本节选择沟槽型织构以研究其对径向密封片摩擦损失的影响，织构类型如图4.27所示。图4.28 显示，径向密封片引导弧一侧的油膜压力总是较大，跟随弧一侧的油膜压力较小，表明织构能够减少空化区域。由上式可知，在上述织构区域，径向密封片和气缸之间高度发生了变化。由于径向密封片和气缸之间发生混合润滑，织构改变径向密封片和气缸之间的厚度，这会影响油膜厚度和综合粗糙度的比值，即膜厚比。......
2023-06-23
径向密封片与气缸摩擦损失分析 -> 气缸摩擦损失中的径向密封片分析
【摘要】：图4.8密封片和气缸之间油膜厚度变化图4.11引导燃烧室和跟随燃烧室内压力混合润滑情况下，径向密封片和气缸之间存在着油膜力和微凸体接触压力，两载荷随偏心轴转角的变化如图4.12所示。图4.13油膜和微凸体引起的摩擦力由图4.13可知，在一个循环内，微凸体摩擦力与微凸体接触力的变化趋势几乎相同，分别在微凸体接触力最大和最小的位置取得最大值和最小值。
1.摩擦损失随偏心轴转角的变化
在混合润滑情况下，径向密封片和气缸之间的径向压作用力由油膜和微凸体共同承担，其中油膜压力和微凸体接触压力在偏心轴转角为180°时的压力曲线如图4.7所示。
图4.7 180°时油膜压力和微凸体接触压力分布图
从图4.7可以看出，油膜压力在密封片引导弧一侧较大；在密封片跟随弧一侧因为发生空化，油膜压力较小。微凸体接触压力沿理论接触点对称分布。油膜压力和微凸体压力大小均会随着偏心轴转角变化，但是油膜和微凸体压力分布形式几乎不随偏心轴转角的改变而变化。
油膜厚度是反映径向密封片和气缸之间接触状态的重要参数，混合润滑情况下，径向密封片和气缸之间的油膜厚度如图4.8所示。从图4.8可以看出，随着偏心轴转角从0°（在排气口气缸长轴处）开始增加，油膜厚度逐渐上升，这与密封片径向压作用力下降有关，如图4.9所示。当偏心轴转角为270°时，径向压作用力取得了第一个局部极小值，油膜厚度也取得了第一个局部极大值。随着偏心轴转角继续增加，密封片所受径向压作用力开始上升，油膜厚度也随着径向压作用力的上升而逐渐下降，同时密封片滑动速度也开始上升，如图4.10所示。当偏心轴转角大于450°时，引导燃烧室内的压力快速上升，如图4.11所示，径向压作用力也会迅速上升。此时，油膜厚度会随着径向压作用力的迅速上升而下降。当引导燃烧室压力在661°偏心轴转角下达到了峰值，此时油膜厚度取得第一个局部极小值。随后引导燃烧室压力逐渐下降，油膜厚度也逐渐上升。当偏心轴转角为840°时，跟随燃烧室压力开始快速上升，油膜厚度快速下降。当偏心轴转角为1 018°时，跟随燃烧室压力达到最大值，油膜厚度取得第二个局部极小值。
图4.8 密封片和气缸之间油膜厚度变化
图4.9 密封片所受径向压作用力
图4.10 密封片的滑动速度
图4.11 引导燃烧室和跟随燃烧室内压力
混合润滑情况下，径向密封片和气缸之间存在着油膜力和微凸体接触压力，两载荷随偏心轴转角的变化如图4.12所示。
图4.12 油膜和微凸体所承受载荷
由图4.12可以看出，在一个循环之内，油膜力和微凸体接触压力的变化趋势与油膜厚度变化相反，在油膜厚度较大的地方取得较小值，在油膜厚度较小的地方取得较大值。当偏心轴转角从0°增加到270°时，油膜厚度呈现加速增大，油膜力和微凸体接触压力均呈现下降趋势，在此区间两载荷下降幅度几乎相同。当偏心轴转角从270°增加到560°时，油膜力和微凸体载荷随着偏心轴转角增大而上升，且载荷上升幅度相差不大。当偏心轴转角大于560°时，油膜力和微凸体接触压力均会迅速上升。在661°油膜厚度取得局部极小值，油膜力和微凸体接触压力分别取得局部极大值。值得注意的是，在偏心轴转角为563°～661°区间，油膜力的增加幅度远大于微凸体接触压力的增加幅度。这意味着油膜力和微凸体接触压力随着油膜厚度减小，两者载荷均增加，但是两者随着油膜厚度降低产生的增加幅度不同，油膜力的增加幅度要大于微凸体接触载荷的增加幅度。当偏心轴转角大于661°时，油膜力和微凸体接触压力迅速下降，油膜力下降幅度大于微凸体接触压力。在偏心轴转角为868°时，油膜力和微凸体接触压力分别下降到局部极小值。随着偏心轴转角的增大，油膜力和微凸体接触压力又迅速增大。在此区间段，微凸体接触压力增加幅度开始比油膜力增加幅度大。这又一次说明在油膜厚度较小时，油膜力对于油膜厚度的变化更敏感。在偏心轴转角为1 018°时，油膜力和微凸体接触压力分别取得了第二个局部极大值。随着偏心轴转角的继续增加，油膜力和微凸体接触压力随着油膜厚度增加而减少。随着油膜厚度的变化，两者在平衡径向压作用力的比重不断变化，当油膜厚度最小时，油膜厚度会在径向压作用力中占有较大比例。
