction coefficient of reciprocating section cut from actual piston ring and cylinder liner is analyzed in misaligned plain journal bearing lubrication research, the cavitation model proposed by previous researchers is adopted and lubrication analysis software is programmed in matlab. then the influence of the macro cavitation and inter-asperity cavitation on the lubrication properties such as oil film pressure distribution, oil discharge at the bearing end, oil film moment and oil film bearing capacity is analyzed, which is of great use when one chooses the reasonable calculation model. also, cavitation of plain journal bearing at different misaligned angles is analyzed. the results show that cavitation happens to great extend at low pressure area when bearings are in the running process, and inter-asperity cavitation can also lead to the change of lubrication at the cavitation boundaries. both kinds of cavitation greatly influence lubrication peformance and cannot be ignored. as for piston ring-liner lubrication research, first of all, unified lubrication control equation is established based on the control volume mass conservation principle, considering cavitation effect and the new methodnewton-raphson method is proposed to solve the model. and cavitation effect on lubrication performance is analyzed. secondly, based on the macro cavitation analysis and the patir and chengs average thought, the average lubrication control equation is established, considering the influence of inter-asperity cavitation, and inter-asperity cavitation on lubrication performance is analyzed. the results show that, the new numerical method is effective when it is used to analyze the lubrication performance of piston ring-cylinder. macro cavitation has great effect on lubrication performance, while inter-asperity cavitation is also an