石培基,董小瑞
(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原030051)
柴油機(jī)活塞與缸套的匹配研究現(xiàn)狀
石培基,董小瑞
(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,太原030051)
從缸套-活塞組的摩擦、缸套失圓機(jī)理、缸套與活塞組潤滑等多個(gè)方面對柴油機(jī)活塞與缸套的匹配研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述,并對缸套-活塞組的研究趨勢做了預(yù)測性分析。
柴油機(jī)活塞缸套匹配技術(shù)
缸套-活塞組是柴油機(jī)的動(dòng)力源。但活塞組(活塞和活塞環(huán))在缸套內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),受材料、潤滑等因素的影響,活塞組與缸套間的摩擦?xí)斐赡芰康膿p失。據(jù)研究表明,活塞組與缸套間的摩擦損耗可達(dá)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦損耗的25%。另外,缸套與活塞組之間的潤滑油的氧化又是顆粒排放物的主要來源之一。隨著全球環(huán)境問題日益嚴(yán)重和石油資源不斷枯竭,提高燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放成為高性能發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)注重點(diǎn)。因此,研究缸套與活塞組匹配具有很重要的作用。本文從缸套與活塞組的摩擦、缸套失圓機(jī)理、缸套與活塞組潤滑、以及活塞與缸套的匹配等幾個(gè)方面進(jìn)行綜述,為研究缸套與活塞組的匹配提供了理論依據(jù)。
內(nèi)燃機(jī)中的活塞、活塞環(huán)、缸套是內(nèi)燃機(jī)中最重要的摩擦副,關(guān)系到內(nèi)燃機(jī)的經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性、可靠性等諸多方面,研究缸套與活塞組的摩擦具有很重要的意義。
彭梨花[1]研究了內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)-缸套摩擦副作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦過程特性。其以云南內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力有限公司生產(chǎn)的4100柴油機(jī)為研究對象,研究了活塞環(huán)-缸套摩擦副的摩擦磨損的有關(guān)理論、方法以及實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,并針對活塞環(huán)-缸套作往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦過程特性進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)和研究。
宋炳等[2]利用缸套-活塞環(huán)摩擦磨損試驗(yàn)臺研究了速度、溫度、載荷、供油等因素對缸套-活塞環(huán)系統(tǒng)摩擦磨損特性的影響。結(jié)果表明氣缸活塞環(huán)摩擦副在發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)中潤滑狀態(tài)在不斷發(fā)生變化。當(dāng)活塞環(huán)處于上下止點(diǎn)位置時(shí),摩擦副處于混合潤滑狀態(tài),而在行程中部則處于完全流體潤滑狀態(tài)。溫度對氣缸-活塞環(huán)副的摩擦力有顯著影響。隨著溫度的升高,潤滑劑的粘度大幅度降低并不斷地蒸發(fā)和碳化,使得摩擦副工作在缺油狀態(tài),摩擦
力顯著上升,易發(fā)生劇烈磨損甚至咬合失效。在試驗(yàn)條件下,載荷和轉(zhuǎn)速對摩擦力的影響較小。
來稿日期:2013-03-21
