基于活塞—缸套組件的振動(dòng)減摩可行性研究

劉星辰，王 鐵，尤劍君，胡田天

（1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原030024；2.全動(dòng)機(jī)械有限公司，安徽 滁州239500）

1 引言

作為內(nèi)燃機(jī)的關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件之一，活塞-缸套組件的運(yùn)行狀態(tài)對(duì)內(nèi)燃機(jī)機(jī)械效率有著至關(guān)重要的影響［1］。研究發(fā)現(xiàn)［2］，在整個(gè)工作循環(huán)中，活塞-缸套組件間的摩擦損失占內(nèi)燃機(jī)總機(jī)械摩擦損失的40%-50%。因此，活塞-缸套組件的減摩研究一直是內(nèi)燃機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重要研究方向。

振動(dòng)減摩的出現(xiàn)為降低活塞-缸套組件間摩擦力提供了一個(gè)新的思路。在前人研究中，關(guān)于振動(dòng)影響摩擦的相關(guān)實(shí)例并不少見(jiàn)。文獻(xiàn)［3］進(jìn)行了金屬球滑動(dòng)試驗(yàn)，研究了摩擦副有效接觸面積對(duì)減摩效果的影響。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，在振動(dòng)加速度接近并超過(guò)重力加速度后，表觀動(dòng)摩擦?xí)杆傧陆?。文獻(xiàn)［4］通過(guò)試驗(yàn)研究了超聲振動(dòng)對(duì)摩擦系數(shù)的影響。研究結(jié)果表明，在合理的振幅范圍內(nèi)，摩擦系數(shù)會(huì)隨著振幅的增大而迅速降低。文獻(xiàn)［5-6］在以氣缸為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)系統(tǒng)中開(kāi)展了超聲減摩的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，與非激勵(lì)的情況相比，超聲振動(dòng)可以減少大約40%的靜摩擦。振動(dòng)減摩的研究與應(yīng)用已在越來(lái)越多的領(lǐng)域相繼展開(kāi)，但在內(nèi)燃機(jī)缸套方面的研究卻相對(duì)較少，且鑒于活塞-缸套組件減摩的重要程度與可觀收益，故十分有必要進(jìn)行相關(guān)的振動(dòng)減摩研究。

基于振動(dòng)減摩機(jī)理，在引入缸套振動(dòng)變形因素的影響下，建立活塞-缸套組件間潤(rùn)滑模型，通過(guò)仿真分析缸套振動(dòng)減摩的可行性；在摩擦測(cè)量試驗(yàn)機(jī)的缸套表面引入高頻激振，通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)研究?jī)?nèi)燃機(jī)缸套振動(dòng)減摩現(xiàn)象，分析振動(dòng)參數(shù)與減摩效果間的內(nèi)在聯(lián)系，進(jìn)一步驗(yàn)證振動(dòng)減摩在實(shí)機(jī)運(yùn)行工況下的應(yīng)用可行性。

2 機(jī)理分析

依據(jù)現(xiàn)有振動(dòng)減摩理論研究［7-10］，分析振動(dòng)減摩在活塞-缸套組件方面的應(yīng)用機(jī)理，具體如下所示：

（1）施加激振后，活塞-缸套組件表面產(chǎn)生的振動(dòng)變形會(huì)減小微凸體間有效接觸面積，導(dǎo)致微凸體摩擦力減小。

（2）摩擦副表面振動(dòng)變形會(huì)使得最小油膜厚度幅值降低，導(dǎo)致粘滯剪切應(yīng)力下降，粘滯摩擦力減小。

（3）油膜在激振的作用下會(huì)產(chǎn)生空化現(xiàn)象，空化氣泡的形成和消失會(huì)破壞油膜連續(xù)性，使得近壁面處油膜剪切應(yīng)力減小，最終導(dǎo)致粘滯摩擦力減小。

3 活塞-缸套潤(rùn)滑模型改進(jìn)

為了將缸套振動(dòng)引起的變形引入到活塞-缸套潤(rùn)滑模型中，需要對(duì)現(xiàn)有二維潤(rùn)滑模型加以改進(jìn)，用以研究缸套振動(dòng)變形對(duì)活塞-缸套間油膜厚度和油液剪切應(yīng)力的影響。

3.1 獲取振動(dòng)變形

在建立引入振動(dòng)變形的改進(jìn)仿真模型之前，需先得到缸套表面的振動(dòng)變形，再將其引入到原始潤(rùn)滑模型中進(jìn)行耦合處理。具體過(guò)程，如圖1所示。

圖1 獲取和轉(zhuǎn)換表面振動(dòng)變形的過(guò)程Fig.1 The Process of Acquiring and Transformating Surface Vibration Deformation

