三角转子发动机径向密封片的摩擦学分析

第10卷第3期 重庆科技学院学报(自然科学版) 2008年6月 三角转子发动机径向密封片的摩擦学 贺泽龙 刘成俊张宓杨波 (重庆科技学院，重庆401331) 摘要：根据线接触润滑状态图，对径向密封片进行了摩擦学分析。用UGGrip编写了计算程序，得出径向密封片 最小油膜厚度分布规律。 关键词：径向密封片；最小油膜厚度；赫兹接触压力；线接触 中图分类号：U464：TGl34．3 文献标识码：A 文章编号：1673—1980(2008)03—0050—04 0前言 径向密封是三角转子发动机一个关键技术。径 向密封片与气缸型面接触处润滑和散热比较困难，摩 擦磨损相对较为严重，对三角转子发动机的气缸几何 精度、工作室的密封及寿命有极大的影响。如果磨损 过量则会影响到转子发动机的整机性能和整机寿命。 因此随时掌握该径向密封片与气缸接触的摩擦磨损 状态对提高转子发动机的运行性能十分重要。 实际上，径向密封片在气缸运转过程中，与其接 触的气缸轮廓形状在不断变化，各状态参数如压应 力、接触区、曲率半径也随时间而改变。三角转子发 动机在偏心主轴从一3兀／2到97(／2，共6兀的转角范 围内，完成内燃机吸气、压缩、膨胀作功和排气的四 个冲程，相当于径向密封片沿气缸型面滑动一周，径 向密封片顶部接触部位从中间开始，经过右边一中 间一左边个摆动两个来回，摆动角四次达到极大值。 ∞。。一arcsin(3／K) 式中K为形状系数。 径向密封片与气缸的接触部位与偏心主轴转角 的对应关系是： o 中部(--3兀／2)一右部(一詈批cOs(一3／K))一中 厶 。部(o)一左部(丢删s(一3／K))一中部(3√2)一右 厶 部(2arccos(--3／K))一中部(3丌)一左部 (4arced(--3／K))～右部(9∥2)。 为了使径向密封片与气缸实际型面始终保持在 圆弧段接触，而且在理论上无窜动，径向密封片的理 论厚度hbL1J： hb一2“si％一6a／K 可以得出，当K值一定时，平移距就是决定径 向密封片宽度的唯一因素。但是，径向密封片的实 际厚度应略大于理论厚度饥，因为在使用新径向密 封片时，若密封片的厚度为理论厚，则新径向密封片 的锐利边缘会刮伤气缸型面。如果所用的新径向密 封片厚度略大于理论厚度，则径向密封片两边顶部 圆弧就不会与气缸型面接触而刮伤气缸型面，这对 发动机寿命大有好处。当然，径向密封片的实际厚 度也不宜过大，否则就会使径向密封片顶部受力过 大，同时也会使径向密封片磨合后顶部实际圆弧半 径过大，而引起密封片径向窜动过大。在本文中计 算所用径向密封片厚度为理论厚度。 1径向密封片的受力分析 三角转子发动机径向密封片受到气缸气体的压 力，径向惯性力和切向惯性力，底部受弹簧作用力和 气缸型面的摩擦力，如图1所示。 1．1径向密封片所受的气体作用力 转子处于燃烧上止点位置时，径向密封片的顶 部、侧面和底部三处受到不同气压的气体作用力。侧 面和底部的气压力与径向密封片的侧隙大小有关。 三角转子发动机工作腔压力如图2所示[2]。 收稿日期：2007—12—20 基金项目：重庆市教委资助项目(KJ051406) 作者简介：贺泽龙(1969一)，男，重庆大足人，副教授，博士，主要研究方向为内燃机及摩擦学。 ·50· 万方数据 贺泽龙，刘成俊，张宓，杨波：三角转子发动机径向密封片的摩擦学分析 图l径向密封片受力分析 一2／u一909u 270 450 630810 990 l170 偏心轴转角／(。’ 图2气缸压力曲线 (1)顶部所受的气体压力： PgT—L[夕：(--aSin9)+户，(每+nsin妒)] (2)侧面所受的气体压力： P。。一Lhk。P，一Lh。P． (3)底部所受的气体压力： P出一LhbkBp2 其中：P：一高压工作室的压力，Pa； P。一低压工作室压力，Pa； L一径向密封片长度，m； h。一径向密封片的厚度，m； 口一径向密封片顶部圆弧半径，m； ^。一径向密封片在槽中突起高度，m’ h一径向密封片的高度，m； k。一径向密封片侧面平均气压降低系数； kB一径向片底部气压降低系数；kB0 但如果径向合力F太大，则密封片顶部与气缸 型面之间磨损会增大，且机械效率低，将导致转子发 动机的寿命缩短及动力性和经济性下降。 2最小油膜厚度计算 转子发动机径向密封片与气缸接触是线接触摩 擦副的问题。人们提出了从刚性等粘度润滑到弹性 变粘度润滑各种不同的润滑理论，因而得出了不同 的最小油膜厚度计算公式。然而，这些公式都有各 自的适用范围。如果超出一定的参数范围来使用， 必将产生较大的误差。 为了方便工程计算，有必要划分各种润滑状态 区并标明各种润滑公式的应用范围。Hooke于 1977年根据Johson的研究进一步改进编制了线接 触润滑状态图(如图3所示)。他采用一组统一无量 · 5】 · 万方数据 贺泽龙，刘成俊，张宓，杨波：三角转子发动机径向密封片的摩擦学分析 ／ ：∞f Rv区 ／ ／ ／／ 矿 RI区 弹性参数g． 图3线接触润滑状态图 纲的参数，从刚性等粘度润滑到弹性变粘度润滑各 种不同的润滑理论，相应地得出了四个区不同的油 膜厚度计算公式[3]，每个公式仅只适用于一种润滑 状态。计算时，要先从此图上查出所算工况属于何 种润滑状态，然后才能按润滑状态选用合适的公式 进行相应的计算。这一组统一无量纲的参数共有三 个，即膜厚参数、弹性参数和粘性参数。 (1)膜厚参数hf，

