极限环境温度对柴油机气缸套磨损的影响

２ 计 算 流 程
２ １ 润滑磨 损计 算流 程 ． 柴油机 实 际工况决 定 了气缸套 ～活塞环 所处 的力学 环境 和 热平 衡状 态 ， 因此 润滑 磨 损模 型 边 界条 件 由热 力学边 界条 件模 型和传 热学 边界 条件模 型组 成 ． 柴 油机 转速 、 油 消耗 、 境 温度 、 温 、 温 等工 把 燃 环 水 油 况 参 数作 为输入 量 ， 行柴 油机 工作过 程计算 和 热平衡 计算得 到缸 内压力 和气 缸套 温度 ． 于 润滑磨 损公 进 基 式 ， 立润 滑磨 损计 算模 型 ， 现对气 缸套 一活塞 环 的润滑磨 损计 算 ． 建 实 计算 流程 如 图 １ ．
第 １ 第 ２期 ０卷 ２１ ０ ２年 ６月
中
国
工
程
机
械
学
报
ＶｏＩ１ ． Ｏ Ｎｏ． ２
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Ｊ ｎ ２ １ ｕ ． ０２
极 限环 境 温度 对 柴 油机 气 缸 套磨 损 的影 响
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塞环 润滑 磨损 的计算 研究 少有 报道 ． 文针对 某 型柴 油机 ， 过建 立 的润 滑 磨 损模 型 ， 究 了不 同环境 温 本 通 研 度对气 缸 套 一活塞环 润滑磨 损 的影 响 ．
１ 计 算模 型
１ １ 计算 假设 ．
不计活塞环周向油膜及压力 的变化 ； 活塞环不发生偏摆 ， 并且忽略环的惯性力和环与环槽 间的摩擦
２ Ｄ ｐｒｍｅ ｔ ｆ ｅｃ ｉｇａ ｄＳｕ ｙｎ ， ｏｉ ｍｙＢ ｉｎ ｏ ． ｅａｔ ｎ ａｈｎ ｎ ｔｄ ｉｇ Ｐ ｌｅＡ ｏＴ ｃｒ ｅｊ ｇＣ ｍｍａｄＡ ａｅ ， ｅ ｉｇ１０ １ ， ｈｎ ） ｉ ｎ ｃｄ ｍｙ Ｂ ｉｎ ０ ０ ２ Ｃ ｉａ ｊ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｏ ｓ ｄ ｈ ｍｐ ｃ ｓ ｏ ｉ ｅ ｅ ｔｅ ｖ ｒ ｎ ｎ ａ ｅ ｅ ａｕ ｅ ｎ ｄ ｅ ｅ ｎ ｉｅ ｌ ｅ ｙ ｌ ， ｅ ａ ｔａ ｓ ｒ ｃ ：Ｔ ｔ ｙ ｔ ｅ ｉ ａ ｔ ｆｄ ｆ ｒ ｎ ｎ ｉ ｍｅ ｔｌｔ ｍｐ ｒ ｔｒ ｓ ｏ ｉｓ ｌｅ ｇｎ ｉ ｃ ｃ ｔ ｃ ｕ ｌ ｕ ｆ ｏ ｆ ｅ ｈ ｗｏ ｋｎ ｏ ｄ ｔ ｎ ｎ ｅ ｘ ｒ ｍｅｅ ｖｒ ｎ ｅ ｔｌ ｅ ｅ ｒ ｔ ｒ ｒ ｉ ａｌ ｉ ｌｔｄ ｆｒａ ｓ ｅ ｉ ｃｄｅ ｌ ｎ ｉｅ Ｂ ｒ ｉｇ ｃ ｎ ｉ ｏ ｓｕ ｄ ｒｅ ｔ ｉ ｅ ｎ ｉ ｍ ｎ ｍｐ ａ ｕ ｅａ ｅ ｉ ｔ ｌ ｓｍｕ ａ ｅ ｐ ｃｆ ｉｓ ｇｎ ． ｙ ｏ ａ ｔ ｎ ｉ ｙ ｏ ｉ ｅ ｅ ａ ｐ ｙｎ ａ ｉ ｇ ａ ａｙ ｉ ｎ ｈ ｒ ｌｂ ｌ ｃｎ ａ ｃ ｌｔ ｎ ｔ ｅ ｂ ｕ ｄ ｒ ｏ ｄ ｔ ｎ ｒ ｕ ｓ ｑ ｅ ｔ ｂａｎ ｄ ｐ ｌ ｉｇ ｌ ｄ ｎ ｎ ｌｓｓ ａ ｄ ｔ ｅ ｍａ ａａ ｉ ｇ ｃ ｌｕａ ｉ ， ｈ ｏ ｎ ａ ｙ ｃ ｎ ｉ ｏ ｓ ａ ｅ ｓ ｂ ｅ ｕ ｎ ｌ ｏ ｔｉｅ ． ｏ ｎ ｏ ｉ ｙ Ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｅ ｎ ｌ ｓｅ ｕ ｔ ｎ ａ ｄ ｉ ｒ ｖ ｄ Ｈｏｍ－ ｃ ａ ｄ ｓ ｉｋｎ ａ ｏ ｍｕ ａ ａ ｌ ｂ ｉ ｔ ｇ ｗｅ ｒ ｃ ｌ ｌｔ ｎ ａ ｅ ｎ ｔ ｅ Ｒ ｙ ｏｄ ｑ ａ ｉ ｎ ｏ ｍｐ ｏ ｅ ｌ Ａ ｈ ｒ ｔ ｉｇ ｗｅ ｒ ｆ ｒ ｌ ， ｕ ｒｃ ｉ ａ ａｃ ａ ｉ ｃ ａ ｎ ｕ ｏ ｍｏ ｅ ｉ ｅ ｔ ｂｉ ｅ ． ｏ ｓ ｑ ｅ ｔ ， ｅ ｅ ｒ ｒ ｅ ｗｅ ｎ ｔ ｅ ｃ ｌｕａ ｄ ｕ ｐ ｒｌ ｔａ ｄ ｍｅ ｓ ｒ ｄ ｖ ｌ ｅ ｒ ｗｅ ｄ ｌ Ｓ ｓ ｌ ｈ ｄ Ｃ ｎ ｅ ｕ ｎ ｌ ｔ ｒ ｏ ｓ ｂ ｔ ｅ ｃ ｌｔ ｐ ｅ － ｍｉ ｎ ａ ｕ ｅ ａｕ ｓ ａ ｅ ｌ ｒ ａ ｓ ｙｈ ｈ ａ ｅ ｉ ｏ
黏 着磨 损为 主 ．
１ ２ 活塞环 径 向受力 分析 ．
对 活塞 环径 向受力 进行分 析可 得如 下平衡 方程 ：
ＦＧ＋ ＦＥ ＝ Ｆｚ＋ Ｗ Ａ＋ ＦＲ （） １
式 中 ， 为作 用在 活塞环 背部 的气体 作 用 力 ； 活塞 环 弹性 力 ； 为活 塞环 径 向润滑 油 膜 承载 力 ； Ｆ。 Ｆ为 Ｆｚ 为微 凸体 载荷 ； Ｆ 为活塞 环径 向摩擦 力 ．
对于气缸套 一 活塞环磨损， 只有微凸体才能使气缸套和活塞环发生黏着磨损 ， 因此 ， 由改进的 Ｈ ｌ ｏ ｍ— Ａ ｈｒ ｃａｄ黏着 磨损 公式 ， 得气缸 套表 面 的磨 损深 度为 ｌ ５ ］
Ｗ
ｈ ： Ｋ ｜ Ｎ
（） ６
式 中 ： 为磨 损 系数 ； 为微 凸体载荷 ； 为气 缸套硬 度 ； Ｋ Ｗ Ｈ Ｎ 为 循环次 数 ．
气缸 套 一活塞环 是柴 油机 的关键 零件 之一 ， 其磨 损 直 接决 定 了柴 油 机 寿命 ． 而 ， 然 由于气 缸套 一活 塞
