车用纳米润滑油添加剂抗磨减摩分子动力学模拟和试验分析

摘要

润滑油是机械运转的血液,发动机要正常工作就需要润滑油,而润滑油的性能又是与添加剂的选用密切相关的。润滑油和添加剂的发展经历了从初期的适应发动机要求,转变到需要更广泛地适应环保与节能的要求。将纳米颗粒应用于润滑系统是一全新的研究领域,尚处在研究的初级阶段。在二十世纪九十年代初,国内外一些学者相继开始了这方面的研究工作,对各种纳米颗粒材料作为油品添加剂所起到抗磨减摩作用作了一些考察验证工作,结果发现纳米颗粒的加入有助于改善润滑油的摩擦学性能,认为纳米颗粒在润滑油领域中具有广阔的应用前景。
　　 本文主要由三大部分组成,即分子动力学方法系统介绍、分子动力学模拟研究分析以及发动机台架试验。首先,系统地介绍分子动力学方法的基本原理,建立基本方程以及原子间相互作用势函数等数学模型;详细说明分子动力学模拟中的初始条件与边界条件,时间积分算法与时间步长的选取,并介绍不同系综下的分子动力学模拟以及如何节省计算时间的方法。其次,对纳米金属颗粒的热力学性质进行分子动力学模拟分析,研究不同直径纳米粒子的热力学性质,讨论纳米粒子的熔点随其尺寸的变化；应用分子动力学方法,构建了摩擦副模型,对纳米粒子在摩擦过程中的微观运动机制以及抗磨减摩机理进行细致分析,从而得出其摩擦磨损规律等。最后,通过研究分析,有针对性地选择不同纳米颗粒配合使用作为润滑油添加剂,以达到互补的作用；在发动机台架上对汽油机使用含与不含润滑油添加剂的机油时进行等工况下负荷特性和外特性对比试验研究,并对试验结果进行分析。
　　 通过本文的研究,进一步证实了纳米粒子熔点随纳米粒子尺寸单调增加,并逐步向大块晶体过渡；在摩擦过程中,利用摩擦作用所带来的热量使纳米粒子熔化并随后沉积在摩擦表面,对摩擦表面进行修补或者形成均匀保护膜,由此起到抗磨、减摩作用。可以得出纳米颗粒抗磨减摩机理不同于传统的油性剂和极压剂,而是通过改变摩擦方式、表面修复等来减小摩擦磨损。采用分子动力学理论,对Fe//Fe和Fe//Cu两种摩擦副的抗磨减摩性能进行了计算模拟,对计算得到的磨损量与模拟时间和载荷曲线的变化趋势进行了分析,表明存在有中间纳米Cu润滑层的Fe//Cu摩擦副表现出很好的摩擦性能；为研究摩擦磨损的微观动态行为与变化,认识抗磨减摩机理,提供了一种新方法。试验研究结果表明:在发动机台架上对汽油机使用含有纳米润滑油添加剂的机油,其输出转矩和节油率将得到提高。