1、第 45 卷（2023）第 3 期Vol.45（2023）No.3柴油机Diesel EngineDOI：10.12374/j.issn.1001-4357.2023.03.005活塞环缸套贫油润滑特性仿真分析陈元萍，杨传雷，王银燕，马旋，王贺春（哈尔滨工程大学动力与能源工程学院，哈尔滨150001）摘要：为研究柴油机在贫油润滑状态下活塞环缸套摩擦副的润滑特性，以活塞环缸套摩擦副为研究对象，基于平均雷诺方程和微凸体接触模型，建立活塞环缸套摩擦副一维混合润滑模型，并在该模型的基础上，根据来流油膜厚度计算贫油状态润滑域，得到贫油润滑模型。通过贫油润滑模型，对不同载荷、不同频率、不同贫油程度对润滑油
2、膜厚度、摩擦力、摩擦因数等参数的影响进行仿真。结果表明：在贫油润滑时油膜厚度分布规律与富油润滑时的分布规律类似，但油膜厚度与润滑区宽度均小于富油润滑；微凸体承载力占比增大，动压润滑效应被削弱，摩擦因数增大。关键词：贫油润滑；活塞环；缸套；摩擦副中图分类号：TK423.3+3文献标志码：A文章编号：1001-4357（2023）03-0026-08Simulation of Starved Lubrication Characteristics of Piston Ring-Cylinder LinerCHEN Yuanping，YANG Chuanlei，WANG Yinyan，MA Xuan
3、，WANG Hechun（College of Power and Energy Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China）Abstract：In order to study the lubrication characteristics of piston ring-cylinder liner friction pair under starved lubrication condition，a one-dimensional hybrid lubrication model of piston ring-
4、cylinder liner friction pair was established based on the mean Reynolds equation and micro-convex body contact model，and on the basis of this model，the starved lubrication domain was calculated according to the thickness of the incoming oil film，and the starved lubrication model was obtained.Through
5、 the starved lubrication model，the effects of different loads，different frequencies and different starved degrees on the parameters of lubricant film thickness，friction force and friction factor were simulated.The results show that the distribution of oil film thickness under starved lubrication is
6、similar to that under rich lubrication，but both the film thickness and the width of lubrication zone are smaller than those under rich lubrication；The proportion of micro convex body bearing capacity increases，the dynamic pressure lubrication effect is weakened，and the friction factor increases.Key
7、words：starved lubrication；piston ring；cylinder liner；friction pair0引言当柴油机润滑油供应不甚充足时，活塞环缸套摩擦副容易发生贫油润滑。与润滑油供应充足时的富油润滑相比，贫油润滑时的润滑效果较差、摩擦损失增大，这会导致内燃机的效率降低、排放恶化、摩擦副表面的磨损速率加快。当贫油严重时，内燃机很容易发生拉缸故障。严重的拉缸2022年内燃动力碳中和与排放控制学术年会绿色船舶动力系统分会场专栏收稿日期：2022-09-01；修回日期：2022-09-052023 年 5 月 27 陈元萍等：活塞环缸套贫油润滑特性仿真分析故障会造成活塞
8、环与气缸内壁发生粘连，轻则损坏活塞头、活塞环、缸套，重则导致活塞卡死在缸套里，拉断活塞和连杆，造成严重的事故和经济损失1。为此，对活塞环缸套贫油润滑特性展开仿真分析。1混合润滑模型的建立当柴油机正常运行时，活塞环缸套摩擦副不论是在正常润滑条件下还是在贫油润滑条件下均处于混合润滑状态。为建立贫油润滑模型，应先建立混合润滑模型，再对混合润滑模型进行相应改进，即可得到贫油润滑模型。1.1平均雷诺方程考虑到活塞环缸套两个润滑表面的粗糙度不同，Patir等2提出平均雷诺方程，并计算得到在不同表面粗糙度下影响滑油流动和润滑行为的压力流量因子以及剪切流量因子。将压力流量因子和剪切流量因子代入一般形式雷诺方程
