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基于GT-Suite的活塞环-缸套摩擦特性研究

更新时间:2016-07-05

活塞环是柴油机工作条件最为苛刻的零件之一,它不仅承受高温、高压气体的作用,而且在缸套中作高速往复滑动,限制了重型柴油机向高功率、高密度方向发展。活塞环-缸套摩擦副是柴油机的典型摩擦副,直接影响整机的工作性能。因此,研究活塞环-缸套摩擦特性对于提高柴油机的可靠性和使用寿命具有指导意义。国内外学者[1-8]对活塞环-缸套的摩擦、磨损和润滑方面进行了深入研究,分析模型中涵盖了动力学、摩擦、结构参数、摩擦副表面形貌、润滑油、非轴对称性等因素。

本研究综合考虑了缸套和活塞环的变形、接触面表面粗糙度和活塞环燃气泄漏等因素,利用GT-Suite软件建立了活塞环-缸套摩擦模型,将摩擦、润滑和动力学行为耦合起来。通过建立精确模型来研究标定工况下活塞环-缸套摩擦特性规律,并进一步分析了油温、转速对其摩擦特性的影响规律。

1 理论分析

1.1 活塞环动力学分析

1.1.1 活塞环力平衡分析

忽略活塞环与环槽之间的摩擦力,则活塞环径向受力[4]见图1。

图1 活塞环受力示意

由于活塞环的径向位移可忽略不计,则活塞环径向受力平衡方程式为

(1)

式中:Wr为活塞环自身弹力;p1为活塞环侧方气体作用力;Wf为油膜反力;WA为峰元载荷。

轴向受力平衡方程式为

FA+FH=R

(2)

式中:FA为峰元摩擦力;FH为流体摩擦力;R为活塞环与环槽间的作用力。

1.1.2 活塞环力矩平衡分析

活塞环截面在工作期间可能会经历高达0.5°~1.0°的环形扭曲,这改变了环面的“有效”轮廓,对活塞环-缸套间的油膜厚度和摩擦产生影响。为了描述此状况,通过活塞环截面上力矩平衡来计算活塞环扭曲,活塞环受到的力矩[8]见图2。

根据以上分析,无人驾驶时代交通肇事罪的主体既可能是自然人,包括驾驶人、汽车用户、使用人或控制人等,也可能是法人,即汽车制造商或自动驾驶系统的供应商。汽车制造商相对比较明确,但自动驾驶系统的供应商众多,包括自动驾驶系统软件制造商或供应商、算法或语言的制造商或供应商、高清地图的供应商等,每一供应商的职责范围都应当由法律明确界定,从而明确交通肇事罪的责任主体范围。

图2 活塞环力矩示意

活塞环-缸套摩擦模型边界条件为缸内燃气压力、缸套内壁温度分布,通过GT-Power软件计算得到标定工况下缸内燃气压力和缸套内壁温度分布。参考相关文献[4]活塞环组漏气分析法,第一环气体压力为缸内燃气压力;在活塞环开口间隙节流作用下,第一环和第二环间气体压力为缸内燃气压力1/5左右,且最高压力值所处位置发生了推迟;经过两道气环密封之后,第二环和油环间的漏气量较小,其气体压力不予考虑。活塞环-缸套摩擦模型的边界条件见图3和图4。

(3)

式中:R(Rg-Rr)为活塞环底槽力矩;P1(Rg-Rr)为活塞环底部气体力矩;Fcf(Rg-Rr)为活塞环-缸套摩擦力矩;Mcn为缸套法向力矩;KTθ为活塞环内部弹性力矩为活塞环内部阻尼力矩。

1.2 活塞环-缸套间流体动力润滑分析

对于活塞环与缸套间表面峰元的相互作用,采用Patir和Cheng提出的二维平均Reynolds方程平均流量理论[9],在活塞环轴向长度上利用有限差分法,求得流体摩擦力FH

活塞与缸套两粗糙表面间的流体动压作用力为

(4)

消毒供应室在医院中占有重要的位置,该科室主要是回收医疗器械和清洗消毒工作的重要场所。若出现医院感染事件,会对患者的治疗效果造成不利影响,若病情较为严重会对患者的身心健康构成威胁。医院消毒供应室医疗器械的清洗质量与医疗器械质量和质量效果有着直接关系,若质量不达标会提升感染率,从而降低质量效果[1]。因此,强化质量控制和确保有效清洗方式和途径对其工作质量和效率的提升具有重要意义。为此,本院对医院消毒供应室医疗器械的清洗质量控制管理方法与效果进行分析,并总结分析结果,现报告如下。