先通過(guò)Ansys workbench建模并仿真活塞敲擊引起的缸套表面振動(dòng)變形，而后將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)入到HyperView中，通過(guò)節(jié)點(diǎn)集格式將其中的振動(dòng)變形文件導(dǎo)出到Matlab中運(yùn)行計(jì)算。缸套表面產(chǎn)生的振動(dòng)變形會(huì)使得活塞-缸套摩擦副間油膜厚度發(fā)生變化，可將變形數(shù)據(jù)整體導(dǎo)入到二維油膜厚度公式當(dāng)中，利用Matlab有效建立改進(jìn)后的仿真模型。

3.2 引入振動(dòng)變形后剪切應(yīng)力的變化情況

活塞-缸套摩擦副表面形貌對(duì)剪切應(yīng)力的作用效果可用應(yīng)力因子［11］來(lái)有效體現(xiàn)。平均剪切應(yīng)力τ的關(guān)系式，如式（1）所示。

式中：μ—潤(rùn)滑劑動(dòng)力粘度，Pa.s；U—活塞運(yùn)動(dòng)速度，m/s；h—名義油膜厚度，μm；φf(shuō)—幾何因子；φf(shuō)s—剪切應(yīng)力因子；φf(shuō)p—壓力應(yīng)力因子；p—平均油膜壓力，Pa。

在引入振動(dòng)變形后，摩擦副表面微凸體形貌不再呈現(xiàn)經(jīng)典假設(shè)中的高斯分布，不再適用文獻(xiàn)［11］提出的應(yīng)力因子擬合公式，導(dǎo)致τ的計(jì)算結(jié)果發(fā)生改變。為此，有必要重新求解變形部位的局部應(yīng)力因子。

先對(duì)缸套表面變形部位進(jìn)行求解網(wǎng)格的選取與處理，其中軸線和圓周方向的網(wǎng)格個(gè)數(shù)為50和90，后通過(guò)線性插值方法進(jìn)行求解具體過(guò)程，如圖2所示。

圖2 利用線性插值求解應(yīng)力因子系數(shù)Fig.2 Solving Stress Factor Coefficient by Linear Interpolation

根據(jù)文獻(xiàn)［12］，對(duì)式（1）中的應(yīng)力因子進(jìn)行離散化處理以及等式代換可得τ的離散表達(dá)式：

將變化后的應(yīng)力因子導(dǎo)入到原始潤(rùn)滑模型中即可求出振動(dòng)變形引起的剪切應(yīng)力變化。依據(jù)公式（3），可計(jì)算出變化后的粘滯摩擦力。

3.3 引入振動(dòng)變形后油膜厚度的變化情況

引入缸套接觸表面的振動(dòng)變形后，活塞-缸套組件間油膜厚度會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，采用預(yù)定義邊界條件的方法求解變形因素可以避免變形引入對(duì)模型精度的影響，并仍可采用原始求解算法進(jìn)行計(jì)算。改進(jìn)前、后潤(rùn)滑油膜厚度?T()x的關(guān)系圖，如圖3所示。

圖3 引入缸套振動(dòng)變形前后潤(rùn)滑油膜的厚度Fig.3 The Thickness of the Lubricating Oil Film with and without Introducing the Vibration Deformation of Cylinder Liner

圖3分別給出了模型改進(jìn)前、后組件間的一維潤(rùn)滑油膜厚度。改進(jìn)后的二維潤(rùn)滑模型油膜厚度，如式（4）所示。

式中：?min(t)—軸向最小油膜厚度，μm；?x(x)—引入缸套徑向變形后油膜厚度在軸向x方向上的變化量，μm；?y(y)—引入缸套橢圓變形后油膜厚度在圓周y方向上的變化量，μm；Δ1—活塞環(huán)表面粗糙度，μm；Δ2—缸套表面粗糙度高度，μm；Δx—缸套軸向x方向上的振動(dòng)變形振幅，μm；Δy—缸套圓周y方向上的振動(dòng)變形振幅，μm。

基于改進(jìn)前、后的油膜厚度公式與應(yīng)力因子分別構(gòu)建潤(rùn)滑模型，仿真分析缸套振動(dòng)變形對(duì)活塞-缸套組件間摩擦潤(rùn)滑情況的影響。

3.4 仿真結(jié)果及理論分析

通過(guò)引入缸套表面振動(dòng)變形，建立活塞-缸套的改進(jìn)潤(rùn)滑模型，得到仿真結(jié)果，如圖4～圖5所示。

圖4 引入振動(dòng)變形前、后最小油膜厚度的變化曲線Fig.4 The Variation Curve of Minimum Oil Film Thickness with and without Introducing the Vibration Deformation.