indispensable part in lubrication analysis. a comprehensive consideration of macro cavtation and inter-asperity cavitation tends to be of significance in accurate analysis of lubrication in the experimental research of piston ring-cylinder, the friction coefficient in a cycle of the reciprocating motion is measured on the bench srv r4. the variation of the friction coefficient in a cycle and influence of load, frequency, stroke and temperature of lubricant on the friction coefficient is studied. the results show that friction coefficient changes as speed varies with time and is influenced byload, frequency, stroke and temperature of lubricant. key words：cavitation; lubrication; friction; misaligned plain journal bearing; piston ring/liner; internal combustion engine i 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 . 1 1.1 课题背景和意义 . 1 1.2 内燃机中的摩擦学问题 . 2 1.3 活塞环缸套摩擦润滑研究 . 4 1.3.1 活塞环缸套摩擦润滑数值研究 . 4 1.3.2 活塞环缸套摩擦润滑试验研究 . 6 1.4 倾斜轴颈轴承摩擦润滑研究 . 7 1.4.1 倾斜轴颈轴承摩擦润滑数值研究 . 7 1.4.2 倾斜轴颈轴承摩擦润滑试验研究 . 8 1.5 主要研究内容 . 9 第二章第二章 流体润滑理论基础流体润滑理论基础 . 11 2.1 引言 . 11 2.2 润滑状态 . 11 2.3 reynolds 方程 . 12 2.4 表面形貌参数 . 13 2.4.1 幅度参数 . 13 2.4.2 间距参数 . 14 2.4.3 统计参数 . 14 2.5 粗糙度对流动的影响 . 15 2.6 边界条件 . 18 2.7 空穴效应 . 18 2.7.1 宏观空穴效应 . 19 2.7.2 微凸体间空穴效应 . 20 ii 2.8 本章小结 . 22 第三章第三章 考虑空穴效应的倾斜轴颈轴承润滑研究考虑空穴效应的倾斜轴颈轴承润滑研究 . 23 3.1 引言 . 23 3.2 倾斜轴颈轴承分析 . 23 3.2.1 油膜厚度方程 . 23 3.2.2 轴承机油端泄流量 . 24 3.2.3 轴承油膜力矩 . 24 3.2.4 轴承油膜承载力 . 24 3.3 润滑模型的建立 . 25 3.3.1 p-s 润滑控制方程 . 25 3.3.2 h-s 润滑控制方程 . 26 3.3.3 边界条件 . 27 3.4 润滑控制方程求解 . 27 3.4.1 求解区域的剖分 . 27 3.4.2 差分方程的构建 . 28 3.4.3 差分方程的求解 . 29 3.4.4 润滑计算流程的确定 . 29 3.5 空穴效应对倾斜轴承润滑性能影响的研究 . 30 3.5.1 模型验证 . 30 3.5.2 考虑空穴效应的油膜压力分析 . 32 3.5.3 润滑油密度分布 . 34 3.5.4 空穴效应对轴承性能的影响 . 35 3.6 本章小结 . 37 第四章第四章 考虑空穴效应的活塞环考虑空穴效应的活塞环缸套润滑研究缸套润滑研究 . 38 4.1 引言 . 38 4.2 活塞环密封分析 . 38 4.2.1 漏气途径及基本假设 . 38 4.2.2 迷宫式漏气模型 . 39 iii 4.3 活塞环受力分析 . 