更全的杂志信息网

发动机活塞环-缸套低摩擦设计仿真分析

更新时间:2016-07-05

随着技术的革新,发动机的单位体积功率逐渐增加,随之而来的是摩擦副之间的磨损更为严重,因摩擦造成的功率损失约占内燃机机械损失的70%[1]。活塞环-缸套结构是发动机中最关键的摩擦副之一,其运行条件恶劣,长期承受高温、高压并作高速往复运动,热负荷与机械负荷大,所产生的摩擦损失约占整机摩擦损失的20%[2]。因此,从设计阶段对活塞环-缸套摩擦副的摩擦润滑规律进行研究,对各影响因素进行分析并找出最佳设计方案,对优化发动机润滑、减少磨损,提高发动机的使用性能有着非常积极的作用。

目前国内外对发动机活塞环-缸套摩擦副的润滑研究,主要从结构参数、气缸套变形、表面形貌、活塞(环)二阶运动、颗粒物、润滑油特性等方面展开。叶晓明[3]等基于平均雷诺方程和微凸体接触模型,研究了活塞环轴向高度、桶面高度及桶面偏移率的影响;Ma[4]等对比分析了活塞环在3种不同形状的缸套内的润滑性能,发现气缸套变形对活塞环缸套的润滑影响很大;Sato[5]结合活塞二阶运动分析模型对活塞环-缸套结构进行了优化分析,使该部分的摩擦损耗降低了2%;王伟[6]通过研究固液二相润滑条件下的活塞环-缸套润滑,得出固液二相润滑剂的承载能力比纯油有所提高,但会增加摩擦功耗的结论;朱敏[7]等通过理论分析与试验的方法,研究了表面粗糙度对活塞环-缸套间润滑的影响,结果表明表面粗糙度对最小油膜厚度的影响较小,但对膜厚比的影响较大。

本研究以某直列3缸汽油机为对象,研究活塞环桶面高度、切向弹力和开口间隙等结构参数对活塞环-缸套之间的润滑性能的影响。在各活塞环中,第一道气环对活塞环-缸套摩擦副的润滑性能影响最大,因此本研究重点分析了第一道气环结构参数的影响。实际运行过程中,发动机多处于中低速工况,因此在发动机整个寿命中,中低速工况下的摩擦损失占比最大,2 000 r/min是发动机常用工况,因此主要研究该工况下活塞环-缸套摩擦副摩擦损失的影响因素及优化设计。

1 活塞环-缸套摩擦副润滑分析理论基础

1.1 雷诺方程及边界条件

将活塞环在气缸套内表面的上下运动看作是一滑块加载在一固定平板上的往复运动,因此对于活塞环-缸套摩擦副的润滑分析,可以采用Patir和Cheng[8]提出的平均Reynolds润滑模型:

(1)

式中:xy分别为活塞环轴向和径向;φx,φy为压力流量因子;φs为剪切流量因子;φc为接触因子;σ为综合表面粗糙度均方根值;μ为润滑油黏度;p为流体压力;U为活塞环相对气缸的运动速度;h为名义油膜厚度;t为时间。

该平均流量模型基于JFO边界条件,即质量守恒边界条件,由Jakobsson,Flobery,和Olsson根据油膜边界破裂和再生成处质量守恒推导得到,既给出了油膜破裂条件(见式(2)),又给出了油膜再生成条件(见式(3)),是目前最贴合实际的边界条件。

我国的教育受传统应试教育的影响较为深刻,要想彻底转变教育理念并非易事。在思想品德教育中,要想真正培养学生正确的三观,帮助学生成长为一个道德高尚的人,学校、社会和家庭就要齐心协力,学校要通过专业渠道选聘专业素质和综合素质过硬的教育人才担当教职;家长要转变态度,注重对孩子日常道德意识的培养;社会要加大道德宣传普及力度,从多方面入手,培养学生健康的思想品德。

活塞环径向受力平衡方程:

(3)

