納米潤(rùn)滑油改善內(nèi)燃機(jī)活塞組-氣缸套潤(rùn)滑摩擦熱物理機(jī)制研究.pdf

1、活塞組-氣缸套的潤(rùn)滑摩擦直接影響內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性。由于活塞組-氣缸套的潤(rùn)滑摩擦環(huán)境極為復(fù)雜，伴隨高溫、重載、變速等不利于潤(rùn)滑的因素，使其處于流體潤(rùn)滑、薄膜潤(rùn)滑、邊界潤(rùn)滑共存的混合潤(rùn)滑狀態(tài)。由納米顆粒與基礎(chǔ)油組成的納米潤(rùn)滑油，具有改善潤(rùn)滑摩擦和強(qiáng)化換熱的雙重優(yōu)勢(shì)，非常適用于活塞組-氣缸套的潤(rùn)滑和冷卻。不同潤(rùn)滑狀態(tài)下，納米顆粒改善潤(rùn)滑摩擦的熱物理機(jī)制尚不完全清楚，傳統(tǒng)的研究方法無(wú)法將這幾種潤(rùn)滑狀態(tài)分開(kāi)進(jìn)行研究。分子動(dòng)力學(xué)(MD

2、)方法可以模擬不同的潤(rùn)滑狀態(tài)和工作狀態(tài)，有效地從微觀角度揭示潤(rùn)滑摩擦的機(jī)理，并能夠準(zhǔn)確地描述納米流體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，因此可以采用MD方法對(duì)各潤(rùn)滑狀態(tài)下，納米潤(rùn)滑油改善潤(rùn)滑摩擦的熱物理機(jī)制分別進(jìn)行深入研究。
　　本文根據(jù)活塞組-氣缸套的潤(rùn)滑狀態(tài)分別建立了流體潤(rùn)滑、薄膜潤(rùn)滑和邊界潤(rùn)滑模擬模型，采用MD方法對(duì)比分析了基礎(chǔ)油和納米潤(rùn)滑油潤(rùn)滑摩擦特性的不同，給出了各潤(rùn)滑狀態(tài)下納米顆粒所發(fā)揮的作用，最后對(duì)納米流體強(qiáng)化換熱與潤(rùn)滑摩擦的耦合作用機(jī)制做

3、了進(jìn)一步研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)流體潤(rùn)滑狀態(tài)下，分別研究了光滑表面和非平表面條件下，納米顆粒對(duì)潤(rùn)滑膜剪切流動(dòng)特性的影響。研究發(fā)現(xiàn)，納米顆粒通過(guò)影響流體的微觀結(jié)構(gòu)使得潤(rùn)滑膜的承載能力有所增大;沉積到凹坑內(nèi)的納米顆粒對(duì)摩擦表面起到了填充作用，降低了摩擦阻力;除了沉積到凹坑內(nèi)的納米顆粒，潤(rùn)滑膜中其他位置的納米顆粒均增大了摩擦阻力;不管是基礎(chǔ)流體還是納米流體，隨著溫度的上升，潤(rùn)滑膜的承載能力下降。
　　(2)薄膜潤(rùn)

4、滑狀態(tài)下，主要分析了納米流體與基礎(chǔ)流體潤(rùn)滑摩擦特性的不同。研究發(fā)現(xiàn)，隨著載荷的增加，基礎(chǔ)流體和納米流體潤(rùn)滑膜均由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椤邦?lèi)固態(tài)”，但納米流體的轉(zhuǎn)變壓力高于基礎(chǔ)流體;納米顆粒通過(guò)提高潤(rùn)滑膜的轉(zhuǎn)變壓力，使得摩擦力能夠在較寬的載荷范圍內(nèi)維持在較低的水平;納米流體在較高的載荷下表現(xiàn)出減摩效果的物理機(jī)制為:納米流體較高的液固轉(zhuǎn)變壓力、納米顆粒的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)以及體積效應(yīng)。
　　(3)邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下，分別研究了軟質(zhì)Cu和硬質(zhì)金剛石納米顆粒對(duì)邊

5、界潤(rùn)滑膜承載能力的影響。研究發(fā)現(xiàn)納米潤(rùn)滑油的承載能力顯著高于基礎(chǔ)油，并且隨著載荷的增加，這種增強(qiáng)效果更加明顯。納米顆粒提高邊界潤(rùn)滑膜承載能力的物理機(jī)制主要有三點(diǎn):一是納米顆粒周?chē)旅艿奈綄邮沟脻?rùn)滑劑分子排列得更加緊密有序，提高了邊界膜的強(qiáng)度;二是隨著載荷的增加，油膜結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椤吧媳诿嫖綄?顆粒周?chē)綄?納米顆粒-下壁面吸附層”這種特殊形式，該形式大大提高了邊界膜的強(qiáng)度;三是隨著載荷的進(jìn)一步增加，在邊界膜破裂前，納米顆粒就已經(jīng)開(kāi)

6、始為邊界膜提供良好的支撐作用。
　　(4)發(fā)生凸峰接觸時(shí)，文中研究了軟質(zhì)Cu、硬質(zhì)金剛石和SiO2納米顆粒對(duì)凸峰接觸潤(rùn)滑摩擦特性的影響，主要考察了納米顆粒與摩擦副間的協(xié)同作用關(guān)系，以及納米顆粒對(duì)摩擦副機(jī)械特性的影響。研究證實(shí)了軟質(zhì)納米顆粒在摩擦表面間形成了固體潤(rùn)滑膜，模擬結(jié)果表明這層固體潤(rùn)滑膜有效承擔(dān)了摩擦副間的剪切作用，降低了摩擦副的塑性變形、內(nèi)部缺陷和溫度分布;硬質(zhì)納米顆粒有效地避免了摩擦表面的直接接觸，并具有“滾動(dòng)軸承”和“

7、拋光”效果，摩擦副的溫度和缺陷結(jié)構(gòu)大大降低;不管是硬質(zhì)還是軟質(zhì)納米顆粒，納米顆粒改善凸峰接觸潤(rùn)滑摩擦特性的效果隨著溫度的上升變得更加明顯。當(dāng)相對(duì)滑動(dòng)速度較高時(shí)，摩擦界面附近出現(xiàn)了“轉(zhuǎn)移層”，納米顆粒進(jìn)入“轉(zhuǎn)移層”，失去了抗磨減摩效果。
　　(5)通過(guò)研究納米顆粒對(duì)流動(dòng)特性的影響，以及納米流體流動(dòng)與換熱的耦合作用，進(jìn)一步明確了納米流體的強(qiáng)化換熱機(jī)理，最后對(duì)納米流體強(qiáng)化換熱與潤(rùn)滑摩擦的耦合作用機(jī)制進(jìn)行了闡述。結(jié)果表明:納米流體的速度脈