活塞環(huán)密封性計算與試驗的研究

趙文娟，趙丹平，吳雙群，陳洋

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

活塞環(huán)密封性計算與試驗的研究

趙文娟，趙丹平，吳雙群，陳洋

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

本文介紹了新型復(fù)合活塞環(huán)的動態(tài)理論依據(jù)，對活塞環(huán)建立動態(tài)數(shù)值模型，模擬計算了新型復(fù)合活塞環(huán)與傳統(tǒng)活塞環(huán)開張x值（氣缸增加和減小的半徑之差）并進行比較，與此同時進行基于倒拖法的動態(tài)試驗研究。結(jié)果表明，動態(tài)數(shù)值模擬和基于倒拖法的實驗都證明了新型復(fù)合式活塞環(huán)密封性優(yōu)于傳統(tǒng)活塞環(huán)，且低速度段最大爆發(fā)壓力就提高10%以上，隨著轉(zhuǎn)速升高，新型復(fù)合式活塞環(huán)比傳統(tǒng)活塞環(huán)更能表現(xiàn)其優(yōu)越的密封性。

活塞環(huán)；數(shù)值模擬； 倒拖法；密封性

CLC NO.: U467.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)06-74-03

前言

隨著內(nèi)燃機不斷向小型化、低排放、高速化、輕量化的方向發(fā)展，對燃燒室高溫，高壓的燃燒環(huán)境提出了更高的要求，燃燒內(nèi)零部件也受到了越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)?；钊h(huán)作為構(gòu)成燃燒室的重要零件具有“密封、刮油布油、導(dǎo)熱和支承”四大功能[1]，其中密封性更是評價活塞環(huán)好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)之一。其密封性能對發(fā)動機的性能有很大的影響。密封不良，直接影響到發(fā)動機燃燒效率，降低發(fā)動機功率，并且浪費燃料，而且排放物對環(huán)境的污染較為嚴(yán)重。因此提出并對新型復(fù)合活塞環(huán)的試驗研究具有重要的意義。

1、復(fù)合式活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)及密封分析[2]

1.1 復(fù)合式活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)

新型復(fù)合活塞環(huán)采用三環(huán)疊加為一環(huán)裝入一個環(huán)槽的單環(huán)槽結(jié)構(gòu)，并且環(huán)與環(huán)開口相互錯開120°[3]。上環(huán)和下環(huán)采用正扭曲環(huán)，中間環(huán)較上環(huán)和下環(huán)要厚一些，同時中間環(huán)開口間隙要大一些，以補償熱膨脹量，防止活塞環(huán)卡死在活塞環(huán)槽中。其結(jié)構(gòu)見圖1。

1.2 復(fù)合式活塞環(huán)密封性分析

圖2為新型復(fù)合式活塞環(huán)的結(jié)構(gòu)圖，其中上浮動氣環(huán)，下浮動氣環(huán)主要密封氣缸壁和活塞之間的間隙。中間穩(wěn)定氣環(huán)配合上環(huán)和下環(huán)一起密封活塞環(huán)開口間隙。氣體首先從燃燒室流進到氣缸壁與活塞之間的間隙中，然后氣體通過活塞環(huán)上端面和活塞環(huán)槽上側(cè)面之間的間隙進人到活塞環(huán)背面中。由于此時活塞環(huán)開口間隙已經(jīng)被封閉了，氣體只能沿活塞環(huán)端面進入背隙空間。同時氣體的曲折流動，也可以有效地增加流動阻力，減小逸放系數(shù)，從而減少氣體泄漏量。

上下兩環(huán)的結(jié)構(gòu)可以增加活塞環(huán)自身的彈力，從而增強其自密封功能；材料的減少和制作工藝的優(yōu)化降低了活塞環(huán)生產(chǎn)成本；中間穩(wěn)定環(huán)的截面積和質(zhì)量與上下浮動環(huán)不同，所以共振頻率不同避免了活塞往復(fù)運動過程中所造成的活塞環(huán)懸浮和顫振；同時環(huán)與環(huán)之間相對運動可以使新型活塞環(huán)具有一定的自潔能力，避免積碳帶來的影響；由于環(huán)開口間隙漏氣量小，導(dǎo)致氣體壓力在活塞環(huán)所受到的力中起主要作用，這使得活塞環(huán)與環(huán)槽貼緊，有助于密封[4]；因此，新型復(fù)合式活塞環(huán)使發(fā)動機的環(huán)保性、經(jīng)濟性和動力性將會有提高。

