活塞环表面几何形貌摩擦性能仿真研究

成果基本信息
关键词：	活塞环;几何形貌;摩擦性能
成果类别：	应用技术	技术成熟度：	成熟应用阶段
体现形式（基础理论类）：		体现形式（应用技术类）：	新技术
成果登记号：	9412012Y1359	资源采集日期：	2013-02-20

研究情况
单位名称：	商丘职业技术学院	技术水平：	国内领先
评价证书号：	豫科鉴委字[2012]第599号	评价单位：	河南省科技厅
评价日期：	2012.07.22	评价证书号：	豫科鉴委字[2012]第599号

转化情况
转让范围：	限国内转让	推广形式：	技术服务
已转让企业数（个）：	0

联系方式
联系人（平台）：	玉女士	联系人（平台）电话：	0771-5885053
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成果简介
1、任务来源：自选 2、应用领域和技术原理通过对活塞环/缸套运动学分析，建立活塞环与缸套间的润滑模型，使用计算机软件建立圆柱凹坑动压润滑模型，采用有限差分法求解雷诺方程，用V型多重网格法及超松弛迭代法加速收敛，从而获得具有表面织构摩擦副表面的压力分布，并用平均无量纲油膜压力表征不同织构参数的动压效果，据此设计计算方案，编写程序。以活塞环作为上试件，部分缸套作为下试件，采用光刻掩膜微细电解的方法在活塞环表面加工微小凹坑织构，并通过三维形貌仪及数码显微镜的测量来精确控制脉冲电流所需的电流强度、占空比，从而精确加工出所需要的凹坑几何参数，并针对实际发动机工作中活塞环与缸套的运动情况确定载荷，活塞环与缸套间的压强，往复机构的曲柄转速。最后通过数据采集卡采集数据，进行一定的处理，作为所选速度、载荷及织构下的平均摩擦因数。在充分润滑条件下，进行活塞环与缸套间的摩擦学性能试验，以摩擦因数为评价标准，考察凹坑织构的直径、深度、面积率对摩擦因数的影响。同时考察在不同载荷及速度条件下部分织构的优劣性，并与模拟仿真结果进行比较，得出研究结论。表面织构技术即在摩擦副表面上加工出具有一定尺寸很规则排列的几何形貌，它是改善摩擦副表面摩擦学性能的一种有效手段，可广泛的应用在缸套、滑动轴承、机械密封以及磁介质等诸多领域。 3、性能指标计划任务性能指标：凹坑直径（30-100）μm；凹坑深度为工况膜厚的70%；织构率100%；60%。实际达到的性能指标：凹坑直径（30-100）μm；凹坑深度为工况膜厚的75%；织构率100%；65%。 4、与国内外同类技术比较表面织构作为一种新兴的减摩方法，由于其存储磨屑、“二次润滑”和额外动压润滑的功效也逐步成为学者的研究范围，并将表面织构与活塞环结合到了一起，为发动机效率的提高开辟了新的方向。但是，目前国内、外在对活塞环表面织构的加工方法效率不高，加工出织构的质量也很难得到保证。在活塞环表面织构化的形貌选择中，对点状形貌的研究最多，其它形貌的研究相对较少。在对活塞环表面织构中几何学参数研究方面，通常是固定其它的参数，而对某一个织构参数进行优化，以织构的若干个参数为变量同时进行优化研究的方法鲜有报道。本项目研究建立了活塞环在动压润滑条件下的二维雷诺方程，利用有限差分法对方程进行求解，并采用多重网格法、超松弛迭代法加速结果的收敛，得到表面织构的直径、深度、面积率以及部分织构率对摩擦副润滑性能的影响。采用电解加工的方法进行活塞环表面织构的加工，较国内外喷砂处理、激光处理、腐蚀等方法加工效率明显提高，一个活塞环试件加工只需10-20秒，且一次性成形，无热应力存在，加工后表面无需任何后续处理等优点。且加工的表面为平行的圆柱形凹坑，较国内外的平行沟槽及方形凹坑具有更加优良的减摩效果。 5、成果的创造性、先进性（1）采用光刻微细电解技术，提高了在活塞环表面加工微小几何形貌的分布精度；（2）使用计算机软件建立具有表面几何形貌分布的动压润滑模型，计算分析了活塞环表面几何凹坑形状、深度、分布率，通过对诸参数优化，实现了对活塞环/缸套摩擦副最佳减摩效果。（3）在不同的试验载荷及速度下得到了活塞环表面几何形貌凹坑最佳的深径比。 6、作用意义将装有构造表面几何形貌活塞环的内燃机与未装构造表面几何形貌活塞环的内燃机进行对比实验，内燃机运行120小时后，测试结果表明：前者比后者节省燃料1.2%，节省润滑油1%。日本本田汽车株式会社的研究者利用微小陶瓷球高速喷射方法，在活塞表面加工出直径200μm，深度0.6μm－1.8μm的微小凹坑群，运行了160小时后，内燃机整体的机械损失较原机降低了2.6%。美国能源部2009年的资料表明，仅车辆发动机和传动系统减少摩擦、磨损消耗，每年就可节约1200亿美元。 7、推广应用的范围、条件和前景以及存在的问题和改进意见表面织构技术可对汽车、农业机械、石油化工、化学工业、船舶、航空、航天等具有相对运动的零部件表面进行织构加工，达到减少摩擦、磨损的目的。充分反映了当前减磨技术发展的方向，为此，项目研究成果推广应用的范围十分广泛。表面织构对活塞环/缸套摩擦副的摩擦学性能的影响因素较多，且各因素间相互关联。目前课题研究在计算理论模型的时候忽略了由于活塞环表面的表面粗糙度、气缸内的温度变化、活塞环的受力不均匀、弹性变形以及活塞环在运动过程中不是时时都是富油的这些因素的影响。实验分析结果都是基于流体润滑模型得到的，并未考虑其它润滑方式，如混合润滑、边界润滑等。因而今后还需综合考虑不同的缸套活塞环润滑模式下，表面织构对摩擦磨损的影响。计算程序可以从多重网格法以及松弛因子两方面进一步优化，从而节省计算时间，提高工作效率。活塞环凹坑织构的加工方面需要对工艺进行优化，从而可以更加精确控制凹坑的深度、直径。

