流体润滑技术在内燃机行业中的发展和应用 16页

'流体润滑技术在内燃机行业中的发展和应用作者：冯新安硕6007班学号：3116058010摩擦是阻碍两相互接触表面在外力的作用下发生相对运动的一种现象，它普遍存在于机械系统和日常生活中。在机械系统中，有相当一部分的能量会因为克服摩擦阻力而损失掉。据估计，全世界大约有1/3~1/2的能源以各种形式消耗在摩擦上[1]。而由摩擦导致的磨损引起的损失更大，这也是机械设备失效及零部件损坏的主要原因。据统计，机械系统中损坏的零部件大约有80%是由于各种形式的磨损引起的。机械设备的磨损给工业国家带来的经济损失可达国民生产总值的2％~8％[2]。因此，摩擦学的研究对于国民经济具有重要的意义。在节约能源和原材料、提高产品质量、延长机械系统寿命等方面，控制摩擦、减小磨损及改善润滑性能已成为一种非常关键的措施。内燃机流体润滑技术的目的是通过润滑原理来实现内燃机润滑部件（包括活塞、连杆、曲轴轴承和气门座等）功能保障并降低摩擦功耗和减小磨损。人类自觉或不自觉地应用流体润滑技术已有很长的历史,但真正把流体润滑技术的理论应用到内燃机的研究中也不过百余年的时间。自从1886年,雷诺建立了奠基性的流体动压方程----------雷诺方程后,静压润滑、动压润滑、弹性流体润滑、混和润滑、边界润滑等流体润滑理论得到充分发展。1925年,Stanton发表了第一个关于活塞环润滑性能研究的结果,之后,流体润滑技术在内燃机上的应用开始成为人们的研究重点之一。自从1965年Jost报告中首次提出了摩擦学(Tribology)的概念以来,内燃机流体润滑技术伴随着整个摩擦学的发展,取得一系列理论和应用上的成果。今天,内燃机流体润滑技术已从当初单一的学科领域知识、简单的应用,向着跨学科融合和深入的方向发展。内燃机是国民经济中最主要的动力机械之一，也是系统零部件最多、运动最为复杂的机械系统之一。且内燃机中的摩擦学行为也是种类繁多、最为复杂。随着科学技术的发展，内燃机呈现出向高负荷、高转速、高功率密度方向发展的趋势。在恶劣、苛刻的工况条件下，由内燃机中的摩擦磨损导致的内燃机的损伤、失效以及可靠性、耐久性等问题日益突出。因此，近年来针对内燃机的摩擦学研究发展得极为迅速。通过改善内燃机中的摩擦学设计、降低机械损失就可以获得巨大的经济效益。例如，如果降低内燃机机械损失的10％，即可降低燃油消耗1.5％。对于全世界来说，按汽车保有量6.25亿台，每年燃油消耗约1万亿美元计，就可节约150亿美元[3]。综上所述，内燃机摩擦学的研究可以为其提高动力 性、燃油经济性和使用寿命。内燃机的摩擦学研究理应成为摩擦学研究的重要研究方向。1内燃机流体润滑技术国际研究现状从雷诺建立雷诺方程到今天,内燃机流体润滑技术在内燃机上应用的发展大致经历过了以下几个阶段:(1)通过简化雷诺方程来求解内燃机润滑部件的摩擦学性能。其中的一个重要成就,是依据短轴承理论,通过简化的雷诺方程,来求解活塞环的润滑性能。其中,最早的具有代表性的工作是1925年Stanton关于活塞环润滑性能研究的结果。(2)在1940年后期,由于对流体润滑技术获得了进一步的了解,人们已经开始利用数值迭代方法求解曲轴轴承在内的轴承问题;同时,动压润滑的稳定性也成为人们关注的焦点。(3)内燃机润滑技术获得快速发展的时期（1960—1995年）。