基于多压力变温实验的缸套-活塞环摩擦因数预测研究.pdf
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1、 年 月第 卷 第 期润滑与密封 :文献引用:马轩,王哲,刘晓日基于多压力变温实验的缸套活塞环摩擦因数预测研究润滑与密封,():,():基金项目:国家自然科学基金青年基金项目();河北省自然科学基金面上项目()收稿日期:;修回日期:作者简介:马轩(),男,硕士研究生,研究方向为内燃机摩擦。:。通信作者:刘晓日(),男,博士,教授,主要研究方向为内燃机多尺度流动传热。:。基于多压力变温实验的缸套活塞环摩擦因数预测研究马 轩 王 哲 刘晓日(河北工业大学能源与环境工程学院 天津;清华大学天津高端装备研究院 天津)摘要:为探究内燃机中缸套活塞环摩擦副在复杂工况下的摩擦因数变化规律,根据实际工况下的温
2、度和压力,使用 高温摩擦试验机模拟内燃机系统缸套活塞环之间的往复式摩擦运动,获得不同温度和压力下的摩擦因数,并测试不同温度下润滑油的黏度。以摩擦接触面温度、载荷和润滑油黏度为输入,摩擦因数为输出,构建 神经网络预测模型。结果表明,神经网络具有较高的预测精度,测试集误差值稳定在 以内,满足工程精度要求。关键词:缸套活塞;内燃机;摩擦因数;神经网络;润滑性能中图分类号:(,;,):,:;在内燃机的摩擦损失中,仅活塞环缸套摩擦副所产生的摩擦损失即可占,是内燃机最主要的一项机械损失。随气缸内的燃烧以及活塞环和缸套的运动摩擦过程,活塞环接触范围内缸套的温差能达到 以上的高温跨度,且随活塞沿气缸轴向从上止
3、点至下止点的工作过程,在温度变化的同时也伴随着快速的压力变化。因此整合内燃机工作过程中温度、压力及润滑油性能参数变化,建立缸套活塞环摩擦因数预测模型,对于降低该摩擦副的摩擦损失具有重要意义。已有研究表明,在缸套活塞环摩擦副中,缸套的温度对活塞环摩擦功耗的影响较为显著。基于润滑油温度等于缸套温度且为定值的假设,和 等分别在实验中设定不同的缸套温度,研究了温度对活塞环摩擦功耗的影响,结果表明缸套或润滑油温度偏低时活塞环流体摩擦功耗较显著,而高温时流体摩擦功耗降低,粗糙接触摩擦功耗显著增加。同时,相关研究也表明,摩擦热量会造成润滑油黏度和密度降低,并且在摩擦过程中油膜厚度随温度升高而减小,使得微凸峰
4、接触数量增多,局部温升增大,从而加剧摩擦功耗。目前内燃机缸套活塞环系统的摩擦磨损改良,主要从润滑油性能、表面改性、动力学特性等方面展开。而缸套活塞环摩擦副在摩擦过程中存在多种物质的相互作用,包含实际工况的温度、压力以及摩擦表面的纹理与涂层处理和润滑油黏度、添加剂作用等,在众多条件的影响下,很难以线性的数学方法描述该摩擦副的摩擦性能与各种影响因素之间的作用关系。所以本文作者拟通过实验的方法模拟内燃机工况,采集摩擦性能数据并构建神经网络模型对数据进行训练以实现摩擦因数的预测。()神经网络是一种多层前馈式神经网络模型,通过信号前向计算和误差反向传播修正以及储存大量无需事先描述的输入输出映射关系,具有
5、良好的线性和非线性映射能力,目前在多因素复杂系统的预测问题上已取得了良好的效果。等整合跑道表面状况和轮胎状况提出了一种移动式天气跑道轮胎的传感器系统来估计摩擦因数,将神经网络的输出(估计摩擦因数)与相关模型相关联,以预测飞机刹车时轮胎与跑道之间的摩擦 因 数。等采 用 时 延 神 经 网 络()检测横向力激励下的道路摩擦因数,并基于真实车辆模型进行了验证。等提出了一种基于神经网络的四驱车摩擦势预测模型,可以同时预测纵向和横向激励下的摩擦势。在神经网络方法和摩擦属性的结合上,目前已取得了较好的成果,但是将神经网络方法应用在内燃机缸套活塞环摩擦副上,预测摩擦因数和接触面温度、载荷等因素的关系和摩擦
