司東亞， 駱清國(guó)， 許晉豪， 尹洪濤， 寧興興

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072)

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發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套磨損譜編制方法研究

司東亞， 駱清國(guó)， 許晉豪， 尹洪濤， 寧興興

(裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械工程系， 北京 100072)

通過(guò)對(duì)氣缸套-活塞環(huán)進(jìn)行潤(rùn)滑分析，得到了不同曲軸轉(zhuǎn)角位置活塞環(huán)的微凸體載荷分布及磨損速率。結(jié)合動(dòng)載荷特點(diǎn)對(duì)Archard磨損計(jì)算模型進(jìn)行了修正，同時(shí)根據(jù)載荷分級(jí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行了離散，計(jì)算得到了各離散網(wǎng)格單元內(nèi)的磨損參數(shù)，基于發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)載荷譜，采用時(shí)間插值方法，編制了典型任務(wù)剖面下的氣缸套磨損譜。

氣缸套； 工況離散； 載荷譜； 磨損譜

氣缸套-活塞環(huán)是發(fā)動(dòng)機(jī)中關(guān)鍵摩擦副之一，是發(fā)動(dòng)機(jī)壽命水平階段判斷的重要依據(jù)[1-3]。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)氣缸套-活塞環(huán)的潤(rùn)滑、磨損的計(jì)算開(kāi)展了研究[4-6]，通過(guò)試驗(yàn)分析了靜載荷對(duì)摩擦副摩擦學(xué)性能的影響[7-11]，而復(fù)雜動(dòng)載荷對(duì)氣缸套-活塞環(huán)磨損的影響也越來(lái)越受到重視[12-14]。

氣缸套-活塞環(huán)的磨損與發(fā)動(dòng)機(jī)工況密切相關(guān)。車用發(fā)動(dòng)機(jī)工況變換頻繁，會(huì)嚴(yán)重影響摩擦副表面應(yīng)力、潤(rùn)滑和材料摩擦屬性等，導(dǎo)致磨損加劇[15]。目前，對(duì)于氣缸套-活塞環(huán)摩擦副的磨損問(wèn)題，多數(shù)是圍繞穩(wěn)定載荷及動(dòng)載荷下的磨損機(jī)理及磨損計(jì)算模型進(jìn)行研究，很少將摩擦副磨損分析與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用工況相聯(lián)系。本研究在氣缸套-活塞環(huán)動(dòng)載荷磨損研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合反映發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用工況的整機(jī)載荷譜[16]，研究氣缸套-活塞環(huán)磨損譜編制方法，為發(fā)動(dòng)機(jī)壽命預(yù)測(cè)與健康狀況管理提供數(shù)據(jù)支撐。

1 穩(wěn)定工況下氣缸套磨損計(jì)算

氣缸套-活塞環(huán)摩擦副的主要磨損包括黏著磨損、磨粒磨損和腐蝕磨損。在上止點(diǎn)附近潤(rùn)滑條件較差，以邊界潤(rùn)滑為主，氣缸套受黏著磨損影響比較明顯。Archard模型是滑動(dòng)摩擦副黏著磨損的經(jīng)典模型，表達(dá)式為

(1)

式中：V為磨損體積；K為磨損系數(shù)；p為壓力；L為滑動(dòng)距離；H為材料硬度。

通過(guò)AVL/EXCITE P&R建立某發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸套-活塞環(huán)潤(rùn)滑分析模型(見(jiàn)圖1)，該氣缸套-活塞環(huán)摩擦副共包含三道氣環(huán)和一道油環(huán)。采用平均雷諾方程對(duì)該摩擦副進(jìn)行潤(rùn)滑分析及活塞環(huán)組動(dòng)力學(xué)計(jì)算，得到不同曲軸轉(zhuǎn)角位置活塞環(huán)的微凸體載荷分布及磨損速率。圖2、圖3示出某一穩(wěn)定工況下發(fā)動(dòng)機(jī)1個(gè)工作循環(huán)內(nèi)第一道氣環(huán)微凸體載荷和磨損速率隨曲軸轉(zhuǎn)角變化情況。

