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内燃机活塞缸套系统非光滑效应的仿生研究

邓宝清

  世界上各种机械的运动部件,如内燃机缸套与活塞、曲轴、轴瓦压铸机冲头、等,其工作表面都处于相对运动和相互作用的状态。因此,必然存在着摩擦与磨损,而磨损会造成机械设备运转效率降低、工件更换或维修频繁、能源消耗增加等,这是造成机器和零件失效及大量资金损失的主要原因之一。在工业化国家,能源的 30%消耗于摩擦损失,摩擦导致的磨损是机械设备时效的主要原因,大约有 80%零件的损坏是由于磨损引起的。提高内燃机的可靠性、耐久性和降低故障率,一直是内燃机技术发展的一个重要研究方向。活塞与缸套是内燃机中的一对重要摩擦副,它的使用寿命直接影响着内燃机的使用寿命和可靠性。因此,改善活塞与缸套系统的摩擦磨损性能,对提高内燃机的使用性能具有重要的意义。本文的作者在国家重大基础研究前期专项研究项目(生物非光滑基础理论 2002CCA01200)和自然科学基金重点项目(地面机械脱附减阻仿生技术 59835200)十五国家科技攻关项目(电控喷射液化石油气摩托车开发 2003BA408B09A)以及吉林大学创新基金项目(小型点燃式 LPG 发动机冷起动与暖机排放规律的研究)的资助下,以降低内燃机活塞缸套系统的摩擦与磨损为宗旨,应用工程仿生学技术,采用模型试验、理论分析、模拟计算和实机试验相结合的方法,研究了在一定润滑条件下,活塞缸套摩擦系统仿生非光滑效应,以此来探索降低活塞缸套系统摩擦磨损的新方法。本文研究属于原始创新,因此,在论文的研究过程中申请了四项国家专利。仿生非光滑减阻耐磨技术是我国的自主知识产权,吉林大学首次发现,并率先进行了仿生耐磨机理研究和应用技术开发。国内也有其它研究机构开始关注并着手探索,国外如英国也开始研究。本文利用仿生学原理,设计了五种仿生非光滑结构试验样件。通过模型试验,对五种非光滑结构和对比的平板结构,进行了干摩擦试验、混合润滑108试验、准油膜润滑试验,研究了各试件的摩擦系数和磨损率与载荷和润滑条件之间的关系。分析了各种结构之间摩擦磨损及承载能力不同的原因,从中优化出耐磨仿生非光滑单元体的分布规律。通过模型试验发现:干摩擦条件下,光滑结构和非光滑结构的摩擦学性能基本一致。随着载荷的增加,摩擦系数下降,磨损率上升。随着载荷和摩擦距离的增加,摩擦状态由涂附和轻微划伤向擦伤和胶合方向发展。混合润滑条件下,各种非光滑结构的减阻耐磨性能都比对比的平面结构具有明显的优势。最佳结构比平板结构,抗粘着磨损距离增了近 4 倍,能量磨损率降低了 77%。抗粘着磨损比压提高了近 40%。从此试验优选出摩擦学性能优良的结构为 D、C 和 F 结构。准油膜润滑试验表明,各种非光滑结构的承载能力都比对比的平面结构具有明显的优势。最佳结构比平板结构,抗粘着磨损比压提高了 85%。从此试验优选出摩擦学性能最佳的结构为 F 结构。润滑状态,随着载荷的增加,摩擦系数下降,磨损率上升。在一定范围内随着温度的提高,摩擦系数下降,磨损率上升。利用摩擦学原理,对有一定油膜存在的粗糙表面进行了受力分析。使用干摩擦的摩擦磨损模型和油膜润滑状态油膜厚度与压力关系方程,以及应用统计学观点,引入接触概率密度函数,对仿生非光滑试件进行了油膜承载能力计算。通过对有限宽度的油膜压力分布分析,提出了对实际试件承载能力的修正方法。通过计算得到各试件的承载能力大小顺序为:E 和 F 结构的承载能力最强,其次是 D 结构,而后是 B 和 C 结构,最差是 A 结构。通过模拟计算,分析了非光滑单元体的各个结构参数对承载能力的影响因素,确定了两个影响承载能力的主要因素,长度比和膜厚比的最佳范围。以最佳参数设计了优化的 G 结构仿生非光滑试件。通过对各个结构试件的摩擦磨损模拟计算,计算出了载荷分配比例、摩擦系数和磨损率等参数与试件承受载荷和表面粗糙度之间的关系。由计算结果可以初步确定:表面粗糙度增加,会使得摩擦磨损性能下降。当载荷增加到一定值后,磨损率与载荷呈现线性关系。109通过摩擦磨损模拟计算确定各试件的耐磨性能的由强到弱的顺序为:G、E、F、D、B、C、A。利用模型试验和模拟计算的结论,设计了三类仿生非光滑耐磨活塞,申报了四项国家专利,取得专利一项。并且,对其中的一种仿生非光滑活塞与原机活塞,进行了发动机台架对比试验研究,试验表明仿生非光滑活塞具有优良的性能。在试验中所开发的压环式联轴器与销钉式联轴器相比,柔性板受力均匀,避免了销钉对销钉的孔撞击。使用夹布橡胶作柔性板,充分发挥其良好的抗拉特性,在外径尺寸和厚度相同条件下,延长了夹布橡胶柔性板使用寿命 4 倍多。所开发的轴向自动张紧式三角带传动装置,具有自动张紧的特征,三角带的轴向压紧力会随着所传递的转矩的增大成正比地增大。同时,对中要求可以降低,安装使用性能好,节省发动机试验台的安装时间。为试验的顺利完成起动了积极作用。所开发的高速实据采集处理系统,?……