多缸柴油机缸套-活塞环磨损不均匀性计算分析

为研究多缸柴油机实车使用中各缸磨损分布状况,建立某12150型多缸柴油机缸套-活塞环磨损仿真计算模型,并进行验证。通过联合仿真计算得出:多缸柴油机各缸的缸套-活塞环磨损热力学参数(燃烧温度、燃烧压力、缸套壁温和冷却水温)和动力学参数(油膜厚度、微凸体载荷)差异显著,造成各缸套表面磨损不均匀,其中1缸磨损最为剧烈,最大磨损深度位于曲轴转角9°所对应位置,额定工况点工作400 h后磨损深度为51.22μm,其次为第5、4、3、2缸,6缸磨损最轻,其轴向最大磨损深度为39.37μm,相比1缸下降了23.14%。主要是由于1缸进气最晚且存在冷却死区,使得缸内燃烧状况最差,缸套壁面温度高、硬度低,润滑油膜薄,导致摩擦副微凸体载荷大,磨损深度最大;而6缸进气最早且冷却状况最好,综合作用使得该缸套磨损深度相对最小。因此,可确定1缸缸套上止点9°主、侧推力面磨损深度作为12150型柴油机缸内技术状况检测及磨损量计算的依据。     

环境与工况对柴油机缸套-活塞环磨损的影响

为研究柴油机实车使用状况下缸套-活塞环磨损规律,建立某12150型多缸柴油机面向使用工况的缸套-活塞环磨损仿真计算方法并进行验证,研究环境与工况参数对缸套磨损的影响规律。结果表明:大气温度升高,缸套磨损深度呈现先减小后增大的趋势,气温-5℃时磨损最小,与-35℃相比下降了5.89%,与40℃相比下降了9.15%;大气压力降低,缸套磨损深度先减小后增大,气压80 kPa时最小,与100 kPa相比下降了6.45%,气压50 kPa时磨损最大,与100 kPa相比升高了8.48%;缸套磨损深度随柴油机转速升高而呈现出增加的趋势,在1 600 r/min时出现极小值点,转速为2 000 r/min相比1 200 r/min磨损深度增加了46.76%;柴油机负荷增加引起缸套磨损深度不断增大,100%负荷时较20%负荷的磨损深度升高了133.96%。     

柴油机气缸套的起动磨损分析

将柴油机的连续起动过程分解为4个相对稳定的阶段,建立其起动模型;基于Archard黏着磨损模型和缸套-活塞环的润滑分析,建立柴油机气缸套磨损模型;将起动模型和磨损模型结合起来,采用MATLAB进行仿真分析。以PA6-280柴油机为例,仿真计算得到冷机起动和热机起动下气缸套的磨损分布图。结果表明,冷机起动的磨损量明显大于热机起动,尤其是在上止点附近位置,冷机起动1次比热机起动10次的磨损量还要多。     

车辆柴油机缸套-活塞环动载荷磨损分析与计算

为实现对重型车辆柴油机缸套-活塞环动载荷磨损仿真计算,通过分析柴油机动载荷工况特点及其对磨损的影响,基于稳定载荷及动载荷磨损试件表面形貌SEM分析,提出缸套-活塞环动载荷磨损简化机制。依据响应面拟合的方法和磨损试验数据,建立Archard磨损模型中磨损系数K基于载荷工况参数与形貌特征参数的预测公式,并通过两组动载荷磨损试验对磨损计算模型进行验证,结果表明:表面粗糙度计算误差为5.9%,磨损量计算误差为7.39%,磨损计算模型具有一定精度,能够用于车辆柴油机缸套-活塞环磨损仿真计算。     

缸套-活塞环的磨损分析与寿命预测

基于Archard黏着磨损模型,建立缸套-活塞环磨损模型,并设计仿真程序,对标定工况下PA6-280柴油机缸套-活塞的黏着磨损进行仿真分析。通过样机台架试验获得缸套-活塞环磨损试验数据,对试验和仿真数据进行比较分析,验证了仿真结果的准确性。引入柴油机工况因子建立磨损寿命预测模型,对PA6-280柴油机所有活塞环和气缸套的磨损寿命进行预测,预测结果与柴油机设计要求一致。     