这时期代表性的成就有，1960年初,人们已经成功地利用计算机求解了轴承热动压和等温线接触弹性动压问题[4];20世纪70年代末期,Furuhama[5]发表了内燃机载荷主要由流体润滑油膜承担;1970年,Neale[9]阐述了缸套2活塞环可能的磨损机制;1978年,Patir和Cheng[10]提出了平均流量模型,之后该模型被广泛地运用于活塞裙和轴承的求解中;1980年,Knoll和Peeken[11]给出了活塞裙润滑求解;1983年,Dennis首次研究了活塞的二阶运动;20世纪80年代后,Rhode[12]通过把平均流量模型reenwood等[13]的微凸体接触模型结合起来,进行了缸套2活塞环的润滑分析;1989年,吴承伟和郑林庆[14]提出的接触因子理论,大大简化了平均流量模型的复杂性,之后这一理论在内燃机等的流体润滑求解中得到广泛应用;1992年ZhuDong[15]等首次建立了活塞裙部与缸套间的混合润滑模型。近期（1995年至今）,内燃机流体润滑取得了快速发展,主要成果可归纳如下:(1)一些较为先进的数值方法运用于内燃机润滑部件的润滑求解。如多重网格法、有限元法,边界元法和并行算法被用于活塞裙和曲轴轴承的流体润滑的求解,大大丰富了人们对内燃机部件润滑行为的了解。(2)一些先进的优化方法,如多目标优化法、神经网络、遗传算法和粒子群算法等被用于内燃机润滑部件的工况参数的优化。(3)先进流体润滑模型的发展。内燃机流体润滑建模正向着多学科方向发展,多领域知识的耦合成为人们研究的重点。 (4)一些有价值的润滑表面处理和涂层技术的相继应用,减少了内燃机润滑部件的某些动压润滑失效的发生。开发出一些先进的涉及流体润滑的部件,如低摩耗的活塞环、活塞裙型面等。(5)虚拟流体润滑技术伴随着虚拟内燃机研究发展的出现,节省了内燃机润滑部件的流体润滑研究的人力和财力。利用最近出现的内燃机润滑分析软件,如GM公司开发的发动机摩擦与润滑分析软件包FLARE、NSK轴承公司研制的高寿命和高可靠性的汽车发动机轴承和AVL公司开发的用于曲轴润滑和动力学分析的Excite软件,可进行内燃机润滑部件的虚拟设计和性能分析。虽然人们在内燃机流体润滑的研究和应用上取得了不少的成果,但仍然有一些传统的润滑问题没有得到根本的解决。例如,研究表明,现有的发动机因摩擦造成的功率损失占据了整个发动机功率损失的80%,而内燃机润滑部件的损失依然占据了整个摩擦功率损失的50%～60%[16]。截至目前,明显缩短求解内燃机润滑部件的润滑性能的计算方法还没有出现,内燃机润滑理论还没有大的发展,一些润滑失效引起的故障还存在诊断不准等现象。2我国内燃机流体润滑研究现状2．1润滑失效事故普遍存在内燃机流体润滑技术一个重要任务是实现内燃机润滑部件的功能保障。在我国内燃机的使用中,内燃机润滑部件系统失稳等现象常有发生,轻则引起内燃机振动、效率降低,重则内燃机停开而影响正常运行,甚至导致机毁人亡的特大事故。例如,1995年运行于赤峰段的0582号内燃机车因空气中含沙量高造成活塞、活塞环、气缸套非正常磨损,中途更换活塞连杆组的机车就有15台[17]。2001—2003年,由于曲轴、轴瓦间油膜间隙不当,郑州铁路局的DF4、DF7发生多起柴油机主轴瓦碾片事故[18]。这些事故造成了重大的经济损失。近年来,通过对状态参数的检测与控制,及时调整工作状态或停机以避免事故扩大,但这样操作的结果,大大降低了内燃机的运行效率。2．