王義亮[3]從理論上對多缸內(nèi)燃機(jī)缸套-活塞系統(tǒng)摩擦學(xué)與動(dòng)力學(xué)的耦合問題進(jìn)行了研究。經(jīng)研究得出:在缸套的結(jié)構(gòu)振動(dòng)、活塞的運(yùn)動(dòng)及缸套與活塞間潤滑油膜的摩擦學(xué)行為之間存在著緊密的耦合關(guān)系。缸套的振動(dòng)與活塞的運(yùn)動(dòng)對缸套與活塞間的潤滑油膜的作用具體體現(xiàn)在對其產(chǎn)生動(dòng)壓效應(yīng)和擠壓效應(yīng)。缸套結(jié)構(gòu)振動(dòng)、活塞運(yùn)動(dòng)與缸套活塞間摩擦學(xué)行為的耦合作用不僅影響到作用在缸套和活塞上的載荷,而且還會(huì)影響到與之相關(guān)的其它載荷。
尹必峰等[4]將內(nèi)燃機(jī)摩擦學(xué)研究拓展到微觀尺度上,突破摩擦副傳統(tǒng)加工技術(shù)的瓶頸,引入表面結(jié)構(gòu)激光微加工技術(shù),從新型激光微制造裝置與工藝、潤滑摩擦理論、摩擦磨損試驗(yàn)以及裝機(jī)臺架性能試驗(yàn)方面研究入手,探索激光表面結(jié)構(gòu)技術(shù)在缸套(孔)等關(guān)鍵摩擦副上應(yīng)用研究,實(shí)現(xiàn)摩擦副表面形貌的主動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造,以達(dá)到改善潤滑,減小摩擦,減磨增壽與提高發(fā)動(dòng)機(jī)綜合性能目標(biāo)。
鄧寶清[5]利用仿生學(xué)原理,設(shè)計(jì)了5種仿生非光滑結(jié)構(gòu)試驗(yàn)樣件。通過模型試驗(yàn),對5種非光滑結(jié)構(gòu)和對比的平板結(jié)構(gòu),進(jìn)行了干摩擦試驗(yàn)、部分潤滑試驗(yàn)、充分潤滑試驗(yàn);研究了摩擦系數(shù)和磨損率與載荷和潤滑條件的關(guān)系,分析了各種結(jié)構(gòu)之間摩擦磨損及承載能力不同的原因,從中優(yōu)化出耐磨仿生非光滑單元體的分布規(guī)律。利用摩擦學(xué)原理,在考慮了表面粗糙度影響的條件下,對仿生非光滑機(jī)構(gòu)試件和對比試件進(jìn)行了摩擦磨損機(jī)理分析。對所設(shè)計(jì)的各種試件進(jìn)行了在充分潤滑條件下的承載能力模擬計(jì)算,從中優(yōu)化出承載能力最佳的仿生非光滑單元體的最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)。并根據(jù)此參數(shù),設(shè)計(jì)了承載能力強(qiáng)的優(yōu)化模型,并對優(yōu)化模型和前述的各種試件,進(jìn)行了摩擦磨損模擬計(jì)算,研究了摩擦磨損與載荷和粗糙度的關(guān)系。
劉一靜等[6]為探討表面結(jié)構(gòu)對發(fā)動(dòng)機(jī)活塞-缸套之間的摩擦特性的影響,利用微細(xì)電解加工技術(shù)在真實(shí)的活塞裙部表面制作了4種不同直徑,5種不同深度的微米級表面結(jié)構(gòu);并分別在4種不同載荷和轉(zhuǎn)速條件下,對活塞-缸套摩擦性能進(jìn)行了評價(jià)。經(jīng)研究得出:普通活塞裙部試樣,在各個(gè)載荷條件下,隨著速度的增加,摩擦系數(shù)都有明顯的降低,即載荷越大,摩擦系數(shù)越低;表面結(jié)構(gòu)直徑參數(shù)對于活塞摩擦性能有重要影響,如250 μm的表面結(jié)構(gòu)在不同轉(zhuǎn)速和載荷條件下都表現(xiàn)出了很好的摩擦特性;表面結(jié)構(gòu)深度參數(shù)對于活塞摩擦性能有重要影響,如深度5μm的表面結(jié)構(gòu)在各種轉(zhuǎn)速和載荷條件下都表現(xiàn)出了很好的摩擦特性;表面結(jié)構(gòu)對于活塞裙部的抗磨性能有較為明顯的影響。
李奇等[7]研究了缸套-活塞環(huán)摩擦副的磨損失效機(jī)理。利用掃描電子顯微鏡-能譜儀對原始及實(shí)際使用500 h以后失效的缸套和活塞環(huán)的表面形貌和化學(xué)成分進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明,對于缸套,上止點(diǎn)附近的磨損機(jī)理為綜合的磨粒磨損、粘著磨損、腐蝕磨損;缸套中部磨損機(jī)理與上止點(diǎn)附近相似,但沒有發(fā)生大面積的粘著磨損;下止點(diǎn)附近的磨損機(jī)理以磨粒磨損為主。實(shí)踐證明,中頻淬火缸套-電鍍鉻活塞環(huán)摩擦副的匹配性較差,摩擦副之間的磨損嚴(yán)重,成為制約高功率密度柴油發(fā)動(dòng)機(jī)使用壽命的瓶頸。