极限环境温度对柴油机气缸套磨损的影响

为了研究不同环境温度对柴油机寿命的影响,以某型柴油机为对象,通过模拟极限环境温度下柴油机实际工况,利用受力分析和热平衡计算得到边界条件,基于雷诺方程和改进的Holm-Achard黏着磨损公式建立润滑磨损数值计算模型.经验证上止点附近模型的计算值与实测值误差不超过5%.计算表明,油膜厚度随外界温度升高而逐渐变薄.高温319K时气缸套径向最大磨损深度为41.21μm,低温230 K时为35.8μm.     

高原柴油机气缸套-活塞环磨损计算研究

为了研究高原环境对柴油机寿命的影响,以某型柴油机为对象,通过模拟高原柴油机实际工作过程,结合活塞环受力分析和缸套传热计算得到边界条件,基于雷诺方程和改进的Holm-Achard黏着磨损公式建立气缸套-活塞环润滑磨损数值计算模型;经验证气缸套径向最大磨损深度的计算值与实测值误差不超过5%。计算表明,油膜厚度随外界大气压力降低而逐渐变薄;在海拔5000 m左右时气缸平均磨损值达到最大。     

柴油机活塞环表面类金刚石薄膜在模拟工况下摩擦学性能

大缸径、长冲程的大功率柴油机的活塞环-缸套摩擦副易发生异常磨损,使柴油机动力性能丧失,甚至发生拉缸等重大事故,通过先进的表面处理技术可显著改善活塞环-缸套摩擦副的润滑条件,提高活塞环-缸套摩擦副的摩擦学性能。采用阴极电弧离子镀技术在铬-陶瓷复合镀(CKS)活塞环表面制备厚度为7 μm的DLC薄膜,研究CKS活塞环表面的DLC薄膜在柴油机模拟工况下的摩擦学性能。结果表明：在干摩擦、室温贫油和高温贫油的工况下,CKS活塞环表面的DLC薄膜可以显著减小活塞环-缸套摩擦副对摩的摩擦因数,降低缸套的磨损;摩擦过程中DLC薄膜与润滑油的协同润滑作用以及DLC薄膜的石墨化是改善活塞环-缸套摩擦副摩擦学性能的主要原因。     

考虑贫油和高边界压力的发动机顶环-缸套润滑与承载性能分析

为降低发动机润滑油消耗以及由此带来的排放,活塞环缸套系统一般处于贫油润滑状态,特别是顶环与缸套间的贫油状况更严重。贫油状态下,活塞环-缸套间润滑油膜在出口区破裂后很难再形成,同时在燃烧上止点附近的高边界压力下气体承载也难以忽略。因此,以某柴油机顶环-缸套系统为分析对象,基于平均雷诺方程和无再形成边界条件,分析贫油和高边界压力下顶环-缸套界面间的润滑、接触和气体承载问题。研究结果表明,贫油工况下,由于油膜破裂后没有再形成,高边界压力的影响显著,对高爆压强化机型来说顶环-缸套间的气体承载力甚至会大于油膜承载力和接触承载力。     

基于声发射的缸套-活塞环摩擦信号特征分析

为实现对缸套-活塞环摩擦磨损状况的实时监测和对缺陷、故障的诊断,以缸套-活塞环往复试验机为研究对象,基于声发射技术,研究缸套-活塞环单周期内声发射信号特征参数值随曲柄转角的变化关系,进而对声发射信号特征进行分析。研究结果表明:缸套-活塞环单循环周期内的声发射信号成"双驼峰"形变化,上下止点位置信号强度最弱,运动行程中点附近声发射信号最强;随着转速增加,声发射特征参数RMS和绝对能量逐渐增加,在上、下止点附近增幅较小,在行程中点附近增幅较大;随着载荷的增加,在低速时RMS和绝对能量呈现出增大的趋势,但增幅逐渐减小,在高速时RMS和绝对能量呈现先增大后减小的变化趋势。     

内燃机活塞环组密封性能研究

为检验活塞环的密封性,进一步研究其摩擦学性能,建立内燃机环组密封数值仿真模型,模型中考虑气室体积、泄漏面积、内燃机运转工况和气室温度变化项等因素对活塞环密封性能的影响.以PA6-280柴油机为例,对活塞环组的密封性能进行仿真计算.结果表明,磨损对环组的密封性能影响很大,而工况对活塞环的密封性影响不是很明显;气室温度变化项对活塞环漏量影响较大,设计时不容忽视.     