圖5 引入振動(dòng)變形前、后總摩擦力的變化曲線Fig.5 The Variation Curve of Total Friction Forces with and without Introducing the Vibration Deformation

由圖4可知，在引入缸套表面振動(dòng)變形后，活塞行程中部的最小油膜厚度幅值呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)。分析認(rèn)為，引入的振動(dòng)變形會(huì)直接影響組件間油液的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致油膜承載力減小，油膜厚度幅值降低。

由圖5可見(jiàn)，在引入缸套表面振動(dòng)變形后，仿真計(jì)算得出的總摩擦力幅值呈現(xiàn)出較大幅度的下降趨勢(shì)。分析認(rèn)為，引入振動(dòng)變形會(huì)使最小油膜厚度減小，應(yīng)力因子φf(shuō)s數(shù)值增加，導(dǎo)致粘滯剪切應(yīng)力減小，最終使得粘滯摩擦力減小。

綜上，振動(dòng)變形的引入會(huì)使得活塞-缸套組件間最小油膜厚度和摩擦力減小。這從仿真角度初步驗(yàn)證了缸套振動(dòng)減摩的可行性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證振動(dòng)減摩在實(shí)機(jī)運(yùn)行工況下的應(yīng)用可行性，可將附加振動(dòng)施加到缸套組件表面，通過(guò)摩擦測(cè)量臺(tái)架試驗(yàn)，研究振動(dòng)參數(shù)與減摩效果間的內(nèi)在聯(lián)系。

4 臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)計(jì)

4.1 試驗(yàn)臺(tái)架設(shè)計(jì)

以前人研究中的浮動(dòng)缸套法［13-15］為主線，在全動(dòng)機(jī)械有限公司生產(chǎn)的QCH1125型柴油機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)，得到活塞-缸套組件摩擦測(cè)量試驗(yàn)機(jī)。將摩擦測(cè)量試驗(yàn)機(jī)、倒拖電機(jī)、變頻器、測(cè)功機(jī)等相連，組成倒拖試驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速下的倒拖。將銅座適配器、超聲波發(fā)生器和換能器相連，組成激振施加系統(tǒng)，用來(lái)向缸套施加不同參數(shù)的激振。將摩擦力傳感器、數(shù)據(jù)采集儀和電腦終端相連，組成數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，用來(lái)采集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。其中，換能器通過(guò)銅座適配器安裝在缸套外表面，位置在上下兩個(gè)摩擦摩擦力傳感器之間的空隙處具體，如圖6所示。

表1 柴油機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 The Main Technical Parameters of Diesel Engine

圖6 換能器的安裝Fig.6 The Installation of Transducer

試驗(yàn)采用CN4025型換能器，通過(guò)SHZN-CSB型超聲波發(fā)生器調(diào)控其激振參數(shù)，向摩擦測(cè)量試驗(yàn)機(jī)的缸套表面施加激振?；钊?缸套組件間的摩擦力采用型號(hào)為GL727的摩擦力傳感器測(cè)得。摩擦力傳感器的信號(hào)通過(guò)型號(hào)為YMC9232的數(shù)據(jù)采集儀采集。搭建完成的試驗(yàn)臺(tái)架，如圖7所示。

圖7 摩擦測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)架Fig.7 The Friction Measurement Test Bench

4.2 試驗(yàn)方案

利用變頻器調(diào)節(jié)倒拖電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，拖動(dòng)摩擦測(cè)量試驗(yàn)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，在缸套外壁上安裝并調(diào)試換能器，通過(guò)超聲波發(fā)生器調(diào)控?fù)Q能器激振參數(shù)，向缸套表面輸出不同頻率和功率的激振，測(cè)量采集活塞與缸套間的動(dòng)態(tài)摩擦力。

試驗(yàn)方案如下：

（1）選用三種不同額定頻率的換能器，分別為28kHz、33kHz、40kHz。將其中額定頻率為28kHz的換能器安裝到缸套外壁，實(shí)現(xiàn)超聲激振的輸入。

（2）將摩擦測(cè)量試驗(yàn)機(jī)倒拖至三種不同轉(zhuǎn)速，分別為600r/min、800r/min、1000r/min。

（3）利用超聲波發(fā)生器調(diào)控?fù)Q能器激振參數(shù)，向缸套表面施加不同功率的激振，分別為0W、25W、50W。采集并分析各工況下活塞-缸套組件間摩擦力的變化情況。