袁東來[8]進(jìn)行了柴油機(jī)缸套-活塞組工作狀態(tài)識別的研究。首先,對機(jī)身振動(dòng)信號和活塞與缸套之間撞擊建立了二者之間的映射關(guān)系,利用小波包時(shí)頻分析方法對機(jī)身振動(dòng)信號進(jìn)行處理,繪制了小波包三維時(shí)頻能量圖。提出以主撞擊能量特征參數(shù)作為監(jiān)測缸套-活塞組工作狀態(tài)的重要依據(jù);并在遺傳算法初步優(yōu)化權(quán)值的基礎(chǔ)上,再進(jìn)行BP網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練和識別,充分利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性映射能力,實(shí)現(xiàn)了柴油機(jī)缸套-活塞組工作狀態(tài)的識別。對不同機(jī)型的缸內(nèi)部件不同的磨損失效形式進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了該文中提取特征參數(shù)的有效性。
張效翔[9]建立了內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)-活塞二階運(yùn)動(dòng)耦合模型,對活塞二階運(yùn)動(dòng)和活塞裙部摩擦學(xué)進(jìn)行了研究。其建立的新模型能夠在數(shù)學(xué)層面上表達(dá)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)變慣量特性與活塞二階運(yùn)動(dòng)的關(guān)系,也能夠反映內(nèi)燃機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)對活塞二階運(yùn)動(dòng)的影響。同時(shí)新模型具備了對活塞二階運(yùn)動(dòng)和活塞裙部摩擦學(xué)行為進(jìn)行瞬態(tài)分析的能力。
缸套失圓現(xiàn)象在內(nèi)燃機(jī)中普遍存在,它嚴(yán)重影響整機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、環(huán)保性和可靠性。然而由于內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,零部件之間無論靜態(tài)配合關(guān)系還是動(dòng)態(tài)的力學(xué)、熱流傳遞關(guān)系均具有復(fù)雜性、多樣性。缸套失圓問題分析難度大,以致研究人員很難在眾多的影響因素中給出定量分析結(jié)果,只能在設(shè)計(jì)中更多地依據(jù)經(jīng)驗(yàn)處理此問題。這也嚴(yán)重阻礙了人們對內(nèi)燃機(jī)缸套失圓形成機(jī)理的了解。長久以來,如何有效減輕內(nèi)燃機(jī)缸套失圓及其帶來的負(fù)面影響一直是困擾內(nèi)燃機(jī)工作者的重要課題。
王虎[10]運(yùn)用缸體的有限元模型,對螺栓預(yù)緊力、活塞側(cè)推力、氣缸壓力等這些機(jī)械負(fù)荷共同作用下的內(nèi)燃機(jī)缸套失圓問題進(jìn)行了仿真計(jì)算。計(jì)算表明,由于冷卻流場流速分布的影響,缸體的溫度分布、熱變形存在著顯著的周向、軸向的變化;流固耦合共軛傳熱方法是研究熱負(fù)荷影響下缸套變形失圓問題的較為精確有效的方法。
內(nèi)燃機(jī)燃燒室部件活塞組-氣缸套潤滑狀況的好壞直接影響到內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性及零部件的使用壽命等,一直以來都是內(nèi)燃機(jī)研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。
董立輝[11]開展了潤滑油消耗的實(shí)驗(yàn)和理論研究,得到了潤滑油消耗量隨轉(zhuǎn)速增高、變形量增大而增大的規(guī)律;潤滑油的消耗與活塞環(huán)和缸套之間的追隨性(貼合性)有很大關(guān)系。設(shè)計(jì)了一種活塞環(huán)與缸套之間追隨性的測試方法。研究結(jié)果表明:在低速狀態(tài)下,活塞環(huán)能夠比較好地適應(yīng)變形的缸套,二者之間貼合性良好;但是在高速狀態(tài)下,活塞環(huán)已經(jīng)不能很好地適應(yīng)缸套變形,活塞環(huán)與缸套之間的間隙變大。從活塞環(huán)追隨性的角度說明了內(nèi)燃機(jī)在不同轉(zhuǎn)速、不同缸套變形情況下潤滑油消耗的差異。
