發動機氣缸套磨損譜編制方法研究

司東亞， 駱清國， 許晉豪， 尹洪濤， 寧興興

(裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072)

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發動機氣缸套磨損譜編制方法研究

司東亞， 駱清國， 許晉豪， 尹洪濤， 寧興興

(裝甲兵工程學院機械工程系， 北京 100072)

通過對氣缸套-活塞環進行潤滑分析，得到了不同曲軸轉角位置活塞環的微凸體載荷分布及磨損速率。結合動載荷特點對Archard磨損計算模型進行了修正，同時根據載荷分級對發動機工況進行了離散，計算得到了各離散網格單元內的磨損參數，基于發動機整機載荷譜，采用時間插值方法，編制了典型任務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-活塞環是發動機中關鍵摩擦副之一，是發動機壽命水平階段判斷的重要依據[1-3]。國內外很多學者對氣缸套-活塞環的潤滑、磨損的計算開展了研究[4-6]，通過試驗分析了靜載荷對摩擦副摩擦學性能的影響[7-11]，而復雜動載荷對氣缸套-活塞環磨損的影響也越來越受到重視[12-14]。

氣缸套-活塞環的磨損與發動機工況密切相關。車用發動機工況變換頻繁，會嚴重影響摩擦副表面應力、潤滑和材料摩擦屬性等，導致磨損加劇[15]。目前，對于氣缸套-活塞環摩擦副的磨損問題，多數是圍繞穩定載荷及動載荷下的磨損機理及磨損計算模型進行研究，很少將摩擦副磨損分析與發動機實際使用工況相聯系。本研究在氣缸套-活塞環動載荷磨損研究的基礎上，結合反映發動機實際使用工況的整機載荷譜[16]，研究氣缸套-活塞環磨損譜編制方法，為發動機壽命預測與健康狀況管理提供數據支撐。

1 穩定工況下氣缸套磨損計算

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

(1)

式中：V為磨損體積；K為磨損系數；p為壓力；L為滑動距離；H為材料硬度。

通過AVL/EXCITE P&R建立某發動機氣缸套-活塞環潤滑分析模型(見圖1)，該氣缸套-活塞環摩擦副共包含三道氣環和一道油環。采用平均雷諾方程對該摩擦副進行潤滑分析及活塞環組動力學計算，得到不同曲軸轉角位置活塞環的微凸體載荷分布及磨損速率。圖2、圖3示出某一穩定工況下發動機1個工作循環內第一道氣環微凸體載荷和磨損速率隨曲軸轉角變化情況。

研究表明，在顯著性水平為0.05的條件下，發動機功率和燃油消耗率變化量與氣缸套磨損量均有較大相關性，其余磨損參數與性能變化的相關性較小[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-活塞環磨損的基準參數。在約9°曲軸轉角位置，氣環主推力側的微凸體載荷和磨損速率均最大，對應位置氣缸套的磨損也最嚴重，因此選擇9°曲軸轉角位置作為氣缸套磨損計算的參考計算點。

2 動載荷條件下磨損系數修正

磨損過程具有很強的動態特性，不同載荷、速度條件下，磨損系數都是變化的，動載荷過程的磨損系數可看作每一循環過程中穩定載荷條件磨損系數Ks與動載荷因素造成的磨損系數增量ΔK的總和，即

Kd=Ks+ΔK。

(2)

穩定載荷條件磨損系數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速度。

采用拉丁超立方試驗設計方法獲得Ks的具體表達式。首先對實測工況發動機工作過程進行仿真，確定發動機缸套-活塞環摩擦副的工況范圍，然后采用拉丁超立方試驗設計方法在該范圍內設計并進行不同工況下的穩態工況磨損試驗(8組)[14]，選取的載荷因素為摩擦副接觸面正壓力W、滑動速度U。最后通過響應面模型方法進行數據擬合，得到磨損系數Ks表達式：

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c(i)(i=1,…8)由數據擬合得到。

根據氣缸套-活塞環工作特點，相鄰兩個工作循環中，經過氣缸套某點時摩擦副間載荷、速度的大小和方向都會發生變化。ΔK與單個工作循環摩擦副間載荷Wi、速度Ui及相鄰兩循環(i，j表示)間載荷增量ΔWij/c和速度增量ΔUij/c有關，可以表達為

ΔKij=f2(Wi,Ui,ΔWij/c,ΔUij/c)。

(5)

亦即

ΔK=f2(W,U,ΔW/c,ΔU/c)。

(6)

