线形槽织构参数对柴油机缸套-活塞环的性能影响研究开题报告

 2020-02-20 09:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1. 目的及意义

1.1.1 缸套-活塞环摩擦磨损性能研究目的及意义

目的:

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2. 研究的基本内容与方案

2. 研究的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1 研究的基本内容

1) 缸套-活塞环摩擦磨损机理的学习以及国内外表面纹理技术相关参考文献的调研;

2) 基于缸套表面设计表面纹理(形状、角度、深度、宽度、表买那占有率等);

3) 模拟S195小型柴油机,设计拟合实体柴油机的台架式试验机;

4) 确定传感器布置方案,拟搭建缸套-活塞环摩擦磨损试验机;

5) 利用机械加工技术,在缸套表面加工既定的纹理;

6) 根据实际情况,确定试验工况(冷却水温度、气缸压力、润滑油供给量、转速等)以及试验方案(试验进行的时间、试验数据的采集等);

7) 试验开展,获取相关试验数据(摩擦力、接触电阻、气缸压力等);

8) 试验数据分析,测量试验后缸套表面形貌、活塞环磨损量,综合分析缸套-活塞环的工作机理。

2.2研究目标

1) 深入了解缸套-活塞环摩擦磨损机理和润滑机理;

2) 掌握柴油机的整体构架,搭建整缸式试验机,完成整缸试验机的测试;

3) 分析表面纹理参数对缸套-活塞环摩擦磨损性能及密封性能的影响;

4) 分析不同工况对缸套-活塞环摩擦磨损性能及密封性能的影响;

5) 完成设计分析说明书(不少于15000字);

6) 完成外文翻译(20000英文字amp;5000汉字);

7) 撰写并投稿英文期刊论文。

2.3 拟采取的技术方案及措施

2.3.1 技术方案

2.3.2试验方案

1) 台架式试验机的搭建

本文主要的设计思路是模拟实际柴油机运行工况,来研究表面纹理参数对缸套-活塞环在不同工况下的综合性能。所搭建试验机要模拟实际柴油机需要符合以下几点要求(实物图如图2所示):

(1)润滑油的供给。采用齿轮泵向缸套-活塞环供给润滑油,并可用流量调节针阀控制润滑油供给量。

(2)转速的控制。采用变频电机,通过联轴器连接曲柄连杆机构,变频器调节电机转速,进而调节活塞转速。

(3)气缸压力的控制。采用空压机,通过管路接口,向缸套=活塞环密封空间提供加载空气。

(4)循环冷却水的控制。用恒温水箱定温调控循环冷却水。

(5)传感器的布置。压力传感器、温度传感器、转速传感器、接触电阻采集电路等合理安装。

(6)采集装置。利用MATLAB编制一套采集程序,采集所需试验数据。

图2 台架试验机实物图

2) 基于表面纹理技术的缸套-活塞环综合性能的研究

利用机械加工技术在缸套内表面加工不同深度的螺纹槽织构,在不同的工况下进行模拟缸套-活塞环工作试验。所加工表面纹理详细参数如表1所示

表1 缸套内表面加工纹理参数

沟槽形状

螺纹槽

沟槽条数

2

沟槽分布

对称分布

沟槽角度

30°

沟槽宽度

3mm

沟槽深度

50um、100um、150um、200um、250um

沟槽表面占有率

12.63%

试验所用缸套内径为95mm,材料为耐磨合金铸铁试验。试验所选用的活塞环材料为球墨铸铁,接口形式为搭口。在试验过程中设置试验自变量为利用空压机往燃烧室加载空气,分别为空载、负载0.05MPa、负载0.1MPa。试验中有一些无关变量,分别是:缸套循环冷却水温度为60℃,润滑油供给量为40ml/h,试验机的转速为200r/min。不同深度的螺纹槽织构缸套在以上工作条件下进行试验,研究其摩擦磨损性能及密封性能。