研究表明，在顯著性水平為0.05的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)功率和燃油消耗率變化量與氣缸套磨損量均有較大相關(guān)性，其余磨損參數(shù)與性能變化的相關(guān)性較小[14]，因此，選擇氣缸套磨損量(氣缸套軸向位置的最大磨損深度)作為氣缸套-活塞環(huán)磨損的基準(zhǔn)參數(shù)。在約9°曲軸轉(zhuǎn)角位置，氣環(huán)主推力側(cè)的微凸體載荷和磨損速率均最大，對(duì)應(yīng)位置氣缸套的磨損也最嚴(yán)重，因此選擇9°曲軸轉(zhuǎn)角位置作為氣缸套磨損計(jì)算的參考計(jì)算點(diǎn)。

2 動(dòng)載荷條件下磨損系數(shù)修正

磨損過(guò)程具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)特性，不同載荷、速度條件下，磨損系數(shù)都是變化的，動(dòng)載荷過(guò)程的磨損系數(shù)可看作每一循環(huán)過(guò)程中穩(wěn)定載荷條件磨損系數(shù)Ks與動(dòng)載荷因素造成的磨損系數(shù)增量ΔK的總和，即

Kd=Ks+ΔK。

(2)

穩(wěn)定載荷條件磨損系數(shù)Ks為

Ks=f1(W,U)。

(3)

式中：W，U分別為摩擦副接觸面正壓力和滑動(dòng)速度。

采用拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法獲得Ks的具體表達(dá)式。首先對(duì)實(shí)測(cè)工況發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程進(jìn)行仿真，確定發(fā)動(dòng)機(jī)缸套-活塞環(huán)摩擦副的工況范圍，然后采用拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法在該范圍內(nèi)設(shè)計(jì)并進(jìn)行不同工況下的穩(wěn)態(tài)工況磨損試驗(yàn)(8組)[14]，選取的載荷因素為摩擦副接觸面正壓力W、滑動(dòng)速度U。最后通過(guò)響應(yīng)面模型方法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到磨損系數(shù)Ks表達(dá)式：

Ks=c(1)+c(2)W+c(3)U+c(4)W2+c(5)U2+c(6)WU+c(7)W3+c(8)U3。

(4)

式中：系數(shù)c(i)(i=1,…8)由數(shù)據(jù)擬合得到。

根據(jù)氣缸套-活塞環(huán)工作特點(diǎn)，相鄰兩個(gè)工作循環(huán)中，經(jīng)過(guò)氣缸套某點(diǎn)時(shí)摩擦副間載荷、速度的大小和方向都會(huì)發(fā)生變化。ΔK與單個(gè)工作循環(huán)摩擦副間載荷Wi、速度Ui及相鄰兩循環(huán)(i，j表示)間載荷增量ΔWij/c和速度增量ΔUij/c有關(guān)，可以表達(dá)為

ΔKij=f2(Wi,Ui,ΔWij/c,ΔUij/c)。

(5)

亦即

ΔK=f2(W,U,ΔW/c,ΔU/c)。

(6)

式中：ΔW/c為單位循環(huán)的接觸面壓力增量；ΔU/c為單位循環(huán)的相對(duì)速度增量。

依據(jù)拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，采用矩形加載方式進(jìn)行動(dòng)載荷磨損試驗(yàn)(15組)，通過(guò)最小二乘法進(jìn)行擬合，得到磨損系數(shù)增量ΔK具體表達(dá)式：

ΔK=c(1)+c(2)W+c(3)U+c(4)ΔW/c+c(5)ΔU/c+c(6)W2+c(7)U2+c(8)(ΔW/c)2+c(9)(ΔU/c)2+c(10)WU+C(11)WΔW/c+c(12)WΔU/c+c(13)UΔW/c+c(14)UΔU/c+c(15)ΔW/cΔU/c。

(7)

