內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)彈流潤滑數(shù)值分析

馬國清，任桂周，湯易

（1.煙臺大學(xué)機電汽車工程學(xué)院，山東煙臺 264005；2.山東省高校先進制造與控制技術(shù)重點實驗室，山東煙臺 264005）

內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)彈流潤滑數(shù)值分析

馬國清1,2，任桂周1,2，湯易1,2

（1.煙臺大學(xué)機電汽車工程學(xué)院，山東煙臺 264005；2.山東省高校先進制造與控制技術(shù)重點實驗室，山東煙臺 264005）

建立了內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)彈流潤滑數(shù)學(xué)模型，在模型中綜合考慮了潤滑油的變粘度效應(yīng)、變密度效應(yīng)、缸套-活塞環(huán)的彈性變形效應(yīng)、表面粗糙度效應(yīng)、活塞橫向運動所產(chǎn)生的側(cè)向力載荷等因素．應(yīng)用先進的彈流潤滑數(shù)值求解方法——多重網(wǎng)格法，編制了求解和仿真程序．通過該程序，可以得到內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)彈流潤滑特性以及各因素對彈流潤滑特性的影響，為內(nèi)燃機的優(yōu)化設(shè)計及摩擦磨損預(yù)測奠定了基礎(chǔ)．

內(nèi)燃機；缸套-活塞環(huán)；彈流潤滑；數(shù)值分析；多重網(wǎng)絡(luò)法

內(nèi)燃機在工作時，汽缸內(nèi)的溫度可以達到500～700℃，缸套和活塞環(huán)處于非常惡劣的環(huán)境中，承受著高溫高壓和變載荷的作用，這此因素得缸套和活塞環(huán)極易摩擦磨損．在內(nèi)燃機的摩擦損失中，缸套-活塞環(huán)是內(nèi)燃機中最重要的摩擦副之一，其摩擦損失大約占整個內(nèi)燃機系統(tǒng)摩擦損失的50%～60%．缸套的磨損是影響內(nèi)燃機壽命的重要因素，內(nèi)燃機運行故障中有相當(dāng)一部分與缸套-活塞環(huán)失效有關(guān)，所以，缸套-活塞環(huán)的磨損嚴重影響著內(nèi)燃機的可靠性和壽命．活塞環(huán)的工作狀況，同時也影響著內(nèi)燃機的經(jīng)濟性和排放特性，對內(nèi)燃機能否正常工作起著關(guān)鍵作用．因此，有關(guān)該摩擦副的彈流潤滑及摩擦磨損分析，一直是人們致力于研究的課題之一．

國內(nèi)外對內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)彈流潤滑分析已進行了大量的研究[1-14]，但所建數(shù)學(xué)模型中考慮的因素不全面，大多忽略了活塞對缸套的橫向撞擊力．大量維修數(shù)據(jù)和試驗表明，內(nèi)燃機在做功行程初始階段，燃氣壓力極大，活塞在換向時產(chǎn)生較大的橫向沖擊載荷，加之此時潤滑油膜較薄，使活塞環(huán)和缸套產(chǎn)生較嚴重的磨損．因此，在對內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)進行彈流潤滑分析時必須考慮活塞側(cè)向力的影響．

1 內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)彈流潤滑數(shù)學(xué)模型

圖1為缸套-活塞環(huán)彈流潤滑物理模型．圖中pg1為活塞環(huán)上表面及內(nèi)側(cè)面燃氣壓力，pg2為活塞環(huán)下表面燃氣壓力，p為缸套-活塞環(huán)間潤滑油液壓力，pc為缸套-活塞環(huán)間表面微凸體壓力，wp為活塞側(cè)向力造成的活塞環(huán)載荷，we為活塞環(huán)自身徑向彈性力，活塞環(huán)在進行裝配時，要使活塞環(huán)在徑向上產(chǎn)生一定的向外的彈性力，以使活塞環(huán)和缸套在正常工作甚至產(chǎn)生一定磨損時仍能保持密封，we即為此彈性力引起的載荷．

1.1 考慮粗糙度效應(yīng)的Reynolds方程

機械零件表面都不是絕對光滑的，所謂的“光滑”，只不過是表面粗糙度較小而已．在大量的工程設(shè)計和計算中，常常假定零件表面是光滑的，這雖然會帶來一定的誤差，但在精度要求不太高的情況下是允許的．在大多數(shù)軸承等動力潤滑接觸副中，由于油膜厚度較大，粗糙度對于潤滑的影響可以忽略不計．但對于油膜厚度較薄的潤滑條件下，如彈流潤滑和混合潤滑，零件表面的波峰高度已接近油膜厚度，此時表面粗糙度對潤滑性能的影響是相當(dāng)可觀的，在進行潤滑分析時必須考慮表面粗糙度因素．

