納米潤滑油改善內(nèi)燃機活塞組-氣缸套潤滑摩擦熱物理機制研究.pdf

1、活塞組-氣缸套的潤滑摩擦直接影響內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性和可靠性。由于活塞組-氣缸套的潤滑摩擦環(huán)境極為復雜，伴隨高溫、重載、變速等不利于潤滑的因素，使其處于流體潤滑、薄膜潤滑、邊界潤滑共存的混合潤滑狀態(tài)。由納米顆粒與基礎(chǔ)油組成的納米潤滑油，具有改善潤滑摩擦和強化換熱的雙重優(yōu)勢，非常適用于活塞組-氣缸套的潤滑和冷卻。不同潤滑狀態(tài)下，納米顆粒改善潤滑摩擦的熱物理機制尚不完全清楚，傳統(tǒng)的研究方法無法將這幾種潤滑狀態(tài)分開進行研究。分子動力學(MD

2、)方法可以模擬不同的潤滑狀態(tài)和工作狀態(tài)，有效地從微觀角度揭示潤滑摩擦的機理，并能夠準確地描述納米流體的結(jié)構(gòu)特點，因此可以采用MD方法對各潤滑狀態(tài)下，納米潤滑油改善潤滑摩擦的熱物理機制分別進行深入研究。
　　本文根據(jù)活塞組-氣缸套的潤滑狀態(tài)分別建立了流體潤滑、薄膜潤滑和邊界潤滑模擬模型，采用MD方法對比分析了基礎(chǔ)油和納米潤滑油潤滑摩擦特性的不同，給出了各潤滑狀態(tài)下納米顆粒所發(fā)揮的作用，最后對納米流體強化換熱與潤滑摩擦的耦合作用機制做

3、了進一步研究。本文的主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)流體潤滑狀態(tài)下，分別研究了光滑表面和非平表面條件下，納米顆粒對潤滑膜剪切流動特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，納米顆粒通過影響流體的微觀結(jié)構(gòu)使得潤滑膜的承載能力有所增大;沉積到凹坑內(nèi)的納米顆粒對摩擦表面起到了填充作用，降低了摩擦阻力;除了沉積到凹坑內(nèi)的納米顆粒，潤滑膜中其他位置的納米顆粒均增大了摩擦阻力;不管是基礎(chǔ)流體還是納米流體，隨著溫度的上升，潤滑膜的承載能力下降。
　　(2)薄膜潤

4、滑狀態(tài)下，主要分析了納米流體與基礎(chǔ)流體潤滑摩擦特性的不同。研究發(fā)現(xiàn)，隨著載荷的增加，基礎(chǔ)流體和納米流體潤滑膜均由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤邦惞虘B(tài)”，但納米流體的轉(zhuǎn)變壓力高于基礎(chǔ)流體;納米顆粒通過提高潤滑膜的轉(zhuǎn)變壓力，使得摩擦力能夠在較寬的載荷范圍內(nèi)維持在較低的水平;納米流體在較高的載荷下表現(xiàn)出減摩效果的物理機制為:納米流體較高的液固轉(zhuǎn)變壓力、納米顆粒的無規(guī)則運動以及體積效應(yīng)。
　　(3)邊界潤滑狀態(tài)下，分別研究了軟質(zhì)Cu和硬質(zhì)金剛石納米顆粒對邊

5、界潤滑膜承載能力的影響。研究發(fā)現(xiàn)納米潤滑油的承載能力顯著高于基礎(chǔ)油，并且隨著載荷的增加，這種增強效果更加明顯。納米顆粒提高邊界潤滑膜承載能力的物理機制主要有三點:一是納米顆粒周圍致密的吸附層使得潤滑劑分子排列得更加緊密有序，提高了邊界膜的強度;二是隨著載荷的增加，油膜結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤吧媳诿嫖綄?顆粒周圍吸附層-納米顆粒-下壁面吸附層”這種特殊形式，該形式大大提高了邊界膜的強度;三是隨著載荷的進一步增加，在邊界膜破裂前，納米顆粒就已經(jīng)開

6、始為邊界膜提供良好的支撐作用。
　　(4)發(fā)生凸峰接觸時，文中研究了軟質(zhì)Cu、硬質(zhì)金剛石和SiO2納米顆粒對凸峰接觸潤滑摩擦特性的影響，主要考察了納米顆粒與摩擦副間的協(xié)同作用關(guān)系，以及納米顆粒對摩擦副機械特性的影響。研究證實了軟質(zhì)納米顆粒在摩擦表面間形成了固體潤滑膜，模擬結(jié)果表明這層固體潤滑膜有效承擔了摩擦副間的剪切作用，降低了摩擦副的塑性變形、內(nèi)部缺陷和溫度分布;硬質(zhì)納米顆粒有效地避免了摩擦表面的直接接觸，并具有“滾動軸承”和“

7、拋光”效果，摩擦副的溫度和缺陷結(jié)構(gòu)大大降低;不管是硬質(zhì)還是軟質(zhì)納米顆粒，納米顆粒改善凸峰接觸潤滑摩擦特性的效果隨著溫度的上升變得更加明顯。當相對滑動速度較高時，摩擦界面附近出現(xiàn)了“轉(zhuǎn)移層”，納米顆粒進入“轉(zhuǎn)移層”，失去了抗磨減摩效果。
　　(5)通過研究納米顆粒對流動特性的影響，以及納米流體流動與換熱的耦合作用，進一步明確了納米流體的強化換熱機理，最后對納米流體強化換熱與潤滑摩擦的耦合作用機制進行了闡述。結(jié)果表明:納米流體的速度脈