柴油机柱塞偶件表面复合织构润滑与密封性能研究

发布时间：2020-03-28 03:46

【摘要】：发动机燃油喷射系统中的往复运动密封副属于高精度配合偶件,在工作时的运动速度、燃油压力不断发生变化,其变工况运行对精密偶件的润滑与密封性能要求极高,且密封副的润滑与密封性能难以兼得。本文以柴油机高压油泵中的柱塞副为研究对象,引入表面微织构技术,提出一种新型的柱塞表面复合织构,利用微凹坑织构的动压效应改善润滑性能,以及沟槽织构的动压密封与反向泵送效应提高密封性能,进而同时优化往复运动密封副的润滑与密封性能。建立柱塞副润滑与密封计算模型。首先在雷诺方程的基础上,考虑柱塞副表面粗糙度,以及柱塞副运动中的偏心与变形情况,建立了织构化柱塞副润滑模型,并运用多重网格法对数值模型进行求解。其次模拟发动机柱塞副的真实往复运动工况条件,建立柱塞副动态流场密封模型,并设置动网格与动边界条件,计算柱塞副的静态与动态燃油泄漏量。探索柱塞表面微凹坑与沟槽织构对润滑性能的影响机理。分别计算两种织构的各项形貌参数对润滑性能的影响规律。结果表明,两种织构均能产生流体动压效应,减少直接微凸体接触,降低微凸体摩擦力。其中沟槽织构产生的油膜厚度大于凹坑织构,流体摩擦力高出20%。在微凸体摩擦力与流体摩擦力的综合作用下,与无织构方案相比较,微凹坑织构的摩擦功损失降低20%,沟槽织构相当。经计算分析,润滑性能最佳的凹坑织构形貌参数为,半径60μm,深度5μm,面积占有率0.2。分析柱塞表面微凹坑织构与沟槽织构对密封性能的影响机理。分别计算两种织构的各项形貌参数对密封性能的影响规律。结果表明,沟槽织构的流体动压效应强于微凹坑织构,其产生更高的燃油压力可有效降低泄漏量,并且,因为燃油流速的降低可进一步优化柱塞副的密封性能。经计算分析,密封性能最佳的沟槽织构形貌参数为,深度5μm,面积占有率0.2,角度30°。研究复合织构对柱塞润滑与密封性能的影响。进行两种织构进行组合设计,计算不同排列形式的复合织构润滑与密封性能。结果表明,柱塞副的复合织构产生的油膜厚度适中,可以有效平衡微凸体与流体摩擦力,其润滑性能最佳;同时复合织构可以产生较强的流体动压效应,有效改善柱塞副的密封性能;并且,其产生的空化最少,在满足润滑与密封性能的同时,可以保证柱塞副的工作稳定性。对复合织构柱塞副的润滑与密封性能进行试验验证。首先进行基础摩擦学试验测量不同织构化柱塞副的摩擦系数与磨损量,验证复合织构化柱塞的润滑性能。结果表明,相对于单一凹坑织构或沟槽织构,复合织构的摩擦系数减少约30%。其次进行发动机台架泄漏试验测量织构化柱塞副的燃油泄漏量,验证了复合织构化柱塞副的密封性能,结果表明,相对于单一织构,复合织构的燃油泄漏量降低了约70%,可同时达到改善柱塞副的润滑与密封性能的效果。
【图文】：

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(a)变深度倾斜矩形织构 (b)变深度倾斜矩形织构截面图 (c)矩形织构流体动压分布图 1.1 变深度矩形织构形貌示意图Fig.1.1 Schematic diagram of variable depth rectangular texture针对柱塞副的润滑与密封这一矛盾问题，将微凹坑（主要起到改善润滑性能织构（主要起到改善密封性能作用）进行组合，设计如图 1.2 所示的柱塞副用复合织构对柱塞副的润滑与密封性能进行耦合优化，达到改善柱塞副润滑同时保证其工作稳定性。

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(a)变深度倾斜矩形织构 (b)变深度倾斜矩形织构截面图 (c)矩形织构流体动压分布图 1.1 变深度矩形织构形貌示意图Fig.1.1 Schematic diagram of variable depth rectangular texture3）针对柱塞副的润滑与密封这一矛盾问题，将微凹坑（主要起到改善润滑性能作用）与沟槽织构（主要起到改善密封性能作用）进行组合，设计如图 1.2 所示的柱塞副复合织构。利用复合织构对柱塞副的润滑与密封性能进行耦合优化，，达到改善柱塞副润滑与密封性能的同时保证其工作稳定性。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TK423

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