油膜力和微凸体载荷变化会导致油膜和微凸体摩擦力变化，如图4.13所示。
图4.13 油膜和微凸体引起的摩擦力
由图4.13可知，在一个循环内，微凸体摩擦力与微凸体接触力的变化趋势几乎相同，分别在微凸体接触力最大和最小的位置取得最大值和最小值。在一个循环内油膜摩擦力取得两个局部极大值和两个局部极小值，但是其最大值与最小值并不与油膜力最大和最小值的偏心轴转角相同，其中主要原因是油膜摩擦力不仅与油膜力有关，还与径向密封片滑动速度有关，径向密封片滑动速度越大，油膜摩擦力也极易变大。在一个循环中，油膜摩擦力比微凸体摩擦力小很多。除了摩擦力外，滑动速度（图4.10）也是影响两者之间摩擦损失的一个重要因素。微凸体和油膜引起的摩擦损失如图4.14所示。
由图4.14可知，在一个循环中，油膜和微凸体引起的摩擦损失均会取得两个局部极大值和两个局部极小值。在一个循环中，油膜摩擦力引起的摩擦损失最大值和最小值比值是33，微凸体摩擦力引起摩擦损失最大值和最小值比值是18。油膜摩擦力和微凸体摩擦力引起的摩擦损失的平均值分别占密封片总摩擦损失的8%和92%。这意味着微凸体引起的摩擦损失是密封片摩擦损失的主要部分。
图4.14 油膜和微凸体摩擦力引起的摩擦损失
2.转速对径向密封片和气缸之间摩擦损失的影响
当小型转子发动机工作在不同转速下，其径向密封片和气缸之间的接触状态会发生较大变化。不同转速下径向密封片和气缸之间的径向压作用力变化规律如图4.15所示。从图4.15可以看出，径向密封片所受到的径向压作用力的变化趋势并不随着转速的变化而发生变化。在偏心轴转角为270°和810°时的两侧位置，转子发动机径向力合力几乎不变，这主要是由于此区域惯性力不受转速的影响且恒为零导致。随着转速从7 000r/min增加至17 000r/min，径向压作用力最大值持续增大，最小值则迅速减小，两者平均值总体上呈现增大趋势。
图4.15 转速对径向密封片径向压作用力的影响
径向密封片和气缸之间油膜厚度的变化如图4.16所示。由图4.16可知，油膜厚度变化趋势不随着转速的变化而变化，但是油膜厚度受转速影响。在径向压作用力最小位置，油膜厚度取得最大值。在径向压作用力最大位置，油膜厚度取得最小值。在270°偏心轴转角附近，转子发动机径向压作用力相差较小，但是油膜厚度相差很大。在661°偏心轴转角附近，转子发动机径向压作用力相差较大，油膜厚度相差却很小，主要原因是随着油膜厚度减小，油膜的刚度非线性快速增大。所以不同转速下，在偏心轴转角为661°和1 018°附近，径向压作用力取得局部极大值，油膜厚度几乎不随转速变化。在661°和840°偏心轴转角处，径向压作用力取得局部极小值，油膜厚度随转速变化较大。
图4.16 油膜厚度随转速的变化
不同转速下微凸体接触力如图4.17所示。由图4.17可知，微凸体接触力的变化趋势几乎不随转速变化，但是微凸体接触压力的最大值随着转速上升而下降。转速从7 000r/min增加至17 000r/min，微凸体接触压力的最大值总体呈现下降趋势。由此可知，随着转速升高，微凸体接触压力的两个局部极大值随着转速升高而小幅度降低，这会造成微凸体摩擦力减小。随着转速增大，微凸体接触压力局部极小值发生了大幅度降低。在油膜厚度较厚区域，随着转速增大，微凸体接触压力下降趋势更明显。虽然微凸体接触力最大值和最小值均随着转速升高而降低，但是微凸体载荷的平均值有所升高。转速从7 000r/min增加至17 000r/min，平均径向压作用力呈现增大趋势，微凸体的平均载荷虽然也呈现增大趋势，但增加程度缓慢。微凸体接触压力不随着转速升高而大幅度提高。由于在混合润滑情况下，径向压作用力由油膜力和微凸体接触压力共同承担，所以油膜力载荷会随着转速增大而大幅增大，转速从7 000r/min增加至17 000r/min，油膜力如图4.18所示。
