（机械电子工程专业论文）液固二相润滑状态下活塞环缸套摩擦及擦伤特性的研究.pdf

液一固二相润滑状态下活塞环一缸套摩擦及擦伤特性的研究 摘要 在实际工况下，动压润滑的摩擦副中固体颗粒的存在已经是一个不争的事 实。固体颗粒主要来自两个方面：一是外界环境和磨损的产物；二是固体悬浮 添加剂。此时固体颗粒与润滑油的作用、固体颗粒与摩擦副表面的作用等对摩 擦副的性能均产生重要的影响。因此，研究液固二相流体润滑不仅对润滑理论 的发展具有重要的意义，而且也具有重要的应用价值。 在组成发动机的摩擦副中，活塞环- 缸套系统是其中最复杂也是最重要的， 以此为对象开展研究具有积极的意义。本研究首先设计和实现了摩擦力采集电 子电路系统，装置最大采样率可达到3 7 0 4 s p s ，在曲轴转速为1 2 0 0 r m i n 时，对 应曲柄转角1 9 4 度采样点，并且可以采集用来确定活塞位置的光电开关的信 号。用v c + + 编写了的在p c 机中使用的测控软件，主要有采集板控制、数据读 入和保存、图形显示、统计参数计算、滤波器设计、滤波计算、频谱分析等模 块。然后，以内燃机中的活塞环缸套摩擦副为目标，在活塞环缸套摩擦副实验 台架上进行模拟实验，考察在不同二相流润滑( 润滑油分别为纯润滑油、含纳 米级金刚石粉( u d p ) 、二硫化钼粉( m o s 2 ) 的浓度为o 0 2 和o 1 的液一固二 相润滑油) 条件下摩擦副的摩擦力及极限擦伤载荷的变化。基于r e y n o l d s 方程 及颗粒承载模型，引入颗粒直径、浓度等参数，并建立了分析液固二相润滑下 活塞环一缸套摩擦副润滑状态的模型，探讨了不同颗粒直径和浓度对承载、油 膜厚度及摩擦力的影响。 关键词：活塞环，缸套，液固二相润滑，摩擦力，擦伤 a n i n v e s t i g a t i o n o nt h ef r i c t i o n a la n d s c u f f i n gp r o p e r t i e s i nl i q u i d s o l i dl u b r i c a t i o n a b s 订a c t i th a sb e e nk n o w nf o rm a n y y e a r st h a tv a r i o u st y p e so fp a r t i c l e sc o n t a m i n a t et h e o i ld u r i n go p e r a t i o no fh y d r o d y n a m i ct r i b o p a i r s t h e r ea r et w ow a y st h a tt h es o l i d p a r t i c l e s c o m ef r o m ：( 1 ) e n v i r o n m e n ta n dw e a rp a r t i c l e s ( 2 ) s o l i da d d i t i v e s s u s p e n d i n g i nc a r r i e rf l u i d s i n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h e p a r t i c l e s ，l i q u i d s a n dt h e f r i c t i o n a ls u r f a c e sw i l lg r e a t l ya f f e c tt h e p e r f o r m a n c e s o f t h e t g b o p a l r s s os t u d i e s o n t h el i q u i d s o l i dl u b r i c a t i o nn o to n l yh a v eg r e a ts i g n i f i c a n c et ol u b r i c g i o nt h e o r y , b u t a l s oh a v eg r e a tv a l u ei na p p l i c a t i o n a m o n g t h et r i b o p a l r si na ne n g i n e ，p i s t o nr i n g c y l i n d e rb o r es y s t e mi st h em o s t c o m p l e xa n di m p o a a n to n e s ot h e r e s e a r c h e so nt h i s s y s t e mw i l l b eo fg r e a t s i g n i f i c a n c e a ne l e c t r i c a ls y s t e mi sd e v e l o p e df o rm e a s u r i n gt h ev a r i a t i o no ft h e f r i c t i o nf o r c eb e t w e e n p i s t o nr