其中,润滑油的动力黏度μ采用Sloote黏-温方程来确定:

(5)

式中:t为润滑油温度;ρ为润滑油密度。

流体动压作用引起的剪切力τ和流体动力摩擦力F

(6)

Fh=RAτ(θ,y)cosθdθdy

(7)

式中:φfφfsφfp为剪切压力因子;τ(θ,y)为活塞轴向和周向剪应力函数。

1.3 微凸体弹性接触分析

由于粗糙接触面总是存在着一层薄剪切油膜,采用Greenwood和Trip提出的粗糙表面接触理论[10],求得峰元摩擦力FA

假定表面高度为高斯分布,则在弹性变形条件下,活塞环-缸套单位圆周上的峰元载荷为

“116号文”的规定是,内外部观测工程列入第一部分的其他建筑工程,外部观测设备列入第二部分的公用设备及安装工程。由于该规定没有对内外部观测工程和外部观测设备进行解释和界定,有的人士就要求将埋设于结构内部、固定于结构表面的监测设备列入公用设备及安装工程,但查阅水利工程造价有关资料,“116号文”的本意是列入其他建筑工程。

(8)

(9)

式中:η为粗糙表面峰元密度;β为峰元峰顶曲率半径;Aa为名义接触面积;d为两表面距离(名义油膜厚度);E为两表面的综合弹性模量;F5/2F2Fn方程型。

当活塞环与缸套表面发生接触时,峰元剪切力τα和峰元摩擦力FA

τα=τ0+αpα,

(10)

(11)

应用GT-Power软件建立了某柴油机一侧气缸排的工作过程模型,计算得到缸内燃气压力和缸套内壁温度分布情况,以此作为摩擦模型边界条件。该柴油机的主要结构参数和部分性能指标见表1。

1.4 活塞环弹力分析

活塞环弹力在实际工作过程中受到活塞环和缸套变形、油膜厚度、位置等因素的影响,为了得到更准确的活塞环-缸套摩擦特性,需要得到活塞环的瞬时弹力。

Tr=T0+K(R0Rtex-Rb- ΔRbd(Xr)+h0(t)),

(12)

(13)

Xr(t)=Xp(t)+Xrp

(14)

式中:Tr为活塞环瞬时弹力;R0为活塞环参考半径;T0为活塞环半径为R0时弹力;K为活塞环刚度;Rb为缸套参考半径;ΔRtex为活塞环热变形量;ΔRbd(Xr)缸套热变形量;h0(t)为活塞环-缸套瞬时最小油膜厚度;Rf为活塞环自由半径;Xr(t)为活塞环实时位置;Xp(t)为活塞销位置;Xrp活塞环在活塞上的位置。

2 模型建立

本研究针对柴油机活塞环-缸套摩擦特性进行分析研究,建立的模型主要包括柴油机工作过程模型和单缸活塞环-缸套摩擦模型,柴油机工作过程模型为摩擦模型提供边界条件。

2.1 柴油机工作过程模型

式中:τ0α为与润滑剂有关的常数;pα为微凸体间接接触压力。

表1 柴油机结构参数及性能指标

型式四冲程直喷式废气涡轮增压柴油机缸数及排列12缸、V型、60°夹角缸径/mm150行程/mm183.5压缩比13.5∶1排量/L38.8连杆长度/mm320标定功率/kW537标定功率转速/r·min-12000

2.2 活塞环-缸套摩擦模型

活塞环-缸套摩擦模型为三环设计,其中两个气环一个油环。利用GT-Power软件建立了柴油机单缸活塞环-缸套摩擦模型。

中国著名数学家张恭庆院士撰文指出,数学实力往往影响着国家实力,世界强国必然是数学强国[7],数学必将成为下一次科技革命的推动力之一[8].几代中国数学家、数学教育研究人员和广大一线数学教师不断努力的目标之一,就是实现中国数学教育的崛起和数学强国之梦.