成果名称：	活塞环表面几何形貌摩擦性能仿真研究	关键词：	活塞环;几何形貌;摩擦性能
成果类别：	应用技术	一级分类名称：	装备制造
二级分类名称：	运输装备制造	三级分类名称：	公路运输装备
研究起止时间：	2009.02 至2012.05	成果体现形式（应用技术类）：	新技术
成果属性：	原始性创新	成果体现形式（基础理论类）：
技术成熟度：	成熟应用阶段	技术水平：	国内领先
研究形式：	独立研究	学科分类1：	国家标准GB T13745-92《学科分类与代码》
单位名称：	商丘职业技术学院	学科分类2：
中图分类号1：	中国图书资料分类法（第四版）	所属高新技术类别：
中图分类号2：		课题来源：	自选
应用行业：	制造业	课题立项名称：
国家科技计划子类别：		课题立项编号：
经费实际投入额（万元）：	0.00	评价单位：	河南省科技厅
评价形式：	鉴定	应用状态：	稳定应用
评价日期：	2012.07.22	转让范围：	限国内转让
评价证书号：	豫科鉴委字[2012]第599号	推荐单位：	商丘市科技局
推广形式：	技术服务	成果登记号：	9412012Y1359
成果简介：	1、任务来源：自选 2、应用领域和技术原理通过对活塞环/缸套运动学分析，建立活塞环与缸套间的润滑模型，使用计算机软件建立圆柱凹坑动压润滑模型，采用有限差分法求解雷诺方程，用V型多重网格法及超松弛迭代法加速收敛，从而获得具有表面织构摩擦副表面的压力分布，并用平均无量纲油膜压力表征不同织构参数的动压效果，据此设计计算方案，编写程序。以活塞环作为上试件，部分缸套作为下试件，采用光刻掩膜微细电解的方法在活塞环表面加工微小凹坑织构，并通过三维形貌仪及数码显微镜的测量来精确控制脉冲电流所需的电流强度、占空比，从而精确加工出所需要的凹坑几何参数，并针对实际发动机工作中活塞环与缸套的运动情况确定载荷，活塞环与缸套间的压强，往复机构的曲柄转速。最后通过数据采集卡采集数据，进行一定的处理，作为所选速度、载荷及织构下的平均摩擦因数。在充分润滑条件下，进行活塞环与缸套间的摩擦学性能试验，以摩擦因数为评价标准，考察凹坑织构的直径、深度、面积率对摩擦因数的影响。同时考察在不同载荷及速度条件下部分织构的优劣性，并与模拟仿真结果进行比较，得出研究结论。表面织构技术即在摩擦副表面上加工出具有一定尺寸很规则排列的几何形貌，它是改善摩擦副表面摩擦学性能的一种有效手段，可广泛的应用在缸套、滑动轴承、机械密封以及磁介质等诸多领域。 3、性能指标计划任务性能指标：凹坑直径（30-100）μm；凹坑深度为工况膜厚的70%；织构率100%；60%。实际达到的性能指标：凹坑直径（30-100）μm；凹坑深度为工况膜厚的75%；织构率100%；65%。 4、与国内外同类技术比较表面织构作为一种新兴的减摩方法，由于其存储磨屑、“二次润滑”和额外动压润滑的功效也逐步成为学者的研究范围，并将表面织构与活塞环结合到了一起，为发动机效率的提高开辟了新的方向。但是，目前国内、外在对活塞环表面织构的加工方法效率不高，加工出织构的质量也很难得到保证。在活塞环表面织构化的形貌选择中，对点状形貌的研究最多，其它形貌的研究相对较少。在对活塞环表面织构中几何学参数研究方面，通常是固定其它的参数，而对某一个织构参数进行优化，以织构的若干个参数为变量同时进行优化研究的方法鲜有报道。