固體顆粒雜質(zhì)影響活塞環(huán)-缸套潤滑、磨損的理論及試驗裝備研究.pdf

1、活塞環(huán)-缸套是內(nèi)燃機中最重要、最關(guān)鍵的運動副，對內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性和可靠性有決定性的影響。本學位論文結(jié)合國家自然科學基金資助項目“磨料磨損過程數(shù)字仿真及其磨損機理研究”，結(jié)合云南省機械工業(yè)發(fā)展的強烈需求，旨在進一步提升云南省優(yōu)勢機械產(chǎn)品之一內(nèi)燃機的產(chǎn)品質(zhì)量，促進技術(shù)進步，增強市場競爭力。論文以活塞環(huán)-缸套摩擦副為研究對象，選擇云內(nèi)動力公司代表性產(chǎn)品4100型內(nèi)燃機為具體工程對象，全面系統(tǒng)地研究了潤滑油中固體顆粒雜質(zhì)影響內(nèi)燃機活塞環(huán)-

2、缸套潤滑、磨損的理論及其試驗裝備。論文的主要工作如下： 第一章，介紹了課題研究背景與意義，分別闡述了固體顆粒雜質(zhì)對潤滑、磨損影響的研究現(xiàn)狀，活塞環(huán)-缸套摩擦學研究現(xiàn)狀，固體顆粒雜質(zhì)對活塞環(huán)-缸套潤滑、磨損影響的研究現(xiàn)狀，固體顆粒雜質(zhì)檢測系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，活塞環(huán)-缸套摩擦副試驗裝備的研究現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，提出了論文的主要研究內(nèi)容。 第二章，分析了潤滑油中固體顆粒雜質(zhì)形成原因，研究了固體顆粒雜質(zhì)幾何形態(tài)特征參數(shù)描述，得到了與固

3、體顆粒實際形態(tài)比較符合且便于使用的幾何形態(tài)描述參數(shù)，以潤滑油中常見的固體顆粒雜質(zhì)石英砂、氧化鋁、氧化鐵為分析對象，進行了幾何形狀參數(shù)測定實驗。采用鐵譜分析技術(shù)觀察和分析了云內(nèi)動力4100型內(nèi)燃機潤滑油中的顆粒雜質(zhì)。研究了潤滑油顆粒雜質(zhì)的數(shù)量特征描述、檢測方法以及濃度平衡理論，分析了固體顆粒雜質(zhì)數(shù)量變化規(guī)律建模方法，重點研究了支持向量機建模理論，對使用中的云內(nèi)4100型內(nèi)燃機進行抽樣，獲得固體顆粒雜質(zhì)濃度實驗數(shù)據(jù)，并應用支持向量機理論實現(xiàn)

4、了固體顆粒雜質(zhì)數(shù)量變化規(guī)律的建模。 第三章，研究了固體顆粒對表面的作用數(shù)學模型，提出了一種針對固體顆粒的顆粒-表面接觸數(shù)學模型，該模型考慮了彈性、彈塑性和塑性三種變形狀態(tài)和在三種變形狀態(tài)轉(zhuǎn)化臨界點的變形連續(xù)性和光滑性。根據(jù)潤滑油中顆粒含量關(guān)系，建立了多個固體顆粒條件下的作用模型，實現(xiàn)了多個顆粒宏觀作用的量化表達，為實際應用奠定了基礎(chǔ)。最后，對固體顆粒與摩擦副表面作用進行了數(shù)值模擬研究：進行了固體顆粒微觀接觸過程的有限元分析，進行

5、了固體顆粒沖擊摩擦副表面過程的有限元分析，初步研究了基于分子動力學的微顆粒微觀切削作用過程的數(shù)值模擬，進行了固體顆粒微觀接觸過程熱效應有限元分析，從不同視角反映固體顆粒與摩擦副表面作用的變化過程和變化狀態(tài)，探索了新的方法和手段。 第四章，從固體顆粒的存在而使?jié)櫥妥兂闪斯?液兩相流的角度出發(fā)，通過實驗，研究了云內(nèi)CD級40號專用柴油機潤滑油，在含有三種類型的固體顆粒雜質(zhì)時而引起潤滑油粘度、閃點和燃點變化的兩相流效應。重點討論了活

