活塞環(huán)潤滑狀態(tài)的分析與應(yīng)用

1、活塞環(huán)潤滑狀態(tài)的分析與應(yīng)用 活塞環(huán)是內(nèi)燃機(jī)中形狀簡單而作用十分重要的零件，它密封燃燒室中產(chǎn)生的高壓氣體以保證內(nèi)燃機(jī)正常工作。同時(shí)它的工作條件又是發(fā)動機(jī)所有配合副中最苛刻的高溫、高壓以及運(yùn)動方向、運(yùn)動速率和潤滑油粘度都高速變化。在過去的較長一段時(shí)間里，尤其是對于國產(chǎn)汽車，活塞環(huán)是一個(gè)易損零件，經(jīng)常要求在兩次大修間隔的中間更換一次活塞環(huán)。為減少活塞環(huán)與缸體間的摩擦與磨損，很多學(xué)者和工程技術(shù)人員作了大量的研究和改進(jìn)，包括潤滑模型的分析、潤滑油、材料、加工方法、活塞和氣缸的設(shè)計(jì)、濾清器、表面處理以及冷卻水溫的調(diào)節(jié)等多個(gè)方面，大大延長了活塞環(huán)的更換期，有時(shí)甚至可以做到在汽車報(bào)廢前一次也不更換活塞環(huán)。Qc

2、u鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)一些早期推測活塞環(huán)與氣缸體間油膜厚度的研究，將缸套和環(huán)的表面假定是光滑的，表面形狀的影響被忽略了。1980年Rohde首次建立了包含表面粗糙度影響的活塞環(huán)潤滑模型。最近，Sanda和Someya通過理論分析與實(shí)驗(yàn)探討了表面粗糙度對活塞環(huán)與缸套間潤滑的影響。Rohde、Sanda和Someya都沒有考慮非高斯(nonGaussian)粗糙度模式。這樣的考慮也許可以揭示一個(gè)最佳的粗糙度模式，并為生產(chǎn)這種工作表面帶來可能性。Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)跑合期后，氣缸壁變得比較光滑并顯現(xiàn)出平坦表面(一個(gè)被磨偏的谷面)的特征。一般認(rèn)為，如果珩磨表面已經(jīng)

3、生成平坦層，那么跑合期將大大縮短。這樣的結(jié)論主要是基于經(jīng)驗(yàn)而不是科學(xué)試驗(yàn)的結(jié)果。文獻(xiàn)中Barber等人介紹了他們在實(shí)驗(yàn)室里模擬發(fā)動機(jī)的跑合過程來研究缸壁表面層的情況，實(shí)驗(yàn)中他們檢測了表面層中平坦層的磨損后發(fā)現(xiàn)，通過表面粗糙度上高度分布的斜率測得的表面形貌不影響粘著力、行程中的摩擦力或跑合時(shí)間。過去，沒有任何分析模型支持或反對這種觀點(diǎn)。Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)Patir和Cheng介紹了一種推導(dǎo)可適用于任何普通粗糙度模式的雷諾方程的新方法。這種平均液流模型基于實(shí)驗(yàn)壓力和剪切流參數(shù)的定義，因而平均潤滑液流模型可以用這種液流的參數(shù)和平均量為術(shù)語進(jìn)行表述，如平均壓力、平均名義油膜厚度

4、?？梢杂眠@種液流的參數(shù)推導(dǎo)出一個(gè)平均雷諾方程。利用從支承表面上隨機(jī)形成或測出的表面粗糙度數(shù)值而求得的平均液流量，可以被獨(dú)立地推出上述參數(shù)。因此，這種數(shù)值化模擬方法使這種模型可以分析任何表面粗糙度形式。它的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是這種方法可以推廣到表面粗糙度影響非常重要而又是部分潤滑的場合。可見，Patir的模型對于分析活塞環(huán)間的潤滑很適用。Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)本文為液體潤滑的單活塞環(huán)推導(dǎo)的一種分析模型，以檢測內(nèi)燃機(jī)中表面形狀對活塞環(huán)與缸壁間油膜厚度的影響。研究與應(yīng)用包括以下幾步：Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)a.基于Patir和Cheng研究的平均雷諾方程建立一種分析模型