i n ga n dc y l i n d e rb o r e t h es a m p l i n gr a t eo f t h es y s t e m c a nr e a c h3 7 0 4 s p s ，a n d t h ec r a n k a n g l e i s1 9 4 d e g r e ep e rs a m p l i n gp o i n t c o r r e s p o n d i n g t ot h ec r a l l ks p e e do f1 2 0 0 f f m i n i nt h em e a n t i m e ，t h ep o s i t i o ns i g n a l o ft h ep i s t o nc o u l db ec o l l e c t e db yp h o t o e l e c t r i c i t ys w i t c h t h es i g n a lp r o c e s s i n g s o f t w a r ew a sd e v e l o p e db yv c + + t o o l s n l em o d u l e so ft h es o f t w a r e i n c l u d i n g b o a r dc o n t r o l l i n g ，s i g n a li n p u t ，d a t as a v i n g ，f i g u r ed i s p l a y , s t a t i s t i cc o m p u t i n g ，f i l t e r d e s i g n ，s p e c t r u ma n a l y s i s ，e t c b a s e do nt h ee x p e r i m e n tp e r f o r m e do nt h ep i s t o n r i n g - c y l i n d e r b o r ew e a rt e s t e r , t h ef r i c t i o nf o r c ea n dm a xs c u f f i n gl o a du n d e r d i f f e r e n tl i q u i d - s o l i dl u b r i c a t i o n ( t h es o l i dc o n c e n t r a t i o n sa r co 0 0 2 a n d0 1 b yw e i g h t ，t h et y p eo fp a r t i c l e sa r em o s 2a n du o p ) i si n v e s t i g a t e di nt h i st h e s i s b a s e do nr e y n o l d se q u a t i o na n ds o l i dp a r t i c l e sc a r r y i n gm o d e l ，at h e o r e t i c a lm o d e l f o r p i s t o nr i n g - c y l i n d e r l i n e rl u b r i c a t i o ni nl i q u i d - s o l i dl u b r i c a t i o nh a db e e n p r o p o s e d n l ee f f e c to fs o l i dp a r t i c l e s d i a m e t e ra n dc o n c e n t r a t i o na r ei n t r o d u c e di nt h em o d e l 扬fi n f l u e n c eo f t h e p a r t i c l e s d i a m e t e ra n de o n c e n w a t i o n 锄l o a d 。f i l m 吐f i c k n e s sa n d f r i e t i o nf o r c eh a db e e n a n a l y z e d k e y w o r d s ：p i s t o nr i n g , c y l i n d e rb o r e ，l i q u i d - s o l i dl u b r i c a t i o n , f r i c t i o n f o r c e ， s c u f f i n g ； 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得盒胆王些友堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名： 乙磷7签字日期：认一斗年，月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒墅王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印 ，丰和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金 壁王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 钻 签字日期：汩牛年弓月刃日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：合r 已。