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内燃机活塞缸套系统非光滑效应的仿生研究

邓宝清  
【摘要】:世界上各种机械的运动部件,如内燃机缸套与活塞、曲轴、轴瓦压铸机 冲头、等,其工作表面都处于相对运动和相互作用的状态。因此,必然存在 着摩擦与磨损,而磨损会造成机械设备运转效率降低、工件更换或维修频繁、 能源消耗增加等,这是造成机器和零件失效及大量资金损失的主要原因之 一。在工业化国家,能源的 30%消耗于摩擦损失,摩擦导致的磨损是机械设 备时效的主要原因,大约有 80%零件的损坏是由于磨损引起的。 提高内燃机的可靠性、耐久性和降低故障率,一直是内燃机技术发展的 一个重要研究方向。活塞与缸套是内燃机中的一对重要摩擦副,它的使用寿 命直接影响着内燃机的使用寿命和可靠性。因此,改善活塞与缸套系统的摩 擦磨损性能,对提高内燃机的使用性能具有重要的意义。本文的作者在国家 重大基础研究前期专项研究项目(生物非光滑基础理论 2002CCA01200)和 自然科学基金重点项目(地面机械脱附减阻仿生技术 59835200)十五国家科 技攻关项目(电控喷射液化石油气摩托车开发 2003BA408B09A)以及吉林 大学创新基金项目(小型点燃式 LPG 发动机冷起动与暖机排放规律的研究) 的资助下,以降低内燃机活塞缸套系统的摩擦与磨损为宗旨,应用工程仿生 学技术,采用模型试验、理论分析、模拟计算和实机试验相结合的方法,研 究了在一定润滑条件下,活塞缸套摩擦系统仿生非光滑效应,以此来探索降 低活塞缸套系统摩擦磨损的新方法。 本文研究属于原始创新,因此,在论文的研究过程中申请了四项国家专 利。仿生非光滑减阻耐磨技术是我国的自主知识产权,吉林大学首次发现, 并率先进行了仿生耐磨机理研究和应用技术开发。国内也有其它研究机构开 始关注并着手探索,国外如英国也开始研究。 本文利用仿生学原理,设计了五种仿生非光滑结构试验样件。通过模型 试验,对五种非光滑结构和对比的平板结构,进行了干摩擦试验、混合润滑 108 WP=117 试验、准油膜润滑试验,研究了各试件的摩擦系数和磨损率与载荷和润滑条 件之间的关系。分析了各种结构之间摩擦磨损及承载能力不同的原因,从中 优化出耐磨仿生非光滑单元体的分布规律。 通过模型试验发现: 干摩擦条件下,光滑结构和非光滑结构的摩擦学性能基本一致。随着载 荷的增加,摩擦系数下降,磨损率上升。随着载荷和摩擦距离的增加,摩擦 状态由涂附和轻微划伤向擦伤和胶合方向发展。 混合润滑条件下,各种非光滑结构的减阻耐磨性能都比对比的平面结构 具有明显的优势。最佳结构比平板结构,抗粘着磨损距离增了近 4 倍,能量 磨损率降低了 77%。抗粘着磨损比压提高了近 40%。从此试验优选出摩擦 学性能优良的结构为 D、C 和 F 结构。 准油膜润滑试验表明,各种非光滑结构的承载能力都比对比的平面结构 具有明显的优势。最佳结构比平板结构,抗粘着磨损比压提高了 85%。从此 试验优选出摩擦学性能最佳的结构为 F 结构。 润滑状态,随着载荷的增加,摩擦系数下降,磨损率上升。在一定范围 内随着温度的提高,摩擦系数下降,磨损率上升。 利用摩擦学原理,对有一定油膜存在的粗糙表面进行了受力分析。使用 干摩擦的摩擦磨损模型和油膜润滑状态油膜厚度与压力关系方程,以及应用 统计学观点,引入接触概率密度函数,对仿生非光滑试件进行了油膜承载能 力计算。通过对有限宽度的油膜压力分布分析,提出了对实际试件承载能力 的修正方法。通过计算得到各试件的承载能力大小顺序为:E 和 F 结构的承 载能力最强,其次是 D 结构,而后是 B 和 C 结构,最差是 A 结构。 通过模拟计算,分析了非光滑单元体的各个结构参数对承载能力的影 响因素,确定了两个影响承载能力的主要因素,长度比和膜厚比的最佳范围。 以最佳参数设计了优化的 G 结构仿生非光滑试件。 通过对各个结构试件的摩擦磨损模拟计算,计算出了载荷分配比例、 摩擦系数和磨损率等参数与试件承受载荷和表面粗糙度之间的关系。由计算 结果可以初步确定:表面粗糙度增加,会使得摩擦磨损性能下降。当载荷增 加到一定值后,磨损率与载荷呈现线性关系。 109 WP=118 通过摩擦磨损模拟计算确定各试件的耐磨性能的由强到弱的顺序为: G、E、F、D、B、C、A。 利用模型试验和模拟计算的结论,设计了三类仿生非光滑耐磨活塞,申 报了四项国家专利,取得专利一项。并且,对其中的一种仿生非光滑活塞与 原机活塞,进行了发动机台架对比试验研究,试验表明仿生非光滑活塞具有 优良的性能。 在试验中所开发的压环式联轴器与销钉式联轴器相比,柔性板受力均 匀,避免了销钉对销钉的孔撞击。使用夹布橡胶作柔性板,充分发挥其良好 的抗拉特性,在外径尺寸和厚度相同条件下,延长了夹布橡胶柔性板使用寿 命 4 倍多。 所开发的轴向自动张紧式三角带传动装置,具有自动张紧的特征,三角 带的轴向压紧力会随着所传递的转矩的增大成正比地增大。同时,对中要求 可以降低,安装使用性能好,节省发动机试验台的安装时间。为试验的顺利 完成起动了积极作用。 所开发的高速实据采集处理系统,?


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