5、；Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)b.討論平均雷諾方程求解步驟；Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)c.用一個(gè)磨損表面的模型描述表面形貌對潤滑模型的影響，在工程應(yīng)用上可對表面形貌進(jìn)行量化分析。Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)1活塞環(huán)的潤滑狀態(tài)Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)由于活塞環(huán)工作條件惡劣，實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)性差，因此有關(guān)潤滑理論主要是基于推測與判斷，其認(rèn)識過程是隨著汽車制造技術(shù)和應(yīng)用水平及摩擦學(xué)自身的發(fā)展與提高而不斷深入的。由于宏觀上活塞環(huán)外圓同氣缸壁面平行，加之，活塞在上、下止點(diǎn)處運(yùn)動速度為零，早期的不少學(xué)者都認(rèn)為活塞環(huán)的潤滑狀態(tài)主要是邊界潤滑狀態(tài)。工程界尤

6、其是我國工程界更是普遍贊同這種觀點(diǎn)，這主要是由于制造技術(shù)不高，使用條件又差而造成的，因?yàn)樗门c實(shí)際出現(xiàn)的磨損情況相一致?，F(xiàn)在，各個(gè)方面條件改善了，國內(nèi)外理論界已普遍認(rèn)為活塞環(huán)的潤滑狀態(tài)可以實(shí)現(xiàn)流體潤滑，但工程界對此認(rèn)識仍較混淆。Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)2活塞環(huán)的流體潤滑模型Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)不計(jì)及零件形狀誤差和表面粗糙度時(shí)，活塞環(huán)的潤滑模型如圖1所示。、表示磨合后形成的平直壓縮環(huán)的磨滑面，中央、部分大體上是平行的，兩端塌下。據(jù)文獻(xiàn)介紹，下塌量約為環(huán)寬度的1/1000。Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)圖1活塞環(huán)的潤滑模型Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-

7、挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)活塞環(huán)向左移動時(shí)，、部分起有效作用，、部分形成旋渦，不產(chǎn)生油壓?；钊h(huán)運(yùn)動方向相反時(shí)，、成為有效磨滑面。Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)從工程實(shí)踐的角度出發(fā)，我們關(guān)心的是h、p的平均值或期望值以及在粗糙表面上流體潤滑區(qū)域內(nèi)用由隨機(jī)或平均而得的一個(gè)參數(shù)確定的雷諾方程來替換由眾多參數(shù)共同確定的雷諾方程后的新結(jié)果。根據(jù)Patir和Cheng5的研究，這種由單一參數(shù)決定平均雷諾方程的形式如下：Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)(1)Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)流量因子x和s取決于表面粗糙度密度分布函數(shù)p(1)和p(2)、方位角1和2以及h的局部值。表

8、面的密度分布函數(shù)和方位函數(shù)所述的方法確定，接觸因子c取決于表面粗糙度密度分布函數(shù)p(1)和p(2)。Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)(2)Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)x、c、s具有以下特性：Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)當(dāng)h/，x，c1；當(dāng)h/，s0。as，bs為表征凸峰在磨合前、后的幅值。Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)2.1彈性變形的影響Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)考慮活塞環(huán)的彈性特性時(shí)，假設(shè)活塞環(huán)是理想的，即它封閉時(shí)是絕對的圓，與四周缸體間壓力均勻，且在受載時(shí)活塞環(huán)作為一個(gè)整體只有徑向移動，活塞環(huán)的工況可以看作是它處于一個(gè)高壓薄

9、壁容器中1。半徑方向的變形量為：Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)(3)Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)式中，pM是活塞環(huán)外部平均流體動壓力，pg是內(nèi)部壓力，E為環(huán)的材料楊氏模量，tr為環(huán)的徑向厚度。Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)2.2表面形貌的影響Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)珩磨是對孔表面進(jìn)行選擇性加工的一道磨削工藝。珩磨的用途廣泛多樣，人們常采用珩磨的方法在缸壁表面生成螺旋形網(wǎng)紋。Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)改變珩磨參數(shù)，可以得到不同幾何特征的磨削表面。能夠在缸體工作前評價(jià)珩磨表面的特性對油膜厚度的影響程度以及由此對發(fā)動機(jī)性能的影響

