发动机气缸套磨损谱编制方法研究

司东亚， 骆清国， 许晋豪， 尹洪涛， 宁兴兴

(装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072)



发动机气缸套磨损谱编制方法研究

司东亚， 骆清国， 许晋豪， 尹洪涛， 宁兴兴

(装甲兵工程学院机械工程系， 北京 100072)

通过对气缸套-活塞环进行润滑分析，得到了不同曲轴转角位置活塞环的微凸体载荷分布及磨损速率。结合动载荷特点对Archard磨损计算模型进行了修正，同时根据载荷分级对发动机工况进行了离散，计算得到了各离散网格单元内的磨损参数，基于发动机整机载荷谱，采用时间插值方法，编制了典型任务剖面下的气缸套磨损谱。

气缸套； 工况离散； 载荷谱； 磨损谱

气缸套-活塞环是发动机中关键摩擦副之一，是发动机寿命水平阶段判断的重要依据[1-3]。国内外很多学者对气缸套-活塞环的润滑、磨损的计算开展了研究[4-6]，通过试验分析了静载荷对摩擦副摩擦学性能的影响[7-11]，而复杂动载荷对气缸套-活塞环磨损的影响也越来越受到重视[12-14]。

气缸套-活塞环的磨损与发动机工况密切相关。车用发动机工况变换频繁，会严重影响摩擦副表面应力、润滑和材料摩擦属性等，导致磨损加剧[15]。目前，对于气缸套-活塞环摩擦副的磨损问题，多数是围绕稳定载荷及动载荷下的磨损机理及磨损计算模型进行研究，很少将摩擦副磨损分析与发动机实际使用工况相联系。本研究在气缸套-活塞环动载荷磨损研究的基础上，结合反映发动机实际使用工况的整机载荷谱[16]，研究气缸套-活塞环磨损谱编制方法，为发动机寿命预测与健康状况管理提供数据支撑。

1 稳定工况下气缸套磨损计算

气缸套-活塞环摩擦副的主要磨损包括黏着磨损、磨粒磨损和腐蚀磨损。在上止点附近润滑条件较差，以边界润滑为主，气缸套受黏着磨损影响比较明显。Archard模型是滑动摩擦副黏着磨损的经典模型，表达式为

(1)

式中：V为磨损体积；K为磨损系数；p为压力；L为滑动距离；H为材料硬度。

通过AVL/EXCITE P&R建立某发动机气缸套-活塞环润滑分析模型(见图1)，该气缸套-活塞环摩擦副共包含三道气环和一道油环。采用平均雷诺方程对该摩擦副进行润滑分析及活塞环组动力学计算，得到不同曲轴转角位置活塞环的微凸体载荷分布及磨损速率。图2、图3示出某一稳定工况下发动机1个工作循环内第一道气环微凸体载荷和磨损速率随曲轴转角变化情况。

研究表明，在显著性水平为0.05的条件下，发动机功率和燃油消耗率变化量与气缸套磨损量均有较大相关性，其余磨损参数与性能变化的相关性较小[14]，因此，选择气缸套磨损量(气缸套轴向位置的最大磨损深度)作为气缸套-活塞环磨损的基准参数。在约9°曲轴转角位置，气环主推力侧的微凸体载荷和磨损速率均最大，对应位置气缸套的磨损也最严重，因此选择9°曲轴转角位置作为气缸套磨损计算的参考计算点。

2 动载荷条件下磨损系数修正

磨损过程具有很强的动态特性，不同载荷、速度条件下，磨损系数都是变化的，动载荷过程的磨损系数可看作每一循环过程中稳定载荷条件磨损系数Ks与动载荷因素造成的磨损系数增量ΔK的总和，即

Kd=Ks+ΔK。

(2)

稳定载荷条件磨损系数Ks为

Ks=f1(W,U)。

(3)