表

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示实际最小油膜厚度与刚 性润滑理论相比较的大小。 h，一垒型!!盟1 Voup (2)粘性参数g，，表示润滑油的粘度随压力变 化的大小。 圹(等)V2 (3)弹性参数g。，表示表面弹性变形的大小。 go=＼功F西Nz)V2 弹流润滑状态图把线接触润滑状态分成四个区 域，分别是刚性等粘度区、刚性变粘度区、弹性等粘 度区和弹性一变粘度区。 刚性等粘度区(R—I)Martin公式： hf=4．9 刚性变粘度区(I己一V)Blok公式： hf=1．669．，2／3 弹性等粘度区(E．I)Hooke公式： hf=3．019o·8e 弹性变粘度区(E--V)Dowson--Higginson公式； hf=1．u6ur-g，0759。吨25 式中：口。一润滑油粘压系数，Pa．1； 抽一

标准

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大气压下的油粘度，Pa·s； FB一单位长度载荷，N； “一径向密封片相对速度，m／s； p一综合曲率半径，m} · 52· E一当量弹性模量，GPa； hmm一最小油膜厚度。m。 D：2；L二卫 BP2 式中：P，一径向密封片接触点处曲率半径，m； n一气缸接触点处曲率半径，m； 广——————————————F fD2一√9扩+R2+6eRc08号a+以 F、=rF 上：土fL簟一生二逢1 E 2＼E1 E2 ／ 式中：卢。一径向密封片材料泊松比； 心一气缸材料泊松比； E，一径向密封片材料弹性模量，GPa E一气缸材料弹性模量，GPa。 利用UGGrip进行程序设计，得出径向密封片 的最小油膜分布如图4所示。 O2．卜j了j≯可彳—矗—守—戎—蕾广百F1百1 图4径向密封片最小油膜厚度分布 由图4可以看出，径向密封片中部油膜较大，不 容易磨损，而两边油膜较小，非常容易磨损。这就是 径向密封片容易产生偏磨的原因。这与径向密封片 的实际磨损分布相符。由于气体压力和温度对径向 密封片顶部圆弧的前方和后方的摩擦力变化与润滑 条件有较大的差别而造成了这种偏磨现象。 3结论 由于径向密封片两侧与气缸接触时，润滑油膜 极薄，容易产生偏磨现象。为了减小这种偏磨现象， 可采用以下措施： (1)径向密封片的侧隙宜小，可以使侧面摩擦力 Fm、底部气体压力F邸和径向密封片与气缸间的接 触力F不会过大，保证有较好的油膜厚度。但侧隙 也不能太小，应保证密封槽底有足够的压力使 F>0，从而保证密封。 万方数据 贺泽龙，刘成俊，张宓。杨波：三角转子发动机径向密封片的摩擦学分析 (2)径向密封片厚度h。和高度h宜小，可以使 Fm、FgB和F不过大，保证有较好的油膜厚度。但 h。和h也不能过小，需保证密封片长期运转而不致 断裂。 (3)径向密封片与槽壁的摩擦系数尽可能小，因 而要求接触面加工精度和表面粗糙度要严格。 参考文献 E1]P法。余乃彪．三角转子发动机EM]．北京：国防工业出版 社，1990． [2]郭峥．微转子发动机的三区准维模型燃烧计算研究[J]． 内燃机工程，2006，27(2)：20-24． [3]温诗铸．摩擦学原理[M]．北京：清华大学出版社，1990． TheFrictionAnalysisoftheRadialAirproofPatchoftheTriangleRotorEngine HEZe-longLIUCheng-junZHANGMiYANGBo (ChongqingUniversityofScienceandTechnology，Chongqing401331) Abstract：Accordingtothelubricationstatediagramofthelinecontacting，thefrictionoftheradialairproof patchisanalyzedandprogrammedwithUGGrip．Thedistributingruleoftheleastoilfilmthicknessis gained． Keywords：theradialairproofpatch；theleastoilfilmthickness；theHertzcontactedstress；thelinecon— tacting (上接第42页) 物膜污水处理反应器中的生物填料。 (2)经处理后炭纤维活性污泥固着大幅提高的 现象，不是由于微生物吸附进入炭纤维表面微孔，而 主要是表面粗糙度影响的结果。 (3)经刻蚀后炭纤维表面形成的活性碳原子对 表面固着有促进作用。电化学作用形成的少量表面 官能团能促进纤维基体于水的亲和，改善微生物的 固着环境。但是表面官能团能否促进微生物在炭纤 维表面的生长需要我们进一步探索。 参考文献 [1]顾国维水污染治理技术研究[M1上海：同济大学出版社．1997． [2]刘存平．Pan基碳纤维对微生物固着的研究[J]．材料开 发与应用，2007(5)：32． E3JHo&nRC．RayAnEffectofThicknessonBacterialFilm EJ]．War．