SKL 8NVD-36A柴油机应用金属磨损自修复剂的试验研究

通过SKL8NVD-36A船用柴油机的台架试验,研究了金属磨损自修复剂对柴油机动力性、经济性以及缸套-活塞环摩擦副的影响。研究结果表明,金属磨损自修复剂对缸套-活塞环摩擦副具有良好的减磨效果,可自动修复缸套表面。柴油机润滑油中添加金属磨损自修复剂运行60h后,缸套表面形成了无色透明、光滑的覆盖层,缸套表面粗糙度降低,缸套推力面磨损尺寸平均修复了0.06mm,柴油机各气缸的压缩压力提高了50~150kPa,各负荷工况点的燃油消耗率降低了1.8~7.2g/(kW.h)。     

喷油提前角对船舶柴油机气缸套-活塞环磨损的影响

提出柴油机气缸套-活塞环径向磨损的理论计算方法,以某船舶柴油机为例,模拟发动机喷油提前角过大或过小导致的非正常燃烧情况下的燃烧压力曲线,计算不同喷油提前角下柴油机气缸套-活塞环的磨损量。结果表明:喷油提前角过小时,柴油机爆发压力会明显降低,燃油燃烧不完全,下死点附近处径向磨损量比正常燃烧情况的要高,但缸套径向磨损量和正常燃烧时相差不大且最大磨损量变化趋势基本一致;喷油提前角过大时,当燃油达到压燃点时,燃油雾化程度降低或者消失,造成燃油的燃烧持续时间过长,燃烧压力的峰值很高,且在缸套点火附近处会出现明显的黏着磨损,在下死点附近润滑油膜部分发生破裂,出现边界润滑状态,最大径向磨损量会突然增大。     

车辆发动机缸套-活塞环磨损失效分析

为实现对车辆发动机缸套-活塞环摩擦副磨损失效的全面分析和仿真计算,采用扫描电子显微镜观察大修发动机缸套-活塞环试样表面形貌,分析其磨损失效特征。依据发动机保险期实验及大修部件磨损失效检测数据,分析缸套-活塞环组件各磨损参数,采用 Pearson 相关分析方法,对缸套-活塞环组件各磨损参数与发动机功率、比油耗及其相互之间关系进行相关性分析和比较。结果表明：缸套磨损量与发动机功率变化量、比油耗变化量的相关程度高,且同其他磨损参数间的相关系数总值最大,确定缸套磨损量为缸套-活塞环组件磨损的特征参数。     

重型柴油机气缸套变形数值模拟及分析

运用有限元法计算得到某150柴油机气缸套三维温度场的分布,在此基础上计算了缸套在预紧工况和爆发两种情况下的受力变形情况.结果显示缸套最高温度为240℃,出现在缸套活塞上止点附近;考虑热负荷后,缸套的应力及变形要明显比未加载的情况下大得多,说明了对缸套的变形进行分析的时候考虑热载荷作用的必要性.     