为减少填埋场污水产生量、保障安全填埋,在填埋作业过程中实施雨污分流,将原先生活垃圾填埋后进行日覆盖的操作调整为在填埋库区内预先进行全膜覆盖,阻止雨水进入库底污水导排系统。以拦水坝为基础,将生活垃圾库区划分为若干个小单元。小单元内满铺HDPE膜,铺膜完成后,使用双轨焊接机进行严密焊接,按规定放置压块,收集膜上雨水,导排到地表水排水系统。在铺设地膜后的1 a,填埋场生活垃圾库区收集并导排的雨水为4 905 t,产生的渗沥液也控制在30%以下。

1.2 油膜厚度方程

名义油膜厚度h是指在不考虑粗糙度的情况下,活塞环与缸套之间的油膜厚度。而考虑表面粗糙度更贴近实际情况,活塞环-缸套表面之间的实际油膜厚度方程如下:

(4)

ht=h+δ1+δ2

(5)

式中:δ0为活塞环桶面高度;b为活塞环轴向高度;x1为活塞环轮廓距中心位置的距离;h0为最小油膜厚度;ht为实际油膜厚度,δ1为活塞环表面粗糙度高度, δ2为缸套表面糙度高度。

1.3 活塞环摩擦力及受力分析

活塞环-缸套摩擦副的总摩擦力由两部分组成,一部分是流体黏性摩擦力,另一部分是微凸体摩擦力[9-10]

∬(τH+τA)dydx

(6)

除此之外,发型也是很关键的,穿宽松的高领毛衣,适合扎马尾或者丸子头,会显得更精神,也会显得头部更小。如果想要散着头发,可以把头发塞在领子内,只留一些些发丝在外边,另外再搭配V领衬衫,会显得更干净利落。

活塞环切向弹力关系着活塞环-缸套之间的密封及润滑,是活塞环的主要结构参数,合理的活塞环切向弹力对发动机平稳运行起着非常关键的作用。图10至图12分别示出第一道气环切向弹力对油膜厚度、摩擦力及摩擦损失的影响。

式中:n为空穴边界法向坐标;Vn为边界处的法向速度;ρc为滑油在空穴区的密度。

活塞环开口间隙对活塞环-缸套摩擦副的润滑性能影响较小,而是影响发动机气密性的关键因素,合理的开口间隙能降低高温燃气的泄漏量(即窜气量),减少发动机润滑油消耗,降低发动机积碳量,对提高发动机的动力性及经济性起着非常重要的作用。本研究所设定的开口间隙为活塞环冷态时的开口间隙,发动机工作时,活塞环在高温下出现膨胀,热态开口间隙要小于冷态设定值。

丹江口大坝加高工程溢流堰面加高叠梁封堵施工技术……………………………………………… 周利明,丁新中(2.8)

Rx+F1+Ff=F2+Mg

(7)

式中:Rx为活塞环槽对活塞环的反作用力;F1,F2分别为活塞环上下表面的气体作用力;Mg为活塞环重力。

(2)

Fg+Fe=Fz+WA

通过台架试验测得转速2 000 r/min、平均有效压力0.2 MPa时气缸内燃烧压力随曲轴转角的变化数据(见图2),以此作为模型输入。

式中:Fg为活塞环背部气体作用力;Fe为活塞环自身的弹力;Fz为活塞环与缸套之间润滑油产生的流体作用力。

2 模型及计算参数

图1 活塞几何模型

利用UG建模软件,根据活塞的实际尺寸,建立了三维几何模型(见图1)。通过建立的三维模型,可以获得活塞的质心位置、转动惯量等计算所需的参数。表1列出该汽油机的主要计算参数。

表1 发动机主要参数

缸径/mm72.6活塞环轴向高度/mm2.0曲柄半径/mm80.2活塞环径向宽度/mm3.5连杆长度/mm141.9机油型号SAE5W⁃30

(8)

图2 缸内压力曲线

利用仿真软件建立发动机的计算模型(见图3)。利用该模型计算得到发动机的缸内燃气温度以及传热系数随曲轴转角的变化(见图4),作为计算输入数据。在仿真软件中建立了活塞环-缸套摩擦副的模拟计算模型,模型包括活塞连杆组件、两道气环、一道油环以及缸套(见图5)。