40 4.3.1 活塞环受力模型 . 40 4.3.2 微凸体接触模型 . 41 4.3.3 摩擦力 . 41 4.4 活塞环润滑模型的建立 . 42 4.4.1 活塞环润滑控制方程 . 42 4.4.2 名义油膜厚度方程 . 43 4.4.3 边界条件 . 44 4.5 考虑空穴效应的润滑控制方程求解 . 45 4.5.1 求解区域的剖分 . 45 4.5.2 差分方程的构建 . 45 4.5.3 差分方程的求解 . 47 4.5.4 润滑计算流程的确定 . 49 4.6 计算结果及分析 . 51 4.6.1 密封分析 . 51 4.6.2 油膜压力和空穴区域密度 . 52 4.6.3 最小油膜厚度 . 55 4.6.4 摩擦力 . 56 4.7 本章小结 . 57 第五章第五章 活塞环活塞环缸套摩擦润滑试验研究缸套摩擦润滑试验研究 . 58 5.1 引言 . 58 5.2 试验研究对象及流程 . 58 5.2.1 试验设备介绍 . 58 5.2.2 试验对象及所需材料 . 60 5.2.3 试验要点及方案 . 60 5.3 试验结果及分析 . 64 5.4 本章小结 . 67 第六章第六章 总结与展望总结与展望 . 68 iv 6.1 本文总结 . 68 6.2 展望 . 69 参考文献参考文献 . 70 发表论文和参加科研情况说明发表论文和参加科研情况说明 . 77 致致 谢谢 . 78 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1.1 课题背景和意义 机械系统运动副之间的摩擦、磨损和润滑直接关系到机械系统的运转性能、 效率和寿命等。据统计，美国每年由于缺乏摩擦学知识而造成的损失占国民生产 总值的 4%左右。目前，世界三分之一总能源被一种或多种形式的摩擦所消耗。 通过摩擦学研究及其合理实践，将节约一个工业化国家 1%1.4%的国民生产总 值1-2。除摩擦损失外，机械零部件间的磨损也很严重。磨损失效方式占机械零 件失效的 60%80%，产生巨大的直接和间接经济损失3。美国 1981 年公布的数 据表明，每年由于磨损而造成的损失高达 1000 亿美元，前苏联为每年 120140 亿卢布。我国冶金矿山、农机、煤炭、电力、建材、铁路等部门的报道表明，每 年因磨损需要更换的备件数量巨大，经济损失也非常惊人。在当前技术水平下， 润滑是降低摩擦和减少磨损最普遍、最有效的办法。因此，改善润滑性能，控制 摩擦， 减少磨损， 已成为节约能源和原材料的重要措施， 同时对于提高产品质量， 延长机械设备的使用寿命和增加可靠性也有重要的作用。 内燃机是当前应用最广泛机械系统之一， 其内部摩擦副众多， 且运动种类多、 运动形式复杂。特别是随着工业的迅速发展，全球汽车、工程机械保有量迅速增 加，作为主要的动力来源，内燃机的摩擦润滑问题越来越突出。图 1-1 是内燃机 能量消耗分布图4。其中，当前内燃机的热效率约为 39.1%，摩擦损失为 7.7%， 在未来一段时间内，热效率要提高到 50.7%，而摩擦功耗要降低到 4.6%，因此 摩擦润滑对提到内燃机的热效率贡献度极大。 通过改善内燃机中的摩擦学设计降 低机械损失就可以获得巨大的经济效益， 例如， 如果降低内燃机机械损失的 10% 即可降低燃油消耗 1.5%，对于全世界来说，按车辆保有量 6.25 亿台，每年燃油 消耗约 1 万亿美元计，就可节约 150 亿美元5，当前汽车保有量已经突破 10 亿， 开展摩擦学研究经济效益显著。图 1-2 是内燃机主要零部件机械损失分布图4。 仅仅从经济的角度来讲，内燃机摩擦润滑研究已经具有很大的价值，另外，润滑 研究对提高内燃机的可靠性、 降低尾气排放等也具有很大的实际价值。 综上所述， 内燃机的摩擦润滑研究可以降低内燃机的故障率，提高其经济性和可靠性，因此 成为内燃机研究的重要领域之一。 第一章 绪论 2 (a)当前能量消耗分布 (b)目标能量消耗分布 图 1-1 内燃机能量消耗 图 1-2 内燃机主要零部件机械损失分布 1.2 内燃机中的摩擦学问题 当前，内燃机中摩擦学问题的研究主要集中在以下几个方面6。 (1)活塞环与缸套 活塞中一般装有 24 道活塞环，分气环和油环两种，它们紧贴气缸套壁，主 要起到密封和布油作用， 同时活塞顶部 70%的热量经活塞环传至缸套壁然后向外 散发。