基于联合仿真的柴油机缸套-活塞环磨损计算分析

为研究柴油机实际工作环境与使用工况对缸套-活塞环磨损影响规律,从某12150型柴油机及其辅助系统实际工作状况出发,建立缸套-活塞环磨损热力学、动力学边界条件仿真模型和动载荷磨损计算模型,开发柴油机工况车载检测系统;采用联合仿真方法建立面向使用工况的柴油机缸套-活塞环磨损计算流程,计算分析缸套磨损分布状况,并以柴油机400 h保险期实验数据进行检验。结果表明:缸套表面磨损状况呈现不均匀分布且差异显著,其分布沿缸套轴向呈锥体形,且上止点附近磨损深度最大,其次为下止点附近,而中部磨损较小;磨损分布沿缸套圆周方向则近似呈椭圆形,其主、侧推力面磨损深度最大;缸套径向最大磨损深度计算值为47.9μm,位于上止点曲柄转角9°处,实测均值为50.3μm,计算误差为4.77%,验证了计算模型的正确性;其中第一道活塞环(梯形环)对缸套的磨损作用最大,第二道环次之,第三环作用最小。     

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。     

温度对缸套-活塞环摩擦性能的影响

LNG燃料柴油机与传统燃料柴油机相比缸内燃烧温度更高。为探究不同温度下缸套-活塞环摩擦性能与温度的映射关系,设计室温和60、90、120℃4种不同温度,在相同载荷和转速下在往复式摩擦磨损试验机上对缸套-活塞环进行不同温度下的摩擦性能试验,通过测试摩擦过程中摩擦力的变化以及分析试验后缸套磨损表面形貌,探讨温度对缸套-活塞环摩擦性能的影响规律。试验缸套试样材质为耐磨合金铸铁,活塞环切片与缸套切片大小对应,材质为球墨铸铁。试验结果表明：随着温度的升高摩擦力呈现先减小后增大的趋势,与室温相比,60℃温度下摩擦力降幅为13.45%,且表现出较好的稳定性,但在120℃下摩擦力增幅为10.66%;试验工况下,60℃时缸套表面形貌参数均处于较优水平。研究表明,适当的温度环境对于摩擦配副之间的润滑性能有一定的促进作用,但温度过高会导致摩擦副的摩擦性能不稳定,破坏摩擦副间氧化膜,这不仅可能破坏润滑油膜的形成,也会影响摩擦副的磨损表面形貌。因此存在合适的温度使得缸套-活塞环的摩擦性能达到最优状态。     

活塞环表面织构对缸套-活塞环摩擦学性能的影响

为了改善缸套-活塞环的摩擦性能,通过激光刻蚀技术在活塞环工作面加工出不同形状的表面织构。在同一转速、不同载荷下通过微机控制的往复式摩擦磨损试验机研究不同表面织构活塞环对缸套-活塞环摩擦学性能的影响。试验结果表明:在载荷为400 N工况下,活塞环的椭圆、圆形、方形织构摩擦系数分别可以降低1.1%、18.3%、14.1%;载荷600 N工况下,3种织构分别可以降低35.3%、35.3%、19.1%;综合分析摩擦系数、表面形貌、接触电阻,圆形凹坑织构的活塞环在降低摩擦系数、提高油膜润滑状态等方面效果最优。     

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。     

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。     

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。     

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。     

双辉光离子渗铜对缸套-活塞环摩擦学性能的影响*

为研究铜元素对缸套-活塞环摩擦学性能的影响,通过双辉光离子渗透技术在缸套材料表面加工出不同厚度的渗铜改性层,使用RTEC多功能摩擦磨损试验机开展不同负载、不同润滑条件下的模拟试验,采集并分析试验过程中的摩擦因数以及试验后体积磨损量和磨损表面形貌,研究渗铜改性层对缸套材料摩擦学性能的影响规律及作用机制。结果表明：渗铜处理可有效降低缸套-活塞环摩擦副的摩擦因数,减少磨损量;高载荷和干摩擦条件下渗铜改性层的减摩抗磨作用效果尤为显著,最高可使摩擦因数分别降低13.15%和30.86%,磨损量分别降低30.70%和38.57%;渗铜后缸套-活塞环磨损表面形貌平整,摩擦表面形成了铜含量较高的润滑膜层,该表面膜起到了减摩、耐磨的作用。     