生犬粤 通讯地址： 导师虢宏f 崔癌 导师签名：名l 崔凌3 签字日期：年月日 电话： 邮编：二，。， 致谢 值此论文完成之际，回首近三年的硕士研究生生活，我要首先向我的导 师一一刘煜教授说一声：“谢谢! ”。所有的研究工作是在他的精心指导下完成的， 倾注了刘老师大量的时间和精力。他严谨、慎重的治学态度，理性的生活方式 以及在学习和生活中给予我的教诲和帮助是我终生受之不尽的! 感谢林茂禄老师傅和张斌同学，他们在实验中给我的帮助大大促进了研究 的完成。摩擦学研究室是一个融洽的集体，与其他老师和同学的相处与讨论使 我获益匪浅。 感谢国家自然科学基金会对本研究项目的资助。 最后还要感谢我的家人，是他们在我漫长的求学生涯中，给了我莫大的鼓 励和支持，用他们默默的奉献和宽容，使我得以顺利完成学业。 t h a n k sal o tt oe v e r y o n et h a th a v eh e l p e dm e a 1 1o ft h e m ! 王伟 二零零四年三月五日 符号清单 一活塞环载荷( p a ) 巩一固体颗粒的承载( p a ) 矿，一= 相流体的承载( p a ) p 一流体承载载荷( p a ) u 一活塞速度( m s ) 一液固流体粘度( p 。s ) y 一曲柄长度连杆长度 一曲柄转速( r m i n ) 弁一油膜厚度( m ) r 一曲柄长度( m ) ，一曲柄长度臆杆长度 0 一曲柄转角( o ) 。一纯润滑油粘度( p a s ) e 一纯润滑油的粘压系数( 1 i 】! n ) 五一二相流体中固体颗粒占重量比 p 一纯润滑油密度( k g m 3 ) v 一摩擦副表面的泊松率 e 一摩擦副表面的弹性模量( n m 2 ) v 。一颗粒的泊松率 e 。一颗粒的弹性模量( n m 2 ) d 一颗粒直径( m ) 也一颗粒的硬度( n m 2 ) 一，一颗粒承载区域面积( m 2 ) 曩一颗粒承载区的有效高( m ) l 一弹性变形的颗粒数目 ，塑性变形的颗粒数目 一参与承载的颗粒总数目 暇一弹性颗粒承载( p a ) 矿，一塑性颗粒承载( p a ) 母一固体的剪应力( p s i ) p 。一固体颗粒的密度( k g m 3 ) 第一章引言 1 1 本课题的来源、目的及意义 本课题来源于国家自然科学基金项目：耦合粗糙表面颗粒形态影响的 液一固二相流体润滑研究( 5 0 2 7 5 0 4 6 ) 。是它的一个组成部分，把建立考虑颗 粒尺寸、浓度等因素影响的摩擦、润滑模型，研究液固- - f l 流体对摩擦副的 摩擦学特性的影响作为主要内容。 本论文以内燃机中的活塞环一缸套摩擦副为目标，在活塞环一缸套摩擦副实 验台架上进行模拟实验，考察在不同二相流润滑条件下( 润滑油分别为纯润滑 油、含纳米级金俑1 j 石粉( u d p ) 、二硫化铝粉( m o s 。) 的浓度为0 0 2 和o 1 的 液一固二相润滑油) 摩擦副的摩擦力及极限擦伤载荷的变化，并从理论上分析和 探讨引起这些变化的原因。 本课题的研究将有助于液一固二相流体润滑理论的完善，对内燃机润滑系 的设计也有参考意义。 1 2 液一固二相流体润滑的发展及研究现状 一百多年前，r e y n o l d s 发表了关于流经轴承间隙的流体力学特性的论文。 在此论文中，他天才地推导出了描述流体润滑基本规律的r e y n o d s 方程。 r e y n o l d s 方程奠定了流体力学的理论基础，使流体中的压力分布、摩擦力和承 载能力等诸多有关轴承性能的参数的确定成为可能。然而r e y n o l d s 方程的推导 建立在一系列严格的假设基础之上，其中之一是流体应是“纯净、无杂质”的。 可是，在机械行业中，常用的“纯润滑油”常常含有“杂质”! 比如： 首先，为了改善润滑油的性能指标，在润滑油的生产中已大量将化合物作 为清净分散剂、抗氧、防腐剂、极压添加剂、降凝剂、抗泡剂等添加入纯润滑 油中。 其次，润滑油在工作过程中变质产生的沉积物；由外界环境带来的或由于 摩擦磨损等原因产生的固体磨屑，也是润滑油“杂质”的另一个组成部分。 最后，以常用的润滑油为流体载体，人为地加入固体悬浮添加剂以改善基 础油的润滑性能，比如纳米级金刚石粉( u d p ) 、二硫化钼粉( m o s ：) 、石墨等。 由上述可知，润滑油中“杂质”的存在及其产生的影响是不争的事实，润 滑油中由于固体颗粒的存在变成了液一固二相流体润滑剂。所以，用传统 r e y n o l d s 方程来研究这样的润滑油有很大的局限性。特别是最后一种情况下， 人为加入一定的固体颗粒后，由于液一固二相流体润滑剂表现出独特的性质，使 其应用日益广泛，所以对它的研究极具实用价值。 