本项目研究建立了活塞环在动压润滑条件下的二维雷诺方程，利用有限差分法对方程进行求解，并采用多重网格法、超松弛迭代法加速结果的收敛，得到表面织构的直径、深度、面积率以及部分织构率对摩擦副润滑性能的影响。采用电解加工的方法进行活塞环表面织构的加工，较国内外喷砂处理、激光处理、腐蚀等方法加工效率明显提高，一个活塞环试件加工只需10-20秒，且一次性成形，无热应力存在，加工后表面无需任何后续处理等优点。且加工的表面为平行的圆柱形凹坑，较国内外的平行沟槽及方形凹坑具有更加优良的减摩效果。 5、成果的创造性、先进性（1）采用光刻微细电解技术，提高了在活塞环表面加工微小几何形貌的分布精度；（2）使用计算机软件建立具有表面几何形貌分布的动压润滑模型，计算分析了活塞环表面几何凹坑形状、深度、分布率，通过对诸参数优化，实现了对活塞环/缸套摩擦副最佳减摩效果。（3）在不同的试验载荷及速度下得到了活塞环表面几何形貌凹坑最佳的深径比。 6、作用意义将装有构造表面几何形貌活塞环的内燃机与未装构造表面几何形貌活塞环的内燃机进行对比实验，内燃机运行120小时后，测试结果表明：前者比后者节省燃料1.2%，节省润滑油1%。日本本田汽车株式会社的研究者利用微小陶瓷球高速喷射方法，在活塞表面加工出直径200μm，深度0.6μm－1.8μm的微小凹坑群，运行了160小时后，内燃机整体的机械损失较原机降低了2.6%。美国能源部2009年的资料表明，仅车辆发动机和传动系统减少摩擦、磨损消耗，每年就可节约1200亿美元。 7、推广应用的范围、条件和前景以及存在的问题和改进意见表面织构技术可对汽车、农业机械、石油化工、化学工业、船舶、航空、航天等具有相对运动的零部件表面进行织构加工，达到减少摩擦、磨损的目的。充分反映了当前减磨技术发展的方向，为此，项目研究成果推广应用的范围十分广泛。表面织构对活塞环/缸套摩擦副的摩擦学性能的影响因素较多，且各因素间相互关联。目前课题研究在计算理论模型的时候忽略了由于活塞环表面的表面粗糙度、气缸内的温度变化、活塞环的受力不均匀、弹性变形以及活塞环在运动过程中不是时时都是富油的这些因素的影响。实验分析结果都是基于流体润滑模型得到的，并未考虑其它润滑方式，如混合润滑、边界润滑等。因而今后还需综合考虑不同的缸套活塞环润滑模式下，表面织构对摩擦磨损的影响。计算程序可以从多重网格法以及松弛因子两方面进一步优化，从而节省计算时间，提高工作效率。活塞环凹坑织构的加工方面需要对工艺进行优化，从而可以更加精确控制凹坑的深度、直径。
联系人：	朱凯	成果登记日期：	2012-08-02
联系人email：		单位代码：	94100650
邮政编码222：	476000	联系人电话：	13837098989
单位传真：	0370-3182121	单位通讯地址：	河南省商丘市神火大道南段566号
单位所在省市：	河南省	单位电话：	0370-3182005
转让收入（万元）：	0	单位属性：	大专院校
合作完成单位：		已转让企业数（个）：	0
成果发布年份：	2012	知识产权形式：
成果完成人：	朱凯;翟明新;蒋桂芝;罗晓军;任琴;张存良;吉文哲;马红梅;李明哲;李新德;付道庭;陈磊;田鑫鑫;李伟;王广钢	资源采集日期：	2013-02-20

活塞环表面几何形貌摩擦性能仿真研究

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