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

1、活塞環(huán)-缸套是內(nèi)燃機(jī)中最重要、最關(guān)鍵的運(yùn)動(dòng)副，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性有決定性的影響。本學(xué)位論文結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“磨料磨損過程數(shù)字仿真及其磨損機(jī)理研究”，結(jié)合云南省機(jī)械工業(yè)發(fā)展的強(qiáng)烈需求，旨在進(jìn)一步提升云南省優(yōu)勢(shì)機(jī)械產(chǎn)品之一內(nèi)燃機(jī)的產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。論文以活塞環(huán)-缸套摩擦副為研究對(duì)象，選擇云內(nèi)動(dòng)力公司代表性產(chǎn)品4100型內(nèi)燃機(jī)為具體工程對(duì)象，全面系統(tǒng)地研究了潤(rùn)滑油中固體顆粒雜質(zhì)影響內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)-

2、缸套潤(rùn)滑、磨損的理論及其試驗(yàn)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(duì)潤(rùn)滑、磨損影響的研究現(xiàn)狀，活塞環(huán)-缸套摩擦學(xué)研究現(xiàn)狀，固體顆粒雜質(zhì)對(duì)活塞環(huán)-缸套潤(rùn)滑、磨損影響的研究現(xiàn)狀，固體顆粒雜質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，活塞環(huán)-缸套摩擦副試驗(yàn)裝備的研究現(xiàn)狀。在此基礎(chǔ)上，提出了論文的主要研究?jī)?nèi)容。 第二章，分析了潤(rùn)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(shí)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(rùn)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(duì)象，進(jìn)行了幾何形狀參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)。采用鐵譜分析技術(shù)觀察和分析了云內(nèi)動(dòng)力4100型內(nèi)燃機(jī)潤(rùn)滑油中的顆粒雜質(zhì)。研究了潤(rùn)滑油顆粒雜質(zhì)的數(shù)量特征描述、檢測(cè)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(diǎn)研究了支持向量機(jī)建模理論，對(duì)使用中的云內(nèi)4100型內(nèi)燃機(jī)進(jìn)行抽樣，獲得固體顆粒雜質(zhì)濃度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并應(yīng)用支持向量機(jī)理論實(shí)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(duì)表面的作用數(shù)學(xué)模型，提出了一種針對(duì)固體顆粒的顆粒-表面接觸數(shù)學(xué)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(diǎn)的變形連續(xù)性和光滑性。根據(jù)潤(rùn)滑油中顆粒含量關(guān)系，建立了多個(gè)固體顆粒條件下的作用模型，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)顆粒宏觀作用的量化表達(dá)，為實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。最后，對(duì)固體顆粒與摩擦副表面作用進(jìn)行了數(shù)值模擬研究：進(jìn)行了固體顆粒微觀接觸過程的有限元分析，進(jìn)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(dòng)力學(xué)的微顆粒微觀切削作用過程的數(shù)值模擬，進(jìn)行了固體顆粒微觀接觸過程熱效應(yīng)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(shí)驗(yàn)，研究了云內(nèi)CD級(jí)40號(hào)專用柴油機(jī)潤(rùn)滑油，在含有三種類型的固體顆粒雜質(zhì)時(shí)而引起潤(rùn)滑油粘度、閃點(diǎn)和燃點(diǎn)變化的兩相流效應(yīng)。重點(diǎn)討論了活

6、塞環(huán)-缸套潤(rùn)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(rùn)滑數(shù)學(xué)模型，分析了非線性二階偏微分潤(rùn)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(rùn)滑簡(jiǎn)化實(shí)用模型。針對(duì)云內(nèi)動(dòng)力4100型內(nèi)燃機(jī)在進(jìn)氣、壓縮、做功和排氣整個(gè)實(shí)際工作行程中活塞環(huán)-缸套的潤(rùn)滑特性受顆粒雜質(zhì)影響的情況進(jìn)行了定量理論計(jì)算與分析。 第五章，分析了微切削作用機(jī)制和表面塑性變形機(jī)制的固體顆粒雜質(zhì)機(jī)械效應(yīng)。

7、研究了綜合兩種機(jī)制的磨損模型，在此基礎(chǔ)上，建立了固體顆粒對(duì)活塞環(huán)-缸套磨損的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用所建立的模型對(duì)云內(nèi)動(dòng)力4100型內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)-缸套摩擦副進(jìn)行了磨損量的理論計(jì)算分析，得到了內(nèi)燃機(jī)在給定運(yùn)行時(shí)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(yīng)及其可能引發(fā)粘著磨損的機(jī)理，研究了固體顆粒與接觸表面的瞬時(shí)溫度數(shù)學(xué)模型和固體顆粒熱效應(yīng)作用下產(chǎn)生粘著磨損的數(shù)學(xué)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(shí)溫度數(shù)學(xué)模型以及熱效應(yīng)作用下活塞環(huán)-缸套發(fā)生粘著磨損的數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用所建立的模型對(duì)云內(nèi)動(dòng)力4100型內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)-缸套摩擦副進(jìn)行了由于固體顆粒熱效應(yīng)而產(chǎn)生的局部溫升的理論計(jì)算和粘著磨損理論計(jì)算，得到了內(nèi)燃機(jī)在給定運(yùn)行時(shí)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(yīng)在壓縮行程和膨脹作功行程中而產(chǎn)生的瞬時(shí)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(yīng)而產(chǎn)生的粘著磨損量

9、。 第七章，成功地應(yīng)用旋轉(zhuǎn)體視顯微檢測(cè)理論對(duì)潤(rùn)滑油中固體顆粒的三維外型進(jìn)行檢測(cè)，研究了潤(rùn)滑油中固體顆粒雜質(zhì)三維外型微檢測(cè)系統(tǒng)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)對(duì)潤(rùn)滑油中固體顆粒的三維外型檢測(cè)的可行性。研制了往復(fù)式活塞環(huán)-缸套試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)采用模塊化、積木式設(shè)計(jì)思想，配置可拆換的兩部分裝置：一是以內(nèi)燃機(jī)實(shí)際使用的活塞環(huán)-缸套為摩擦副試件且能模擬實(shí)際運(yùn)動(dòng)形式的實(shí)驗(yàn)裝置，二是可方便進(jìn)行固體顆粒雜質(zhì)影響活塞環(huán)-缸套潤(rùn)滑、磨損實(shí)驗(yàn)的裝置。并基于國(guó)產(chǎn)低成本力

10、控工控組態(tài)軟件，開發(fā)了試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在線測(cè)量與監(jiān)控實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)變化的完全記錄，彌補(bǔ)了同類試驗(yàn)裝置不能自動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的缺陷。 第八章，模擬4100型內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)-缸套的實(shí)際運(yùn)動(dòng)形式，進(jìn)行了潤(rùn)滑油含固體顆粒和不含固體顆粒時(shí)活塞環(huán)-缸套的摩擦磨損比較實(shí)驗(yàn)，研究了活塞環(huán)-缸套的摩擦力、磨損量、摩擦功耗等摩擦學(xué)特性以及與載荷、速度、時(shí)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