PatriN和Cheng HS提出了可適用于粗糙表面的平均（或稱統(tǒng)計）Reynolds方程[15]．他們在經(jīng)典的Reynolds中引入了壓力流量因子和剪切流量因子，以計及粗糙度的影響，并認為膜厚比及其方向參數(shù)是影響流量因子的主要因素．

PatriN和Cheng H S的平均Reynolds方程為

圖1 內(nèi)燃機缸套－活塞環(huán)物理模型Fig.1 The physicalmodelof cylinder-piston ring of ICE

式中：h代表名義油膜厚度，即兩潤滑表面中面間的距離（如圖2所示）；hT代表局部油膜厚度，hT為hT的數(shù)學(xué)期望．

在兩潤滑表面不接觸的情況下，E r1=E r2=0，所以=hT．但這種情況只發(fā)生在完全潤滑狀態(tài)（h/3）．對于工作于部分膜潤滑狀態(tài)（h/<3）的多數(shù)軸承副來說，．在這種情況下，對的求解計算量非常大．的求解速度成為制約方程(1)求解速度的一個主要制約因素．為了從的復(fù)雜計算中解脫出來，吳承偉和鄭林慶將一個無量綱因子-接觸因子引入到平均Reynolds方程中，推導(dǎo)出了帶有接觸因子的平均Reynolds方程[16]

手術(shù)中,護理人員要嚴格執(zhí)行無菌操作,在保證滿意的麻醉狀況下進行關(guān)腹,動作要輕柔,避免腹壁組織的撕裂;同時,要選擇合適的縫合材料,達到徹底止血,再逐層細致縫合;做好患者切口的保護措施,預(yù)防切口感染發(fā)生。

圖2 粗糙表面潤滑物理模型Fig.2 The physicalmodelof rough surface lubrication

式中，c即代表接觸因子，對于具有高斯分布的粗糙表面，可由式(3)計算其值：

式(4)中的接觸因子是積分形式，在進行數(shù)值計算時不太方便，對于具有高斯分布的粗糙表面，可用擬合公式來代替上面的積分式來計算接觸因子，如式(5)

1.2 膜厚方程

內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)彈流潤滑的膜厚方程為

式中：h0代表χ=0處油膜厚度；代表活塞環(huán)剖面形狀產(chǎn)生的油膜厚度；χ代表缸套-活塞環(huán)表面彈性變形產(chǎn)生的油膜厚度．

根據(jù)彈性力學(xué)相關(guān)知識可得

將式(12)代入式(11)，并注意到h0+C仍為常數(shù)，將該常數(shù)仍記為h0，得

對于重載荷流體動力潤滑，特別是彈性流體動力潤滑，潤滑油粘度隨壓力的變化十分顯著．隨著壓力的增加，潤滑油粘度會急劇增加．潤滑油的粘壓特性是潤滑分析中一個十分重要的影響因素．現(xiàn)在潤滑分析中大量使用的是各種形式的經(jīng)驗公式，如Reynolds粘壓關(guān)系式

1.4 潤滑油的密度-壓力效應(yīng)

潤滑油的密度也是壓力的函數(shù)．Dowson和Higginson的實驗表明，在壓力很高的情況下，礦物油的體積由于高壓最大可以被壓縮25%，使其密度增加約33%．因此，在彈性流體動力潤滑中密度的變化是不應(yīng)被忽略的．文獻中經(jīng)常使用如下的經(jīng)驗公式

1.5 微凸體接觸模型

由于考慮了表面粗糙度的影響，當(dāng)缸套-活塞環(huán)間的油膜厚度小于一定值時，表面峰元將發(fā)生接觸而產(chǎn)生峰元載荷．以=4為流體潤滑與混合潤滑的分界線，并假定表面高度服從Gaussin分布，Greenwood等提出了粗糙表面的接觸理論[17]．根據(jù)該理論，可得缸套-活塞環(huán)間的峰元載荷為

式中Kc取值在0.03到0.000 3之間．

1.6 載荷平衡方程

活塞環(huán)在徑向方向上受到活塞環(huán)自身彈性力、活塞側(cè)向力、燃氣壓力、潤滑油承載力和微凸體接觸壓力等多種載荷，其徑向方向上的載荷平衡方程為

式(1)～式(21)即為內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)彈流潤滑數(shù)學(xué)模型．