式中：系數(shù)c(i)(i=1,…15)由數(shù)據(jù)擬合得到。

3 發(fā)動(dòng)機(jī)面工況網(wǎng)格離散

零部件的磨損情況與發(fā)動(dòng)機(jī)工況密切相關(guān)。發(fā)動(dòng)機(jī)載荷譜是通過(guò)對(duì)車輛實(shí)際使用情況的大量調(diào)研、統(tǒng)計(jì)得出的，反映了實(shí)際使用過(guò)程中發(fā)動(dòng)機(jī)的工況特點(diǎn)，是裝甲車輛發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)壽命研究的根本依據(jù)。駱清國(guó)等[16]以某裝甲車輛為研究對(duì)象，建立了包括動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置和行動(dòng)裝置的整車動(dòng)力性能聯(lián)合仿真模型，并通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)對(duì)裝甲車輛發(fā)動(dòng)機(jī)典型任務(wù)剖面下的載荷參數(shù)時(shí)間歷程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到了發(fā)動(dòng)機(jī)的整機(jī)載荷譜(見(jiàn)圖4)。

發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速可以獨(dú)立地在很大范圍內(nèi)變化，它們之間沒(méi)有特定的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)這一“面工況”的特點(diǎn)，對(duì)實(shí)際使用中的發(fā)動(dòng)機(jī)工況進(jìn)行分析。首先，基于大量的發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)量工況統(tǒng)計(jì)，根據(jù)載荷分級(jí)的思想將發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩和轉(zhuǎn)速分為0～20%，20%～40%，40%～60%，60%～80%，80%～100%5個(gè)等級(jí)，這樣就將發(fā)動(dòng)機(jī)的面工況離散為一個(gè)5×5的矩陣(見(jiàn)圖5)。對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況離散的等級(jí)越多，計(jì)算結(jié)果越精確，但相應(yīng)的計(jì)算量也會(huì)越大。

圖5中，a，b為選取的所在網(wǎng)格單元內(nèi)的典型穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)。以氣缸套最大磨損位置(9°曲軸轉(zhuǎn)角位置)為參考計(jì)算點(diǎn)，對(duì)典型穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)的模型參數(shù)如磨損系數(shù)、粗糙度、磨損率變化規(guī)律等進(jìn)行計(jì)算，得到計(jì)算氣缸套磨損所需的輸入?yún)?shù)(微凸體載荷、相對(duì)滑動(dòng)速度等)，并將這些參數(shù)對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)于該網(wǎng)格單元內(nèi)，后續(xù)計(jì)算中可直接尋址調(diào)用。

計(jì)算氣缸套磨損時(shí)，對(duì)離散后的發(fā)動(dòng)機(jī)工況作如下假設(shè)：

1) 落在同一網(wǎng)格單元的所有測(cè)點(diǎn)工況均由該單元內(nèi)的某一典型工況點(diǎn)代替，即如果計(jì)算工況點(diǎn)i落在a(或b)所在網(wǎng)格單元內(nèi)，則以典型穩(wěn)態(tài)工況點(diǎn)a(或b)替代進(jìn)行計(jì)算；

2) 如果相鄰兩個(gè)測(cè)點(diǎn)i1，i2同時(shí)落在a所在網(wǎng)格內(nèi)，則按靜載荷工況處理，兩工況測(cè)點(diǎn)之間氣缸套磨損等于典型工況點(diǎn)a的循環(huán)磨損量；

3) 若落在不同網(wǎng)格內(nèi)(如i1落在a所在網(wǎng)格單元，i2落在b所在網(wǎng)格單元)，則按動(dòng)載荷磨損計(jì)算，由i1至i2過(guò)渡時(shí)氣缸套的磨損將由a到b過(guò)渡時(shí)氣缸套的磨損代替。

4 氣缸套磨損譜

采用時(shí)間插值的方法得到磨損計(jì)算的工況點(diǎn)：在發(fā)動(dòng)機(jī)載荷譜上取得當(dāng)前時(shí)刻ti對(duì)應(yīng)工況的轉(zhuǎn)速Ui及扭矩Ti，至下一計(jì)算點(diǎn)的時(shí)間間隔Δti由當(dāng)前轉(zhuǎn)速Ui下經(jīng)歷一個(gè)工作循環(huán)的時(shí)間確定，即

Δti=120/Ui，

(8)

ti+1=ti+Δti。

(9)