尽管在1 9 2 7 年，m c k e e “3 就指出了固体颗粒在润滑油中的影响，但这个主 题上的研究一直比较少。经过多年的发展之后，从事液一固二相流体润滑研究的 学者逐渐增多，科技论文开始出现。在2 0 世纪6 0 年代，基于滑动轴承摩擦副 和微米级颗粒，h g r y l a n d e r 。3 研究并提出了液一固二相流体动压润滑理论。他 从实验出发，把润滑剂分成三类：牛顿不可压缩流体、牛顿可压缩流体和非牛 图卜1润滑剂中的固体颗粒在轴颈中的通过方式 顿流体：把辅承颈部接触区域分成三个区域：1 五m 即固体颗粒的尺寸比接触区域的最小间隙大。 在此区域，固体颗粒发生塑性变形。3 其它部分都归入区域3 。在区域1 和区 域3 只需要按常规的方法解决，而在区域2 则需要另外的考虑。其后的 【，m k h o n s a r i 。“4 3 认为只需要把流体分成牛顿流体和菲牛顿流体考虑即可。他还 认为在常用的润滑剂中加入固体润滑剂颗粒可以形成一种微结构，这种微结构 会在润滑过程中起作用。f d a i 和m 。m k h o n s a r i 0 1 混合流体连续理论推导出了 一般形式的r e y n o l d s 方程。 在二相流摩擦机理的研究中，r i t r e z o n a ，d n a i l s o p p 和i ，6 【h u t c h i n g s ” 在不同的实验条件下，研究了摩擦磨损的机理和磨损量的变化情况，结论是： ( 1 ) 在二相流体润滑条件下，存在一个载荷与二相润滑剂中固体颗粒浓度的临 界比值。在重载和低浓度的情况下，固体颗粒将会犁削摩擦副表面，形成二体 磨料磨损( t w o b o d ya b r a s i v ew e a r ) ；而在轻载和固体颗粒浓度较高时，固体 颗粒将会在摩擦副表面间作滚动运动，形成三体磨料磨损( t h r e e - b o d y a b r a s i v ew e a r ) ；( 2 ) 存在个固体颗粒的i 临界浓度，当浓度较低时，磨损量 与载荷无关，只与浓度近似成线性关系；浓度较高时，磨损量随着浓度的升高 而减小。g b s t a c h o w i a k 和g w s t a c h o w i a k ”3 研究了三体磨料磨损中，固体颗 粒特性( 如形状与硬度等) 在摩擦磨损过程中的影响。j a w i l l i a m s 和 a m h y n c i c a ”1 详细分析了采用液一固二相流体润滑剂润滑条件下摩擦磨损的机 理。他们认为存在一个临界的提呢值( b 是固体颗粒的最大尺寸，而h 是两个 ， 摩擦副表面的间距) 。h 值不仅由流体动压条件决定，而且还受到载荷以及与摩 擦副表面有接触的固体颗粒数量的影响。在轻载和二相润滑剂中固体颗粒浓度 很高时，固体颗粒只是很浅地嵌入摩擦副表面，因而易于形成滚动 而在重载 或固体颗粒浓度较低时，固体颗粒较深地嵌入摩擦副表面，于是便形成了对摩 擦副表面的犁削作用。这个临界的值约为1 7 4 。 另外，d a i 和k h o n s a r i “1 从液一固两相本构方程出发考虑了液相与固相的相 互作用，并计算了对轴承摩擦学特性的影响。针对弹流润滑，n i k a s 。3 和h u a 以 及k h o n s a r y “”都基于圆形颗粒和绝对光滑表面假定，研究了固体颗粒对接触的 影响。还有一些学者认为分散在润滑油中的固体颗粒减少了摩擦力“”“，同时 也提高了油膜的承载能力“。a o k i 和n a k a h a r a “”以及k h o n s a r i 。”研究了二硫 化钼对摩擦力和摩擦系数的影响。在另一方面，w j b a r t z “”认为磨损率随着二 相润滑剂中固体颗粒的浓度增大而增加。 在纳米级颗粒的研究中，沈明武“认为u d p 通过增粘效应使润滑剂的油膜 增厚，并且产生微滚动效应使摩擦因数降低。张家玺等”认为u d p 可渗入到摩 擦表面形成极薄的固体润滑膜，从而有效阻止摩擦表面的直接接触。 总的来说，液一固二相流体润滑从理论和实验两方面都有待更深入的研究。 1 3 液一固二相流体润滑在活塞环一缸套摩擦副中应用研究的现状 当前，对液n - 相流体润滑的研究基本都以轴承摩擦副为研究对象。本课题将活 塞环一缸套摩擦副作为研究二相流体润滑的应用对象。在发动机的近百个摩擦副 中，活塞环缸套系统是工作条件最恶劣的摩擦系统，也是作用最为关键的摩擦系统。在工 况下，不论是磨损颗粒或粉尘的进入，还是人为加入的固体颗粒添加剂，都使 液一固二相流体润滑更贴近实际。由此，以活塞环缸套摩擦副为对象，研究液 一固二相流体润滑不仅对具有重要的理论意义，同时也具有极大的实用价值。 w a k u r i “”等通过浮动缸套法研究了活塞环缸套摩擦副动态摩擦力。刘煜 啪1 采用平均形式二维r e y n o l d s o ”方程研究了活塞环一缸套摩擦副的动态特 性。刘煜等。”对缸套的擦伤进行了理论分析和试验模拟。k h o n s a r i 。”研究了含 有固体颗粒的轴承摩擦副发生的擦伤。张家玺等“”通过在活塞环一缸套摩擦副 的润滑油中加入u d p 进行了试验研究。