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)。     

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。     

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%。     

表面纹理结构加工方式对柴油机缸套-活塞环摩擦副的摩擦特性影响研究

为实现柴油机缸套-活塞环系统的润滑、减磨以及降耗,为柴油机缸套表面纹理加工方式的选取提供依据,以船舶柴油机的缸套-活塞环摩擦副为研究对象,从摩擦因数、接触电阻及表面粗糙度等方面,研究不同加工方式制备的缸套表面纹理微结构的摩擦性能。结果表明：机械加工表面磨损随载荷的增加呈现逐渐上升的趋势,而化学刻蚀加工表面磨损则呈现先增后减的趋势;在低载荷时,机械加工的缸套表面摩擦学性能优于化学刻蚀加工,高载荷时化学刻蚀加工的缸套表面摩擦学性能优于机械加工的缸套表面。     

缸套表面微凹坑对Ｃｕ－Ｓｎ/Ｃｒ多镀层活塞环摩擦性能的影响

选用表面没有微凹坑的铸铁缸套和表面加工有微凹坑的铸铁缸套,分别与Cu-Sn/Cr多镀层活塞环配对,采用往复式摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验,通过测量配对副的摩擦因数和磨损量和分析试样磨损前后表面形貌和成分,探讨高强化工况下铸铁缸套表面微凹坑对Cu-Sn/Cr多镀层活塞环摩擦性能影响。结果表明:表面有微凹坑的缸套与Cu-Sn/Cr多镀层活塞环配对时的摩擦因数、缸套磨损量、活塞环磨损量比表面没有微凹坑缸套的配对副分别低4.05%、52.25%、8.50%;缸套表面的微凹坑能够为从活塞环表面脱落的Cu-Sn镀层提供镶嵌点,使Cu-Sn镀层起到二次润滑的作用,延长了其作用寿命,减小了配对副的摩擦因数和磨损量。     

表面纹理加工方式对缸套-活塞环摩擦特性的影响

为实现柴油机缸套-活塞环系统的润滑、减磨以及降耗,为柴油机缸套表面纹理加工方式的选取提供依据,以船舶柴油机的缸套-活塞环摩擦副为研究对象,从摩擦因数、接触电阻及表面粗糙度等方面,研究不同加工方式制备的缸套表面纹理微结构的摩擦性能。结果表明:机械加工表面磨损随载荷的增加呈现逐渐上升的趋势,而化学刻蚀加工表面磨损则呈现先增后减的趋势;在低载荷时,机械加工的缸套表面摩擦学性能优于化学刻蚀加工,高载荷时化学刻蚀加工的缸套表面摩擦学性能优于机械加工的缸套表面。     

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。     

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。     

柴油机缸套-活塞环摩擦磨损试验机设计及功能验证

设计并搭建TCLPR-1缸套-活塞环摩擦磨损试验机,进行两组工况相同的试验,实时采集试验过程中缸压、缸套温度、缸套-活塞环间油膜接触电阻、平均摩擦力、曲轴转速等信息,分析缸套-活塞环摩擦副的运动情况。结果表明:缸套-活塞环在本试验机的运行工况与实际相吻合,可通过本试验机对缸套-活塞环进行摩擦磨损试验研究。     

缸套-活塞环磨损失效分析及其表面织构强化研究

缸套-活塞环摩擦副表面磨损失效占到内燃机故障成因的三成以上。高温高压的极端条件下，缸套-活塞环之间的润滑油膜形成困难，因而易用形成表面磨损。该文结合实际工况下的缸套表面磨损形貌，分析了磨损的形式及其机理，阐述了表面织构改性技术对降低缸套内表面磨损的作用，并研究了织构形貌、分布、尺寸、面积占有率等影响因素对磨损性能的影响。研究发现：分区设计多种图案织构、选用合适的深径比和面积占有率是提升耐磨性、降低制造和维护成本的有效方式。以上研究对高性能内燃机缸套-活塞环的设计制造提供参考。