10、，那是非常理想的。下面給出珩磨表面的仿真分析方法及其統(tǒng)計(jì)參數(shù)的特性，用具有不同幾何特征的樣本表面代入描述流體潤滑的方程組，判定其對油膜厚度的影響力。Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)對珩磨表面建立分析模型的思路借鑒了二維傅立葉變換的方法。根據(jù)傅里葉合成法則，通過具有所有可能波長q1和所有可能方位及相應(yīng)振幅的波紋的疊加，可以組合成任何表面，波紋被定義為一條連續(xù)線穿過一個(gè)垂直于自身平面的正弦波時(shí)軌跡生成的表面。Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)珩磨表面可以被分解為有特定振幅、方向和頻率的各種波，改變這三個(gè)參數(shù)，用近似于兩個(gè)對坐標(biāo)系同樣傾斜的波的合成，就可模擬出具有不同幾何特征的表面

11、。這樣模擬的珩磨表面并不真正代表測量得到的珩磨表面，但用來研究由珩磨產(chǎn)生的表面粗糙度和平臺效應(yīng)是足夠了。一個(gè)未磨損的珩磨表面可表示為：Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)(x，y)=ascos2(x+y)+ascos2(x-y)=Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)2ascos(2x)cos(2y)(4)Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)式中as是所用振幅，跑合期后，缸體顯現(xiàn)平坦表面的特性，在函數(shù)(x，y)中，這意味著表面峰值不再是高度as，而是較小的值bs(bsas)。Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)油膜厚度可表示為：Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)h

12、=h0(x，y)+hr-(x，y)(5)Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)方程(1)的求解可采用有限差分法8，利用方程(1)和(5)可計(jì)算油膜厚度。在每一步中，幾個(gè)流量因子和一個(gè)接觸因子可由求解上述模型時(shí)所得的公式中計(jì)算出。然后可以比較最終油膜度和它的初始值。如果誤差小于給定的任意小的收斂數(shù)，計(jì)算得到的膜厚即為所求。否則，重新給出一個(gè)膜厚值直至迭代收斂。應(yīng)當(dāng)注意流量因子，接觸因子必須在迭代前確定。對于任何油膜厚度，解的每一步都應(yīng)簡單有效地計(jì)算他們的值。作者采用中心差分法對某汽油機(jī)中活塞環(huán)油膜厚度進(jìn)行仿真，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)圖2發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速變化時(shí)

13、油膜厚度的變化曲線Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)需特別說明的是，圖中虛線表示定常狀態(tài)，只考慮由于速度產(chǎn)生的油楔作用下的油膜厚度，這樣的虛線在上下止點(diǎn)處，v=0，油膜厚度變?yōu)榱恪５珜?shí)際上，伴隨著油膜的收縮產(chǎn)生擠壓作用，結(jié)果如實(shí)線所示。在剛過上下止點(diǎn)后，油膜厚度變?yōu)樽钚≈刀皇菫?，即在上、下止點(diǎn)處也可能建立流體潤滑，同時(shí)在行程中央的最大油膜厚度越厚，最小值的厚度就越大。另外，在油的粘度和油的溫度不變的情況下，轉(zhuǎn)速增加，油膜變厚。Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)3結(jié)論Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)a.從理論上講，活塞環(huán)在上、下止點(diǎn)附近時(shí)，速度接近于零，但油膜厚度并

14、不為零，仍可形成流體潤滑。這可以看成是油膜厚度的縮小而產(chǎn)生擠壓作用的結(jié)果。Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)b.活塞環(huán)使用前進(jìn)行磨合對潤滑狀態(tài)是至關(guān)重要的。由于篇幅所限，本文沒有討論表面形貌參數(shù)對油膜厚度量的影響。Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)c.發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速與油的粘度都有一個(gè)最佳值，從圖2中可以看出，提高發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速對加大油膜厚度是有利的，但綜合油溫圖分析，并非如此，因?yàn)檗D(zhuǎn)速提高后，油的內(nèi)摩擦力與摩擦熱也增大，油溫升高，會引起異常磨損。因此車輛使用時(shí)宜中速行駛，同時(shí)也可以看到，如能提高冷卻水平，則可提高發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速。油液粘度大，油膜厚度大，但同時(shí)摩擦力也增大。Qcu鐵甲工程機(jī)械網(wǎng)-挖掘機(jī)網(wǎng)-工程機(jī)械網(wǎng)d.并非活塞環(huán)的潤滑狀態(tài)一定是流體潤滑。這和工作條件密切相關(guān)，尤其當(dāng)活塞接近下止點(diǎn)