环所处工作环境 的复杂性 ， 以及气缸套和活塞环磨损量不解体测量的困难性［ ， １ 采用数值分析方法研究高 ］ 原地 区柴油机气缸套 一活塞环磨损成为最为可行的手段 ． 目前 ， 柴油机气缸套 一活塞环润滑磨损理论仿真 计算 得到 了长足 的发 展 ． 张勇对 气缸 套二 维磨 损进行 了数值 计算 ｌ ， 而 ， 环境影 响角 度 ， 气缸套 ～活 ２然 ］ 从 对
，
ｓ为活塞 冲程 ； 为 缸套直 径 ． Ｄ
Ｔ（ ）＝ 亍 （ ｆ ｇ １＋０ ８ ７２ ／ ） 瓜 ．２ １ ｓ ｅ （） ３
式 中 ： ｅ为 ｆ 丁（） 处温 度 ； 当量循 环平 均燃气 温度 ． Ｔ为
１４ 润 滑模 型＿ ． ４
计及表面粗糙效应 ， 采用一维平均雷诺方程求解摩擦副表面润滑油膜厚度为
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 ． 温 ３９Ｋ时气缸套径 向最 大磨损 深度 为 ４ ．１ｔ 低温 ２０Ｋ时为 ３ ． ｍ． 高 １ １２ ｍ， ａ ３ ５ ８ｔ ａ 关键词 ： 限温 度 ； 极 活塞环 一气缸套 ； 滑 ； 润 磨损 中图分类号 ： Ｋ ４ １ Ｔ ２ 文献标志码 ： Ａ 文章编号 ：１ ７ —５ ８ （０ ２ ０ ６ ２ ５ １ ２ １ ）２—０ １ ２ １—０ ５
ｇ ，ｈ ｉ ｈ ｅ ｖ ｒ ｎ ｎ ｌ ｅ ｅ ｒ ｔ ｅ ｏ １ ｒ ｓ ｌ ｅ ｍａ ｉ ｍ ｙｉ ｄ ｒｒ ｄａ ｅ ｒ ｅ ｔ ｆ ２ ２ ｍ ， ． ｔ ｅ ｈ ｇ ｎ ｉ ｍｅ ｔ ｍｐ ａ ｕ ｆ ９ Ｋ ｕ ｔ ｉ ｔ ｘ ｍｕ ｃ ｌ ｅ ｉｌ ａ ｐ ｏ ． １ｇ ｏ ａ ｔ ｒ ３ ｅ ｓ ｎｈ ｎ ａ ｗ ｄ ｈ ４
（Ｐ ￣） ９ｈ Ｐ ３
＋协 ６
㈩
式 中 ： 为压力 流量 因子 ； ｌ ｏ为润滑 油密度 ； ｈ为名义 油膜厚 度 ； 为润滑油 黏度 ； 平 均油膜 压力 ； 为 活 塞运 动速 度 ； 为平 均油膜 厚度 ； 为两接 触面 的综合 粗糙 度 ； 为剪 切流量 因子 ． ｈ 当考 虑表 面粗糙 度时 ， 活塞 环 、 气缸 套两 表面 之间 的实 际油膜厚 度 为
Ｈ Ｍｕ ，ＷＡ ａ —ｈ ｎ Ａ Ｅ ＮＧ Ｘｉｎ ｃ ｅ ｇ ，Ｙ ＮＧ
，ＷＡ Ｇ Ｙ ｎ ｆｎ Ｎ ｕ ｅ ｇ
（ ． ｅ ａｔ ｎ ｆＭｅｈ ｎｃｌ ｎ ｉ ｅｉｇ Ａ ｍｏｅ ｏｃ ｎ ｉｅｒ ｇＩｓｉ ｔ， ｅｊ ｇ１０ ７ Ｃ ｉａ １Ｄ ｐ ｒｍｅｔ ｃａ ｉ ｇｎ ｒ ， ｒ ｒｄＦ ｒｅＥ ｇｎｅｉ ｎ ｔｕｅ Ｂ ｉｎ ０ ０２，ｈｎ ； ｏ ａＥ ｅ ｎ ｎ ｔ ｉ
ｔａ ％ ． ｒ ｐ ｃｆ ａｌ ｔｅｏｌ ｍｂａ ｅ ｔｉｋ ｅ ｓｄ ｃｅ ｓ ｓｗｉ ｎ ｒａ ｄ ｅ ｖｒ ｎ ｅ ｔｌ ｍｐ ｒｔ ｅ ． ． ｈｎ５ Ｍｏ ｅｓ ｅ ｉｃｌ ｈ ｉ ｍｅ ｒｎ ｈｃ ｎ ｓ ｅ ｒ ｅ ｔ ｉｃｅ ｓ ｎ ｉ ｍ ｎ ｉ ｙ， — ａ ｈ ｅ ｏ ａ ｔ ｅ ｅ ｕ ｓ ｅ ａｒ