2、活塞環(huán)密封性數(shù)值模擬

2.1 數(shù)學(xué)建模

柴油機在工作工程中，氣缸表面由于熱和機械變形以及不均勻的磨損而形成一種復(fù)雜的形狀。直徑發(fā)生著變化，并且尺寸的減小和增大任意的交替變化著。在這種情況下，活塞環(huán)為了起到起作用，應(yīng)該多次以相應(yīng)的方式改變尺寸和形狀，這些補償狀況根據(jù)氣缸表面變化的特點而不同。

在整個工作周期內(nèi)，活塞環(huán)都發(fā)生著張開和收攏運動，活塞環(huán)張開時，作用在環(huán)上的力有彈力、慣性力、在張開平面上產(chǎn)生的摩擦力以及由發(fā)動機形成決定的氣體壓力。活塞環(huán)張開平面的摩擦力由迫使其貼緊環(huán)槽上方或下方端面的壓力所產(chǎn)生。由于在活塞運動的大部分行程上，慣性力和氣體壓力作用方向不同，減小了摩擦力的數(shù)值，因此活塞環(huán)在其張開平面中的摩擦力可以忽略不計。

活塞環(huán)從小氣缸直徑部分到大直徑張開過程，整個環(huán)要向與切口相反的方向轉(zhuǎn)動。這個過程可以用在沿切線方向施加于其自由度端的力的作用下，兩個剛性半徑張開的方程來表示。

通過以上分析，活塞環(huán)張開過程的運動方程可以表示如下：

JA活塞環(huán)對其張開中心線的慣性矩

J0活塞環(huán)對其重心的慣性矩

JA活塞環(huán)的質(zhì)量

D氣缸的名義直徑

h活塞環(huán)截面的徑向厚度

?活塞環(huán)張開到半徑增大x值時兩半徑的轉(zhuǎn)角

t經(jīng)歷的時間

z環(huán)的抗彎剛度

S活塞環(huán)自由狀態(tài)的開口間隙值和壓縮到氣缸直徑時的開口間隙之差

?S 活塞環(huán)張開到半徑增大x值時的切口間隙增量

x在相距L長度處所增大及減小的氣缸半徑之差

如果?S僅用氣缸表面變形計算，那么我們可以用下面公式精確求出：

但是經(jīng)過試驗證明，活塞環(huán)半徑磨損速度是氣缸直徑磨損速度的一倍，故上式變成：

對未變形氣缸中的活塞環(huán)和氣缸磨損所引起的活塞環(huán)直徑變化情況，?角的數(shù)值可有下式求出：

將公式（4）和（5）代入公式（1）中，得微分方程：

活塞環(huán)基本尺寸

2.2 傳統(tǒng)活塞環(huán)計算

對于傳統(tǒng)活塞環(huán)計算過程，我們直接帶入公式進行計算。最后算得在2000rmp時為46.4微米，2800時為24.8微米，3200時為18.7微米。

從計算結(jié)果我們看出隨著轉(zhuǎn)速增加X的值越小，計算三個不同轉(zhuǎn)速數(shù)值是為了和后面新活塞環(huán)的比較。

2.3 新型復(fù)合式活塞環(huán)

所以新型活塞環(huán)計算公式為：

2.4 計算結(jié)果

根據(jù)活塞環(huán)參數(shù)代入公式，理論計算了發(fā)動機正常工作時在一定時間內(nèi)活塞環(huán)開張x值（氣缸增加和減小的半徑之差）。計算結(jié)果如表2：

通過計算我們可以得知，在相同條件下（時間、轉(zhuǎn)速、材料等）新型復(fù)合式活塞環(huán)張開值比傳統(tǒng)活塞環(huán)張開值小，也就意味著新型復(fù)合式活塞環(huán)氣密性比傳統(tǒng)活塞環(huán)更加優(yōu)越，氣缸內(nèi)壓力也應(yīng)更高。

3、試驗探究

3.1 試驗方案與方法

試驗采用S195型柴油機（單杠、4沖程、缸徑為95mm）及其配件，采用倒拖法對不同轉(zhuǎn)速下安裝不同結(jié)構(gòu)活塞環(huán)的柴油機進行了氣缸內(nèi)壓力測試。試驗臺架結(jié)構(gòu)圖如下：

