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内燃机工程 2020年第6期41卷 116-126页

作者：李瑞孟祥慧上海交通大学机械与动力工程学院上海200240

以某型号船用低速机为对象,基于多体动力学和混合润滑耦合建模,研究了十字头滑块和十字头轴承的摩擦动力学性能。利用MEBDF算法对高度非线性和刚性的摩擦动力学方程组进行了求解,得到了各个摩擦副在一个工作循环中的摩擦动力学性能,讨... 详细信息

以某型号船用低速机为对象,基于多体动力学和混合润滑耦合建模,研究了十字头滑块和十字头轴承的摩擦动力学性能。利用MEBDF算法对高度非线性和刚性的摩擦动力学方程组进行了求解,得到了各个摩擦副在一个工作循环中的摩擦动力学性能,讨论了滑块供油孔尺寸和十字头轴承宽度对低速机摩擦动力学的影响。计算结果表明:十字头滑块承担发动机的侧推力,摩擦损失较大;十字头轴承在上止点和下止点附近摩擦功率较高;滑块供油孔的半径会影响其摩擦动力学特性;适当降低轴承宽度,能够降低十字头轴承摩擦损失。

关键词：船用低速机摩擦动力学模型十字头滑块十字头轴承低摩擦设计

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活塞环-缸套摩擦学系统的低摩擦设计

活塞环-缸套摩擦学系统的低摩擦设计

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作者：王群上海交通大学

学位级别：硕士

活塞环—缸套系统的摩擦性能对内燃机的寿命和性能有着重大的影响,对其进行低摩擦设计具有重要的技术和经济价值。本文开展了如下的研究工作:（1）针对活塞环的摩擦问题建立了一系列的模型。基于气体经由小孔泄露的等熵流量模型建立了... 详细信息

活塞环—缸套系统的摩擦性能对内燃机的寿命和性能有着重大的影响,对其进行低摩擦设计具有重要的技术和经济价值。本文开展了如下的研究工作:（1）针对活塞环的摩擦问题建立了一系列的模型。基于气体经由小孔泄露的等熵流量模型建立了气体流动模型。基于内燃机的运动模型,润滑油粘度模型,微凸体接触理论,平均雷诺方程,受力平衡等建立了活塞环-缸套润滑模型。基于平均雷诺方程,微凸体接触理论和Archard模型建立了活塞环-缸套摩擦磨损模型。（2）开发了活塞环-缸套模型的数值分析方法。针对强制边界条件下的雷诺方程,分析了其解空间是如何被张成的。并基于此提出了强制边界条件下一维雷诺方程的求解方法。参照常规雷诺边界条件下的雷诺方程求解方式,提出了寻边算法。将寻边算法强化为边界外推方法,证明了该方法的有穷性,并同时证明了雷诺方程在原有的数值化雷诺边界条件下必然存在至少一个的准确解。（3）对活塞环—缸套摩擦学系统的润滑性能进行了单参数的影响分析。结合Isight和遗传算法对活塞环—缸套摩擦副的润滑性能进行了多参数多目标的最优化设计。参照已有的工作经验,建立了活塞环-缸套摩擦学系统的仿真与优化手段。针对仿真与优化中的核心问题——雷诺方程的求解,证明了工程上所使用的边界条件解的存在性;提出了快速一维雷诺方程的求解方式,并计算了其算法复杂度,证明了其有穷性。利用上述工作结果对活塞环-缸套摩擦学系统进行了仿真与优化,并对结果进行了一定分析。

关键词：活塞环仿真分析雷诺方程摩擦低摩擦设计

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低速重载齿轮齿条传动机构混合润滑分析及低摩擦设计

低速重载齿轮齿条传动机构混合润滑分析及低摩擦设计

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作者：文安上海交通大学

学位级别：硕士

垂直式升船机是三峡大坝工程的重要组成部分,是世界上技术难度与参数规模最大的升船装置。作为升船机中起关键升降功能的大模数齿轮齿条传动系统是船舶安全快速过坝的重要保证。由于齿轮齿条升降机构长期在低速、重载工况和恶劣的开式... 详细信息