然后在載荷譜上插值得到ti+1時(shí)刻對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速Ui+1及扭矩Ti+1。氣缸套磨損計(jì)算以循環(huán)為單位，得到相鄰兩個(gè)工況點(diǎn)(Ui，Ti)、(Ui+1，Ti+1)的數(shù)據(jù)之后，就可以計(jì)算循環(huán)磨損量。首先，判斷(Ui，Ti)、(Ui+1，Ti+1)是否落在同一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)面工況網(wǎng)格單元內(nèi)，即

UjL

(10)

TkL

(11)

式中：1≤j,k≤5，代表轉(zhuǎn)速或扭矩的級(jí)數(shù)；L和H代表各級(jí)載荷的低、高邊界。

若滿足式(10)和式(11)則直接調(diào)用存儲(chǔ)在網(wǎng)格單元內(nèi)的磨損參數(shù)，按靜載荷磨損計(jì)算；若落在不同網(wǎng)格內(nèi)，則首先計(jì)算動(dòng)載荷磨損系數(shù)，然后得到循環(huán)磨損量。計(jì)算流程見(jiàn)圖6。

按照以上方法，對(duì)某裝甲車輛發(fā)動(dòng)機(jī)典型任務(wù)剖面下的氣缸套磨損譜進(jìn)行計(jì)算，得到的氣缸套磨損譜見(jiàn)圖7。

以往氣缸套磨損計(jì)算主要借助穩(wěn)定載荷和動(dòng)載荷下的磨損模型及試驗(yàn)進(jìn)行，無(wú)法與發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際使用工況相聯(lián)系。氣缸套載荷譜將微觀的摩擦副載荷分析與宏觀的發(fā)動(dòng)機(jī)變工況特點(diǎn)相結(jié)合，為氣缸套磨損計(jì)算提供了一種新的思路和方法，為實(shí)現(xiàn)其“動(dòng)態(tài)及時(shí)”的壽命預(yù)測(cè)提供了載荷依據(jù)。下一步需重點(diǎn)研究實(shí)車載荷參數(shù)測(cè)試手段和技術(shù)，對(duì)磨損譜編譜方法的有效性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出能夠?qū)飧滋谆钊h(huán)摩擦副磨損性能進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的車載發(fā)動(dòng)機(jī)健康狀況管理系統(tǒng)。

5 結(jié)論

a) 建立了氣缸套-活塞環(huán)潤(rùn)滑分析模型，得到了不同曲軸轉(zhuǎn)角位置活塞環(huán)的微凸體載荷分布及磨損速率，確定9°曲軸轉(zhuǎn)角位置作為氣缸套磨損計(jì)算的參考計(jì)算點(diǎn)；

b) 結(jié)合動(dòng)載荷特點(diǎn)對(duì)磨損系數(shù)進(jìn)行了修正，同時(shí)根據(jù)載荷分級(jí)的思想對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工況二維曲面進(jìn)行離散，計(jì)算得到了各離散網(wǎng)格單元內(nèi)典型工況點(diǎn)的磨損參數(shù)；

c) 采用時(shí)間插值方法得到了磨損計(jì)算工況點(diǎn)，通過(guò)編程調(diào)用網(wǎng)格單元內(nèi)的磨損參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了氣缸套磨損的快速計(jì)算，采用該方法編制了典型任務(wù)剖面下的氣缸套磨損譜，為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣缸套磨損探索出了一種更加便捷有效的途徑。

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[編輯： 袁曉燕]

Compiling Method for Wear Spectrum of Engine Cylinder Liner

SI Dongya, LUO Qingguo, XU Jinhao, YIN Hongtao, NING Xingxing

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Based on the lubrication analysis between cylinder liner and piston ring, the asperity load and wear rate of piston ring at different crank angles were calculated. The Archard wear calculation model was modified according to the dynamic load characteristics, the engine operating conditions were discretized according to the load classification and the wear parameters of each discrete mesh were acquired. Based on the engine load spectrum, the cylinder liner wear spectrum under typical mission profile was compiled using the time interpolation method.

cylinder liner; load condition discretion; load spectrum; wear spectrum

2014-12-23；

2015-05-08

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

司東亞(1987—)，男，博士，主要研究方向?yàn)檠b甲車輛發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性；sdy873@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.003

TK421.9

B

1001-2222(2015)04-0012-04