2 內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)彈流潤滑數(shù)值仿真

應(yīng)用先進的彈流潤滑數(shù)值求解方法——多重網(wǎng)格法，編制內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)彈流潤滑仿真程序，可以對上述數(shù)學(xué)模型進行求解和仿真．利用該程序，可以得到缸套-活塞環(huán)彈流潤滑的油膜壓力分布特性、表面微凸體接觸壓力分布特性、膜厚分布特性以及各因素對上述彈流潤滑特性的影響．

圖3～圖5為速度參數(shù)變化對彈流潤滑特性的影響趨勢曲線圖．圖中曲線對應(yīng)的載荷參數(shù)均為W=2.1 ×105，細實線對應(yīng)的速度參數(shù)為U=1.0×1012，短虛線對應(yīng)的速度參數(shù)為U=5.0×1012，點劃線對應(yīng)的速度參數(shù)為U=1.0×1011，長虛線對應(yīng)的速度參數(shù)為U=5.0×1011．

圖3 速度變化對油膜壓力的影響Fig.3 Theeffectof velocity on oil pressure

圖4 速度變化對油膜厚度的影響Fig.4 The effectof velocity on oil film thickenss

圖5 速度變化對微凸體接觸壓力的影響Fig.5 Theeffectof velocity onasperity pressure

圖6～圖8為載荷參數(shù)變化對彈流潤滑特性的影響趨勢曲線圖．圖中曲線對應(yīng)的速度參數(shù)均為U=8.0 ×1011，細實線對應(yīng)的載荷參數(shù)為=2.1×105，短虛線對應(yīng)的載荷參數(shù)為W=3.0×105，點劃線對應(yīng)的載荷參數(shù)為=4.0×105，長虛線對應(yīng)的載荷參數(shù)為W=5.0×105．因為載荷參數(shù)變化對其它參數(shù)的無量綱化有影響，所以這幾幅圖中縱坐標參量均采用有量綱形式．

3 結(jié)論

本文建立了內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)彈流潤滑數(shù)學(xué)模型，在模型中綜合考慮了潤滑油變粘度效應(yīng)、變密度效應(yīng)、彈性變形效應(yīng)、缸套與活塞環(huán)表面粗糙度和活塞側(cè)向力等諸因素對彈流潤滑的影響．其中，活塞側(cè)向力可通過對內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)進行多體系統(tǒng)動力學(xué)分析得到．

應(yīng)用先進的彈流潤滑數(shù)值求解方法—多重網(wǎng)格法，作者用Visual Fortran6軟件編制了求解和仿真程序．通過該程序，可以得到內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)彈流潤滑特性以及各因素對彈流潤滑特性的影響，為內(nèi)燃機的優(yōu)化設(shè)計及摩擦磨損預(yù)測奠定了基礎(chǔ)．

圖6 載荷變化對油膜壓力的影響Fig.6 The effectof load on oil pressure

圖7 載荷變化對油膜厚度的影響Fig.7 Theeffectof load on oil film thickenss

圖8 載荷變化對微凸體接觸壓力的影響Fig.8 Theeffectof load on asperity pressure

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[責(zé)任編輯 楊屹]

Numericalanalysis forelastohydrodynamic lubrication of cylinder-piston ring of internalcombustion engine

MA Guoqing1,2，REN Guizhou1,2，TANG Yi1,2

(1.Schoolof Electromechanicals&Automobile Engineering,YantaiUniversity,Shandong Yantai264005,China;2.Key Laboratory of Advanced M anufacturing and Control Technology in Universities of Shandong,Shandong Yantai264005,China)

Amathematicalmodelofelastohydrodynam ic lubricationofcylinder-piston ring ofinternalcombustionengine (ICE)wassetup in thepaper.Themodel tookmany factors into accountsuch asoilvariable viscosity,variable density, elastic deformationof thecylinder liner,surface roughnessof the piston ring-cylinder linerand theside force produced by the piston lateralmotion.Using solving elastohydrodynam ic lubricationmodel—theadvancedmulti-gridmethod,acomputer simulation program wasalso designed to solve the abovemodel.Using the com puter program,w e can obtain the elastohydrodynam ic lubrication characteristics of cy linder-piston ring of ICE and the effectson them caused by parameters,w hich w ere thebasis foroptim ization design and wear forecasting of ICE.

internal combustion engine;cylinder-piston ring;elastohydrodynam ic lubrication;numericalanalysis;multi-gridmethod

TK 401.1

A

1007-2373(2015)02-0057-05

10.14081/j.cnki.hgdxb.2015.02.013

2014-10-22

汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室開放基金（KF11222）；山東省科技發(fā)展計劃（2012YD04039）

馬國清（1970-），男（漢族），副教授，博士．

數(shù)字出版日期：2015-04-16數(shù)字出版網(wǎng)址：http://www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20150416.1033.005.htm l