环境温度对内燃机活塞环-缸套摩擦特性的影响

为有效改善冷启动过程中缸套-活塞环的摩擦状态,减少摩擦功率损耗,通过建立混合润滑状态下活塞环-缸套摩擦力的数学模型,研究不同环境温度下冷启动时活塞环-缸套摩擦性能及润滑状态的变化规律,获得某型号柴油机冷启动时活塞环-缸套摩擦力随温度变化的曲线,并拟合提出预测摩擦力随温度变化的模型。结果表明,随着环境温度的降低,活塞环-缸套摩擦力的平均值稍有升高,而摩擦力最大值的升高幅度很大。对活塞环-缸套摩擦力数学模型进行仿真,仿真结果与活塞环-缸套摩擦力温变效应预测模型计算结果误差不大于8.526%,验证构建的最大摩擦力温变数学模型的可靠性。     

环境温度对内燃机冷启动活塞环-缸套摩擦特性的影响

为有效改善冷启动过程中缸套-活塞环的摩擦状态,减少摩擦功率损耗,通过建立混合润滑状态下活塞环-缸套摩擦力的数学模型,研究不同环境温度下冷启动时活塞环-缸套摩擦性能及润滑状态的变化规律,获得某型号柴油机冷启动时活塞环-缸套摩擦力随温度变化的曲线,并拟合提出预测摩擦力随温度变化的模型。结果表明,随着环境温度的降低,活塞环-缸套摩擦力的平均值稍有升高,而摩擦力最大值的升高幅度很大。对活塞环-缸套摩擦力数学模型进行仿真,仿真结果与活塞环-缸套摩擦力温变效应预测模型计算结果误差不大于8.526%,验证构建的最大摩擦力温变数学模型的可靠性。     

改性纳米h-BN润滑油添加剂对缸套-活塞环摩擦学性能的影响

在缸套-活塞环摩擦副中,当活塞在上、下止点处为零速,难以形成油膜,且在气缸的高温工况下,其他部位的油膜也会被破坏,从而造成缸套-活塞环的摩擦功耗增加和磨损加剧。采用优质润滑油是提高缸套-活塞环润滑与摩擦特性的重要手段。制备改性纳米六方氮化硼(h-BN)颗粒并将其按不同质量分数分散至聚α-烯烃（PAO10）基础油中,使用R-tec摩擦磨损试验机开展不同载荷下的往复摩擦试验,通过观测摩擦因数、磨损体积和缸套磨损表面、磨损元素及三维形貌参数,研究改性纳米h-BN添加剂对缸套材料摩擦学性能的影响以及减摩抗磨润滑机制。结果表明：加入改性纳米h-BN添加剂可以显著降低缸套-活塞环摩擦副的摩擦因数,减少磨损量,加入质量分数0.25%的添加剂在50 N、3 Hz工况下可使摩擦因数降低33.87%,磨损体积降低23.32%;在载荷及摩擦热作用下纳米h-BN添加剂可以在磨损表面形成摩擦保护膜,可以改善缸套的表面粗糙度,创造优良的润滑环境,提升其摩擦学性能。     

缸套变形与活塞环适应性对环组漏气及摩擦学性能的影响

建立活塞环组-缸套系统的混合润滑仿真模型,模型中考虑活塞环组的热变形、缸套的热变形以及装配变形对活塞环-缸套系统摩擦学性能的影响,并通过模型分析缸套、活塞环变形以及活塞环适应性对漏气面积、环间压力、最小油膜厚度、摩擦力和磨损的影响。结果表明:变形对一、二环的漏气面积和一环与二环间的气体压力影响较大;考虑变形后,一环的摩擦力增大,二环的摩擦力减小,并且可以看到,在周向和轴向方向上一、二环环面的磨损是不均匀的;由于油环的适应性较好,变形对油环的漏气量及摩擦学性能影响较小。     

循环次数对主轴承磨损仿真结果的影响研究

为确定主轴承磨损预测中的仿真工况参数—循环次数的合适取值,将动力学仿真技术和主轴承润滑分析运用到了内燃机曲轴系仿真计算中,建立了某型服役柴油机曲轴系的多体动力学和润滑耦合模型。基于经典Archard磨损理论模型,设置多组循环次数值分别对主轴承磨损进行了仿真计算;选取部分主轴承的最大磨损深度和磨损轮廓进行了比较分析,总结了最大磨损深度及轴瓦磨损轮廓随着循环次数增加的变化规律。研究结果表明:为兼顾计算成本和可信性,在仿真简化工况设计中选取循环次数为3时进行磨损仿真计算较为合适;以上结论为主轴承磨损仿真预测工作的优化提供了指导和建议。