采用倒拖法测试了不同转速下的活塞环-缸套摩擦副摩擦损失功率,以验证所建立的仿真模型的正确性。试验时,控制冷却水流量为101 L/min,水温为(90±2) ℃,通过电压控制OCV阀使供油压力为0.359 5 MPa,通过恒温油车控制主油道温度为(100±2) ℃。利用电力测功器以给定转速倒拖发动机,在保持水温及油温不变的情况下,测功器的倒拖功率即为摩擦损失功率。试验值与仿真结果对比见图6。由图6可知,转速为1 000~5 000 r/min时,发动机的活塞环-缸套的摩擦损失功率的试验值与模拟仿真结果基本保持一致,且误差在5%以内,可以认为该模型具有足够的精度,可以用来模拟该发动机的实际运行工况。

图3 发动机热负荷仿真模型

图4 缸内温度、传热系数

图5 活塞组件仿真计算模型

图6 试验值与模拟值对比

3 计算结果及分析

3.1 活塞环桶面高度对油膜厚度摩擦力摩擦损失的影响

桶面高度是指活塞环桶面径向上最高点与最低点之间的差值。图7示出活塞环桶面高度对油膜厚度的影响。根据图7可知,油膜厚度的峰值出现在活塞行程的上、下止点附近,这是因为,当活塞运动到上下止点附近时,其速度最小,由于活塞环行程中刮油,此时润滑油在活塞环与缸套之间集聚量很大,因此上下止点附近油膜厚度较大。当到达上下止点时,活塞速度变为0,在反向运动瞬间,油膜厚度急剧减小,甚至为0。反向运动开始后,由于活塞环刮油,油膜厚度增加。桶面高度为1 μm时的油膜厚度明显小于桶面高度为4 μm时的油膜厚度,但随着桶面高度的增加,油膜厚度并不是越来越大,当桶面高度增加至10 μm时,油膜厚度要小于桶面高度7 μm时的油膜厚度。这是因为油膜厚度主要由活塞环的挤压效果决定,过大和过小的桶面高度都不利于活塞环挤压效应的形成,因此桶面高度存在一个较为合理的值。

图7 不同桶面高度下的油膜厚度

图8、图9分别示出活塞环桶面高度对活塞环-缸套摩擦副摩擦力及摩擦损失的影响。活塞环运动到上下止点附近时,速度很小,此时微凸体摩擦力为活塞环与缸套之间主要作用力,活塞环桶面高度越大,微凸体摩擦力也就越大。在活塞运动过程中,活塞环与缸套之间以流体摩擦力为主,而较小的桶面高度所产生的油膜厚度较大,因此流体摩擦力也较大。在整个活塞运动过程中,流体摩擦占主要部分,因此活塞环桶面高度较大时,活塞环缸套之间的总摩擦力较小,总摩擦损失亦较少,由图可见,桶面高度7 μm时,活塞环-缸套之间摩擦力和摩擦损失都要小于桶面高度为1 μm和4 μm时。但桶面高度过大时,活塞环与缸套之间相对面积减小,导致整个行程的摩擦损失增大,由图可见,桶面高度为10 μm时,活塞环与缸套之间的摩擦力与摩擦损失都出现不同程度增加。总体而言,在合理范围内,选择较大的活塞环桶面高度能减少活塞环与缸套之间的摩擦力及摩擦损失。

自此,凡在薛家老字号买烤鸡,购物或者桑拿健身,一律赠送此书一本,凡赠阅五本者可获国际巨星蒋玉菡的签名照。那段时间蒋玉菡的Fans们纷纷吃起了薛家烤鸡,贾宝玉的新书也销售一空。

图8 不同桶面高度下的摩擦力

图9 不同桶面高度下的摩擦损失

3.2 活塞环切向弹力对油膜厚度摩擦力摩擦损失的影响

式中:Ff为总摩擦力;FH为流体黏性摩擦力;FA为微凸体摩擦力;τH为流体黏性剪应力;τA为微凸体剪应力。

甘薯叶和根的赤霉素(GA)在黏土和砂土中受外源压力和生育期影响都很显著(图2,3).从叶GA变化趋势来看,生育期和外源压力对甘薯叶GA均有一定影响,从DAP30到DAP60,叶GA变化呈升高趋势,而到DAP118,叶GA处于降低趋势.在各个生育期,T2处理叶GA高于T3,说明甘薯地上部叶GA随着压力的增大而降低,即适宜的压力有助于甘薯叶GA的分泌.黏土中DAP30和DAP60甘薯根系GA低于叶片,而DAP118时的甘薯根系GA接近于叶片.从生育期来看,根系GA却先随着生育期延长而增加.外源压力处理对叶片和根系的GA的影响一致.