刘媲、王超”1 等研究了纳米颗粒作为添 加剂时活塞环一缸套摩擦副磨损量和表面形貌的变化。 总体而言，不同二相流润滑条件下，摩擦副的摩擦力及极限擦伤载荷的变 化是反映二相流特性的重要表现形式。所以，本课题的研究将有助于液一固二 相流体润滑理论的完善，对内燃机润滑系的设计也有参考意义。 1 4 本论文的主要内容 本论文共分六章，各章内容安排如下： 第一章引言部分，对液固二相流体润滑的发展及研究现状、二相流体润滑 在活塞环一缸套摩擦副中的应用与研究的现状做了介绍。同时，对本论文的来 源、目的、内容和意义做了简介。 第二章阐述了当前相对成熟的液一固二相润滑理论，基于r e y n o l d s 方程及 颗粒承载模型，引入颗粒直径、浓度等参数，建立了一种分析液固二相流体润 滑条件下活塞环一缸套摩擦副润滑状态的模型。计算了不同颗粒直径和浓度对 承载、油膜厚度的影响。 第三章介绍了往复式发动机活塞环一缸套摩擦磨损实验台，以及所使用的试 件、润滑剂及颗粒的理化特性。其中自主开发的摩擦力测量系统装置最大采样 率可达到3 7 0 4 s p s ，在曲轴转速为1 2 0 0 r m i n 时，对应曲柄转角1 9 4 度采样点。 并可在p c 中对数据分析、计算，为理论研究了提供结果和依据。 第四章考虑了二相流体中固体颗粒的粒径、浓度，并使用了液固二相流体 润滑的数学模型，探讨了考虑固体颗粒的混合润滑下摩擦力的组成，计算了不 同工况下的颗粒及液固- , f l 流体的摩擦力。总结了不同二相流体润滑下摩擦力 的试验数据，并针对结果做了一定的分析。 第五章总结了不同二相流体润滑下擦伤载荷和表面本体温度的试验数据， 并针对结果做了定的分析，探讨了液一固- $ h 流体润滑时擦伤发生的机理。 第六章对全文进行了总结，并针对所做的工作中存在的一些不足做了分析， 对今后该项工作的继续开展进行了展望。 第二章液一固二相流体润滑理论 2 1 前言 润滑的目的是在摩擦表面之间形成低剪切强度的润滑膜，以此来减少摩擦 阻力和降低材料的磨损”“。润滑膜可以是液体或气体形成的流体膜，也可以是 固体、液体和气体中的二相或多相组成的润滑膜。 本论文主要研究的是固体颗粒和润滑油组成的液固二相流体润滑膜。加入 固体颗粒后，对润滑油的摩擦学特性有许多改变。引言中提到了一些学者在这 个主题上已经做过的研究。本章后面的内容将简要介绍目前相对成熟的液固二 相流体润滑理论，并建立本课题中使用的液固二相流体润滑模型。 2 。2 液一固二根流体润滑理论 经典的润滑理论建立在几点假设的基础之上，其中之一是润滑剂纯净而且 具有牛顿流体的性质，实际使用的润滑油很少达到以上的要求，如润滑油中常 常含有切屑和灰尘等杂质而不纯净，形成二相或多相润滑。 液一固二相流体润滑剂中常含有微结构，根据应用的不同可以呈现出不同的 形态： 一种微结构是加入所需的润滑油添加剂，如普通的发动机油，这种微结构 是多种聚合物添加剂，用以改善润滑油的性质。这种添加剂尽管量较少，却能 显著地改善摩擦系统的性能。 另一种微结构是常用的润滑油等载体中加入固体润滑剂，目的是通过流体 载体悬浮系统向恶劣的工况环境提供润滑，如对工作温度超过5 0 0 。c 的高温发 动机进行润滑，替代润滑油可比常用的润滑油承受更高的温度8 3 。当然，流体 载体也不一定必须是液体，也可以是气体，如粉末润滑等。在液态润滑剂不适 用时可选用这种润滑方法。 在纯液体中引入固体颗粒后，同时也引出了新的需要研究的问题：首先需 要考虑颗粒表面形态、尺寸、浓度、硬度等参数；其次，需要考虑颗粒的运动 形态、剪切、滑移，与摩擦副表面的接触。还有液固两相的相互作用、摩擦副 表面形貌与真实形态固体颗粒的相互作用等问题。 以下以轴承轴颈为例，对液一固二相流体润滑做简单分析。图2 - 1 给出轴颈 的两个表面之间的流体膜中的一个流元的受力情况，为简化问题，做如下假设： 1 ) 不考虑重力等外力对流体膜的作用； 2 ) 所有的内力都忽略不计，如流元作曲线流动时产生的加速力等； 3 ) 由于z 方向的尺寸相对x 和y 方向的尺寸较小，所以认为z 方向的压力 恒定： 4 ) 与液体接触的移动表面和固定表面之间不存在滑动，滑动只发生在固体 黼蚕鼍黧然篡篙焉篓簇 6 ) 流体在x 和y 方向的流动速度远大干z 刀【口j 削孤副琏反“”“出 l ， 沙 h p d y d x l 在z = 0 处，“= u 图2 - 1流元在x 方向的受力情况 以上假设也适用于多楣润滑剂 二相或多相润滑剂的流体载体可归为三类： 1 牛顿不可压缩流体 这类流体的剪应力正比于速度梯度a 缸利丁，p ) 薏 常用的润滑油都是这类流体 2 牛顿可压缩流体 其粘度是温度与压力的函数。 这类流体的剪应力正比于速度梯度， 伽利脚 p ) 老 y x ( 2 - 1 ) 而粘度是浓度、温度和压力的函数a ( 2 - 2 ) 常见的这类润滑油有溶解了气体的润滑油， 度和压力的函数。 其有效粘度是气体溶解量、温 流最 最膜小流 粒尺 体粒： 。固区 这大承是增轴都有在 滑度大润粘较相效化潍配脯腋 一一一黝 扎气酸鲥 当h 。n 时： 证：( m ，t , p ) 娑 ( 2 3 ) 当 i t i j n m o s 2 磨粒油 纯油。 