式中：W，U分别为摩擦副接触面正压力和滑动速度。

采用拉丁超立方试验设计方法获得Ks的具体表达式。首先对实测工况发动机工作过程进行仿真，确定发动机缸套-活塞环摩擦副的工况范围，然后采用拉丁超立方试验设计方法在该范围内设计并进行不同工况下的稳态工况磨损试验(8组)[14]，选取的载荷因素为摩擦副接触面正压力W、滑动速度U。最后通过响应面模型方法进行数据拟合，得到磨损系数Ks表达式：

Ks=c(1)+c(2)W+c(3)U+c(4)W2+c(5)U2+c(6)WU+c(7)W3+c(8)U3。

(4)

式中：系数c(i)(i=1,…8)由数据拟合得到。

根据气缸套-活塞环工作特点，相邻两个工作循环中，经过气缸套某点时摩擦副间载荷、速度的大小和方向都会发生变化。ΔK与单个工作循环摩擦副间载荷Wi、速度Ui及相邻两循环(i，j表示)间载荷增量ΔWij/c和速度增量ΔUij/c有关，可以表达为

ΔKij=f2(Wi,Ui,ΔWij/c,ΔUij/c)。

(5)

亦即

ΔK=f2(W,U,ΔW/c,ΔU/c)。

(6)

式中：ΔW/c为单位循环的接触面压力增量；ΔU/c为单位循环的相对速度增量。

依据拉丁超立方试验设计方法，采用矩形加载方式进行动载荷磨损试验(15组)，通过最小二乘法进行拟合，得到磨损系数增量ΔK具体表达式：

ΔK=c(1)+c(2)W+c(3)U+c(4)ΔW/c+c(5)ΔU/c+c(6)W2+c(7)U2+c(8)(ΔW/c)2+c(9)(ΔU/c)2+c(10)WU+C(11)WΔW/c+c(12)WΔU/c+c(13)UΔW/c+c(14)UΔU/c+c(15)ΔW/cΔU/c。

(7)

式中：系数c(i)(i=1,…15)由数据拟合得到。

3 发动机面工况网格离散

零部件的磨损情况与发动机工况密切相关。发动机载荷谱是通过对车辆实际使用情况的大量调研、统计得出的，反映了实际使用过程中发动机的工况特点，是装甲车辆发动机结构寿命研究的根本依据。骆清国等[16]以某装甲车辆为研究对象，建立了包括动力装置、传动装置和行动装置的整车动力性能联合仿真模型，并通过实车试验对模型进行了验证。通过对装甲车辆发动机典型任务剖面下的载荷参数时间历程进行统计分析，得到了发动机的整机载荷谱(见图4)。

发动机的扭矩和转速可以独立地在很大范围内变化，它们之间没有特定的函数关系，根据发动机这一“面工况”的特点，对实际使用中的发动机工况进行分析。首先，基于大量的发动机测量工况统计，根据载荷分级的思想将发动机的扭矩和转速分为0～20%，20%～40%，40%～60%，60%～80%，80%～100%5个等级，这样就将发动机的面工况离散为一个5×5的矩阵(见图5)。对发动机工况离散的等级越多，计算结果越精确，但相应的计算量也会越大。

图5中，a，b为选取的所在网格单元内的典型稳态工况点。以气缸套最大磨损位置(9°曲轴转角位置)为参考计算点，对典型稳态工况点的模型参数如磨损系数、粗糙度、磨损率变化规律等进行计算，得到计算气缸套磨损所需的输入参数(微凸体载荷、相对滑动速度等)，并将这些参数对应存储于该网格单元内，后续计算中可直接寻址调用。