周龍[12]基于固體部件間的瞬態(tài)導(dǎo)熱,以傳統(tǒng)的活塞環(huán)-氣缸套動(dòng)壓潤滑模型為基礎(chǔ),引入了固體部件的三維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)模型、潤滑油膜的傳熱模型及粘-溫方程;建立了環(huán)組摩擦熱的分配模型和分布模型,采用耦合分析法,最終建立了活塞組-氣缸套的三維瞬態(tài)傳熱潤滑摩擦耦合數(shù)理模型;并開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)值模擬軟件。研究結(jié)果表明:環(huán)組的摩擦熱量對活塞環(huán)槽附近區(qū)域的溫度場分布影響比較顯著,環(huán)組摩擦熱量對活塞溫度場的影響要大于其對氣缸套溫度場的影響;活塞環(huán)、氣缸套的溫度場是潤滑油膜溫度場的邊界條件,對潤滑油膜的溫度場有重要影響,從而影響到潤滑油膜的粘度及油膜厚度等;活塞環(huán)軸向高度的增大,增加了能量損失,雖改善了活塞環(huán)的潤滑性能,但不利于燃燒室部件的冷卻;增加活塞環(huán)桶面高度,潤滑油膜厚度增加,活塞組-氣缸套間動(dòng)接觸部件的換熱系數(shù)減小,不利于熱量向冷卻介質(zhì)的傳遞,但有益于活塞環(huán)的潤滑;表面粗糙度對潤滑油膜厚度的影響不是很大,但對活塞環(huán)和氣缸套固體部件的溫度場有一定的影響;增大活塞環(huán)壓力常數(shù),會(huì)增大活塞環(huán)接觸壓力對潤滑油膜的擠壓,潤滑油膜厚度變薄,增大了活塞組-氣缸套間動(dòng)接觸部件的換熱系數(shù),有利于燃燒室部件的冷卻,但會(huì)增加活塞環(huán)和氣缸套間微凸體的接觸,增大凸峰摩擦力,減小流體摩擦力,不利于活塞環(huán)和氣缸套間的潤滑;潤滑油膜粘度的增大,有利于活塞環(huán)-氣缸套的潤滑狀況得到改善,但不利于燃燒室部件的冷卻。
楊洪秀[13]將仿生非光滑理論與技術(shù)引入到發(fā)動(dòng)機(jī)活塞的設(shè)計(jì)當(dāng)中。針對有仿生非光滑形態(tài)與結(jié)構(gòu)的活塞的潤滑特點(diǎn),按照摩擦副間隙存貯的潤滑油量的多少,分別設(shè)計(jì)了干摩擦、混合潤滑以及準(zhǔn)油膜潤滑試驗(yàn)。研究了摩擦副的摩擦系數(shù)和磨損率與載荷和潤滑條件之間的關(guān)系。對干摩擦試驗(yàn),選取了合適的接觸界面條件,采用廣義變分原理,建立了非線性接觸力學(xué)模型。對活塞缸套摩擦系統(tǒng)進(jìn)行了三維非線性有限元分析,揭示了非光滑形態(tài)與結(jié)構(gòu)對摩擦副接觸界面應(yīng)力的影響規(guī)律與機(jī)理。(1)對混合潤滑試驗(yàn),建立了貯油結(jié)構(gòu)中潤滑油隨活塞上下行運(yùn)動(dòng)而晃動(dòng)的數(shù)學(xué)模型;并通過ALE描述的有限元法,求解了該數(shù)學(xué)模型,直觀地顯示了貯油結(jié)構(gòu)中潤滑油晃動(dòng)到缸套內(nèi)表面的整個(gè)過程。(2)對準(zhǔn)油膜潤滑試驗(yàn),還首次將Euler-Lagrange流固耦合數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到活塞缸套擠壓潤滑油這一物理現(xiàn)象中,模擬了仿生非光滑活塞擠壓與貯存潤滑油的整個(gè)過程。(3)建立了活塞缸套干摩擦的熱應(yīng)力耦合模型,得出了裙部表面的溫度分布云圖,同時(shí)揭示了活塞表面的磨損失效過程。通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬得出,通孔形仿生非光滑試件的耐磨潤滑效果最好。通孔結(jié)構(gòu)既可貯油、排油,也可大幅晃動(dòng)貯存的潤滑油到缸套表面,同時(shí)也可散熱降溫,避免粘著磨損。