9、后，即可得到二维平均雷诺方程。对于本文所研究的活塞环缸套摩擦副，假设活塞环与缸套在周向贴合紧密且贴合情况一致，活塞环缸套摩擦副在周向受力情况一致且受力大小相等。在此假设下，活塞环任意径向截面的受力情况、润滑情况均相等，可以将二维问题简化为一维问题。经简化后的一维平均雷诺方程为：x(xh3px)=6Uchx+6U()sx+12cht （1）式中：x为润滑油流动方向；为润滑油密度；为润滑油运动黏度；p为润滑油压力；U为润滑油速度；t为时间；h为润滑油厚度；x为无量纲压力流量因子。x=1-Ce-rH，11+CH-r，1（2）c为无量纲接触流量因子：c=exp()-0.691 2+0.782H-0.3
10、04H2+0.040 1H3，0H31，H3 (3)s为无量纲剪切流量因子：s=vr1s-vr2s（4）其中：vr1=(1)2（5）vr2=()22 （6）s=A1H1e-2H+3H2，H 5A2e-0.25H，H 5（7）式中：1为活塞环表面粗糙度；2为缸套内表面粗糙度；为综合表面粗糙度；H 为无量纲膜厚比；为粗糙表面流体的运动方向，本文假设粗糙峰为各向同性分布，取1；C、r、a1、a2、a3、A1、A2为经验参数，当=1时，C=0.90，r=0.56，1=0.98，2=0.92，3=0.05，A1=1.899，A2=1.126。其中：H=h（8）=21+22（9）1.2微凸体接触模型一般的
11、物体表面都不是绝对光滑的，其微观表面存在粗糙峰（微凸体）。显然，当活塞环缸套摩擦副间的油膜厚度小于一定值时，活塞环和缸套表面的微凸体将发生接触，进而产生微凸体接触压力。一般采用膜厚比H来表征两润滑表面间距与粗糙峰的相对距离，h 表示两润滑表面的油膜厚度，表示两表面的综合表面粗糙度。通常认为当H 4时，润滑油膜较厚，此时油膜的厚度完全将两表面的粗糙峰分隔开，微凸体间不发生接触；当H 4时，润滑油膜较薄，微凸体间发生接触，产生微凸体接触力，此时由微凸体接触力和油膜压力共同承担外载荷。本文采用 GREENWEED 等3提出的粗糙表面接触理论，并假定活塞环和缸套内表面微凸体的高度分布为高斯分布，表面形
12、貌为各向同性，并且接触力的大小不至于使粗糙峰发生塑性变形。1.3活塞环缸套受力分析活塞环的受力分析如图1所示，其中：Fo为油膜承载力，Fa为微凸体承载力，FP为缸内气体压力，FR为活塞环弹力，Fj为惯性力，U为活塞环的速度。图1活塞环受力分析第 45 卷第 3 期 28 柴 油 机1.3.1活塞环的径向受力分析在径向，活塞环受承载力和外载荷的作用。承载力由油膜承载力和微凸体承载力组成，外载荷由气体压力和活塞环自身弹力组成。在每一个时刻，承载力和外载荷大小相等、方向相反，活塞环在径向保持平衡。由径向受力平衡可知：Fo+Fa=FP+FR（10）1.3.2活塞环的轴向受力分析在轴向，活塞环受摩擦力和
13、自身往复惯性力的作用。摩擦力由油膜摩擦力和微凸体摩擦力组成，往复惯性力由活塞环的往复运动产生。由受力平衡可知：fo+fa=Fj（11）式中：fo为油膜摩擦力，fa为微凸体摩擦力。1.3.3活塞环的受力简化（1）径向受力简化为了方便试验中载荷的加载及模型中载荷的计算，将活塞环所有在径向受到的使活塞环压紧于缸套的力（主要包括缸内气体压力和活塞环自身弹力），加和计算为一个力，命名为等效载荷Fw，则根据受力平衡可知：Fw=Fo+Fa（12）（2）轴向受力简化在忽略活塞环的不规则运动、回转运动、径向振动和扭曲振动后，轴向受力已得到简化，故不在此基础上继续简化。1.4边界条件油膜厚度边界条件分为2种：富油
14、边界条件、贫油边界条件。进出口边界条件分为3种：Sommerfeld边界条件、半Sommerfeld边界条件、Reynolds边界条件。1.4.1富油边界条件当活塞环缸套摩擦副的润滑油供应充足时，活塞环型线楔形收敛域被润滑油完全充满，此润滑情况为富油润滑，其油膜厚度边界条件为富油边界条件，如图2所示。1.4.2贫油边界条件当活塞环缸套摩擦副的润滑油供应不充足时，活塞环型线楔形收敛域未被润滑油完全充满，此润滑情况为贫油润滑，其油膜厚度边界条件为贫油边界条件，如图3所示。1.4.3Sommerfeld边界条件Sommerfeld边界条件是最早提出的边界条件，其假设润滑油完全充满活塞环型线的楔形收敛
15、域和发散域，并简单地认为在润滑区域中进口和出口处润滑油膜压力等于该处的当地气体压力。Sommerfeld边界条件简单，应用方便。在此边界条件下，由于润滑油从楔形发散域流出（楔形渐扩区域），在楔形发散域的某段润滑油膜压力会出现负压力的情况，这不仅不符合实际情况，也会造成计算的油膜承载力低于实际油膜承载力。1.4.4半Sommerfeld边界条件考虑到Sommerfeld边界条件不符合实际情况，半Sommerfeld边界条件在Sommerfeld边界条件的基础上，在计算中直接令负压区的油膜压力为零，即“负压置零”。“负压置零”解决了油膜压力为负的问题，但也导致在楔形发散区润滑油量不连续的问题。1.
16、4.5Reynolds边界条件Reynolds边界条件认为，在楔形发散区的某一位置，油膜在此破裂、不再承压，并以这个位置作为润滑区域的出口位置。由于本文不考虑出口的润滑油流量问题，所以半Sommerfeld边界条件的缺陷对本文的后续求解没有影响。考虑到半 Sommerfeld 边界条件的简洁性，本文采用半Sommerfeld边界条件作为求解时的边界条件。1.5贫油润滑模型结合上述平均雷诺方程和微凸体接触模型，得到混合润滑模型。混合润滑模型用于计算富油润滑的情况，贫油润滑模型用于计算贫油润滑的情况。在活塞环缸套摩擦副润滑程序中，一般通过判断活塞环型线收敛域是否被润滑油充满判断润图2富油边界图3贫油边界2023 年 5 月 29 陈元萍等：活塞环缸套贫油润滑特性仿真分析滑状态是富油润滑还是贫油润滑4-6。当活塞环缸套摩擦副处于贫油润滑状态时，润滑油没有完全充满活塞环型线的收敛域，致使活塞环型线有一部分不参与润滑。此时油膜润滑区宽度必然小于富油润滑状态时的油膜润滑区宽度。若能求解出当前进口油膜的位置和出口油膜的位置，即润滑区域的始点与终点，即可在活塞环缸套摩擦副混合润滑模型的基础上，求解出贫