基于声发射技术对发动机缸套-活塞环润滑状态的分析与研究

摘要

缸套-活塞环摩擦润滑状态直接与发动机的经济性和可靠性相关联。但是缸套-活塞环之间的润滑状态难以直接测量，在线诊断和监测摩擦过程受到诸多限制。声发射检测技术因其具有诊断速度快、准确率高、故障定位性强、使用范围广、能够实现早期预测和在线诊断等特点，受到发动机故障监测与诊断研究的关注。由于声发射技术可以检测出材料的弹塑性变形、裂纹扩展、断裂以及晶界滑移等产生的瞬态弹性波，所以采用声发射检测技术可以间接有效地监测到缸套-活塞环之间的摩擦磨损状态，以此来评价缸套-活塞环之间的润滑特性。
　　本文依据雷诺方程，考虑润滑油的黏度、密度和温度变化的特性，建立缸套-活塞环润滑的数学模型。基于有限差分法和逐次超松弛迭代法对润滑模型进行求解，并用Matlab软件编写了润滑模型的计算程序。对单缸柴油机在一个工作循环内，分析了不同黏度的润滑油和不同运行工况对缸套-活塞环润滑性能的影响和摩擦磨损声发射的特性。在全柴QCH1110II型单缸机上进行了一系列台架试验研究，对不同运行工况和不同牌号润滑油的摩擦润滑状态进行了声发射信号的检测，并采用小波与包络技术相结合的方法分析了声发射信号，建立声发射信号与润滑状态之间的关系。
　　试验与分析结果表明:在上、下止点处，缸套与活塞环之间微凸体摩擦力较大，尤其在压缩上止点处，润滑油膜最小厚度最小，润滑状况最差。提高润滑油的黏度，对改良上、下止点处的润滑状况有着促进作用，但其它位置的黏滞摩擦会伴随着黏度的增加而增大，所以发动机要选择适当黏度的润滑油，以减少摩擦损失。当发动机转速的增加时，上、下止点的微凸体摩擦力减小，但其它位置的黏滞摩擦力会增加，所以选择适当的转速会减少对缸套-活塞环的磨损。同时，采集到的声发射信号不仅可以检测到进、排气门关闭和燃烧，还可以检测到由缸套-活塞环之间摩擦产生的声发射现象，并与缸套-活塞环润滑模型的预测结论一致，从而首次在线证明缸套-活塞环润滑数学模型的可靠性，进而验证了声发射技术可以实现发动机缸内摩擦润滑状态的非介入式诊断和监测。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的背景及研究意义

1．2 国内外的研究现状

1．2．1 缸套-活塞环润滑的研究

1．2．2 声发射检测技术的研究

1．3 课题的提出及来源

1．4 本文主要研究内容

第二章 润滑的原理及缸套-活塞环润滑模型的建立

2．1 润滑的作用

2．2 润滑状态的划分

2．3 活塞环的运动学分析

2．3．1 活塞环的基本运动

2．3．2 活塞环的相对运动

2．4 缸套-活塞环润滑模型

2．4．1 基本假设

2．4．2 雷诺方程

2．4．3 平均雷诺方程

2．4．4 润滑油的黏度和密度的特性

2．4．6 微凸体载荷方程

2．4．7 摩擦力方程

2．5 本章小结

第三章 润滑模型的求解及影响因素的分析

3．1 雷诺方程的求解

3．1．1 基于有限差分法求解雷诺方程

3．1．2 逐次超松弛迭代法

3．1．3 润滑模型的求解流程

3．1．4 编写润滑模型的计算程序

3．2 计算结果及分析

3．2．1 润滑油黏度对润滑状态的影响

3．2．2 不同工作转速对润滑状态的影响

3．3 本章小结

第四章 声发射技术理论及其源机制

4．1 声发射技术的理论

4．1．1 声发射技术的概念

4．1．2 声发射检测的基本原理

4．1．3 声发射技术特点

4．2 润滑过程中的声发射的源

4．2．1 声发射源机制

4．2．2 缸套-活塞环声发射源

4．3 本章小结

第五章 声发射信号的分析方法

5．1 常用声发射信号的分析方法

5．1．1 参数分析法

5．1．2 波形分析法

5．2 基于小波分析对声发射信号的分析

5．2．1 小波基的选取

5．2．2 小波对声发射信号进行降噪

5．3 小波包络对声发射信号的分析

5．4 本章小结

第六章 缸套-活塞环的声发射试验研究

6．1 试验目的

6．2 试验准备

6．2．1 试验用润滑油的参数

6．2．2 试验设备

6．3 试验方案

6．4 试验过程

6．5 试验结果的分析

6．6 润滑模型与试验的结果对比

6．7 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 全文总结

7．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文