高强化柴油机缸套—活塞环摩擦状态转化机制研究

摘要

针对高强化柴油机燃烧室主要结构件在高温重载条件下拉缸倾向严重等摩擦磨损问题，研究了缸套-活塞环摩擦副的摩擦状态转化机制，从摩擦状态转化表征方法和摩擦状态转化规律两个方面展开讨论与分析。
　　(1)建立了摩擦状态转化实验方法和表征方法。分别采用载荷级、温度级、速度级和贫油等四种实验方案，以摩擦状态宏观特征参量（摩擦力）为表征参数，以对摩擦状态转化的敏感性为评价标准，建立了以贫油实验方案为基准的摩擦状态转化实验方法，以模拟高强化柴油机发生拉缸的过程。以摩擦力为参量，基于混沌处理方法建立描述摩擦状态转化过程的分析模型，提取混沌吸引子作为有效表征摩擦状态转化的特征参数。依据不同摩擦状态摩擦副所具有的表面形貌特征，建立摩擦副表面形貌取向特征和各向分形特征与其所处摩擦状态的对应关系，并以系列图谱的形式表征，最终获得了摩擦副工况条件-摩擦状态-特征参数-特征形貌间的系统关联关系。
　　(2)获得了缸套-活塞环典型配副的摩擦状态转化规律。通过优化设计的摩擦副系统贫油实验，采用特征参数和特征形貌表征方法，研究了载荷、温度等因素对铸铁/氮化铬、铸铁/喷钼、铸铁/CKS、镀铬/氮化铬、镀铬/喷钼、氮化/喷钼、氮化/CKS、复合镀/喷钼等高强化柴油机典型配副的抗拉缸性能影响规律，其中复合镀/喷钼配对副具有优异的抗拉缸性能。通过分析润滑油对止点附近摩擦特性的影响，可以看出镀铬/氮化铬配对副与润滑油RP-4652D之间存在“温度缝隙”，低速区域滑动速度的微小变化带来了止点附近润滑特性的明显改变。当载荷为10MPa，滑动速度小于0.4mm/s时，润滑油中的添加剂ZDDP会显著减小摩擦力;滑动速度大于0.4mm/s时，添加剂ZDDP对减小摩擦力的影响减弱。当载荷为20MPa时，添加剂ZDDP在试验速度范围内对减小摩擦力的影响不明显。在贫油润滑状态下，当凹槽内储存的润滑油无法向平台结构区域供给润滑油时，摩擦表面吸附膜/化学反应膜/分解膜会逐渐消耗直至发生微凸体黏着。各配对副黏着磨损区域的共同特点是极压反应膜保护作用减弱，摩擦副材料发生黏着转移，表面形貌取向特征增强，精细复杂结构减少，分形维数值趋近于1左右。可以从设计具有梯度结构的摩擦副，保持摩擦副表面形貌各向高分形维数，提升摩擦副材料与润滑油的协同性等三方面改善摩擦副的抗黏着性能，提高高强化柴油机抗拉缸性能。
　　总之，本文从摩擦学、动力学、材料学三个方面较为系统地研究了混合润滑状态转化至严重黏着磨损的摩擦状态转化机制，为高强化柴油机缸套-活塞环摩擦副的抗拉缸性能控制提供了科学依据，对缸套-活塞环摩擦表面的设计提供了理论支持。此研究不仅对于高强化柴油机缸套-活塞环样件研制具有重要的工程意义，而且对丰富摩擦学理论具有重要的学术意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 柴油机摩擦学的研究现状

1．2．1 柴油机摩擦状态研究

1．2．2 柴油机摩擦学系统研究

1．2．3 柴油机摩擦特性研究

1．3 本文研究内容

第2章 摩擦状态转化实验方法研究

2．1 实验设备

2．2 实验材料

2．2．1 气缸套试样

2．2．2 活塞环试样

2．2．3 润滑油

2．3 实验参数

2．4 实验方法优选

2．5 小结

第3章 摩擦状态转化特征参数研究

3．1 摩擦力信号滤波处理

3．2 摩擦力信号演变趋势

3．3 摩擦力信号相空间重构

3．3．1 嵌入维数和延迟时间的确定方法

3．3．2 相空间重构参数

3．3．3 最大Layapunov指数

3．4 摩擦力信号吸引子

3．4．1 吸引子提取

3．4．2 吸引子演变规律

3．4．3 特征参数验证

3．5 小结

第4章 摩擦状态转化特征形貌研究

4．1 摩擦表面形貌表征方法

4．1．1 摩擦表面形貌测量

4．1．2自相关函数法

4．1．3 各向分形维数法

4．2 摩擦表面形貌特征演变

4．2．1 表面形貌演变过程

4．2．2 表面形貌取向特征分析

4．2．3 表面形貌分形特征分析

4．2．4 摩擦表面形貌特征验证

4．3 小结

第5章 摩擦状态转化规律研究

5．1 载荷和温度对抗拉缸性能的影响规律

5．2 润滑油对止点摩擦状态的影响规律

5．2．1 润滑油与摩擦副协同性

5．2．2 润滑膜低速剪切特性

5．3 小结

第6章 摩擦状态转化机理研究

6．1 拉缸机理

6．1．1 铸铁缸套

6．1．2 镀铬缸套

6．1．3 氮化缸套

6．1．4 复合镀缸套

6．2 摩擦状态转化物理模型

6．3 抗拉缸性能控制方法

6．4 小结

第7章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 未来工作展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文与申请的专利

攻读学位期间参加的科研项目

致谢

作者简介