从图中可以看出,当切向弹力为3 N时,油膜厚度在上止点附近出现了较为明显的波动,摩擦力及摩擦损失功率值较大且波动明显。原因是切向弹力值过小,活塞环与缸套表面之间间隙过大,导致机油过度润滑,油膜过厚而不稳定,活塞环在运行过程中出现振动。切向弹力增加至6 N,活塞及活塞环的运动趋于稳定,但油膜厚度也逐渐减小,活塞环表面的润滑效果减弱,进而导致摩擦力和摩擦损相应增加。随着切向弹力的进一步增加,油膜厚度也进一步减小,而活塞环与缸套表面之间的摩擦力及摩擦损失亦逐渐增加,润滑效果逐渐恶化。因此,在保证活塞稳定运行的前提条件下,应尽可能选择小的活塞环切向弹力。

图10 不同切向弹力下的油膜厚度

图11 不同切向弹力下的摩擦力

图12 不同切向弹力下的摩擦损失

3.3 活塞环开口间隙对窜气量的影响

活塞环轴向受力平衡方程:

图13示出活塞环开口间隙对发动机窜气量的影响。在点火上止点附近,由于缸内压力急剧增加,漏气量急剧上升,而随后由于第一环与第二环之间的压力差升高,部分环间气体返回缸内。由图13可知,开口间隙为0.35 mm时的窜气量明显高于开口间隙为0.38 mm和0.41 mm时的窜气量,而当开口间隙继续增加至0.44 mm时,窜气量反而有所升高。这是因为,开口间隙为0.35 mm时,在上止点处点火后,汽油急剧燃烧导致缸压迅速上升,在开口处,节流作用使得环上下表面之间压力差变大,大量高温高压气体从间隙处泄漏;随着开口间隙的增加,活塞环节流作用被抑制,气体流量开始下降;而当开口间隙继续增加至0.44 mm时,间隙过大,导致气体流量增加。因此活塞环开口间隙存在一个合理的取值范围,该发动机开口间隙为0.38~0.40 mm最为合适。

图13 不同开口间隙下的窜气量

4 结论

a) 在发动机整个循环过程中,较大的活塞环桶面高度能减小总体摩擦力,降低活塞环-缸套之间的总摩擦损失,提高发动机效率;

观察组和对照组均采用标准的化疗方案,对获得CR的急性髓细胞性白血病的缓解后治疗,主要包括表柔红霉素+阿糖胞苷(DA)、高三尖杉酯醇+阿糖胞苷(HA)、米托蒽醌+阿糖胞苷(MA)、阿霉素+阿糖胞苷(AA)及中/大剂量阿糖胞苷(Ara-C)等方案;对获得CR的急性淋巴细胞白血病患者的缓解后治疗,主要包括长春新碱+柔红霉素+环磷酰胺+强的松(VDCP)、足叶乙苷+阿糖胞苷(EA)以及甲氨蝶呤(HD-MTX)等方案。观察组加用十一味参芪片(吉林金恒制药股份有限公司,国药准字Z10900029,0.3 g/片)口服,每日服用3次,每次服4粒。

我们国家近十几年来中小学校不断推广尤其在发达的沿海形成北京、上海、深圳、杭州、武汉等地创办不同的社会实践基地,深圳市宝安区有社会实践基地但主要任务是接受来自深圳各个中学生来体验陶瓷拉坯、陶瓷盘泥、陶瓷绘制、陶瓷烧成、陶瓷样品观赏推动这一片区对陶瓷发展拓宽将起到一定的作用。

b) 在保证平稳运行的基础上,应尽可能减小第一环的切向弹力,以增加油膜厚度,减小摩擦损失;

c) 冷态开口间隙对活塞环-缸套摩擦副的润滑及磨损影响较小,主要影响窜气量,过大和过小的开口间隙都会造成较大的窜气量,从而降低发动机的性能。

参考文献

[1] 王康,周岳康.内燃机曲轴轴承摩擦功损研究[J].上海汽车,2009(10):5-6.