2与工业界的联系缺乏紧密性发达国家的工业部门非常重视内燃机流体润滑的研究和应用,在历届的世界摩擦学大会的参加者中,有相当部分来自工业部门的流体润滑研究者[19]。一些国外大的公司也设有流体润滑研究所,如通用、福特汽车公司。对内燃机流体润滑技术的研究、应用以及人员培养应当与工业界联合进行,并紧紧围绕工业界所遇到的润滑问题。遗憾的是,当前由于种种原因,我国内燃机流体润滑技术的研究在相当大程度上还停留在研究生培养的学术层次上,虽然每年关于内燃机流体润滑 研究的论文不少,但真正能用于指导内燃机实践的不多。其后果是,一方面是使内燃机流体润滑研究没有充足的经费,研究工作难以展开,即使拥有内燃机润滑的新技术,这些新技术往往也难于转化为生产力;另一方面,工程实际中的内燃机润滑问题依然不能得到有效解决。同时,涉及到内燃机润滑部件元件的流体润滑的创新技术不多,例如国外研究较多的活塞裙和活塞环型面,我国还处于起步研究阶段。2.3研究水平及规模我国内燃机流体润滑技术的研究总体上落后世界美国德国等主要发达国家大约20多年。例如,美国早在20世纪80年代便展开活塞裙部动压润滑的多因素耦合研究,我国直到最近才开始这方面的研究工作[20]。从内燃机流体润滑发展历史来看,我国对内燃机流体润滑学科的贡献较小,原创性成果缺乏。要赶上美国等发达国家,还有很长的路要走。另一个主要问题是,内燃机流体润滑技术人才的流失严重。由于人们对内燃机行业的摩擦学重要性缺乏足够的认识,目前我国内燃机流体润滑研究面临的被动局面是:一方面,在校的学生不愿意接受复杂的内燃机润滑技术学习或进行该方面的研究;另一方面,现有的内燃机润滑研究人员出国加入国外相关内燃机研究公司、转行的现象颇为严重,结果是优秀的内燃机流体润滑研究者缺乏,人才断层现象严重,一些关系到国家安全的内燃机润滑技术不得不依靠国外提供,严重威胁到国家的安全。3内燃机流体润滑技术今后发展重点3.1流体润滑的建模对内燃机安全与节能要求的不断提高,增加了人们对内燃机流体润滑模型的准确性的要求。在过去100多年里,人们提出了一些基于雷诺润滑方程的内燃机润滑部件的修改润滑模型,如计入流体惯性、包含润滑表面材料信息和动力学耦合因素的活塞裙润滑模型;同时,建立了大量的内燃机润滑部件的磨损模型。这些模型在一定程度上预测了油膜润滑性能和材料的磨损行为,但是,它们不足之处依然存在,理论上和试验中的不一致性现象也很普遍,而且这些磨损模型普适性不强。西安交通大学润滑理论及轴承研究所的研究[21]表明:对于非稳工况内燃机润滑部件,使用双雷诺边界条件作为油膜压力的边界条件比传统的压力边界条件更符合实际,但双雷诺边界条件难以保证润滑油流量的连续。由一台内燃机短期磨损行为试验得出的磨损模型,很难适用于该台内燃机长期的磨损行为,也很难适用于其它内燃机;与润滑技术相伴的多达2000种[22]磨损公式令内燃机设计人员难以选定。 截至目前,人们还不十分清楚内燃机润滑部件的每时每刻的润滑状态,而传统的对这些部件润滑性能的研究往往以一种固定的润滑状态模型代替,致使计算结果与实测值相差较大,导致润滑失效的发生。例如,人们研究配气机构的润滑性能时,若使用混和润滑模型而忽略了它可能处于边界润滑状态,配气机构就有可能发生粘着磨损,引起其表面的温度快速升高而导致配气机构的润滑失效。到目前为止,对于发生边界润滑的判定以及边界润滑各阶段的临界温度的判定还停留在经验公式上,而且经验公式中的一些参数的选定还存在人为的因素。