环与壁的接触面在运动中将形成一层液体动力润滑油膜，环的断面形状、 气缸壁与环的表面粗糙度、环的弹力都必须有利于这层油膜的形成，此外，环与 环槽的磨损还是内燃机诸多性能的重要影响因素。 (2)活塞与缸套 活塞与缸套的接触面承受着由活塞销传来的侧推力， 由此产生的摩擦力在内 燃机摩擦损失中占有较高的比例。 活塞裙部的设计要求在这一区域能形成液体动 力润滑油膜。为此，现代活塞的裙部沿活塞轴向作鼓形修正。考虑到缸套与活塞 在内燃机横剖面与纵剖面方向受力不同，结构也不同，因此所产生的力变形、热 变形皆不同，鼓形修正量沿活塞轴向是变化的，活塞裙部截面是一个由上到下呈 不同长径比的椭圆形。 设计所得型线还必须与内燃机台架实验的磨损结果进行对 比，进一步作出修正。总之，现代内燃机活塞裙部的设计和制造是一项十分复杂 第一章 绪论 3 的专门技术，是内燃机摩擦学设计的典型范例。 (3)主轴承与连杆轴承 内燃机曲柄连杆机构中的主轴承和连杆轴承是典型的动载滑动轴承。 通过求 解非稳态 reynolds 方程，可以计算内燃机一个工作循环中轴承内的轴心运动轨 迹，由此判断润滑膜的厚度及润滑状态、合金层表面应力和抗疲劳磨损性能，并 以此为依据确定轴承最佳间隙、多缸内燃机的发火顺序、曲柄平衡比率、轴承表 面油槽和油孔位置等。 (4)凸轮、摇臂和挺杆 控制气阀开闭的凸轮挺杆机构或凸轮-摇臂-挺杆机构是典型的可以用动载 弹性流体动力润滑理论来分析评价的使用实例。 良好的设计可以使凸轮副表面处 于弹性流体动力润滑状态下工作，从而达到良好的抗磨损可靠性。对于高速内燃 机来说，凸轮副摩擦学行为是系统设计中不可忽略的因素。 (5)气阀和阀座 气阀和阀座摩擦副工作条件十分恶劣， 一方面阀座在气阀不断开启和关闭过 程中受到冲击载荷的作用，容易造成冲击磨损；另一方面，排气阀头部和阀座承 受着热废气的高速冲刷(废气温度可达 600800)， 阀的工作表面经受疲劳磨损、 粘着磨损、腐蚀磨损以及高温气流中未燃尽粒子的冲蚀磨损等作用。恶劣的工作 条件可能使气阀的密封性能变差，影响内燃机的正常工作。 图 1-3 是内燃机主要摩擦副示意图。在众多的内燃机摩擦副中，活塞环与缸 套、活塞与缸套和主轴承与连杆轴承的摩擦问题可以通过润滑得以改善，以避免 不必要的经济损失，同时保证内燃机的可靠性，提高内燃机的性能。内燃机零部 件的特征运动状态可以分为往复运动和旋转运动。活塞环是典型的往复运动件， 是内燃机最关键的摩擦副之一，合理的润滑能减少缸套的磨损、摩擦损失，延长 内燃机的大修期，也能减少机油消耗量，进而控制颗粒物的排放，活塞环的润滑 研究可以移植到活塞-缸套的研究中。主轴承和连杆轴承是典型的旋转部件，且 均是动载滑动轴承，具有相同的性质，因此，将其抽象出来作为普通滑动轴承来 研究具有普遍意义。同时，由于轴颈的受载变形、热变形和轴承的制造与装配误 差等因素，轴颈往往处于倾斜状态，因此，倾斜轴颈轴承的润滑研究是十分必要 的。基于以上论述，本文选取活塞环缸套和倾斜轴颈轴承为主要研究对象。 第一章 绪论 4 图 1-3 内燃机中主要摩擦零部件 1.3 活塞环缸套摩擦润滑研究 1.3.1 活塞环缸套摩擦润滑数值研究 1883 年，tower 对火车轮轴的轴承进行了实验，首次观察到流体动压现象。 1886 年，reynolds7根据流体力学基本理论，运用纳维-斯托克斯方程和连续性 方程，并根据润滑特点作合理假设，提出了润滑理论的基本方程，即著名的 reynolds 方程，成功地揭示了流体膜产生动压的机理，并近似求解轴承中的油膜 压力， 与 tower 的实验测量结果进行了对比分析， 为现代流体润滑理论奠定了基 础，直到如今，润滑理论和应用研究都是基于 reynolds 方程展开的。 1936 年，castleman8忽略了油膜挤压效应，首次利用 reynolds 方程求解了 活塞环润滑摩擦性能，奠定了活塞环润滑分析的理论基础。后来人们发现，油膜 挤压效应是不可忽视的一部分， 活塞环缸套润滑是动压效应和挤压效应共同作 用的结果。1974 年，ting9第一次对活塞环摩擦性能进行了详尽的分析，其考虑 了活塞环的几何形状及弹性变形、燃烧室的燃气泄漏、活塞环的侧推力等影响因 素，该模型比较符合活塞环缸套的实际润滑条件。dowson10采用活塞环间润 滑油流量连续的边界条件reynolds 边界条件分析活塞环组的润滑性能， 讨论 了润滑过程中的贫油问题。 