式中：ΔW/c為單位循環的接觸面壓力增量；ΔU/c為單位循環的相對速度增量。

依據拉丁超立方試驗設計方法，采用矩形加載方式進行動載荷磨損試驗(15組)，通過最小二乘法進行擬合，得到磨損系數增量ΔK具體表達式：

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c(i)(i=1,…15)由數據擬合得到。

3 發動機面工況網格離散

零部件的磨損情況與發動機工況密切相關。發動機載荷譜是通過對車輛實際使用情況的大量調研、統計得出的，反映了實際使用過程中發動機的工況特點，是裝甲車輛發動機結構壽命研究的根本依據。駱清國等[16]以某裝甲車輛為研究對象，建立了包括動力裝置、傳動裝置和行動裝置的整車動力性能聯合仿真模型，并通過實車試驗對模型進行了驗證。通過對裝甲車輛發動機典型任務剖面下的載荷參數時間歷程進行統計分析，得到了發動機的整機載荷譜(見圖4)。

發動機的扭矩和轉速可以獨立地在很大范圍內變化，它們之間沒有特定的函數關系，根據發動機這一“面工況”的特點，對實際使用中的發動機工況進行分析。首先，基于大量的發動機測量工況統計，根據載荷分級的思想將發動機的扭矩和轉速分為0～20%，20%～40%，40%～60%，60%～80%，80%～100%5個等級，這樣就將發動機的面工況離散為一個5×5的矩陣(見圖5)。對發動機工況離散的等級越多，計算結果越精確，但相應的計算量也會越大。

圖5中，a，b為選取的所在網格單元內的典型穩態工況點。以氣缸套最大磨損位置(9°曲軸轉角位置)為參考計算點，對典型穩態工況點的模型參數如磨損系數、粗糙度、磨損率變化規律等進行計算，得到計算氣缸套磨損所需的輸入參數(微凸體載荷、相對滑動速度等)，并將這些參數對應存儲于該網格單元內，后續計算中可直接尋址調用。

計算氣缸套磨損時，對離散后的發動機工況作如下假設：

1) 落在同一網格單元的所有測點工況均由該單元內的某一典型工況點代替，即如果計算工況點i落在a(或b)所在網格單元內，則以典型穩態工況點a(或b)替代進行計算；

2) 如果相鄰兩個測點i1，i2同時落在a所在網格內，則按靜載荷工況處理，兩工況測點之間氣缸套磨損等于典型工況點a的循環磨損量；

3) 若落在不同網格內(如i1落在a所在網格單元，i2落在b所在網格單元)，則按動載荷磨損計算，由i1至i2過渡時氣缸套的磨損將由a到b過渡時氣缸套的磨損代替。

4 氣缸套磨損譜

采用時間插值的方法得到磨損計算的工況點：在發動機載荷譜上取得當前時刻ti對應工況的轉速Ui及扭矩Ti，至下一計算點的時間間隔Δti由當前轉速Ui下經歷一個工作循環的時間確定，即

Δti=120/Ui，

(8)

ti+1=ti+Δti。

(9)

然后在載荷譜上插值得到ti+1時刻對應的轉速Ui+1及扭矩Ti+1。氣缸套磨損計算以循環為單位，得到相鄰兩個工況點(Ui，Ti)、(Ui+1，Ti+1)的數據之后，就可以計算循環磨損量。首先，判斷(Ui，Ti)、(Ui+1，Ti+1)是否落在同一個發動機面工況網格單元內，即

UjL

(10)

TkL

(11)

式中：1≤j,k≤5，代表轉速或扭矩的級數；L和H代表各級載荷的低、高邊界。

若滿足式(10)和式(11)則直接調用存儲在網格單元內的磨損參數，按靜載荷磨損計算；若落在不同網格內，則首先計算動載荷磨損系數，然后得到循環磨損量。計算流程見圖6。

按照以上方法，對某裝甲車輛發動機典型任務剖面下的氣缸套磨損譜進行計算，得到的氣缸套磨損譜見圖7。

以往氣缸套磨損計算主要借助穩定載荷和動載荷下的磨損模型及試驗進行，無法與發動機實際使用工況相聯系。氣缸套載荷譜將微觀的摩擦副載荷分析與宏觀的發動機變工況特點相結合，為氣缸套磨損計算提供了一種新的思路和方法，為實現其“動態及時”的壽命預測提供了載荷依據。下一步需重點研究實車載荷參數測試手段和技術，對磨損譜編譜方法的有效性進行試驗驗證，并在此基礎上開發出能夠對氣缸套活塞環摩擦副磨損性能進行實時監測的車載發動機健康狀況管理系統。

5 結論

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

b) 結合動載荷特點對磨損系數進行了修正，同時根據載荷分級的思想對發動機工況二維曲面進行離散，計算得到了各離散網格單元內典型工況點的磨損參數；

c) 采用時間插值方法得到了磨損計算工況點，通過編程調用網格單元內的磨損參數，實現了氣缸套磨損的快速計算，采用該方法編制了典型任務剖面下的氣缸套磨損譜，為實時監測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

軍隊科研計劃項目

司東亞(1987—)，男，博士，主要研究方向為裝甲車輛發動機可靠性；sdy873@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.003

TK421.9

B

1001-2222(2015)04-0012-04