6、因数变化趋势,相关研究尚不多见。本文作者以内燃机系统的缸套活塞环的摩擦因数为输出参数,摩擦接触温度、接触压力以及润滑油黏度为输入参数,构建 神经网络预测模型。对比实验结果和模型预测结果,验证了所构建的神经网络预测模型可以准确地预测缸套活塞环的摩擦因数,为内燃机摩擦性能预测及改进提供了新的思路。实验部分 实验材料及实验装置内燃机系统中,缸套与第一道活塞环之间的摩擦工况最为恶劣,所以摩擦副材料采用原厂生产的某型号柴油机的缸套以及对应的第一道活塞环,并切割成实验所需尺寸。润滑油选择重型柴油机常用的 润滑油。采用 高温摩擦磨损试验机(见图)可对多种摩擦副进行实验,输出的摩擦因数曲线能够直观反映出摩擦副
7、及润滑油的摩擦学性能。文中通过 高温摩擦磨损试验机模拟缸套活塞环摩擦副之间的往复式运动。图 高温摩擦磨损试验机 实验条件根据该型柴油机在实际工作中的额定工况参数设置实验条件。在柴油机的实际工况中,当活塞达到上止点后曲轴转角为 时,缸套活塞环摩擦副达到最大接触压力 ,此时接触温度达到 。基于以上条件,在 压力区间内设置 组定压变温实验(见表),其中设置 对应 的上止点工况载荷。表 实验压力对应载荷 实验压力 对应载荷 如表 所示,变温实验设置初始温度为室温,在初期磨合过程中逐渐施加载荷至指定值,并稳定温度为 ,然后利用加热模组开始均匀加热,使摩擦试件的温度由初始温度按 速率均匀变化至 。实验中设
8、置温度加热上限为 ,作为模型构建的输入参数时仅取到 ,主要因为在测试润滑油黏度随温度的变化时,由于实验设备限制,温度上限难以达到 的要求。通过实验测试了不同预设压力下摩擦因数随于温度的变化,以及 润滑油在 之间的黏度变化曲线。年第 期马 轩等:基于多压力变温实验的缸套活塞环摩擦因数预测研究 表 实验基本参数 项目技术参数变温区间 磨合时间 加热时间 加热速率 ()频率 行程 实验数据图 展示了不同载荷下摩擦因数随温度()的变化关系。可以看出,载荷为 时,摩擦因数整体在 之间波动,呈现出较为稳定的趋势,主要原因在于载荷较小,摩擦副之间的粗糙峰接触较少,此时的摩擦状态为油膜流体摩擦,其摩擦因数主要
9、由润滑油性质决定;载荷为 时,摩擦因数曲线随温度增加呈现出先升后降的趋势,且在 时摩擦因数达到最大值;当载荷为 、时,摩擦因数曲线变化规律比较接近,均在 温度区间摩擦因数达到最大值,且最大值稳定在 ,然后随温度进一步升高,摩擦因数值由上升趋势转变为下降。以 工况实验为例,润滑油黏度由 时的 降低至 时的 ,此时黏度已达到一较低值,油膜黏度的变化对摩擦因数影响较小,粗糙峰接触情况渐趋稳定;同时,润滑油中所含的极压添加剂在较高温度和载荷下,与金属反应并在粗糙峰表面生成剪切应力较低的化学反应膜,从而减少粗糙峰的直接接触;并且随着摩擦温度上升,粗糙峰位置的局部温度较高,金属塑性增强、材料软化且出现一定
10、的氧化现象,这些现象的产生起到了一定的减摩作用,从而导致摩擦因数降低。载荷变化对摩擦工况的影响较为复杂。对于一般情况下的滑动摩擦,载荷增大时,摩擦阻力增大,而同时伴随着微凸体接触增加,即摩擦接触面积增大。活塞环和缸套组成的摩擦副主要为弹性材料,其摩擦接触面积 与摩擦副间的压力 的 次方成正比。并且在摩擦过程中,载荷增加使得接触面积增加,进而产生较大的塑性应力和剪切力,并产生大量摩擦热,摩擦反应膜的形成最终导致摩擦因数进一步降低。因而在随着载荷增加时,摩擦因数的峰值最大为 工况的 ,而随着载荷继续增加,其峰值降低,见表。图 不同载荷下摩擦因数随接触面温度的变化 表 不同载荷下的摩擦因数峰值 对应
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