3.2 實驗數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分析

因文章篇幅有限，而且速度越高對傳感器影響越大，為了保證數(shù)據(jù)有效性，在此我選取了中底轉(zhuǎn)速下的數(shù)據(jù)進行比較。數(shù)據(jù)如下：

通過三組圖像我們可以看出，曲線平穩(wěn)，圖像中偶爾出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)點在數(shù)據(jù)處理中完全可以消除。所以試驗數(shù)據(jù)可以用來分析活塞環(huán)氣密性的好壞。比較之后可以很明顯的發(fā)現(xiàn)，在相同條件下新型復(fù)合式活塞環(huán)的壓力比傳統(tǒng)活塞環(huán)的高，230r/min時最大爆發(fā)壓力新型復(fù)合式活塞環(huán)的值為2.408MP，而傳統(tǒng)活塞環(huán)最大爆發(fā)壓力為2.173MP，提高了10.8%。650r/min時最大爆發(fā)壓力新型復(fù)合式活塞環(huán)的值為1.96MP，而傳統(tǒng)活塞環(huán)最大爆發(fā)壓力為1.746MP，提高了12.3%。900r/min時最大爆發(fā)壓力新型復(fù)合式活塞環(huán)的值為1.92MP，而傳統(tǒng)活塞環(huán)最大爆發(fā)壓力為1.5843MP，提高了21.2%。將所采集數(shù)據(jù)新型活塞環(huán)和傳統(tǒng)活塞環(huán)實驗數(shù)據(jù)擬合到如圖10。

通過以上圖像和計算分析顯示，在所測轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，新型活塞環(huán)爆發(fā)壓力明顯比傳統(tǒng)活塞環(huán)的低，而且隨著轉(zhuǎn)速升高，提高的百分率越高。這就證明了新型活塞環(huán)的密封性優(yōu)于傳統(tǒng)活塞環(huán)，而且轉(zhuǎn)速越高，就越能體現(xiàn)新型活塞環(huán)的優(yōu)勢。

4、結(jié)論

（1）本文通過對新型活塞環(huán)和傳統(tǒng)活塞環(huán)的動態(tài)數(shù)值模擬計算和試驗數(shù)據(jù)分析兩方面準(zhǔn)確對比，證明了新型活塞環(huán)氣密性比傳統(tǒng)活塞環(huán)更加優(yōu)越。

（2）通過對中底轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)整理分析，發(fā)動機轉(zhuǎn)速越高，新型活塞環(huán)最大爆發(fā)壓力提高的百分比越大，即新型活塞環(huán)在中速甚至高速時更能體現(xiàn)其優(yōu)越性。

[1] 單紹平.高效組合式活塞環(huán)的研究[J].鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報, 2007, 19( 3) : 6-7.

[2] 陳洋,吳雙群,趙丹平.新型復(fù)合式活塞環(huán)氣密性仿真與靜態(tài)試驗的研究[J].裝備制造技術(shù). 2014.

[3] 梁剛,趙丹平,陳洋等.基于新型復(fù)合式單氣環(huán)與傳統(tǒng)活塞環(huán)氣密性的靜態(tài)實驗研究[J].裝備制造技術(shù).2012:01-8.

[4] 杜建鼎,趙丹平.發(fā)動機新型復(fù)合式單氣環(huán)的研究[J].內(nèi)燃機與動力裝置.2012:01-8.

[5] 陸威崙.活塞環(huán)密封性的計算 [J].國外汽車, 1977.

[6] Munro Robert. Emissions Impossible-The Piston &Ring Support System [J].SAE Transacti-ons.1990.v 99.n Sect3:1246-1257.

Static simulation and experimental study of composite piston ring seal new

Zhao Wenjuan, Zhao Danping, Wu Shuangqun, Chen Yang
( Inner Mongolia University of Technology, Neimenggu Hohehot 010051 )

In this paper, the dynamic theoretical basis of a novel composite piston ring is described , the opening values (x) are simulated and compared between the novel composite piston ring and the traditional piston ring. At the same time, they are simulated using the dynamic test based on the motoring method. Simulation results show that the novel composite piston ring performs better than the traditional piston ring, the maximum explosion pressure improved more than 10%. And the novel composite piston ring has more advantage in sealing at high rotational speed.

composite piston rings；seals；friction；lubrication

U467.3

A

1671-7988(2015)06-74-03

趙文娟，就讀于內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，學(xué)術(shù)型碩士，研究方向為汽車節(jié)能技術(shù)。