活塞环缸套的润滑分析均是在假设两摩擦表面绝对光滑的前提下开展的， 计算出的循环摩擦力与试验检测到的摩擦特性有一定的出入。 这种分析方法一直 得以沿用，直到 patir 和 cheng11,12于 1978 年提出平均形式的 reynolds 方程，他 们引入压力流量因子和剪切流量因子，用于描述表面粗糙度对润滑油流动的影 响，提出了平均形式的 reynolds 方程，其“平均思想”对快速求解整体润滑特 第一章 绪论 5 性意义重大，是当前解决混合润滑问题的主要手段，也是后续研究的重要基础。 1989 年，wu 和 zheng13针对表面粗糙度的高斯分布特点，提出接触因子，进一 步改进了平均形式 reynolds 方程，简化了编程的复杂程度。1980 年，rhode14 将 patir 和 cheng 平均形式 reynolds 方程和 greenwood 和 tripp15的微凸体接触 模型结合起来，建立了活塞环缸套的混合润滑模型，该模型能够考虑表面粗糙 度对流动和接触的影响，解释了绝对光滑表面润滑理论难以解释的问题。该模型 被众多研究者所接受，成为润滑分析的重要理论接触。1992 年，jeng16,17,18建立 一个轴对称活塞环缸套模型，分别计算了富油和贫油润滑条件下的油膜厚度、 摩擦力、摩擦热损失和润滑油流过活塞环的流量等参数，发现润滑油贫油状态会 对活塞环组的最小油膜厚度产生重要的影响。1994 年，hu 和 cheng19等人建立 了活塞环缸套非轴对称模型来研究润滑， 结果表明由于活塞环型线的不合理设 计、气缸套的变形以及活塞环上的动态载荷等因素，油膜厚度在缸套圆周方向上 并非轴对称分布。1995 年，ma20等人也对气缸套圆周方向上的非轴对称性作了 分析，对比分析了活塞环在三种不同形状的气缸套内的润滑性能，指出气缸套的 变形对活塞环的润滑性能有很大的影响。 2005 年， xu21分析了不同润滑模型下， 活塞环/缸套几何形状、发动机工况、活塞环弹力等对润滑的影响，且对活塞环 组进行了分析。 近年来，国内对活塞环缸套摩擦系统的研究越来越重视，到目前为止，我 国在研究活塞环缸套润滑时大多使用混合润滑模型。刘焜、桂长林和谢友柏等 22,23,24长期从事摩擦学研究工作，对活塞环与气缸套之间的润滑以及摩擦和磨 损、气缸套润滑的周向不均匀性和活塞的设计参数等都做了大量研究。1992 年， 孔凌嘉等25把润滑和磨损综合考虑，建立了活塞环缸套的综合磨损分析模型， 分析了缸套磨损沿轴向分布的不均匀性。 2004 年， 叶晓明等26,27以平均 reynolds 方程、粗糙表面微凸体接触模型及进出口边界条件为基础，建立了活塞环缸套 三维流体动压润滑分析模型，全面分析了活塞环结构参数对其润滑性能的影响。 同年， 孟凡明28采用动网格技术分析了颗粒对活塞环润滑性能的影响， 分析了颗 粒位置、大小和运动速度对承载力和摩擦力的影响。2006 年，朱代根29对理论 桶面形活塞环和真实轮廓活塞环同时进行了分析， 并探讨了活塞环扭曲对润滑状 态的影响。2008 年，白敏丽等30,31在传统的活塞环组稳态热混合润滑的基础上， 考虑活塞组缸套动接触系统的瞬态传热， 建立了活塞环组的非稳态热混合润滑 模型，对缸套-活塞环的润滑特性进行了预测分析。2010 年，符永宏等32探讨了 表面规则凹腔半径对活塞环润滑性能的影响， 指出激光加工微凹腔对减摩有积极 的意义。2011 年，周龙33在传统活塞环缸套润滑模型的基础上，考虑润滑油 第一章 绪论 6 膜的传热和粘温效应以及其他非轴对称影响因素， 建立了活塞环缸套非稳态热 混合润滑摩擦数值模型，探讨了活塞组-缸套传热润滑摩擦耦合的机理。 分析润滑性能的基础是求解润滑控制方程，其边界条件设定是一个关键问 题，当前使用最多的是 reynolds 边界条件和 jfo 边界条件。reynolds 边界条件 适用于油膜破裂处，但无法解释油膜重新形成的情况，且不满足质量守恒定律， jfo 边界条件针对 reynolds 边界条件进行改进，更符合实际情况。空穴研究已 经成为研究的热点，国外发展了多种空穴算法，使 jfo 边界条件在润滑研究中 得以应用。1981 年，elrod34在引入体积弹性模量的基础上，重新定义变量，并 构造了一种特殊的差分格式，迭代过程中能自动确定空穴边界，且自动满足质量 守恒，第一次数值实现了 jfo 边界条件，但是该