2 ) 转速越高，液固二相流体油膜越厚。 3 ) 负载越大，液固二相流体油膜厚度越小。 4 ) 相同种类的液固二相流体，浓度的增加会使油膜厚度增厚。 5 ) 粒径和浓度越大，颗粒承担的负载会越多。 6 ) 二相流体中固体颗粒的承载，导致最小油膜厚度减小。 2 4 本章小结 在本章中，首先以轴承轴颈为例，简单介绍了二相润滑剂在轴颈的不同接 触区域的剪应力和承载能力等润滑理论。然后，仔细研究了液固二相润滑状态 下，活塞环一缸套的混合润滑模型。其中，考虑了颗粒浓度、粒径影响。给出 了不同转速、承载，不同颗粒浓度、粒径对二相流油膜厚度、承载的计算结果。 但是，这仍然是简化的理论，更深入详尽切合实际的理论还要考虑多相的相互 作用、活塞的偏摆、热影响等许多问题。 第三章模拟活塞环一汽缸套摩擦副的试验装置研究 3 1 前言 本研究将活塞环一缸套摩擦副作为进行液一固二相流体润滑的对象。据统 计，活塞环一缸套的功耗最大时可占整个发动机摩擦功耗的6 5 。，以此的研 究极具代表性。但此摩擦副的动态特性非常复杂，研究它的变化比较困难。不 仅需要理论的推导，同时也需要实验的证明和辅助。作者结合模拟内燃机工况 的活塞环一缸套摩擦磨损试验台，利用虚拟仪器的概念和框架，设计了一套对 试验台的活塞环一缸套摩擦副摩擦力进行采集的装置。 3 2 实验系统简介 由于摩擦系统受到多种因素的影响，实验是最常用的一种研究方法。 图3 - 1往复式发动机活塞环缸套摩擦磨损实验台外观图 本次实验在自制的“往复式发动机活塞环一缸套摩擦磨损实验台”上进行 该实验台集可变压力、可变速度、可变环境温度、可变供油量、可渊温度、可 测量摩擦力、可对摩擦力数据后期处理等多功能于一体的摩擦磨损实验设备。 外观图如图3 - 1 所示。 3 2 1 实验台鑫原理与结构组成 往复式发动机活塞环一缸套摩擦磨损实验台的原理图如图3 - 2 、图3 3 所 示。实验台主要由三个部分组成：主体部分( 包括机械传动部分、加热部分、 动力机构、润滑油供油部分和温度测量部分) 、温度调控部分和摩擦力测试部 分。以下分别介绍其主要部分： 1 机械传动部分 往复式发动机活塞环一缸套摩擦磨损实验台由$ 1 7 5 柴油机改装而成，电 机驱动，具有无级调速功能，曲轴可在o - 3 0 0 0 转分范围内调节。其传动部分 如图3 3 所示，连杆机构带动活塞在汽缸内滑动。活塞通过一个带有夹具的长 杆带动装夹在其上的活塞环上下试件沿着固定的缸套上下试件做滑动摩擦。缸 套的上试件固定在加载机构支座上，下试件放置在一排滚针上并两端固定( 其 中一端由压力传感器固定，可以测量实验中的摩擦力) 。为模拟活塞环一缸套 摩擦副工作时的温度环境，以上整个活塞环缸套上下试件组成的滑动摩擦副用 挡油罩和保温罩封闭起来。 图3 2 往复式发动机活塞环一缸套摩擦磨损实验台原理框图 图3 - 3 往复式发动机活塞环一缸套摩擦磨损实验台机械传动部分结构图 l 一连杆 2 一活塞 3 一温度传感器( 测量缸套温度) 4 一加热装置5 一缸套上试件 6 - 活塞环上试件 7 一缸套下试件 8 一摩擦力测力传感器9 一活塞环下试件 l o 一滚针1 1 一曲轴 - 2 0 - 2 加热部分 在挡油罩和保温罩之间以及实验台的底部都设置了可调控的加热系统，可 以使活塞环一缸套试件保持在一个模拟的温度环境中。 3 加载机构 实验台通过加载机构来施加和改变活塞环一缸套试件的载荷，方式是通过 个放大倍数为1 ：7 的杠杆把载荷加到试件上。 4 温度测量部分 实验台的温度测量部分有两个，其一是通过一个接触缸套上试件的温度传 感器对缸套的工作温度进行测量，以获得活塞环一缸套的工作温度随着载荷变 化的他关数据；其二是通过放置在挡油罩和保温罩之间的温度传感器对摩擦副 的工作环境进行测量，以便于对试件的工作环境温度进行监控。 j 供油部分 实验台的供油部分是由固定在实验台壳体外的机油杯向开有小孔的缸套 上试件采用滴油润滑方式向缸套内表面滴加润滑油，通过活塞环的滑动使润滑 油均布在整个缸套上试件的表面，再通过润滑油自身的重力滴到下试件表面， 从而完成对两个摩擦表面的润滑。 3 ，2 2 实验台的有关技术参数 本次实验中，实验台的有关参数如下： 曲轴转速范围：o - 3 0 0 0r m i n ( 无级调速) 滑动表面面压范围：o - 3 5m p a 试件摩擦测试温度范围：室温一3 0 0 试件环境测试温度范围：室温- i 0 0 摩擦力测试范围：0 - 1 0 0n 润滑方式：滴油润滑，供油量可调节 加载与负荷比：l ：7 活塞环试件滑动行程：8 0m i l l 曲柄半径：5 7m m 连杆长：1 7 5 舯 3 3 试件、润滑剂及颗粒的理化特性 3 3 1 基础油品一一1 洲4 0 1 5 w 4 0 润滑油采用优质石蜡基中性油为基础油料，并加入具有多功能的 s l 一3 0 0 1 优质复合添加剂和适量降凝剂，粘度指数改进剂，消泡剂等调配而成。 符合美国石油学会a p is f 级标准和g b i l l 2 1 9 5 国家标准。具有优良的氧化安 定性和清净分散性，可防止油泥沉积物生成，有优良的防腐性、防锈性、润滑 性和抗磨性，有良好的低温启动性，可四季通用。