柴油机单缸活塞环-缸套结构参数和部分性能指标见表2。

表2 活塞环-缸套结构参数及性能指标

第一环高/mm3泊松比0.32第二环高/mm2.5缸套直径/mm150第三环高/mm5连杆质量/kg7.986缸套表面粗糙度/μm0.4连杆长度/mm320第一环内侧直径/mm140活塞质量/kg2.63第二环内侧直径/mm140曲柄长/mm91油环内侧直径/mm141活塞全高/mm120第一环上部到顶部距离/mm30转速/r·min-12000第二环上部到顶部距离/mm37油环弹力/N16.1第三环上部到顶部距离/mm43第一环弹力/N24活塞销心到顶部距离/mm75第二环弹力/N20

相对来说,印顺出家较晚些,也未受过完整的传统私塾教育,较太虚大师缺少一些中国传统文人的特质,在接受佛教思想上少有束缚,他认为原始佛教思想和早期大乘思想是最殊胜的,后期的发展融入了很多外道思想而变质了,特别是中国佛教有了一个本土化的过程,染上了中国思维中的至简、至圆的消极思想,偏离了佛学本质,所以印顺是以印度佛教为本的,和太虚的立场有很大区别。两人关于《起信论》的反复争议就是最好的例子。

图3 活塞环处气体压力

图4 气缸内壁温度分布

3 计算结果及分析

通过GT-Suite软件对标定工况下润滑油温为80 ℃时活塞环-缸套摩擦特性进行仿真分析,分别得到3道活塞环的摩擦特性。

3.1 油膜压力和厚度

3道活塞环处最大油膜压力、油膜厚度见图5和图6。

图5 活塞环处油膜最大压力变化规律

从图5可以看出,活塞环最大油膜压力一般比活塞环间气体压力大,这是由于油膜的收敛作用,导致收敛区内油膜压力升高;第一环和第二环的最大油膜压力较大且变化梯度较大,最大值出现在压缩上止点附近,而油环最大油膜压力较小且呈较为平均的周期性变化,这是由于第一环和第二环间的气体压力对油膜压力起主要作用,经过前两道活塞环密封后油环间的气体压力急剧变小,油环的弹力和运动规律对油膜压力起主要作用。

图6 活塞环处油膜厚度变化规律

从图6可以看出,在一个活塞行程中,三道活塞环的最小油膜厚度出现在0°,180°,360°和540°附近,这些位置正好对应活塞环运动的上下止点,这是由于此时活塞运动速度很低,导致润滑油黏度较低;在一个活塞行程中,活塞环位于气缸中部时油膜厚度最大,这是由于根据动压润滑理论,速度越高润滑油黏度越高,其油膜厚度也就越厚,此时活塞环速度达到最大值,油膜厚度也到达最大值;在做功行程(0°~180°)和压缩行程的后段(-80°~0°),上止点油膜厚度最小,说明气体压力对油膜厚度影响较大。从图8还可以看出,最小油膜厚度由小到大依次为第二环、第一环、油环,这是由于第一环和第二环所处位置不利于润滑,在活塞下行时通过油环刮油效能使得两道气环得到润滑,活塞上行时第一环运动在最前面,最先获得润滑油,润滑条件充分,第二环经过第一环的刮油之后获得的润滑油量减少,产生的油膜厚度较小。

3.2 摩擦力和摩擦功耗

3道活塞环处摩擦力以及摩擦功耗见图7至图9。

从图7可以看出,第一环最大摩擦力明显比第二环和油环高,第二环最大摩擦力比油环稍高。对于第一环,最大摩擦力为149.423 N,出现在11.4°处,与最大油膜压力和最小油膜厚度所在的位置相对应,这是由于在压缩冲程和做功冲程时气体压力对其影响较大,在其他冲程活塞环弹力和运动规律对其影响较大;对于第二环,最大摩擦力为17.673 N,出现在56.2°处,最大摩擦力与其他冲程最大摩擦力相当,在整个循环过程呈周期性变化,这是由于第二环处气体压力较小;对于油环,最大摩擦力为7.983 N,在整个循环过程呈周期性变化,4个极点处的摩擦力基本相等,这是由于在整个循环过程中主要受油环弹力和运动规律影响。

式中:ph为平均流体压力;σ为两粗糙表面综合粗糙度;U为活塞轴向运动速度;h为名义油膜厚度;hT为实际油膜厚度;ΦxΦy为压力流量因子;μ为动力黏度;t为时间;Φs为剪切流量因子。

图7 活塞环处摩擦力变化规律

图8 活塞环处峰元摩擦力变化规律

从图8可以看出,第一环和第二环的峰元摩擦力主要集中发生在燃烧上止点附近,此时摩擦力的数值明显高于其他时刻;油环的峰元摩擦力在整个循环过程中几乎为0,这是由于油环的润滑状况良好、油膜较厚。

图9 活塞环处摩擦功耗变化规律

[2] 周龙,白敏丽,吕继组,等.用耦合分析法研究内燃机活塞环-气缸套传热润滑摩擦问题[J].内燃机学报,2008,26(1):69-75.