随着纳米添加剂的发展,内燃机润滑状态将会被扩展为4种,即流体润滑、弹性流体润滑、边界润滑和薄膜润滑状态。这样,润滑方程包含的膜厚比参数或为传统的油膜厚度与表面粗糙度之比,或为油膜厚度与分子有效半径之比。因此,准确的、普适性强的、容易被掌握的润滑模型以及与之相联的磨损公式、润滑状态的确定、薄膜润滑状态下的润滑模型以及与之相联的磨损公式等,将是内燃机流体润滑建模今后研究的重点。3.2求解方法在内燃机100多年的发展过程中,内燃机润滑部件的润滑求解方法也在不断地发展。特别是随着计算机技术的发展,一些先进的求解方法不断出现。在1940年后期,人们摆脱了轴承冗繁的解析法求解,开始利用数值迭代方法求解轴承的问题[23-24]。在内燃机润滑性能求解方面,雷诺润滑方程的求解一直占据核心的位置。由于需要多次求解雷诺润滑方程才能获得润滑部件在完整内燃机工作循环内的润滑性能,这就极大地增加了求解时间。为了减少求解时间,目前的雷诺润滑方程主要求解方法有:采用其简化的一维形式的解析解,但由于对雷诺润滑方程进行了简化,求解结果与实测量的结果不免产生大的误差;另一种普遍使用的方法是,采用差分方法对二维雷诺润滑方程进行求解,该方法虽然相对其它方法求解速度比较快,但由于对求解域形状要求严格,不适合非规则几何形状的内燃机润滑部件,从而降低了求解精度。其它的方法,如有限元法、边界元法、多重网格法等数值方法也相继被用于内燃机润滑部件的雷诺润滑方程的求解上,但这些方法各有优缺点,例如,有限元法避免了差分法的一些缺点,但计算速度较慢;边界元法简单明了,但求解范围有限;多重网格法的网格划分及边界上求解繁琐。对于初始位置不确定的润滑部件润滑性能求解,诸如活塞裙作二阶运动时,上述方法为达到初值的收敛,往往需要多次迭代才能完成,这就耗费了极大的机时。 近年来,出现了通过现有的如ANSYS及NAS2TRAN等商用软件和上述润滑求解方法的联合,来实现内燃机多因素润滑问题的求解,但由于商用软件价格昂贵、操作复杂和难以忍受的联合求解时间,限制了这种方法的使用。最近,人们利用快速傅立叶变换来求润滑表面的弹性变形和温度等[25],在一定程度上缩短了计算时间。但截至目前,明显节省求解润滑部件多因素耦合下润滑性能时间的方法还没有出现。除此之外,诸如神经网络等的人工智能的方法也被用于活塞裙润滑性能的预测上[26]。这种方法虽然在一定程度上能对润滑特性、磨损等进行预测,但需要以大量实验数据为基础,对问题的解释也只能是表象的,而非本质的。可以预见,随着内燃机流体润滑研究对象复杂性的增加,人们既需要发展在大型计算机上也需要发展在个人计算机上应用的先进求解方法和途径,以在保证精度和加快求解速度的前提下,实现内燃机复杂的流体润滑问题的求解。3.3良好的润滑剂良好的润滑是减少润滑失效的主要途径。性能良好的润滑剂一直是人们研究的重点。特别是近年来车辆工业的发展,对润滑剂的性能提出了更高的要求。例如,日益受人关注的耐高温发动机,为了使发动机在活塞环顶部的润滑剂达到540°高温[27]时不发生爆炸,人们迫切需要耐高温的润滑剂。虽然少污染和节能的动力装置(如电动汽车)日益成为人们研究的热点,并有可能最终取代内燃机在某些方面的应用,但到目前为止,由于蓄电池设计和储能飞轮系统等存在的问题,这些装置还没有实现理想的应用。虽然人们在耐高温/低温、无污染润滑剂的合成方面已取得一些进展,但实际中仍然有不少问题限制了它们的研究进展。