[2] Bedajangam S K,Jadhav N P.Friction Losses between Piston Ring-Liner Assembly of Internal Combustion Engine:A Review[J].International Journal of Scientific and Research Publications,2013,3(6):1-3.

以某苯罐区的改造设计为例。改造前工艺流程如图1所示,该苯罐设置了1台雷达液位计和1台高高液位开关,罐进出口阀门为手动阀门。此时若储罐发生溢油或火灾事故,无法实现自动或远程手动切断储罐进出口阀门,人工操作易产生时间滞后,而且会给操作人员带来危险,进而造成不可估量的损失。

[3] 叶晓明,蒋炎坤,张毅,等.结构参数对活塞环润滑性能影响的分析[J].车用发动机,2007(4):19-22,26.

收到的电子图文、发出的咨询意见、收到的设计回复意见等资料均需要归档。目前需要手动逐一归档,而且对归档后的文档,难以快捷地检索、浏览,难以为手头正在进行的审核工作提供参考。

对马铃薯脆片品质各指标进行主成分分析,取特征值大于1的因子提取主成分,马铃薯脆片品质的综合评分按公式(1)计算菊芋饼干各个试验组的综合得分后按公式(2)将得到的综合评分F进行规范化处理,并分别计算综合得分和标准化综合得分[16]。

[4] Ma M T,Sherrington I,Smith E H. Development of a detailed model for piston-ring lubrication in IC engines with circular and non-circular cylinder bores[J].Tribology International,1997,30(11):779-788.

教学原则在夸美纽斯的教育理论体系中占有重要地位,而有关教学原则的论述则是他教学理论的重要组成部分。他认为“一切知识都是从感官的感知开始的”“知识的开端,永远来自感官”他把通过感官所获得的对外部世界的感觉经验作为教学的基础,并宣布运用直观是教学的一条“金科玉律”。他认为教学应从观察实际事物开始,在不能进行直观观察时可以使用图片或模型。幼儿教育从事的是3-6岁幼儿的教育,这个时期的孩子以直觉行动思维、具体形象思维为主,因而最有效的方法是让孩子通过自己的感官去认识外部世界。

[5] Sato K,Fujii K,Ito M,et al.Application to engine development of friction analysis by piston secondary motion simulation in consideration of cylinder block bore distortion[C].SAE Paper 2006-01-0428.

实验用废水取自河南一林造纸厂麦草浆制浆造纸废水处理站曝气池。该厂废水采用Biolak工艺处理。从表观上看,该废水样色度偏深,有恶臭味,含杂质多,水质见表1。

[6] 王伟,刘焜,焦明华,等.活塞环-缸套固液二相润滑研究[J].内燃机学报,2005,23(2):176-181.

[7] 朱敏,谢伟松,何振鹏,等.结构参数对活塞环-缸套系统润滑的影响[J].内燃机车,2011(11):22-30.

[8] Patir N,Cheng H S.Application of average flow model to lubrication between rough sliding surfaces[J].Transaction of ASME,Journal of Lubrication Technology,1979,101(2):220-230.

[9] 桂长林,刘琨.表面粗糙度对发动机活塞环-缸套润滑状态及摩擦功耗的影响[J].机械工程学报,1992,28(1):91-97.

[10] Richardson D E. Review of power cylinder friction for diesel engines[J].Journal of engineering for gas turbines and power,2000,122(4):506-519.

李炯,王雅萌,龚金科,刘伟强
《车用发动机》 2018年第2期
《车用发动机》2018年第2期文献

服务严谨可靠 7×14小时在线支持 支持宝特邀商家 不满意退款

本站非杂志社官网,上千家国家级期刊、省级期刊、北大核心、南大核心、专业的职称论文发表网站。
职称论文发表、杂志论文发表、期刊征稿、期刊投稿,论文发表指导正规机构。是您首选最可靠,最快速的期刊论文发表网站。
免责声明:本网站部分资源、信息来源于网络,完全免费共享,仅供学习和研究使用,版权和著作权归原作者所有
如有不愿意被转载的情况,请通知我们删除已转载的信息 粤ICP备2023046998号