本文關(guān)鍵詞：納米潤(rùn)滑油改善內(nèi)燃機(jī)活塞組—?dú)飧滋诐?rùn)滑摩擦熱物理機(jī)制研究

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【摘要】：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)分開進(jìn)行研究。分子動(dòng)力學(xué)(MD)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)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)椤邦惞虘B(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)：一是納米顆粒周圍致密的吸附層使得潤(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?顆粒周圍吸附層-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Si02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“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：納米流體的速度脈動(dòng)相對(duì)于基礎(chǔ)流體增強(qiáng),納米顆粒與連續(xù)相間存在速度滑移；納米顆粒微運(yùn)動(dòng)和導(dǎo)熱系數(shù)增加對(duì)納米流體對(duì)流換熱性能提高的貢獻(xiàn)比例相當(dāng)；納米流體的強(qiáng)化換熱特性有助于改善活塞組-氣缸套的摩擦磨損。
【關(guān)鍵詞】：內(nèi)燃機(jī)活塞組-氣缸套 納米潤(rùn)滑油 分子動(dòng)力學(xué) 潤(rùn)滑摩擦 強(qiáng)化換熱
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TK401
【目錄】：

• 授權(quán)4-6
• ABSTRACT6-24
• 1 緒論24-45
• 1.1 研究背景與意義24-29
• 1.1.1 課題研究的背景及實(shí)際意義24-27
• 1.1.2 課題研究的理論價(jià)值27-29
• 1.2 國(guó)內(nèi)外相關(guān)工作研究進(jìn)展29-41
• 1.2.1 納米潤(rùn)滑油改善潤(rùn)滑摩擦物理機(jī)制的實(shí)驗(yàn)研究29-36
• 1.2.2 納米潤(rùn)滑油改善潤(rùn)滑摩擦物理機(jī)制的CFD研究36-37
• 1.2.3 納米潤(rùn)滑油改善潤(rùn)滑摩擦物理機(jī)制的MD研究37-39
• 1.2.4 納米潤(rùn)滑油在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用研究39-41
• 1.3 當(dāng)前研究中存在的問(wèn)題與不足41-42
• 1.4 本文主要研究思路與內(nèi)容42-45
• 2 分子動(dòng)力學(xué)模擬理論基礎(chǔ)45-62
• 2.1 MD模擬原理45
• 2.2 勢(shì)函數(shù)的選取及依據(jù)45-51
• 2.3 邊界條件的選擇51-52
• 2.4 系綜的選用52-53
• 2.5 溫度控制方法53-55
• 2.6 原子運(yùn)動(dòng)方程的求解55-56
• 2.7 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法的選擇及建立56-60
• 2.8 MD方法的可靠性驗(yàn)證60-61
• 2.9 MD應(yīng)用軟件及計(jì)算硬件條件61
• 2.10 本章小結(jié)61-62
• 3 流體潤(rùn)滑狀態(tài)下納米潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑摩擦特性研究62-89
• 3.1 模擬模型的建立63-67
• 3.1.1 氬基流體光滑表面模擬模型63-64
• 3.1.2 氬基流體非平表面模擬模型64-66
• 3.1.3 有機(jī)流體光滑表面模擬模型66
• 3.1.4 有機(jī)流體非平表面模擬模型66-67
• 3.2 勢(shì)函數(shù)67-68
• 3.3 計(jì)算過(guò)程68
• 3.4 氬基模擬結(jié)果分析68-79
• 3.4.1 光滑表面結(jié)果分析68-76
• 3.4.2 非平表面結(jié)果分析76-79
• 3.5 有機(jī)流體模擬結(jié)果分析79-83
• 3.5.1 光滑表面結(jié)果分析79-82
• 3.5.2 非平表面結(jié)果分析82-83
• 3.6 液氬和有機(jī)流體分別作為基礎(chǔ)液的結(jié)果對(duì)比83
• 3.7 不同溫度下的潤(rùn)滑摩擦特性83-86
• 3.8 流體潤(rùn)滑狀態(tài)下納米潤(rùn)滑油影響潤(rùn)滑摩擦特性的熱物理機(jī)制及其在活塞組-氣缸套中的應(yīng)用分析86-87
• 3.9 本章小結(jié)87-89