3.3 活塞环扭曲角

3道活塞环的扭曲角见图10。从图10可以看出,第一环和第二环扭曲角明显比油环大,尤其是在做功冲程,最大扭曲角与缸内气体压力最大时刻相对应,这是由于此阶段缸内气体压力大导致气体力矩变大,进而导致扭曲角变大。第一环和第二环扭曲角在其他3个冲程较为平均,油环的扭曲角在整个循环过程呈周期性变化且较为平均,活塞环的扭曲角方向同活塞运动方向相反;活塞环的扭曲角越大,对应的摩擦力和油膜厚度越小,越不利用润滑,这是由于活塞环扭曲导致活塞环与缸套接触面减少,进而导致压力增大、油膜厚度减小。

图10 活塞环扭曲角变化规律

b) 不同油温条件下,活塞环的摩擦特性的变化趋势是相似的,但对其摩擦特性有显著影响;随着油温的升高,油膜厚度显著减少的同时摩擦功耗显著减少,综合考虑油温对油膜厚度和摩擦功耗影响,认为油温在80~90 ℃范围时最小油膜厚度和摩擦功耗较为理想,这为润滑油冷却系统的匹配提供一定参考;

4 油温对摩擦特性的影响

通过对柴油机标定工况下活塞环-缸套摩擦特性的分析研究发现,润滑油的状态对于摩擦特性有很大影响,而在实际工作过程中油温还受到冷却系统的影响。因此,本研究为了进一步了解油温对摩擦特性的影响,分别计算油温为60,70,80, 90,100 ℃时第一环的摩擦特性(见图11至图14)。

洙赵新河流域西靠黄河,东临南阳湖,北接梁济河流域,南与万福河和东鱼河搭界,属黄泛冲积平原,地势西高东低,流域总面积4 206 km2。其中菏泽市境内流域面积4 119 km2,流域内耕地 431万亩(28.73万 hm2)、人口450万人,粮食单产600 kg以上,棉花单产60 kg以上。含有京九铁路、兖新铁路、菏泽电厂、济菏高速、巨野煤矿等重要保护目标。

图11 油温对第一环油膜厚度的影响

图12 最小油膜厚度随润滑油温度变化情况

从图11和图12可以看出,不同油温下第一环油膜厚度变化趋势是相似的,油温越高油膜厚度越小,这是由于随温度的升高润滑油黏度明显降低,随着油温升高,最小油膜厚度呈现大幅度的下降,但降幅逐渐减小。油温从80 ℃升到100 ℃,最小油膜厚度减少28.7%,可见油温对于油膜厚度影响较大;同时随着油温升高,最小油膜厚度减小,活塞环-缸套摩擦形式处于混合润滑与边界润滑的概率增加,不利于润滑。

图13 油温对第一环摩擦功耗的影响

图14 摩擦功耗随润滑油温度变化情况

从图13和图14可以看出,不同油温下第一环摩擦功耗变化趋势是相似的,油温越高摩擦功耗越少,这是由于随温度的升高,润滑油黏度降低导致流体摩擦力明显降低。随着油温升高,最大摩擦功耗显著降低,但降幅逐渐减小。油温从80 ℃升到100 ℃,最大摩擦损耗减少41%,平均摩擦损失减少37.3%,可见油温对于摩擦功耗影响是显著的。

听到登子低低地对孩子嘀咕着:快点吃,快点吃,再不吃就和你死去的哥哥姐姐一样。那孩子低低地问着:阿爸,为什么要在这里吃啊,拿到家里吃不好吗?登子低低地吼道:小孩家懂什么,如果鬼知道我们有肉吃,那会把我们一起吃掉的,所以千万别给任何人说你吃过肉。孩子带着哭腔:阿爸,我不会说的,我真的不会说的。

从图11至图14可以发现,油温下降虽然有利于活塞环-缸套的润滑,但是会导致摩擦功耗增大,同时油温过高导致油膜厚度减小,影响润滑效果,甚至会出现干摩擦现象。参考相关文献[3]的最小安全油膜厚度计算方法,活塞环处最小安全油膜厚度为3.2 μm。综合考虑油温对油膜厚度和摩擦功耗的影响,润滑油温度为80~90 ℃时活塞环-缸套摩擦特性较为理想。

