缸套-活塞环润滑状态跨尺度模拟及测试方法研究

摘要

摩擦副不同的润滑状态必然导致不同的摩擦功耗和磨损，如要保证内燃机的可靠性与动力性，则首先要确保其摩擦副处于最佳的润滑状态，研究润滑状态及转化特性的关键问题之一是实现润滑状态的实时测量，其中确定由流体润滑向混合润滑和边界润滑转化的特征尤其重要。针对这一目标，首先进行了测试方法的选择，然后对摩擦状态的特性进行了分析，最后对缸套-活塞环摩擦状态转化进行了实时测量与验证。
　　接触电阻法在定性分析润滑状态时是一种行之有效的测试方法，而且电路简单不需要昂贵的测试设备，但在定量地反映膜厚上存在困难。为了克服这一缺陷，利用自制的旋转式点接触摩擦磨损实验机，通过实验与理论分析相结合的方法，建立了点接触膜厚比与接触电阻之间明确的对应关系，这样就利用实时测得的电阻值确定了点接触的润滑状态。
　　缸套-活塞环在压缩、燃烧、膨胀和排气各冲程中，会经历流体动压润滑、混合润滑、边界润滑等多种摩擦状态。为了确定缸套-活塞环的实时润滑状态，基于点接触膜厚比与接触电阻之间的对应关系，开展了电阻测量方法的缸套-活塞环润滑状态测试实验研究。该部分实验是在自制的缸套-活塞环往复式实验台上完成的，通过温度、载荷分级实验验证了接触电阻法判定缸套-活塞环摩擦副润滑状态的实用性与可靠性。
　　传统的观点是把润滑状态分为流体动压润滑、弹流润滑、混合润滑、边界润滑及干摩擦等几个状态。近年来，有些学者提出在弹流润滑和边界润滑之间还存在着薄膜润滑，薄膜润滑和弹流润滑是两种不同的润滑状态，其润滑机理不同，所采用的理论基础也相应的差异较大，为了确定薄膜润滑状态的特性，在弹流计算的基础上，采用整体平均的等效黏度的修正公式，建立了运算速度快、结果更准确的计算模型，用于描述摩擦副的薄膜润滑状态，从而确定其润滑特性。
　　综合考虑润滑表面综合粗糙度、缸套圆周方向的形变、润滑油的粘度等因素，使用整体平均的等效黏度的修正公式综合分析缸套-活塞环润滑系统润滑的性能，计算最小油膜厚度、压力分布情况、摩擦力等，建立缸套-活塞环三维瞬态润滑数学模型，从而为缸套-活塞环的摩擦状态分析提供了依据。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 润滑状态转化测试现状

1．2．1 摩擦状态的分类

1．2．2 摩擦因数测量法

1．2．3 膜厚比测试方法

1．3 本文的研究内容

第2章 基于电阻法的点接触润滑状态测试方法研究

2．1 实验设备

2．2 实验方案及操作规程

2．3 工况参数对接触电阻的影响规律

2．4 接触电阻与润滑状态的关系

2．5 本章小结

第3章 点接触薄膜润滑状态研究

3．1 等温线接触弹流模型的建立及验证

3．1．1 数学模型和计算方法

3．1．2 计算结果与讨论

3．2 点接触弹性流体模型建立及验证

3．2．1 数学模型和计算方法

3．2．2 计算结果分析

3．3 点接触薄膜润滑

3．3．1 物理模型的建立与数学模型修正

3．3．2 光干涉法膜厚测量实验

3．3．3 模型模拟准确性分析与评价

3．4 表面粗糙度修正的点接触润滑数学模型

3．5 本章小结

第4章 缸套-活塞环润滑状态表征方法实验研究

4．1 实验设备

4．2 实验方案及操作规程

4．2．1 实验的电路设计

4．2．2 实验试样准备

4．2．3 电路电压选择

4．2．4 实验方案的确定

4．3 工况参数对接触电阻的影响规律

4．4 接触电阻与润滑状态的关系

4．4．1 接触电阻与膜厚比的关联

4．4．2 实验结果分析

4．4．3 往复周期摩擦力与接触电压的关系

4．5 本章小结

第5章 缸套-活塞环润滑状态数值模拟

5．1 润滑数值模型的建立

5．1．1 基本假设

5．1．2 控制方程

5．2 数值求解过程

5．3 计算结果模拟实验验证

5．4 拓展计算结果分析

5．4．1 活塞环表面环压分布

5．4．2 最小膜厚及摩擦力分析

5．5 不同算例的桶面形状

5．6 不同工况对流体摩擦功比例的影响

5．7 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 未来工作展望

参考文献

攻读学位期间公开发表论文情况

致谢

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