活塞裙部表面织构的模型实验与有限元模拟研究

论文摘要

摩擦磨损广泛存在于各种运转机器的运动副之间。据统计,世界工业部门所使用的能源中,大约3050%消耗在各种形式的摩擦上。研究摩擦学的目的是减少表面摩擦磨损所造成的损失,提高生产效率,改善产品性能,减少零件失效,减少资源浪费。活塞-缸套系统是发动机运转最重要的组件,所产生的摩擦损失约占内燃机总摩擦损失的6070%,严重影响发动机的使用寿命和工作可靠性。在以往的研究中,人们着重致力于减小活塞环与缸套间的摩擦磨损,而对活塞裙部的摩擦学研究鲜有报道。但活塞裙部有着重要的导向,承受侧压力及传递热量等作用,若对其摩擦磨损问题处理不当,则会出现擦伤、拉缸等严重后果,因此近年来人们越来越重视对此问题的研究。表面织构,即在摩擦面加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小沟槽的阵列,已被证明是改善表面摩擦学特性的一个有效手段。目前尺寸为数微米至数百微米的微小凹坑和微小沟槽状的表面织构已成功应用于计算机硬盘、滑动轴承、机械动密封以及发动机缸套-活塞系统中。本文在模拟活塞裙部试样的表面引入表面织构技术,并对织构参数进行优化,为把表面织构技术真正应用到活塞裙部,提供了参考依据。文中采用微细电解加工的方法在试样表面加工出凹坑状表面织构,研究了不同凹坑参数（直径、深度和面积率）对摩擦性能的影响。实验结果表明:存在最优的凹坑参数能够使得减摩效果达到最佳,通过对凹坑参数的优化,摩擦系数最多可降低达50%以上。为了能够更好的,更形象的揭示摩擦磨损机理,以单个凹坑对平面及曲面两种接触形式的润滑状态建立模型,利用有限元法对其润滑特性进行分析,计算出不同情况下的油膜平均承载力,来评价凹坑以及不同凹坑参数的摩擦学特性。结果表明,当凹坑与平面接触时,凹坑存在最佳的直径、深度或面积率能够使得油膜产生的平均承载力最大;当凹坑与曲面接触时,具有相同的凹坑深径比,相同的凹坑面积率的情况下,凹坑直径比较小的时候比凹坑直径大的情况下更容易得到流体动压力,对于直径比较大的情况,要想得到比无凹坑情况下更大的流体动压力,就必须要求有更大的圆柱直径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 缸套—活塞系统的国内外研究现状
• 1.2.1 活塞环的研究现状
• 1.2.2 活塞的研究现状
• 1.3 表面织构技术的发展
• 1.3.1 自然界中的表面织构
• 1.3.2 人工表面织构
• 1.3.3 表面织构的加工方法
• 1.4 本论文研究的主要内容
• 第二章摩擦副试样的制作
• 2.1 试样的材料选择
• 2.1.1 下试样材料的选择
• 2.1.2 上试样材料的选择
• 2.2 试样的设计加工及表面处理
• 2.2.1 试样的设计
• 2.2.2 试样的加工
• 2.3 表面织构的设计及加工
• 2.3.1 表面织构的设计
• 2.3.2 表面织构的加工
• 2.4 表面织构的三维形貌图
• 2.5 本章小结
• 第三章表面织构的摩擦学特性分析
• 3.1 实验设备
• 3.2 摩擦实验
• 3.2.1 试样的清洗
• 3.2.2 实验条件
• 3.3 摩擦实验结果分析
• 3.3.1 凹坑深度对摩擦系数的影响
• 3.3.2 凹坑面积率对摩擦系数的影响
• 3.3.3 凹坑直径对摩擦系数的影响
• 3.4 凹坑结构减摩机理分析
• 3.4.1 有织构存在与无织构情况的对比
• 3.4.2 织构的不同参数的减摩机理分析
• 3.5 磨损实验
• 3.5.1 磨损实验方法介绍
• 3.5.2 磨损实验分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 表面织构摩擦学特性的有限元分析
• 4.1 油膜承载力的有限元分析
• 4.1.1 软件的选用
• 4.1.2 计算方法
• 4.2 凹坑与平面接触的有限元分析
• 4.2.1 有限元分析的前处理
• 4.2.2 有限元分析结果处理
• 4.3 凹坑与曲面接触的有限元分析
• 4.3.1 有限元模拟及边界条件
• 4.3.2 模拟结果讨论及分析
• 4.4 讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 本文主要结论
• 5.2 后继工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间的研究成果及发表的学术论文