例如,耐高温润滑剂的合成缺少诸如抗磨、耐腐蚀等有效的添加剂,广泛的耐高温、低摩擦因数的润滑剂仍在研究之中。低摩擦因数、耐高温/低温、无污染润滑剂,仍是今后的重要研究目标。在润滑剂中加入高聚物添加剂使之呈现出非牛顿流体的特性,从而改善润滑部件的润滑性能,成为当前人们研究的另一个研究重点[28-29]。但我们的研究表明,不适当的高聚物添加剂物性参数,不但不能提高润滑部件的承载能力、降低摩擦因数,反而会使其承载能力下降、摩擦因数增高。因此,通过控制高聚物添加剂的关键物性参数来改善润滑剂的性能是人们今后要解决的问题。3.4润滑表面的研究良好的润滑表面是降低摩功耗、减少润滑失效的重要途径。在过去几十年,内燃机的润滑表面的形状设计、形貌的统计和概率甚至表面的分形几何信息[30] 对流体润滑的作用以及多领域知识耦合的润滑行为,一直是人们的研究重点。为了更深入地研究内燃机润滑部件的流体润滑的各种行为,最近,人们开始关注油膜力作用下诸如曲轴轴承和连杆轴承等润滑表面的疲劳和断裂。目前,由于计算机存处能力和软件功能等限制,这方面的工作还停留在润滑表面的简单建模上,润滑表面形貌也常作了一定的简化。可以预见,将来随着内燃机润滑问题研究的逐步深入和计算机技术的发展,包含更为全面的表面形状、形貌等信息和设计出具有专门功能形貌的内燃机润滑部件的流体润滑技术研究将会得到快速发展。除此之外,人们也在积极地改善内燃机润滑部件的润滑表面性能。在过去的几十年中,表面处理和涂层技术一直被研究并在内燃机润滑部件中得到了一定应用,但要获得理想的润滑表面以减小摩擦功耗,还有很长的路要走。3.5润滑工况的监测目前,内燃机润滑工况监测常用的主要方法之一是利用轴心轨迹来判断主轴承的油膜厚度、气蚀、磨损、胶合、擦伤等。这种方法,通常又有Mobility法、Hahn法和Holland法以及在它们基础上的少量改进的方法。这些方法对内燃机主轴承的润滑工况甚至与之相联系的其它部件的工况的监测起到了一定的作用,但其不足是计算与实测得到的轴心轨迹往往相差较大,以至于主轴承故障的漏诊或错诊时常发生,其主要原因是影响轴心轨迹的一些因素在这些方法中没有考虑到。例如,我们发现,曲轴的变形会导致轴心轨迹的发散,而上述方法中均没有考虑到。因此,要利用轴心轨迹来诊断特定内燃机的主轴承的润滑工况,还需要对上述的方法进行针对性的修正。目前,利用机油中金属成分的种类及数量进行铁谱分析以评价内燃机的运行工况进行故障分析和预测,是内燃机界普遍使用的另一种重要的监测方法。从它们目前使用情况看,铁谱分析技术(包括离线铁谱和在线铁谱分析技术)在内燃机润滑工况监测上取得了一定的成果,但要建立具有良好推广性的铁谱分析技术,还需要人们做多方面的努力。4内燃机流体润滑技术发展新方向准确地预测内燃机流体润滑技术的今后发展方向是困难的,它很大程度上与相关科学的发展、国家相关行业的技术进步密切相关。但以下两点可能成为今后内燃机流体润滑新的研究对象。4.1多体润滑问题流体润滑建模的有效性根本取决于对研究对象的物理、化学性能的了解程度。到目前为止,人们对于传统的纯净的润滑油和其它物质共存时的内燃机流体润滑行为(即多体润滑)知之甚少。但这个问题由于以下原因正在变得越来越重要。首 先,润滑添加剂的发展促使了人们有必要进行多体润滑的研究。同时,运行于污染环境中的内燃机(如我国西部地区)常因污染颗粒的入侵而发生功率下降和磨损加快等现象,也增加了进行多体润滑的研究紧迫性。