流体润滑技术在内燃机行业中的发展和应用

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1、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 1/31/2 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

2、。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 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 ,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

3、的应用开始成为人们的研究重点之一。自从 1965 年 告中首次提出了摩擦学 (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

4、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，对于全世界来说，按汽车保有量 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

5、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 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 ,发表了内燃机载荷主要由流体润滑油膜承担 ;1970 年 ,阐述了缸套 2 活塞环可能的磨损机制

6、 ;1978 年 ,0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 , 1给出了活塞裙润滑求解 ;1983 年 ,次研究了活塞的二阶运动 ;20 世纪 80 年代后 ,2通过把平均流量模型 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 5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)

7、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

8、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 承公司研制的高寿命和高可靠性的汽车发动机轴承和 司开发的用于曲轴润滑和动力学分析的件 ,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

9、,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 生多起柴

10、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

11、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。 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

12、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

13、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 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

14、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

15、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。 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 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