6、塞環(huán)-缸套潤滑理論，在此基礎(chǔ)上，建立了考慮顆粒雜質(zhì)影響的活塞環(huán)-缸套潤滑數(shù)學模型，分析了非線性二階偏微分潤滑模型的求解方法，為解決由于考慮了顆粒影響造成求解收斂更困難的難題，提出了解析解形式的活塞環(huán)-缸套潤滑簡化實用模型。針對云內(nèi)動力4100型內(nèi)燃機在進氣、壓縮、做功和排氣整個實際工作行程中活塞環(huán)-缸套的潤滑特性受顆粒雜質(zhì)影響的情況進行了定量理論計算與分析。 第五章，分析了微切削作用機制和表面塑性變形機制的固體顆粒雜質(zhì)機械效應。

7、研究了綜合兩種機制的磨損模型，在此基礎(chǔ)上，建立了固體顆粒對活塞環(huán)-缸套磨損的數(shù)學模型，并應用所建立的模型對云內(nèi)動力4100型內(nèi)燃機活塞環(huán)-缸套摩擦副進行了磨損量的理論計算分析，得到了內(nèi)燃機在給定運行時間及顆粒條件下，活塞環(huán)、缸套的磨損量以及缸套不同位置的磨損量變化。 第六章，分析了固體顆粒雜質(zhì)熱效應及其可能引發(fā)粘著磨損的機理，研究了固體顆粒與接觸表面的瞬時溫度數(shù)學模型和固體顆粒熱效應作用下產(chǎn)生粘著磨損的數(shù)學模型。在此基礎(chǔ)上，分別

8、建立了固體顆粒與缸套表面、固體顆粒與活塞環(huán)表面的瞬時溫度數(shù)學模型以及熱效應作用下活塞環(huán)-缸套發(fā)生粘著磨損的數(shù)學模型，并應用所建立的模型對云內(nèi)動力4100型內(nèi)燃機活塞環(huán)-缸套摩擦副進行了由于固體顆粒熱效應而產(chǎn)生的局部溫升的理論計算和粘著磨損理論計算，得到了內(nèi)燃機在給定運行時間及顆粒條件下，缸套表面不同位置處和不同位置處的顆粒因熱效應在壓縮行程和膨脹作功行程中而產(chǎn)生的瞬時溫度變化量，得到了缸套表面不同位置處因固體顆粒熱效應而產(chǎn)生的粘著磨損量

9、。 第七章，成功地應用旋轉(zhuǎn)體視顯微檢測理論對潤滑油中固體顆粒的三維外型進行檢測，研究了潤滑油中固體顆粒雜質(zhì)三維外型微檢測系統(tǒng)，驗證了該系統(tǒng)對潤滑油中固體顆粒的三維外型檢測的可行性。研制了往復式活塞環(huán)-缸套試驗機，該試驗機采用模塊化、積木式設(shè)計思想，配置可拆換的兩部分裝置：一是以內(nèi)燃機實際使用的活塞環(huán)-缸套為摩擦副試件且能模擬實際運動形式的實驗裝置，二是可方便進行固體顆粒雜質(zhì)影響活塞環(huán)-缸套潤滑、磨損實驗的裝置。并基于國產(chǎn)低成本力

10、控工控組態(tài)軟件，開發(fā)了試驗機數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測系統(tǒng)，在線測量與監(jiān)控實驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對實驗過程中數(shù)據(jù)變化的完全記錄，彌補了同類試驗裝置不能自動監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)的缺陷。 第八章，模擬4100型內(nèi)燃機活塞環(huán)-缸套的實際運動形式，進行了潤滑油含固體顆粒和不含固體顆粒時活塞環(huán)-缸套的摩擦磨損比較實驗，研究了活塞環(huán)-缸套的摩擦力、磨損量、摩擦功耗等摩擦學特性以及與載荷、速度、時間等因素的關(guān)系，揭示了它們之間的相互關(guān)系規(guī)律和影響程度大小，總體分析了固體