缸套表面摩擦状态区域划分及微造型优化设计研究

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作为柴油机中关键摩擦副之一,缸套-活塞环的摩擦状态对柴油机的稳定性及可靠性影响显著。表面微造型技术可大幅改善界面摩擦状态,减少摩擦副表面磨损。本文以YTRC2110D型柴油机为研究对象,将数值模拟与试验研究相结合,根据摩擦系数将缸套沿轴向划分为边界润滑区、混合润滑区和流体润滑区,结合具体工况在各区域设计不同的微造型,研究结果将提高缸套-活塞环的使用寿命,指导其主动摩擦学设计,增强柴油机稳定服役。(1)分析YTRC2110D型柴油机做功行程阶段工况参数,在销盘模块下进行摩擦磨损试验以模拟缸套-活塞环摩擦副真实工况;揭示摩擦系数、磨损量、磨损形貌变化规律;根据稳定阶段摩擦系数对缸套轴向区域进行摩擦状态划分。结果表明,划分后的边界润滑、混合润滑、流体润滑区域面积占比分别为0.7%、4.4%、94.9%。从磨合曲线来看,边界润滑状态下磨合时间较长,波动较大,磨损较大;流体润滑状态摩擦系数磨合时间短,波动较小,磨损较小;混合润滑状态处于边界润滑与流体润滑之间。(2)为了改善缸套表面摩擦状态,在缸套分区表面设计不同微造型类型与尺度。在考虑粗糙度的平均雷诺方程的基础上建立缸套-活塞环微造型油膜仿真模型,在不同摩擦状态采用GT接触模型计算承载力和摩擦系数,并用matlab有限差分法进行求解。探究不同摩擦状态下(边界润滑、混合润滑、流体润滑)微凹坑参数对润滑性能的影响规律。结果表明,不同摩擦状态区域都存在最优微造型,可以大幅度增强缸套表面的摩擦性能。(3)采用FB50-1型激光打标机对球墨铸铁盘试样进行凹坑化处理,研究各工况条件下边界润滑、混合润滑和流体润滑微凹坑参数对摩擦性能的影响规律,获得各区域摩擦性能最优微造型参数,揭示各区域微凹坑减摩机理。结果表明,试验结果与数值模拟结果变化规律基本一致,在不同润滑区域设计不同最优微造型减摩效果较好。其中边界润滑区域减摩效果尤为显著。不同区域的减摩机理略有不同,混合润滑区和流体润滑区动压润滑效果显著。
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