吳金源[14]闡述了柴油機(jī)主要摩擦副——活塞缸套的匹配技術(shù)。經(jīng)研究得出了氣缸套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)高凸緣、低支承,上部水套冷卻、下部安裝于無水冷卻機(jī)體,上下部壁厚適當(dāng)加厚、均勻過渡,凸肩圓角加大、軸向支承力傾斜角小,可提高缸套剛度,降低壁面溫差、減小缸套變形,并有利于缸套和活塞環(huán)之間配合的結(jié)論。缸套上部內(nèi)側(cè)安裝抗磨環(huán),可刮除活塞頭頂側(cè)的積碳,減少缸套、活塞環(huán)磨損,阻擋潤滑油上行進(jìn)入燃燒室,改善潤滑,減少燃?xì)庑孤?,降低潤滑油消耗?;钊h(huán)數(shù)量減為3根,2根氣環(huán)、1根刮油環(huán),適當(dāng)減薄活塞環(huán)厚度,可減少摩擦阻力,減少活塞環(huán)與缸套之間的摩擦損耗。氣環(huán)常用鼓面環(huán),單位徑向壓力高、密封好、潤滑
油易進(jìn)入摩擦面。油環(huán)采用雙刃梯形槽彈簧脹圈結(jié)構(gòu),與缸套壁接觸面小、徑向壓力大、貼合均勻、磨損小。活塞裙長度適當(dāng),裙部比壓為8~12 MPa,可減少摩擦損失。裙部有足夠的剛度,正確選擇活塞裙和氣缸套的配合間隙,可改善活塞的導(dǎo)向,降低活塞環(huán)與環(huán)槽的磨損,減少漏氣和油耗。現(xiàn)代中速柴油機(jī)常用鋼頂組合活塞,活塞裙采用球墨鑄鐵、表面加工精車后石墨化處理,活塞環(huán)材料為合金鑄鐵,球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵,表面常用鍍鉻和噴鉬強(qiáng)化處理?,F(xiàn)代中速柴油機(jī)氣缸套常用耐磨性好、鑄造方便、成本較低的合金鑄鐵離心鑄造;內(nèi)表面處理有激光淬火和氣體軟氮化2種工藝;表面加工常采用珩磨,形成菱形條紋網(wǎng)格,可控制表面粗糙度,提高貯油能力、建立良好的潤滑油膜、改善耐燒傷性能、增加滑動(dòng)面承壓面積,提高耐磨性能。
目前柴油機(jī)正朝著高速、高功率密度方向發(fā)展,這對發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和各部件之間的匹配提出了更高的要求。而缸套-活塞組是實(shí)現(xiàn)化學(xué)能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的機(jī)構(gòu),是柴油機(jī)的動(dòng)力源,因此,研究缸套和活塞組的匹配關(guān)系顯得尤為重要。目前大多數(shù)的研究還局限于缸套-活塞組的摩擦、潤滑方面的研究。、而缸套-活塞組之間的匹配關(guān)系會(huì)隨著工況、缸內(nèi)溫度、使用時(shí)間等條件的變化而變化的,研究柴油機(jī)缸套-活塞組的動(dòng)態(tài)匹配是非常具有實(shí)際意義的。
1彭梨花.內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)-缸套摩擦過程研究[D].昆明:昆明理工大學(xué),2004.
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Research Status and Progress of Matching of Piston and Cylinder Liner of Diesel Engine
Shi Peiji,Dong Xiaorui
(College of Mechatronic Engineering,North University of China,Taiyuan 030051,China)
This paper presents a review of research status of diesel engine piston and cylinder liner matching in terms of friction between cylinder liner and piston,the mechanism of cylinder liner out of round, lubrication of cylinder liner and piston group.And an analysis of the research trend of cylinder-piston group is made.
diesel engine,piston,cylinder liner,matching technology
石培基(1987-),男,碩士,主要研究方向?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)總體技術(shù)及結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。
10.3969/j.issn.1671-0614.2013.02.001