Pollut．ControlFed，1971。45；2302-2320． [4]HuangJC，LiuYCRelationshipbetweenQ昭e11Fluxand 13iofilmPe慨nce|J]．War．SdTechno，1993(7)：153-158． E5]贺福，王茂章．炭纤维及其复合材料[M]．北京：科学出版 社，1995。113—152． [6]立本英机，安部郁夫．活性炭的应用技术[M]．南京：东 南大学出版社，2002．23-53． [7]刘杰，何振坤，王绍堂，等．炭纤维生物膜的形成机制 Ⅱ——炭纤维表面特性对微生物活性与增殖的影EJ]．新 型炭材料，2003(1)：43-47． [8]刘鸿鹏．吕春祥，李永红．电化学表面处理PAN基炭纤 维的表面性能研究[J]．新型炭材料，2005(1)：39—40． TheAppliedResearchofCarbonFibersinTheEnvironment LIUCun—pin91ZENGLi 2 CENZhen—zhan93 (1．YibinVocationalandTechnicalCollege，Yibin644003；2．AncientSouthliquidLtdof Yibin，Yibin644003；3．SouthwestJiaotongUniversity，Chengdu610031) Abstract：Thecurrentexperimentindicatesthattheactivatedsludgecontainsabundantmicroorganism．It canbeimmobilizedonthesurfaceofPAMbasedcarbonfiber(CF)morewhenthecarbonfiber’Ssurface WaSmodifiedbyusingelectrochemicaloxidation．Themaininfluencefactorswhichcontrolactivatedsludge immobilizationareanalyzed．Inconclusion，SEMresultindicatesthatsurfaceroughnessisthemostsignifi— cantimpact．Theexistenceofactivecarbonatomiconsurfacecanincreasetheamountofbiofilm． Keywords：carbonfiber；activatedsludge；microorganismimmobilization · 53· 万方数据 三角转子发动机径向密封片的摩擦学分析 作者： 贺泽龙， 刘成俊， 张宓， 杨波， HE Ze-long， LIU Cheng-jun， ZHANG Mi， YANG Bo 作者单位： 重庆科技学院,重庆,400042 刊名： 重庆科技学院学报(自然科学版) 英文刊名： JOURNAL OF CHONGQING UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY(NATURAL SCIENCES EDITION) 年，卷(期)： 2008,10(3) 被引用次数： 1次 参考文献(3条) 1.温诗铸 摩擦学原理 1990 2.郭峥 微转子发动机的三区准维模型燃烧计算研究[期刊论文]-内燃机工程 2006(02) 3.卢法;余乃彪 三角转子发动机 1990 本文读者也读过(10条) 1. Roger N．Wright.李居强.张俊杰 V型裂纹在金属丝拉拔过程中的扩展机理[会议论文]-2004 2. 贺泽龙.刘成俊.张宓 三角转子发动机径向密封片磨损的动态仿真[会议论文]-2007 3. 吴兴刚.李大成.姜晓光.苏晓.WU Xing-gang.LI Da-cheng.JIANG Xiao-guang.SU Xiao 钼丝劈裂成因分析[期刊 论文]-中国钼业2007,31(1) 4. 李大成.卜春阳.赵宝华 钼丝断裂行为研究[期刊论文]-中国钼业2003,27(6) 5. 王武刚.吕玉山.WANG Wu-gang.L(U) Yu-shan 摆式抛光机的运动摩擦学分析[期刊论文]-现代制造工程2009(1) 6. 李居强 钢丝拉拔后的应力消除[会议论文]-2007 7. 王志宽.程颖.左正兴 转子发动机燃烧相位角对偏心轴扭矩的影响[会议论文]-2010 8. 崔大鹏.姚英学.秦冬黎 一种新型结构陀螺转子偏角检测方法的研究[会议论文]-2008 9. 韩强.HAN Qiang 冷拉拔工艺对稀土钼丝力学性能的影响[期刊论文]-中国钼业2007,31(3) 10. 王金顺.亓宝生.赵国荣.孙明.李述贵 英格索兰压缩机转子故障分析[期刊论文]-设备管理与维修2004(10) 引证文献(1条) 1.贺泽龙.刘成俊.张宓 三角转子发动机径向密封片磨损的动态仿真[期刊论文]-重庆交通大学学报（自然科学版） 2008(5) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_cqsygdzkxxxb200803018.aspx