虽然对多体润滑剂的研究已取得了很大的进展,例如现有的研究已发现,污染颗粒会增大润滑油膜的摩擦力、改变油膜压力的分布等[31],但对多体润滑机制的研究,目前总体还了解不多。可以预见,以下工作将是今后多体润滑研究的课题:多体润滑的普适性方程的建立和验证;多体润滑的机制和多体润滑的数值方法的研究;多体润滑的流场显示技术等。4.2基于多学科知识的内燃机流体润滑技术纵观内燃机润滑部件的研究的历史,100多年来,虽然有大量的流体润滑研究成果出现并应用于实践,但大部分研究主要集中在内燃机润滑部件的单个润滑行为研究上,这些研究共同的特点是:由于研究问题的复杂性,一般是孤立地研究润滑部件的润滑性能,即使少数研究涉及到这些部件的润滑性能、动力学性能和燃烧性能等的耦合,但耦合的程度,无论从广度和深度上讲,往往都是不高的。因此,要全面而深入地研究内燃机润滑部件的润滑行为,有必要将内燃机燃烧、摩擦、动力等多种学科知识,通过合适的途径,有机地融入到润滑部件的润滑技术研究中,同时这也是内燃机整机性能深入分析和性能优化的有效途径。就当前国内外内燃机流体润滑技术的研究现状来看,要达到这个理想的目标,有太多的问题需要解决。5.基于内燃机的缸套-活塞环摩擦润滑特性发展情况长期以来，缸套-活塞环摩擦润滑特性的研究一直是内燃机研究领域中的一个热点，在内燃机设计中占有非常重要的地位。缸套-活塞环摩擦系统润滑状况的好坏直接影响到内燃机的动力性、燃油经济性、排放性及使用寿命。而且近年来，随着技术的发展和能源环境的需要，发动机正向着高爆发压力、高转速等高强化方向发展，这就导致了缸套-活塞环摩擦副摩擦磨损特别严重。因此，从机理上对其摩擦润滑性能进行研究，以此来改善活塞环的润滑状况、减少缸套-活塞环之间的摩擦损失就显得非常必要。内燃机中的摩擦学行为主要集中在“三大摩擦副”上：缸套-活塞摩擦副（包括缸套-活塞裙部的摩擦以及缸套-活塞环的摩擦）、凸轮与挺柱、曲轴凸轮轴与轴承。其中，缸套-活塞摩擦副产生的摩擦损失约占内燃机总摩擦损失的50%~60%。因此，在内燃机诸对摩擦副中，最为重要的是缸套-活塞摩擦副和缸套-活塞环摩擦副；而其中又以缸套-活塞环摩擦副最为重要。活塞环是内燃机中的核心部件，其作用包括密封、控油、导热、支承四个。密封的作用是避免燃烧室内的气体进入到曲轴箱，同时又要防止多余的润滑油窜 入到燃烧室中；控油的作用是保证气缸壁上分布的润滑油膜均匀连续，同时将多余的润滑油刮下防止进入到燃烧室燃烧；导热的作用就是通过活塞环将活塞顶部的热量传递给缸套，起到冷却作用；而支承的作用是避免活塞与气缸壁直接接触，保证活塞平顺运动。从以上可知，对活塞环的要求是在能够承受高温、高压等恶劣条件的同时，又要确保在工作过程中具有较小的摩擦阻力来减少能量的损失以及较小的磨损来保证一定的工作寿命。因此，如何使缸套-活塞环摩擦系统在工作过程中能得到有效的润滑是解决内燃机摩擦问题、提高内燃机效率和使用寿命的关键之一。润滑的作用就是在两接触表面之间形成具有法向承载力的润滑油膜，以此减小摩擦阻力损失以及降低材料的磨损。根据润滑油膜的形成原理和特征，缸套-活塞环的摩擦润滑状态可以分为：（1）流体润滑；（2）混合润滑；（3）边界润滑；（4）干摩擦状态等4种基本状态[33]。在活塞行程的中点时刻，由于活塞环速度较大，此时的缸套-活塞环处于流体润滑状态，具有良好的润滑油膜及较小的摩擦系数，润滑状况良好。而在活塞行程的上下止点时刻，由于活塞环速度很小，很难形成有效的润滑油膜，从而此时的油膜厚度较小，缸套-活塞环处于混合润滑状态。