适用于各种高级轿车等需要 使用a p is f 、s e 、s d 、s c 级油的汽油发动机使用。 表3 一i1 5 w 4 0 主要理化指标 项目 质量指标试验方法 运动粘度( 1 0 0 ) m m 2 s 1 2 5 9 5 密度( g c m 3 )30 5 3 3 气孔体积( c m r g ) 1 3 1 4 o h ，c = o ，c 0 0 h c d _ _ c ， 表面功能团 _ c n 启始氧化温度o k 8 0 3 电导率( 0 c m )7 7 1 0 7 ，0 卜2 ( 掺硼) 表面电脉( 埘) 3 7 - 7 5 ( 随p h 含量变化) 亲水程度( m j m 0 1 g ) - 3 1 0 0 比磁化率( m 3 k g ) ：4 0 9 6 ) ，减少下位杌上传数据受阻的可能。在滤波器设计模块，使用 者只要选择滤波器类型( 低通、高通、带通、带阻) ；选择窗函数( 矩形窗、 三角窗、汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗) ；设定相应的特征频率和阶数，软件 会利用窗函数法自动设计线性相位f i r ( 有限冲击响应) 数字滤波器。程序的源 程序清单见软件包。 软件主界面如下： 图3 9 摩擦力采集系统实物照片 图3 1 0 软件主界面和工具栏 2 7 - ( a ) 参数计算及滤波子菜单 ( b )图形移动菜单内容 ( c ) 滤波器设计对话框 图3 1 1 软件部分子菜单 现设计一个海明窗的线性相位f i r 低通滤波器，以此说明软件中滤波器设 计的算法原理。 打开滤波器设计窗口，选择海明窗、低通，输入截至频率o h z 、阶数n 。 此时截至频率对应的数字频率为铍：q 工( 工为采样频率) ，海明窗阻带最 小衰减一5 3 d l a ，过渡带宽满足脚：6 6 石n 兄总是鼬心1 为理想线性相位韶丞波器朋小1 = e - j i 巍q 气1 童fe j o , ( n _ , o d 。0 = 絮掣 2 8 再由海明窗的表达式( ”) = 0 5 4 - 0 4 6 c o s ( n 2 竺1 ) 】r 。( 厅) ( 氐( 聆) 为矩形 坳小m ：钭 0 5 4 - 0 4 6 c o s ( 却 检验各项指标是否满足要求，如不满足要改变n 重新设计，或改变窗函数。 下图是采集的原始波形和滤波后的波形的对比。 ( a ) 采集的原始波形 。 ( b ) 滤波后的波形 图3 一1 2 滤波效果对比图 3 5 本苹小结 本章介绍了往复式发动机活塞环一缸套摩擦磨损实验台，该实验台适合往 复式发动机活塞环一缸套摩擦副的模拟试验。以及本研究所使用的试件、润滑 剂及颗粒的理化特性。最后，还详细介绍了由作者开发的摩擦力测量系统的设 计原理和功能。装置最大采样率可达到3 7 0 4 s p s ，在曲轴转速为1 2 0 0 r m i n 时， 对应曲柄转角1 9 4 度采样点。并可在p c 中对数据分析、计算，为理论研究提 第四章液一固二相流体润滑条件下摩擦力的研究 4 1 前言 缸套一活塞环处于往复运动状态，由于往复运动中存在死点( 即速度为零) ， 因此缸套一活塞环间的润滑状态沿整个冲程发生变化，从而引起摩擦力在冲程中 不同位罨也是变化的，能够准确描述摩擦力沿冲程的变化可以为采取必要的减 小缸套一活塞环摩擦力的措施提供大量有用的信息。 缸套活塞环间摩擦力的测量一直是比较困难的问题，要想准确反映摩擦力 的变化，对实验条件上有两个基本要求，一是速度要求，对于汽车发达机，其 曲轴转速在千转以上，二是载荷要求，要能达到真实的爆发压力时的载荷( 1 0 m p a 以上) 。现有工作主要按以下两种途径进行，一是采用浮动缸套法进行测量m m ”， 这种方法是针对在真实发动机传感器无法安装的问题所提出的，但测量是在真 实发动机上进行的，也就是速度不受限制。其不足是成本非常高，对传感器有 特殊要求。般难以承受，同时，由于对缸套安装进行了改动，在测量中也存 在载荷不能很高的问题。二是自制往复运动台架的方法，它可以解决传感器安 装问题，但存在与真实内燃机工况有一定差别的问题。 本课题采用了自制的恒载荷往复运动的缸套一活塞环摩擦试验台，测试在不 同二相流条件下摩擦力的变化，以期探索二相流对缸套一活塞环摩擦副摩擦力的 影响。 4 2 实验方法和结果 4 2 1 实验方法 此次实验所用的活塞环和缸套试件均是从实际活塞环和缸套产品上切下， 采用相同材质的活塞环和缸套进行实验。采集摩擦力前应对试件进行充分的磨 合，并用试验油品充分跑合，使试验油品发挥主要的润滑作用。 调配以下几组试验油品在以后使用： 1 基本油品1 5 w 4 0 ； 2 基本油品1 5 w 4 0 加o 1 ( 重量百分比) 的纳米金刚石磨粒： 3 基本油品1 5 w 4 0 加o 1 ( 重量百分比) 的二硫化钼磨粒： 试验过程中的注意事项： 1 新试件应清洁无毛刺。 2 装载传感器时应与试件紧密贴合并保持一定的预紧力。 3 一组试验完成后，清洗油杯，更换润滑油，重复以上步骤再做下一组。 4 测试前检查测试系统供电和数据传输线路的可靠连接。 