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固体颗粒杂质影响活塞环—缸套润滑、磨损的理论及试验装备研究

杨晓京  
【摘要】: 活塞环-缸套是内燃机中最重要、最关键的运动副,对内燃机的动力性、经济性和可靠性有决定性的影响。本学位论文结合国家自然科学基金资助项目“磨料磨损过程数字仿真及其磨损机理研究”,结合云南省机械工业发展的强烈需求,旨在进一步提升云南省优势机械产品之一内燃机的产品质量,促进技术进步,增强市场竞争力。论文以活塞环-缸套摩擦副为研究对象,选择云内动力公司代表性产品4100型内燃机为具体工程对象,全面系统地研究了润滑油中固体颗粒杂质影响内燃机活塞环-缸套润滑、磨损的理论及其试验装备。论文的主要工作如下: 第一章,介绍了课题研究背景与意义,分别阐述了固体颗粒杂质对润滑、磨损影响的研究现状,活塞环-缸套摩擦学研究现状,固体颗粒杂质对活塞环-缸套润滑、磨损影响的研究现状,固体颗粒杂质检测系统的研究现状,活塞环-缸套摩擦副试验装备的研究现状。在此基础上,提出了论文的主要研究内容。 第二章,分析了润滑油中固体颗粒杂质形成原因,研究了固体颗粒杂质几何形态特征参数描述,得到了与固体颗粒实际形态比较符合且便于使用的几何形态描述参数,以润滑油中常见的固体颗粒杂质石英砂、氧化铝、氧化铁为分析对象,进行了几何形状参数测定实验。采用铁谱分析技术观察和分析了云内动力4100型内燃机润滑油中的颗粒杂质。研究了润滑油颗粒杂质的数量特征描述、检测方法以及浓度平衡理论,分析了固体颗粒杂质数量变化规律建模方法,重点研究了支持向量机建模理论,对使用中的云内4100型内燃机进行抽样,获得固体颗粒杂质浓度实验数据,并应用支持向量机理论实现了固体颗粒杂质数量变化规律的建模。 第三章,研究了固体颗粒对表面的作用数学模型,提出了一种针对固体颗粒的颗粒-表面接触数学模型,该模型考虑了弹性、弹塑性和塑性三种变形状态和在三种变形状态转化临界点的变形连续性和光滑性。根据润滑油中颗粒含量关系,建立了多个固体颗粒条件下的作用模型,实现了多个颗粒宏观作用的量化表达,为实际应用奠定了基础。最后,对固体颗粒与摩擦副表面作用进行了数值模拟研究:进行了固体颗粒微观接触过程的有限元分析,进行了固体颗粒冲击摩擦副表面过程的有限元分析,初步研究了基于分子动力学的微颗粒微观切削作用过程的数值模拟,进行了固体颗粒微观接触过程热效应有限元分析,从不同视角反映固体颗粒与摩擦副表面作用的变化过程和变化状态,探索了新的方法和手段。 第四章,从固体颗粒的存在而使润滑油变成了固-液两相流的角度出发,通过实验,研究了云内CD级40号专用柴油机润滑油,在含有三种类型的固体颗粒杂质时而引起润滑油粘度、闪点和燃点变化的两相流效应。重点讨论了活塞环-缸套润滑理论,在此基础上,建立了考虑颗粒杂质影响的活塞环-缸套润滑数学模型,分析了非线性二阶偏微分润滑模型的求解方法,为解决由于考虑了颗粒影响造成求解收敛更困难的难题,提出了解析解形式的活塞环-缸套润滑简化实用模型。针对云内动力4100型内燃机在进气、压缩、做功和排气整个实际工作行程中活塞环-缸套的润滑特性受颗粒杂质影响的情况进行了定量理论计算与分析。 第五章,分析了微切削作用机制和表面塑性变形机制的固体颗粒杂质机械效应。研究了综合两种机制的磨损模型,在此基础上,建立了固体颗粒对活塞环-缸套磨损的数学模型,并应用所建立的模型对云内动力4100型内燃机活塞环-缸套摩擦副进行了磨损量的理论计算分析,得到了内燃机在给定运行时间及颗粒条件下,活塞环、缸套的磨损量以及缸套不同位置的磨损量变化。 第六章,分析了固体颗粒杂质热效应及其可能引发粘着磨损的机理,研究了固体颗粒与接触表面的瞬时温度数学模型和固体颗粒热效应作用下产生粘着磨损的数学模型。在此基础上,分别建立了固体颗粒与缸套表面、固体颗粒与活塞环表面的瞬时温度数学模型以及热效应作用下活塞环-缸套发生粘着磨损的数学模型,并应用所建立的模型对云内动力4100型内燃机活塞环-缸套摩擦副进行了由于固体颗粒热效应而产生的局部温升的理论计算和粘着磨损理论计算,得到了内燃机在给定运行时间及颗粒条件下,缸套表面不同位置处和不同位置处的颗粒因热效应在压缩行程和膨胀作功行程中而产生的瞬时温度变化量,得到了缸套表面不同位置处因固体颗粒热效应而产生的粘着磨损量。 第七章,成功地应用旋转体视显微检测理论对润滑油中固体颗粒的三维外型进行检测,研究了润滑油中固体颗粒杂质三维外型微检测系统,验证了该系统对润滑油中固体颗粒的三维外型检测的可行性。研制了往复式活塞环-缸套试验机,该试验机采用模块化、积木式设计思想,配置可拆换的两部分装置:一是以内燃机实际使用的活塞环-缸套为摩擦副试件且能模拟实际运动形式的实验装置,二是可方便进行固体颗粒杂质影响活塞环-缸套润滑、磨损实验的装置。并基于国产低成本力控工控组态软件,开发了试验机数据采集与监测系统,在线测量与监控实验数据,实现对实验过程中数据变化的完全记录,弥补了同类试验装置不能自动监测实验数据的缺陷。 第八章,模拟4100型内燃机活塞环-缸套的实际运动形式,进行了润滑油含固体颗粒和不含固体颗粒时活塞环-缸套的摩擦磨损比较实验,研究了活塞环-缸套的摩擦力、磨损量、摩擦功耗等摩擦学特性以及与载荷、速度、时间等因素的关系,揭示了它们之间的相互关系规律和影响程度大小,总体分析了固体颗粒杂质的影响。然后根据固体颗粒影响活塞环-缸套润滑的理论研究,分别对试验机活塞环-缸套摩擦副试件在不同实验条件下应用理论模型计算润滑性能和活塞环、缸套试件的磨损量,与相应的实验数据进行对比分析,验证了理论的有效性和可信性。 第九章,对论文的主要研究工作和创新点作了总结,并对未来的研究工作进行了展望。


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