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活塞环组三维润滑数值模拟及其应用研究

叶晓明  
【摘要】:本文发展了一种发动机活塞环三维流体动压润滑和三维弹性流体动压润滑数值分析模型,同时还建立了对活塞组—气缸套耦合系统进行传热分析的活塞组—润滑油膜—气缸套耦合系统三维非稳态传热有限元分析模型。在此基础之上,以CUB100发动机为研究对象,进行了全面的应用研究。 活塞环润滑性能的研究在发动机设计领域中占有非常重要的地位。以往所建立的活塞环润滑性能分析模型大都以轴对称模型为主,没有考虑活塞环在圆周方向上的润滑特性。为此本文建立了活塞环三维润滑数值分析模型,对活塞环润滑性能进行了分析计算。 文中,活塞环三维流体动压润滑分析模型以平均Reynolds方程、粗糙表面微凸体接触模型和Reynolds出口边界条件为基础,考虑了气缸套圆周方向上的变形、润滑表面粗糙度、活塞环组的燃气泄漏、润滑油膜的气穴效应以及润滑油的变粘度、变密度效应等影响因素。采用有限差分法将求解域离散,通过迭代计算得到了整个工作循环内活塞环上的油膜厚度、油膜压力、摩擦力和摩擦热等润滑性能参数。对比分析了不同的活塞环几何结构设计参数、润滑表面粗糙度、润滑油粘度和气缸套形状对活塞环润滑性能的影响。 点火上止点附近,在较高油膜压力作用下活塞环和气缸套润滑表面发生较大的弹性变形,对活塞环润滑性能产生很大的影响。本文将平均Reynolds方程与润滑表面法向弹性变形方程联立,建立了活塞环三维弹性流体动压润滑分析模型。对比分析了活塞环在动压润滑和弹流润滑状态下的润滑特性及活塞环组的润滑性能。 此外,本文在上述活塞环润滑模型的基础上,进行了发动机燃烧室耦合系统传热的研究。文中,将润滑油膜视为一径向热阻建立了活塞组与气缸套之间的传热关系。通过在活塞组与气缸套耦合边界面上划分排列规则、大小一致的耦合边界单元以满足耦合计算要求,建立了活塞组—润滑油膜—气缸套耦合系统三维非稳态传热有限元模型。将活塞环润滑分析所得到的活塞环组油膜厚度及摩擦热作为边界条件,分析了倒拖和点火两种工况下活塞环组摩擦热对活塞组—气缸套耦合系统温度场分布的影响。计算值与试验测量值的对比表明两者基本一致,说明了计算模型的可行性。 活塞环润滑性能分析及活塞环组摩擦热对活塞组—气缸套耦合系统温度场分布影响的分析表明:气缸套形状(非轴对称性)、润滑表面粗糙度、润滑油粘度及活塞 WP=5 环设计参数对活塞环润滑性能都有很大的影响;气缸套圆周方向上的油膜压力并非保持一致,而是随着气缸套的变形而发生变化;燃烧室和活塞环间气体压力对活塞环润滑性能有很大的影响;在点火上止点附近由于油膜压力急剧上升,需对活塞环进行弹流润滑性能分析,而在其余曲轴转角下,活塞环动压润滑性能和弹流润滑性能基本保持一致;由于活塞环间隙对燃烧室气体的节流作用,作用在每道活塞环上的气体压力都不相同,导致其润滑特性也不一样;活塞环组摩擦热主要对活塞组环槽附近区域温度场有比较显著的影响,而对远离活塞组环槽区域温度场的影响比较小;活塞环组摩擦热对活塞组温度场的影响相比而言要大于其对气缸套温度场的影响;活塞环组摩擦热对活塞组、气缸套温度场分布的影响在圆周方向上是不一致的。


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