（4）選擇其他額定頻率的換能器重復(fù)進(jìn)行（2）-（3）。

具體試驗(yàn)工況，如表2所示。

表2 臺(tái)架試驗(yàn)的工況Tab.2 The Working Conditions of Bench Test

5 試驗(yàn)結(jié)果與討論

臺(tái)架試驗(yàn)完成后，對(duì)不同工況下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并深入分析其產(chǎn)生原因。

圖8顯示了引入超聲激振前、后活塞-缸套組件間摩擦力的變化情況。在施加超聲激振前、后的摩擦力最大值均出現(xiàn)在上止點(diǎn)處，為180.8N和135.7N。由此可見(jiàn)，向缸套表面施加超聲激振能夠顯著降低活塞-缸套組件間摩擦力，這從一定程度上驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。

圖8 引入超聲激振前、后活塞-缸套組件間摩擦力變化曲線Fig.8 The Friction Curve of Piston-Cylinder Liner Assembly with and without Introducing Ultrasonic Vibration

將所測(cè)得的全部試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和篩檢，繪制摩擦力折線圖具體，如圖9所示。

圖9 不同試驗(yàn)工況下的摩擦力數(shù)據(jù)Fig.9 The Friction Value under Different Test Conditions

根據(jù)圖9可得，與無(wú)超聲激振狀態(tài)相比，施加不同功率的激振均會(huì)使得活塞-缸套組件間摩擦力產(chǎn)生不同幅值的增減。在相同激振功率下，不同激振頻率與不同轉(zhuǎn)速工況下的減摩幅值也各不相同，其中功率為50W的激振工況下摩擦力的降幅，如表3所示。

表3 50W激振下的摩擦力降幅Tab.3 The Reduction of Friction under 50W Excitation

由表3可知，在轉(zhuǎn)速為600r/min和800r/min的情況下，摩擦力降幅隨著激振頻率的增加而逐步增大。但在轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，摩擦力降幅卻隨著激振頻率的增加而逐步減小，且激振頻率為40kHz時(shí)出現(xiàn)摩擦力增大的現(xiàn)象，如圖9（c）所示。

分析認(rèn)為，當(dāng)?shù)雇限D(zhuǎn)速較低時(shí)，較小的活塞敲擊力只能激發(fā)出缸套低階模態(tài)振動(dòng)。相較于低頻振動(dòng)，高頻超聲激振產(chǎn)生的局部振動(dòng)變形更接近于摩擦副表面粗糙度量級(jí)，導(dǎo)致微凸體間有效接觸面積減小，最小油膜厚度減小，最終使得微凸體摩擦力與粘滯摩擦力降低。因此在低轉(zhuǎn)速時(shí)，摩擦力降幅會(huì)隨著激振頻率的增加而逐步增大。

在高轉(zhuǎn)速工況下，較大的活塞敲擊力激發(fā)出更高階次的缸套模態(tài)振動(dòng)，高頻激振不再對(duì)缸套表面振動(dòng)變形起決定性作用，高頻激振產(chǎn)生的接近于粗糙度量級(jí)振動(dòng)變形的比例相對(duì)縮減，因振動(dòng)變形引起的減摩幅值大幅下降。且高轉(zhuǎn)速工況下活塞-缸套組件潤(rùn)滑條件優(yōu)于低轉(zhuǎn)速工況，混合潤(rùn)滑狀態(tài)維持的角域區(qū)間較廣。相較于低頻激振，高頻激振導(dǎo)致的空化現(xiàn)象會(huì)大幅破壞混合潤(rùn)滑油膜，擴(kuò)增邊界潤(rùn)滑在工作循環(huán)中的占比，大幅加劇微凸體摩擦，抵消由振動(dòng)變形引起的摩擦降低，從而使得高頻激振的減摩效果削弱，甚至出現(xiàn)總摩擦力增大的現(xiàn)象。因此在高轉(zhuǎn)速時(shí)，摩擦力降幅會(huì)隨著激振頻率的增加而逐步減小。

由此可知，只有在激振參數(shù)適宜的情形下，超聲激振才能有效降低活塞-缸套組件間摩擦力。據(jù)此，振動(dòng)減摩在內(nèi)燃機(jī)實(shí)機(jī)運(yùn)行工況下的應(yīng)用可行性得到了驗(yàn)證。

6 結(jié)論

基于對(duì)仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，得出以下結(jié)論：

（1）施加參數(shù)合理的超聲激振能夠有效降低活塞-缸套組件間摩擦力。

（2）在低轉(zhuǎn)速工況時(shí)，高頻激振的減摩效果優(yōu)于低頻激振，高轉(zhuǎn)速工況下則相反。缸套振動(dòng)參數(shù)與減摩幅值間的非線性相關(guān)性需進(jìn)行更深入的研究分析。