由图4.18可知，油膜力的变化趋势几乎不受转速的影响。与微凸体载荷变化不同，在径向压作用力达到两个局部极大值位置，油膜力发生了明显增大。而在径向压作用力较小的位置处，油膜力却几乎不随着转速变化而变化。由此可以看出，转速对油膜力的影响比较大，这主要与油膜的动压效应有关，高转速会增强油膜动压效应。上述研究指出，油膜厚度较小时，动压效应的增强更加明显，这样增大油膜力在平衡径向压作用力的比重。油膜力在平衡径向压作用力的比重如图4.19所示。
图4.17 转速对微凸体接触载荷的影响
图4.18 转速对油膜力载荷的影响
图4.19 油膜力在平衡径向压作用力的比重
由图4.19可知，在一个循环之内，油膜与径向压作用力之比变化比较复杂，分别会取得多个局部极小值和局部极大值。随着转速增大，油膜力与径向压作用力之比增大。在径向压作用力取得局部极大值的661°和1 018°偏心轴转角处，油膜力所占比例出现了小幅增大，但是在径向压作用力取得局部极小值的270°和840°偏心轴转角处，油膜压力与径向压作用力比值出现了大幅增大。这主要是径向压作用力在661°和1 018°偏心轴转角处的值较大，油膜力的增大与径向压作用力合力之比不明显。随着转速从7 000r/min增加至17 000r/min，油膜力与径向压作用力之比的平均值从0.38增加至0.59，这就意味着随着转速的增大，油膜力在平衡径向压作用力中的作用增大，微凸体接触压力作用降低。
上述微凸体接触压力和油膜力的变化均会导致其所对应的摩擦力变化。微凸体接触压力所引起摩擦力的变化如图4.20所示。由图4.20可知，微凸体摩擦力变化和微凸体接触压力变化基本一致。转速变化几乎不影响微凸体摩擦力变化趋势，微凸体摩擦力平均值随着转速增大而增加。
图4.20 转速对微凸体摩擦力的影响
转速对油膜摩擦力的影响如图4.21所示。由图4.21可知，随着转速增大，油膜摩擦力逐渐增大。油膜摩擦力在速度较大的540°和1 080°偏心轴转角附近会发生大幅增大；在270°和810°偏心轴转角附近，油膜摩擦力增大趋势不明显。
图4.21 转速对油膜摩擦力的影响
转速对微凸体引起的摩擦损失的影响如图4.22所示。由图4.22可知，转速对微凸体引起摩擦损失的影响较大，虽然其在摩擦功率的局部极小值处并没有发生明显变化，但是在远离局部极小值下偏心轴转角位置后，其摩擦损失迅速上升。在摩擦损失最大值处，摩擦功率随着转速增大而大幅增加，这就意味着针对微凸体所引起的摩擦损失降低措施很有必要。
图4.22 转速对微凸体引起摩擦损失的影响
转速对油膜摩擦损失的影响如图4.23所示。由图4.23可以看出，随着转速增大，油膜摩擦损失的局部极小值不发生明显变化，但是在远离局部极小值后，其摩擦损失迅速增大，在局部极大值处，其增加幅度也达到最大。随着转速从7 000r/min增加至17 000r/min，油膜摩擦损失功率局部极大值逐渐增大。由此可以看出，虽然油膜所产生的摩擦会发生大幅增加，但是与微凸体摩擦相比，油膜引起的功率损失较小。所以针对微凸体所引起的摩擦损失降低措施很有必要。不同转速下径向密封片和气缸之间的总功率损失如图4.24所示。
图4.23 转速对油膜摩擦损失的影响
由图4.24可以看出，随着转速增大，径向密封片和气缸之间摩擦损失功率发生明显增大，随着转速从7 000r/min增加到17 000r/min，其平均功
图4.24 转速对径向密封片和气缸之间摩擦损失的影响
率损失增大。其中，微凸体所引起的功率损失亦呈现增大趋势，微凸体所引起的功率损失是径向密封片摩擦损失的重要组成部分。微凸体产生的摩擦力除了引起功率损失急剧增大以外，也会导致径向密封片磨损。随着偏心轴转速变化，在一个循环内，摩擦损失的局部极大值并不随着转速变化而变化，这就造成径向密封片和气缸容易在某一固定位置发生磨损。径向密封片顶部的摩擦损失随着摆动角变化如图4.25所示。
图4.25 径向密封片顶部的摩擦损失随着摆动角变化
由图4.25可知，此小型转子发动机径向密封片在一个循环之中，引导弧一侧的摩擦损失功率总是大于跟随弧一侧的摩擦损失功率。由于摩擦损失功率主要是微凸体引起的，微凸体之间摩擦容易引起磨损，由此可以看出容易发生后偏磨。
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