计算气缸套磨损时，对离散后的发动机工况作如下假设：

1) 落在同一网格单元的所有测点工况均由该单元内的某一典型工况点代替，即如果计算工况点i落在a(或b)所在网格单元内，则以典型稳态工况点a(或b)替代进行计算；

2) 如果相邻两个测点i1，i2同时落在a所在网格内，则按静载荷工况处理，两工况测点之间气缸套磨损等于典型工况点a的循环磨损量；

3) 若落在不同网格内(如i1落在a所在网格单元，i2落在b所在网格单元)，则按动载荷磨损计算，由i1至i2过渡时气缸套的磨损将由a到b过渡时气缸套的磨损代替。

4 气缸套磨损谱

采用时间插值的方法得到磨损计算的工况点：在发动机载荷谱上取得当前时刻ti对应工况的转速Ui及扭矩Ti，至下一计算点的时间间隔Δti由当前转速Ui下经历一个工作循环的时间确定，即

Δti=120/Ui，

(8)

ti+1=ti+Δti。

(9)

然后在载荷谱上插值得到ti+1时刻对应的转速Ui+1及扭矩Ti+1。气缸套磨损计算以循环为单位，得到相邻两个工况点(Ui，Ti)、(Ui+1，Ti+1)的数据之后，就可以计算循环磨损量。首先，判断(Ui，Ti)、(Ui+1，Ti+1)是否落在同一个发动机面工况网格单元内，即

UjL

(10)

TkL

(11)

式中：1≤j,k≤5，代表转速或扭矩的级数；L和H代表各级载荷的低、高边界。

若满足式(10)和式(11)则直接调用存储在网格单元内的磨损参数，按静载荷磨损计算；若落在不同网格内，则首先计算动载荷磨损系数，然后得到循环磨损量。计算流程见图6。

按照以上方法，对某装甲车辆发动机典型任务剖面下的气缸套磨损谱进行计算，得到的气缸套磨损谱见图7。

以往气缸套磨损计算主要借助稳定载荷和动载荷下的磨损模型及试验进行，无法与发动机实际使用工况相联系。气缸套载荷谱将微观的摩擦副载荷分析与宏观的发动机变工况特点相结合，为气缸套磨损计算提供了一种新的思路和方法，为实现其“动态及时”的寿命预测提供了载荷依据。下一步需重点研究实车载荷参数测试手段和技术，对磨损谱编谱方法的有效性进行试验验证，并在此基础上开发出能够对气缸套活塞环摩擦副磨损性能进行实时监测的车载发动机健康状况管理系统。

5 结论

a) 建立了气缸套-活塞环润滑分析模型，得到了不同曲轴转角位置活塞环的微凸体载荷分布及磨损速率，确定9°曲轴转角位置作为气缸套磨损计算的参考计算点；

b) 结合动载荷特点对磨损系数进行了修正，同时根据载荷分级的思想对发动机工况二维曲面进行离散，计算得到了各离散网格单元内典型工况点的磨损参数；

c) 采用时间插值方法得到了磨损计算工况点，通过编程调用网格单元内的磨损参数，实现了气缸套磨损的快速计算，采用该方法编制了典型任务剖面下的气缸套磨损谱，为实时监测气缸套磨损探索出了一种更加便捷有效的途径。

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[编辑： 袁晓燕]

Compiling Method for Wear Spectrum of Engine Cylinder Liner

SI Dongya, LUO Qingguo, XU Jinhao, YIN Hongtao, NING Xingxing

(Department of Mechanical Engineering, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

Based on the lubrication analysis between cylinder liner and piston ring, the asperity load and wear rate of piston ring at different crank angles were calculated. The Archard wear calculation model was modified according to the dynamic load characteristics, the engine operating conditions were discretized according to the load classification and the wear parameters of each discrete mesh were acquired. Based on the engine load spectrum, the cylinder liner wear spectrum under typical mission profile was compiled using the time interpolation method.

cylinder liner; load condition discretion; load spectrum; wear spectrum

2014-12-23；

2015-05-08

军队科研计划项目

司东亚(1987—)，男，博士，主要研究方向为装甲车辆发动机可靠性；sdy873@163.com。

10.3969/j.issn.1001-2222.2015.04.003

TK421.9

B

1001-2222(2015)04-0012-04