模拟服役状态下高强化活塞环缸套摩擦学特性的试验方法与流程

本发明涉及的是一种试验模拟方法，具体地说是内燃机缸内摩擦副的试验模拟方法。

背景技术：

当前，人们对柴油机的性能提出了更高的要求，使得柴油机应用高强化技术提高其工作性能。柴油机具有工作效率高、可靠性强、经济性好等优点，其广泛应用于交通、国防、农渔业等领域。在将来的几十年里，柴油机仍将成为船舶等大型机械设备的主要动力能源设备。目前船用大功率高功率密度柴油机的强化指标(平均有效压力pe与活塞平均速度u的乘积)最高己经达到35mpa·m/s，新研制的柴油机接近38-40mpa·m/s。随着新设计柴油机的强化指标不断提高，尤其是柴油机的转速、爆发压力及结构件承受的能量密度大幅度提髙，高强化柴油机出现了摩擦功耗显著升高、磨损加剧、拉缸倾向严重等摩擦学问题，这已经成为制约我国新一代先进动力发展的瓶颈问题。

缸套-活塞环摩擦副是柴油机的关键摩擦副之一，是影响高强化柴油机经济性、动力性和可靠性的重要部件，其工作性能的好坏直接影响柴油机的性能。近年来，随着柴油机朝着高转速和高负载的方向发展，活塞环在缸内的工作环境越来越恶劣，对活塞环的性能要求也越来越严苛。研究表明：高强化柴油机缸套-活塞环摩擦副是柴油机摩擦功耗损失的主要部分，并且当缸套-活塞环磨损严重时，会导致缸内高温高压气体下窜，严重者甚至会造成曲轴箱爆炸等事故。在压缩、燃烧、膨胀过程中，缸套和活塞环在高机械负荷和高热负荷下经历流体动压润滑、混合润滑、边界润滑、干摩擦等各种摩擦状态，是柴油机各摩擦配副中摩擦磨损问题的典型代表，柴油机强化系数提高以后这些问题表现更加突出。因此深入研究高强化柴油机缸套-活塞环摩擦磨损问题，增强活塞环的耐磨性及润滑性能，延长缸套-活塞环工作的寿命和可靠性，对于提高柴油机整体的工作性能和可靠性以及经济性有着十分重大的意义。金梅在硕士论文《镀铬缸套摩擦磨损性能研究》中，采用自行研制的对置往复摩擦磨损试验机，针对缸套-活塞环摩擦副进行实验，探究不同工况下的摩擦磨损规律和机制，获得了载荷对摩擦副磨损量的影响比温度更明显，且随着载荷增加、温度升高，两对摩擦副的抗黏着性能均下降等。张一兵等在文章《发动机缸套-活塞环磨损模拟试验机及其实验分析》中，介绍了自制的fgm-1型缸套-活塞环快速磨损试验机的原理和主要结构，在一定范围内对载荷、温度、速度和润滑量参数的组合进行试验，验证了试验机的模拟性、性能稳定性测试系统的重复性与灵敏性。

然而，由于内燃机缸套-活塞环的摩擦磨损机制比较复杂，模拟实验的局限性较大，目前已有的试验方案中，整机模拟试验可重复性差且成本高；试样试验的，台架试验不易控制，干扰因素较多；零部件实验容易造成浪费，成本较高；试样实验的工况近似但不甚相符。但是试样试验容易控制，成本低可重复性好，参数易控制，结果重现性好，只是缺少一种试验设计方法，来保证试验工况的相符性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供能够真实可靠的模拟出活塞环-缸套摩擦副在柴油机缸内工况的模拟服役状态下高强化活塞环缸套摩擦学特性的试验方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明模拟服役状态下高强化活塞环缸套摩擦学特性的试验方法，其特征是：

(1)确定柴油机实际工况下的平均有效压力与平均燃烧室压力两者之间的关系：收集柴油机实际运行工况下的高强化系数、平均有效压力、燃烧室压力曲线，并对燃烧室压力取平均值，比较两压力之间的关系；