• 4. 薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)下納米潤(rùn)滑油的潤(rùn)滑摩擦特性研究89-103
• 4.1 模擬模型的建立89-90
• 4.2 勢(shì)函數(shù)90-91
• 4.3 計(jì)算過(guò)程91
• 4.4 計(jì)算結(jié)果與分析91-96
• 4.4.1 基礎(chǔ)流體和納米流體潤(rùn)滑摩擦特性的對(duì)比91-94
• 4.4.2 滑動(dòng)速度對(duì)潤(rùn)滑摩擦特性的影響94-95
• 4.4.3 納米顆粒種類對(duì)潤(rùn)滑摩擦特性的影響95-96
• 4.5 薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)下納米顆粒影響潤(rùn)滑摩擦特性的物理機(jī)制96-101
• 4.6 薄膜潤(rùn)滑狀態(tài)下納米潤(rùn)滑油在活塞組-氣缸套中的應(yīng)用分析101-102
• 4.7 本章小結(jié)102-103
• 5. 邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下納米顆粒對(duì)潤(rùn)滑摩擦特性的影響103-167
• 5.1 納米顆粒對(duì)邊界潤(rùn)滑膜承載能力的影響104-119
• 5.1.1 模擬模型的建立105-106
• 5.1.2 勢(shì)函數(shù)106-107
• 5.1.3 計(jì)算過(guò)程107
• 5.1.4 軟質(zhì)納米顆粒對(duì)邊界潤(rùn)滑膜承載能力的影響107-115
• 5.1.5 硬質(zhì)納米顆粒對(duì)邊界潤(rùn)滑膜承載能力的影響115-119
• 5.2 納米顆粒對(duì)凸峰接觸潤(rùn)滑摩擦特性的影響119-140
• 5.2.1 模擬模型的建立120-121
• 5.2.2 勢(shì)函數(shù)121
• 5.2.3 計(jì)算過(guò)程121-122
• 5.2.4 軟質(zhì)納米顆粒對(duì)凸峰接觸潤(rùn)滑摩擦特性的影響122-132
• 5.2.5 硬質(zhì)納米顆粒對(duì)凸峰接觸潤(rùn)滑摩擦特性的影響132-140
• 5.3 納米顆粒對(duì)凸峰接觸溫度分布的影響140-162
• 5.3.1 模擬模型的建立141-142
• 5.3.2 勢(shì)函數(shù)142
• 5.3.3 計(jì)算過(guò)程142-143
• 5.3.4 軟質(zhì)納米顆粒對(duì)凸峰接觸溫度分布的影響143-156
• 5.3.5 硬質(zhì)納米顆粒對(duì)凸峰接觸溫度分布的影響156-162
• 5.4 邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下納米潤(rùn)滑油影響潤(rùn)滑摩擦特性的熱物理機(jī)制及其在活塞組-氣缸套中的應(yīng)用分析162-165
• 5.5 本章小結(jié)165-167
• 6. 納米流體的流動(dòng)和換熱特性研究167-187
• 6.1 納米顆粒對(duì)流動(dòng)特性的影響168-174
• 6.1.1 模擬模型的建立168-169
• 6.1.2 勢(shì)函數(shù)169
• 6.1.3 計(jì)算過(guò)程169
• 6.1.4 納米顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)169-172
• 6.1.5 納米顆粒與連續(xù)相間的速度滑移172-173
• 6.1.6 連續(xù)相的速度脈動(dòng)173-174
• 6.2 納米流體流動(dòng)和換熱特性的耦合計(jì)算174-184
• 6.2.1 模擬模型的建立174-175
• 6.2.2 勢(shì)函數(shù)175-176
• 6.2.3 計(jì)算過(guò)程176-177
• 6.2.4 液氬作為基礎(chǔ)液時(shí)等效導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算177-180
• 6.2.5 液氬作為基礎(chǔ)液,熱物性變化和納米顆粒微運(yùn)動(dòng)對(duì)對(duì)流換熱性能提高的貢獻(xiàn)比例180-182
• 6.2.6 有機(jī)流體作為基礎(chǔ)液對(duì)液氬計(jì)算結(jié)果的進(jìn)一步驗(yàn)證182-184
• 6.3 納米潤(rùn)滑油強(qiáng)化換熱特性對(duì)活塞組-氣缸套潤(rùn)滑摩擦特性的影響分析184-185
• 6.4 本章小結(jié)185-187
• 7. 結(jié)論與展望187-193
• 7.1 結(jié)論187-191
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)摘要191-192
• 7.3 展望192-193
• 參考文獻(xiàn)193-208
• 攻讀博士學(xué)位期間科研項(xiàng)目及科研成果208-211
• 致謝211-212
• 作者簡(jiǎn)介212

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本文編號(hào)：756852