表1-1列出了各种润滑状态的基本特征。表1-1润滑状态润滑状态典型膜厚润滑油膜形成方式及特点流体润滑0.1~100μm缸套-活塞环两摩擦表面被一层流体膜隔开。流体膜的膜厚要比表面微凸体、化学保护膜及边界润滑油膜的尺寸大得多，摩擦阻力完全是由流体的粘性剪切力产生。润滑剂的粘度是流体润滑介质中最重要的物理参数。混合润滑10nm~100nm界于流体润滑状态和边界润滑状态之间。混合润滑状态下，同一时刻有两种润滑机理同时在摩擦表面起作用。混合润滑性能的改善主要依靠润滑剂本身的物理、化学性能以及润滑状态在接触表面摩擦过程中的转变。 边界润滑1~50nm润滑油分子与摩擦表面发生物理或化学反应而形成润滑膜。膜的厚度远小于零件表面粗糙度。润滑油粘度对边界接触特性的影响很小，其摩擦学行为服从无润滑表面的摩擦定律。干摩擦状态1~10nm未添加润滑剂的干摩擦行为。其摩擦系数的大小主要取决于两摩擦表面的材料特性。降低摩擦系数的主要途径是在材料中添加固体润滑剂或采用高分子复合材料。R.A.Castleman最早在1936年采用Reynolds方程计算了缸套-活塞环的摩擦润滑性能，并得到了缸套-活塞环之间的油膜厚度值约为10μm[34]。而S.Eilon和O.A.Saunders在1957年以抛物线型的活塞环为对象进行了润滑分析，并求出了其润滑油膜厚度[35]。S.Furuhama在1959年分析缸套-活塞环润滑性能时首先考虑了活塞环的挤压效应，通过计算得到了Reynolds方程在整个循环过程内的解，并且指出缸套-活塞环的混合润滑区域对摩擦力的值有很大的影响[36]；而M.F.Richez在1982年通过模拟计算和实验测量对比分析，得出了低速度和低粘度情况下的混合润滑状态对摩擦力的影响作用较大这一结论。L.L.Ting和J.E.Mayer[10,11]在1974年建立了一个用于分析往复式发动机在一个完整工作循环内的缸套磨损性能的模型，这应算是第一次比较全面地、真实地对缸套-活塞环的润滑性能进行分析。N.Patir和H.S.Cheng提出了一种全新的计算方法来分析表面粗糙对部分油膜润滑的影响。对于粗糙表面，引进了压力流量因子和剪切流量因子，并建立了考虑表面粗糙度的平均Reynolds方程。SM.Rohde等人在N.Patir和H.S.Cheng研究的基础上，利用平均Reynolds方程建立了一个研究混合润滑状态下动态载荷润滑性能的数学模型。分析结果表明，在混合润滑状态下，表面粗糙度对缸套-活塞环的润滑性能起决定性作用。S.K.Michail和G.C.Barber研究了缸套-活塞环表面粗糙度对润滑油膜厚度的影响[37]。研究结果表明，粗糙表面方向参数以及轮廓偏斜度对润滑油膜厚度有一定的影响。 M.T.Ma，E.H.Simth等人对缸套沿圆周方向的非轴对称性进行了研究[18-23]。分别以三种不同形状的缸套为对象进行了润滑性能分析，结果表明，缸套变形对缸套-活塞环的润滑性能有很大的影响。O.Akalin和G.M.Newaz对缸套-活塞环在混合润滑状态下的摩擦力进行了计算[24,25]。并且做了一个验证性试验，试验所得的摩擦系数与理论计算结果十分吻合。与此同时，近年来国内对缸套-活塞环摩擦润滑性能的研究也比较活跃，并取得了一些非常有价值的研究成果。刘焜、桂长林、谢友柏及周全保等人长期从事摩擦学研究工作。