5 待试验机运转平稳后，采集摩擦力数据并用文件保存。注意合理安排数 据保存目录和数据文件名称，以备日后使用。 7 - 波形的上死点t d c 和下死点b d c 位置。由图二知，在活塞的上下死点 摩擦力较大，此时活塞速度接近或等于零，没有形成流体润滑：活塞行程 中部摩擦力也有一个凸起，是由于此时活塞速度最大，流体剪切应力此时 最大所造成的。 8 新试件的磨合规范 幽4 - 1 动态摩擦力的基本波形 载荷( 单位：k g ) 转速( 单位：r p m ) 时间( 单位：r a i n ) 1 o 6 0 0 3 0 1 o 1 0 0 0 3 0 1 | 5 1 0 0 0 6 0 2 0 1 0 0 0 6 0 2 。5 i 0 0 0 6 0 3 0 1 0 0 0 6 0 3 5 1 0 0 0 6 0 4 0 1 0 0 0 2 4 0 9 当对上下死点的位置不确定时，可以打开光电开关，根据光电开关的信 号对上下死点进行定位。在下图中，横轴下方的竖线就代表一个上下死点 的位置。 0 l kk 乙 k0l i l 一 l l 一 l r r rr r 图4 2 光电开关信号 4 2 2 实验结果 表4 - 2 无磨粒摩擦力( 1 5 w 4 0 润滑油，转速为2 5 0 r m i n ) 载荷 动态摩擦力波形均值n m p a 6 o 文：j 毒泰= “。二：釜、 2 7 9 9 薹攀囊羲薹兰蓦：兰差囊豪至i 攀 4 4 5 1 2 兰一窿塑豢：毒攀娑溺兰兰享差 6 2 9 8 1 91 4 4 j 葚剽善。簿挲“1 “1 “ 叶 。 i 1 6 8 兰蓍巨鄹l 誊i ；j | | | i 匿零享誉誊瑟 1 0 0 3 _ i f l 扛 表4 3 基本油品1 5 w 4 0 加0 1 ( 重量百分比) 的纳米金刚石磨粒，转速为2 5 0 r r a i n 载荷 动态摩擦力波形均值n m p a 6 “。 声一、。- ，a 一一 置j 黧斑瓷矗 “ “。乏j 2 3 2 9 三：量筋o j 乒j 暑：s 器。器| | = i i 叁 3 6 1 1 2 三；壁蛔= 詈= = u 壅甄享善举 5 4 7 1 4 4 黍藿! 萋鞫_ ： j 兰i 兰二：) ! 耋囊三! j 兰兰攀 7 5 7 。 。 ! 1 6 8 薹鎏雪j 三薹鬻鹭薹薰窿 9 ，5 7 3 2 表4 4基本油品1 5 w 4 0 加0 1 9 6 ( 重量卣分比) 的二硫化钼磨粒，转速为2 5 0 r r a i n 载荷 均值n m p a 6 f ? 一曼、犯一一# ：! ! ! ! 一旦、牢 u 3 2 2 9 三三j = ：誉篆垒习兰：= 三兰誉_ ：妄簪三j 三兰兰 4 5 7 1 2 辜黧孽摹篡兰i 兰譬竺摹豢三兰兰? 孽萋 6 5 8 1 4 4 j 誉= 麴誉挚时j j 孽 8 0 8 。ljl l 1 6 8 垂攀j 蓥窿鹫j l 。攀萋 9 9 2 4 上述试验中平均摩擦力的变化趋势图 1 2 z 1 0 一 妄8 藿e n 苎 ” 2 o 一一一 691 2 1 5 载荷m p a - 无磨粒o 五缅采雨菘= 二i i 磊花丽一 ，_一一图4 3 平均摩擦力 4 3 理论研究 4 3 1 液一固二相流体混合润滑时的摩擦力 液一固二相流体润滑下活塞环一缸套的混合润滑摩擦力由二部分组成，分 别是流体粘性剪应力和颗粒剪应力。 当颗粒粒径小于最小油膜厚度时，颗粒剪应力为零，此时摩擦力完全由流 体粘性剪应力产生。 流体粘性剪应力可表示为呲1 ： 铲i a u = 互1a 叙p ( 、2 ：卅+ ( 一鲁 对上表面，z = ，得作用在活塞环与汽缸套间的流体摩擦力为： 死= j f ( 圭罢u 鲁) 出方 求解，得： = 圭咖 + 删鲁 ( 4 1 ) 当颗粒粒径大于最小油膜厚度时，颗粒开始承载，此时产生颗粒剪应力 此时摩擦力由流体粘性剪应力与颗粒剪应力的和组成。 颗粒剪应力可表示为： 式中：r 一颗粒材料的剪应力 n 一参与承载的颗粒数目 所以，由颗粒产生的摩擦力为 f n = d 2 n rn a 4( 4 - - 2 ) 式中：d 一颗粒直径 故，活塞环缸套的摩擦力为 f=fh+f，(4-3) 结合第二章中建立的混合润滑模型，通过对( 4 - - 1 ) ( 4 - - 3 ) 诸方程式联立 求解即可确定出、e ，从而得到汽缸套一活塞环间的总摩擦力。 下图是分别使用本章实验中配制的实验油品、转速和载荷条件下，计算所 得的摩擦力。颗粒粒径分别为u d p = 9 n 珊，h o s 2 = l u n 。 图4 4小颗粒二相流体摩擦力 在图4 4 中，由于纳米颗粒对流体的粘度影响较大，使纳米颗粒二相流体 的摩擦力最大。但实验中，这种流体的摩擦力最小，说明纳米颗粒的加入，对 二相流体润滑还有其他重要的影响，仅从它对粘度的改变来考虑是不够的，有 待进一步的研究。二硫化钼颗粒对摩擦力的影响在理论分析上和实验中是相吻 合的。小粒径的二硫化钼增加了流体的粘度，提高了液固二相流体的摩擦力。 z l 芒 1 3 - c r a n ka n g l e 图4 - - 5 颗粒摩擦力 图4 5 是不同粒径的颗粒所产生的摩擦力对比，小粒