3) 缸套-活塞环性能评价系统

(1) 润滑特性

缸套-活塞环间的润滑特性主要由摩擦副的润滑油膜厚度来体现,润滑油膜厚度决定摩擦副所处的润滑状态,所以润滑油膜厚度的测量是缸套-活塞环润滑特性分析的重点。测量油膜厚度的方法通常有:接触电阻法、光干涉法、X射线法、磁阻法、超声波法等[51]。S Vl#259;descu[44]等人通过超薄膜光学干涉测量方法的改进版本测量了缸套-活塞环间的油膜厚度,发现与无纹理缸套相比,表面凹坑的存在能够增强混合润滑状态下的流体膜厚度约20nm,并且与无纹理缸套相比减少了高达33%-62%的摩擦。刘广胜等人[52]利用数值模拟的方法,分析了计及供油与富油条件下缸套-活塞环间的润滑特性,发现在活塞环上止点附近,计及供油状况时油环的最小油膜厚度极小值点和微凸体接触力最大值位置更靠近上死点,且最小油膜 厚度值减小,微凸体接触力值增大。虽然测量油膜厚度的方法众多,且这些方法在实际应用中效果较好,但是油膜厚度的影响因素较多,现在的测量技术只能定性分析缸套-活塞环油膜厚度,准确定量的测量还需要研究者进一步努力。本次试验采用接触电阻法测量缸套-活塞环间油膜厚度,作为定性分析缸套-活塞环润滑特性的手段之一。

(2) 表面形貌

表面形貌是指零件表面的粗糙度、波度、尺寸等微观几何形状,对摩擦副来说,摩擦表面形貌可直观的反映摩擦副的摩擦磨损、疲劳、抗腐蚀等状态。20世纪20年代,第一台表面形貌测量仪研制成功,即G Schmalz根据光学放大原理研制的表面接触式轮廓记录仪,垂直放大率200倍[53],随后,研究学者们开始表面形貌的探索与研发。从低精度到高精度、接触式向非接触式、二维向三维,由单独测量粗糙度轨迹向同时测量包含波纹度、形状误差轮廓信息的方向发展。截至目前为止,表面轮廓仪主要用于磨损材料的二、三维表面的形状误差、原始轮廓和表面粗糙度等表面特征参数的测量及评定。下面对在缸套-活塞环测量中比较常用的激光干涉接触式表面轮廓仪、超景深三维显微镜做一些简单的介绍。

如图3所示,(a)、(b)分别是本次实验所用到的表面轮廓仪和超景深显微镜。表面轮廓仪主要有以下几个组件:激光位移传感器、测量工作台、样品安装平台、信号控制箱以及工控机等。其中激光位移传感器中激光信号的调节是通过信号控制箱来实现。对缸套的内表面以及活塞环的外表面进行三维测量,测量后的参数有14种[54],通常用于分析缸套活塞环表面性能的参数主要有四种:均方根偏差(Sq)、表面偏斜度(Ssk)、表面陡峭度(Sku)以及谷区液体指数(Svi)。超景深三维显微镜可以观察传统光学显微镜由于景深不够而看不到的微观世界,其应用领域可以拓展到光学显微镜和扫描显微镜之间。超景深显微镜通过“Accurate DFD方式”实现高精度3D图像,DFD代表“Depth from Defocus”。DFD方式能通过对不同焦点位置的2张以上的二维图像计算高低差,获得三维数据。

(a)表面轮廓仪 (b)超景深显微镜

图3 表面形貌测量仪器


3. 研究计划与安排

表3 毕业设计流程表

1-3周

1)查阅试验机、表面纹理、缸套-活塞环相关文献

2)购买试验材料

3)完成开题报告和外文翻译

4-5周

1) 搭建整缸式试验机

2) 测试试验确定试验机的完备

6-7周

1) 设计表面纹理参数

2) 缸套表面纹理的加工

3) 试验机的初始调整

8-13周

1)不同工况下表面纹理缸套摩擦磨损性能试验

2)试验数据处理以及可视化分析

3)完成相关论文期刊初稿

13-16周

1)完成设计分析说明书

2)完成期刊论文并投稿

4. 参考文献(12篇以上)

[1] przesmitzki s, vokac a, tian t. an experimental study of oil transport between the piston ring pack and cylinder liner[c]. powertrain amp; fluid systems conference and exhibition san antonio, texas, usa. 2005.

[2] przesmitzld s, vokac a, tian t. influence of the piston inter-ring pressure on the ring pack behavior in a medium speed diesel engine[j]. sae paper. 2005(01):38-47.

[3] 李斌. 圆形微织构对缸套抗拉缸性能影响规律研究[d]. 大连海事大学, 2018.

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