强化系数计算公式为sc＝pe×u，其中sc为强化系数，pe为柴油机缸内平均有效压力，u为活塞环的平均速度；

(2)若平均有效压力与平均燃烧室压力两者之间差值在1％以内，则模拟的是高强化系数与柴油机的真实工况；否则，按照平均有效压力和平均燃烧室压力的线性比例的关系将模拟的高强化系数增加或减少；

(3)确定活塞环试样和缸套式样的尺寸，并对活塞环的轮廓型线进行测量得到其真实型线数据；

(4)通过曲线拟合得到活塞环厚度方向的曲率半径；

(5)通过赫兹接触公式计算出活塞环试样厚度方向与缸套式样的接触半宽，从而计算出两者的接触面积；

(6)在给定的强化系数下，通过计算得到活塞环与缸套在不同载荷下的速度曲线。

本发明还可以包括：

1、所述步骤(5)，具体为：

活塞环与缸套的接触面积为s＝2lb，其中，s为活塞环与缸套的接触面积l为活塞环与缸套的接触长度，b为活塞环厚度方向与缸套的接触半宽，l为固定值，b为赫兹接触公式求解，其中p为活塞环的承载载荷，r为活塞环厚度方向的曲率半径，e′为综合弹性模量；e′通过求解得到，其中u1、u2分别为活塞环和缸套的泊松比；e1、e2分别为活塞环和缸套的弹性模量。

2、所述步骤(6)具体为：

活塞环所承受的平均有下压力为pe＝p/s，通过此方程求解出一条关于活塞环的承载载荷和往复速度的曲线。

本发明的优势在于：本发明综合考虑了柴油机实际实际工况与试验机实际工况的不同，提出了较为全面、科学的研究方法，为进一步探索柴油机缸内活塞环-缸套摩擦副的往复运动试验开展提供一定的支撑。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为活塞环厚度方向的曲率半径拟合；

图3为关于活塞环的承载载荷和往复速度的曲线。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1-3，本发明包括如下步骤：

步骤一、确定柴油机实际工况下的平均有效压力与平均燃烧室压力两者之间的关系；

收集柴油机实际运行工况下的高强化系数、平均有效压力，燃烧室压力曲线，并对燃烧室压力取平均值，比较两压力之间的关系。

强化系数计算公式为sc＝pe×u，其中，sc为强化系数，pe为柴油机缸内平均有效压力，u为活塞环的平均速度

步骤二、若平均有效压力与平均燃烧室压力两者之间差值在1％以内，则模拟的高强化系数等与柴油机的真实工况；否则，按照平均有下压力和平均燃烧室压力的线性比例的关系将模拟的高强化系数增加或减少；

步骤三、确定活塞环试样和缸套式样的尺寸，并对活塞环的轮廓型线进行测量得到其真实型线数据；

步骤四、通过曲线拟合得到活塞环厚度方向的曲率半径；

步骤五、通过赫兹接触公式计算出活塞环试样厚度方向与缸套式样的接触半宽，从而计算出两者的接触面积；

活塞环与缸套的接触面积为s＝2lb，其中，s为活塞环与缸套的接触面积l为活塞环与缸套的接触长度，b为活塞环厚度方向与缸套的接触半宽。式中l为一固定值，b为赫兹接触公式求解，其中p为活塞环的承载载荷，r为活塞环厚度方向的曲率半径，e′为综合弹性模量。e′可以通过求解得到，其中，u1、u2分别为活塞环和缸套的泊松比；e1、e2分别为活塞环和缸套的弹性模量。

步骤六、在给定的强化系数下，通过计算得到活塞环与缸套在不同载荷下的速度曲线。

活塞环所承受的平均有下压力为pe＝p/s，通过此方程可以求解出一条关于活塞环的承载载荷和往复速度的曲线。