和 穆 ，王 宪成 ，杨 莹 ，王 云峰
１０７ ； ． ０ ０ ２ ２ 武警北 京指挥学 院 教研部 ， 北京 １０１） ０ ０ ２ （． １ 装甲兵工程学 院 机械工程系 ， 北京
摘要 ： 了研究不 同环境温度对柴 油机 寿命 的影 响 ， 为 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 ， 于雷诺 方程和 改进 的 Ｈ ｌ Ａ ｈｒ 基 ｏｍ－ｃａｄ黏着磨 损公式建 立润
ｈＴ ＝ ｈｏ＋
１ ９
。＋ １＋ ２
（） ５
式 中 ： 。 活塞环 、 ｈ 为 气缸 套两 润滑表 面之 间 的最小 油 膜厚 度 ； 为 环 的桶形 面 突 出高度 ； 。 ｂ为环 高 ； ，
分别为气 缸 套 、 塞环 润滑表 面 的随机粗糙 度 高度 ． 活 １ ５ 磨 损模 型 ．
Baidu Nhomakorabea
塞传入缸壁的热量 ； ③活塞摩擦热中传人缸壁的热量 ． 根 据气缸 套受 热分 析和气缸 套 几何模 型 ， 得气缸 套 内壁温 度和换 热 系数 为 可 ］
ｈｅ （ ）＝ ｈ ０ ＿ ｆ （） （ ） 厂
ｅ ｆ。 ／
（） ２
式 中 ： （ ） ｃ 等效 对 流换 热 系数 ； 为 距 离气 缸 套 顶 面 位 置 ； （ ） １ ．７ （ ／ 弘（／ ） ｈ ｅ为 处 ｃ ． １ ＝Ｅ ＋０ ５３ ｓＤ） 厂 １ｓ ］・
Ｉ ｐａ ｔ ｘ ｒ ｍ ｅ ｅ ｉ ｏｎｍ ｅ ａｌｔ ｍ ｐｅ ａｔ ｅ ｍ ｃ ｓ ｏｆｅ ｔ ｅ ｎｖ ｒ ｎｔ ｅ ｒ ｕｒ
１ ● １ ● ＇ ● １ １ ●
０ｎ ｅＳ ｄｌ ｅｌ ｅｎ ｇｌ ｙｌ ｎ ｃｅｒ １ ｎ ｅ ｅａｒ ｎｅ Ｃ ｌ Ｉ － １ ｒ Ｗ
１ ３ 传 热模型 ．
由于润滑 油黏度 受温 度影 响较大 ， 需考 虑气缸 套 一活塞 环 温度 分 布 ， 过 传热 分 析 可知 ． 任一 位 置 通 在 气 缸套 内壁受 热表 面总传 热量包 括 ３部分 ： ①燃气 以对流 、 射方 式直 接传 给 缸 壁 的热量 ； 辐 ②燃 气通 过 活
基金项 目：军队科研计 划资助项 目 作 者简介 ：和 穆（９ ８ ， ， １ ７ 一）男 工学博士 ， － ｉ ｗｊｅ ＠ｓ ａ ｃｍ Ｅｍａｌ ｈ ｍｕ ｉ ．ｏ ： ｎ
中
国
工
程
机
械
学
报
第 １ Ｏ卷
力； 活塞 环采 用弹性 流体 动压润 滑 ； 略 活塞环 间气体 泄漏 对 燃烧 室气 压 的影 响 ； 忽 气缸 套 一活塞 环磨 损 以