垂直式升船机是三峡大坝工程的重要组成部分,是世界上技术难度与参数规模最大的升船装置。作为升船机中起关键升降功能的大模数齿轮齿条传动系统是船舶安全快速过坝的重要保证。由于齿轮齿条升降机构长期在低速、重载工况和恶劣的开式环境中作业,齿轮齿条难以实现充分润滑,润滑介质消耗量大,易出现胶合失效。因此,针对上述问题,开展低速重载齿轮齿条传动机构的润滑状态和失效模式分析以及低摩擦设计的研究,对保证其运行的安全可靠和提高三峡工程通航的经济与环保效益均具有重要意义。本文以低速重载大模数开式齿轮齿条机构为研究对象,综合运用摩擦学和数值仿真技术,考虑瞬态效应、非牛顿效应和粗糙度效应建立了混合弹流润滑仿真数值模型,得到了在一个啮合周期下的齿面润滑状态变化情况和工况参数对其润滑性能的影响规律;考虑实际工况下胶合失效的影响要素,分析了表面织构技术对低速重载齿面的减摩作用,并研究了针对润滑系统适量供油的油量优化设计方法。本文的主要工作和贡献如下:首先,建立适用于低速重载齿轮齿条瞬态混合润滑仿真的数学模型并分析齿轮齿条啮合过程中的润滑状态,结果表明大模数齿轮齿条在啮合过程中压力、膜厚的变化与卷吸速度、当量曲率半径以及载荷的变化规律相关,其中啮入点的齿面油膜厚度最薄,压力较高,摩擦系数最大,是啮合过程中最易发生磨损与胶合失效的危险点。并根据模型计算结果与试验结果的一致性以及齿面形貌分析验证了数值仿真模型的适用性。而后,使用周期复制离散卷积快速傅里叶变换方法(Discrete Convolution with Duplicated Padding-Fast Fourier Transform,DCD-FFT)将二维模型拓展至三维,进一步分析齿面粗糙特征值及工况参数对齿面润滑性能的影响。研究表明:在低速重载工况下,表面粗糙度值和纹理方向对齿面润滑状态影响最显著,齿轮转速对齿面膜厚分布也有一定影响。最后,针对低速重载齿面的减摩设计和开式作业环境下的润滑设计,分别进行齿面织构设计和最适供油量计算。结合质量守恒润滑模型与微凸体接触模型,计算得到低速重载工况下减摩效果最佳的织构设计参数方案为:面积率44%,深度7μm,直径12μm。结合润滑状态数值分析中油膜厚度的计算结果与喷油润滑系统,提出了一种能够保证齿面充分润滑的最适供油量的计算方法,计算得到低速重载齿轮齿条一个啮合周期的最适供油量为734.51ml,相比推荐供油量减少了4.13%。并分析贫油条件下,表面织构对低速重载齿面的减摩作用,结果表明在任何供油条件下,表面织构均能减小齿面摩擦系数。通过本文的研究,揭示了低速重载齿面啮合过程中润滑状态的变化规律以及可能出现的失效模式,并结合微观表面处理技术和宏观润滑系统供油分析两个方面,提出了能够有效改善齿面润滑状态、防止胶合失效、降低摩擦损耗和环境负荷的方法,从而为开式低速重载大模数齿轮齿条传动装置的低摩擦设计和润滑系统的油量优化设计提供理论指导。

关键词：大模数齿轮齿条低速重载胶合失效混合润滑低摩擦设计

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内燃机活塞环—缸套系统润滑仿真及低摩擦设计分析

内燃机活塞环—缸套系统润滑仿真及低摩擦设计分析

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作者：王晗上海交通大学

学位级别：硕士

活塞环是发动机的重要组成部件，在发动机运行过程中起着重要的作用，当今能源环境问题日益严重，降摩减耗成为时代主流。如果对活塞环-缸套摩擦副进行数学仿真分析，通过改变某些参数来改善其摩擦学设计，那么将会产生巨大的经济利益... 详细信息

活塞环是发动机的重要组成部件，在发动机运行过程中起着重要的作用，当今能源环境问题日益严重，降摩减耗成为时代主流。如果对活塞环-缸套摩擦副进行数学仿真分析，通过改变某些参数来改善其摩擦学设计，那么将会产生巨大的经济利益。本文基于活塞运动方程、活塞环间气体流动方程、活塞环动力学方程、平均Reynolds方程、微凸体接触模型、润滑油膜进出口边界条件以及Archard磨损模型等为基础，建立了活塞环-缸套系统的混合润滑模型。并且对于平均Reynolds方程求解的两种方法—积分算法和差分算法进行了研究分析，以桶形环与锥形环为研究载体观察它们在数值计算中的优点与缺陷。基于此模型对于某型号发动机三道活塞环分别进行了润滑仿真，得到了表面粗糙度、活塞环弹力、润滑油粘度、活塞环型线等不同因素对于活塞环润滑性能以及摩擦功耗的影响。得出了以下结论：1）在求解速度上，积分算法相对于有限差分法更快;2）有限差分法对于活塞环型线的依赖性更小，而积分算法对于活塞环的型线依赖性大;3）Reynolds边界条件相对半Sommerfeld边界条件在油膜承载区域的确定上更准确;4）粗糙度对于润滑性能的影响主要体现在上下止点附近，改善上下止点附近的粗糙度有助于改善润滑性能;5）弹力对于摩擦功耗的影响很大，改善弹力有助于减小摩擦损失;6）提出了活塞环型线的优化方案;7）运用倒拖实验对于优化方案进行验证，实验结果表明，优化后活塞环组机械损失明显降低。

关键词：活塞环润滑算法对比低摩擦设计优化

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