5 转速对摩擦特性的影响

通过上述分析研究发现,活塞环运动速度对其摩擦特性影响很大,因此,为了进一步研究运动速度对其影响程度,分别计算发动机转速为2 000,1 800,1 600,1 400 r/min时第一环的摩擦特性。

从图15和图16可以看出,不同转速下第一环油膜厚度变化趋势是相似的,转速越高油膜厚度越大,但是影响程度不大,这是由于根据动压润滑理论可知,转速增加导致润滑油黏度提高。

图15 转速对第一环油膜厚度的影响

图16 最小油膜厚度随转速变化情况

从图17和图18可以看出,不同转速下第一环摩擦功耗变化趋势是相似的,转速越高摩擦功耗越多,这是由于单位时间内转速越高活塞环运动距离越长。同时转速变化对压缩冲程和做功冲程的摩擦功耗影响较为显著。

图17 转速对第一环摩擦功耗的影响

图18 摩擦功耗随转速变化情况

6 结论

a) 第一环和第二环的最大油膜压力较大且变化梯度大,最大值都出现在压缩上止点附近,而油环的最大油膜压力较小且相对平均;第一环的摩擦力和摩擦功耗较大且在做功冲程和压缩冲程中变化较大,而第二环和油环的摩擦力和摩擦功耗较小且4个极点处摩擦特性基本相等,因此第一环工作环境最为恶劣,润滑条件较差、磨损高、热负荷大,应该在设计和使用时加以重视;

可以说隐喻是师生共同认可的,连接双向理解的桥梁,而意象则是在教师脑海中存在,被教师个人认可并用来指导教学的工具,二者都是教师实践性知识的可靠表征。

通过仿真结果还可以看出,第一环工作环境最为恶劣,润滑条件较差、磨损量大、热负荷大,应该在设计时加以重视。

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(1)随着θ、β增加,WTP增加,qn增加;且两者增加相同量时引起pn的增加量相同。随着γ增加,WTP减少,qn减少。当WTP从800增加至900时,再制造产品需求变化最明显。

c) 不同转速条件下,活塞环的摩擦特性的变化趋势是相似的,随着转速的提高,油膜厚度增加,同时摩擦功耗增加,转速对油膜厚度影响较小,对摩擦功耗有显著影响。

参考文献

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从图9可以看出,第一环最大摩擦功耗明显比第二环和油环高,第二环最大摩擦功耗比油环稍高。对于第一环,摩擦功耗最大值为1 096.86 W,出现在69.3°处,与最大摩擦力出现的位置相比稍有滞后,这是摩擦力和速度共同作用的结果,此外,压缩冲程和做功冲程摩擦功耗明显比其他冲程高,排气冲程和进气冲程摩擦功耗相当;对于第二环,最大摩擦功耗为336.13 W,变化规律与摩擦力规律相对应,压缩冲程和做功冲程摩擦功耗比其他冲程稍高,排气冲程和进气冲程摩擦功耗相当;对于油环,最大摩擦功耗为161.21 W,在整个循环过程呈较为均匀的周期性变化。

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治疗后两组的PT、APTT与TT值都高于治疗前,同组治疗前后比较差异有统计学意义(P<0.05);治疗后观察组与对照组相比也显著降低,差异有统计学意义(P<0.05),见表5。

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监督权是地方人大及其常委会的一项重要权利,监督权行使得充分与否直接影响到人大工作的整体效果。如何行使监督权、增强监督实效是摆在各级人大面前的一项重要课题。笔者认为,人大监督工作要着力在增强“三性”上下功夫。

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是一档叫做“古今围城”的节目,每周五期,每期两个小时。思蓉会在节目里与听众分享与探讨有关爱情和婚姻的任何话题,比如古今中外的爱情故事,古今中外的爱情名言,古今中外的婚姻观点,古今中外的婚姻形式,等等。当然,这档节目最主要的任务是接听听众电话,为他们所遇到的爱情和婚姻问题出谋划策。电话内容千奇百怪,比如今天,电话里的男人伤心欲绝。

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刘建敏,康琦,王普凯,刘艳斌,何盼攀
《车用发动机》 2018年第2期
《车用发动机》2018年第2期文献

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