他们对缸套-活塞环的摩擦润滑性能进行了理论分析和试验研究，并且考虑了混合润滑、活塞的设计参数、缸套润滑状态的周向不均匀性以及分析活塞裙部润滑时的活塞二阶运动等。桂长林、焦明华在综合考虑了表面粗糙度、贫油与富油等条件下，开发出一种分析缸套-活塞环的分析方法及程序，为活塞环组的设计提供了一定的分析手段，并得出采用适当的正偏心度曲面活塞环有利于提高活塞环在上止点时的膜厚。张移山、孔宪梅和陈大荣等人建立了缸套-活塞环磨合过程的数学模型，并对磨合过程进行了摩擦学设计研究。张勇等人求解了二维平均Reynolds方程和载荷平衡方程，对活塞环进行了二维润滑分析，结合活塞环实际运动润滑情况分析得到活塞环圆周方向压力是不均匀分布的，有着活塞环侧向力的存在，故而建立三维润滑模型分析缸套-活塞环润滑状态是不可避免的发展趋势[38,39]。叶晓明建立的活塞环三维弹流动压润滑模型，分析了气缸套径向变形对活塞环润滑性能的影响[40]。上述是国内外学者采用模拟分析的方法研究缸套-活塞环摩擦润滑问题所做的工作和取得的一些成果。与此同时，为了对缸套-活塞环摩擦润滑问题进行试验研究，国内外的很多研究人员设计研制了各种满足不同需求的摩擦磨损试验机。世界上第一台磨料磨损试验机诞生于1910年，美国润滑工程师学会（ALSE）在1975年编著的《摩擦磨损装置》所公布的不同类型摩擦磨损试验机已有上百种[41]。而国内第一台用于研究缸套-活塞环摩擦磨损的试验机于2002年由仪征双环活塞环有限公司研制成功[42]。该摩擦磨损实验机为我国缸套-活塞环材料的性能检测及开发提供了比较详实可靠的数据。此外由合肥工业大学的刘焜等研制的往复式发动机缸套-活塞环摩擦磨损试验台可以研究在不同的内燃机转速、润 滑油及环境温度下发生擦伤的载荷及表面本体温度[43]。清华大学摩擦学国家重点实验室研制的缸套-活塞环摩擦磨损试验机主要用来研究速度、温度、载荷、供油等因素对缸套活塞环系统摩擦磨损特性[44]。大连海事大学许久军等研制的新型缸套-活塞环零部件摩擦磨损试验机可模拟内燃机0.1~10倍的爆压，工作温度可达620K，具有周向载荷均匀、磨损后载荷自动补偿的优点，且配有完整的测控系统[45]。由于以下一些新情况,对活塞环耐久性的要求更高了,对活塞环的润滑、磨损的研究依然是当前摩擦学的一个重要课题：(1)社会各项事业的发展,特别是高速公路的迅速发展,使汽车在高转速下时间运转的机会增多;同时城市建设又使汽车的低速行驶时间加长;这两种极端情况都将引起磨损增大。(2)环保呼声愈来愈高,对汽车从用油到排污都提出了严格的要求,直接影响到活塞环的工作条件。(4)压缩比增大对活塞环润滑产生影响。(5)研究活塞环一缸套的磨损及失效机理,寻找新材料和新工艺进一步提高该对摩擦副的使用寿命。(6)研究内燃机磨合过程的摩擦学设计,建立其磨合过程的动力学模型,探讨影响磨合的各种因素,解决好磨合过程中的载荷一速度一时间磨合优化问题。(7)研究新型发动机润滑剂,将润滑与摩擦学改性有机统一起来。5结束语立足于国情,紧跟国际内燃机流体润滑技术研究的趋势,迎头赶超,是我国内燃机流体润滑技术应该走的道路。在国家政策、工业界和其它领域专家的支持下,在内燃机润滑技术界同人的共同努力下,我国内燃机流体润滑技术的研究与应用定会得到大的发展,与发达国家的差距定会缩小。 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