单缸机室温冷启动的摩擦磨损研究

第３７卷第２期　２０１６年２月　中国农机化学报　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ　Ｖｏ１．３７　Ｎｏ．２　Ｆｅｂ．　２Ｏｌ６　

单缸机室温冷启动的摩擦磨损研究＊　

徐元栋　，谷丰收　，王铁　，魏娜莎　，杨龙杰　

（１．太原理工大学机械工程学院车辆工程系，太原市，０３００２４；　２．哈德斯菲尔德大学工程与效能中心，曼彻斯特，ＨＤ１　３ＤＨ）　

摘要：为研究单缸机室温冷启动活塞与缸套间摩擦磨损情况，进行单缸机室温无负荷冷启动摩擦磨损试验，试验结果表明　随着润滑油温度的升高，良好油膜形成，缸体处振动ＲＭＳ（Ｒｏｏｔ　Ｍｅａｎ　Ｓｑｕａｒｅ）与声发射（Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｅｍｉｓｓｉｏｎ，ＡＥ）ＲＭＳ逐　渐降低，活塞与缸套间摩擦磨损减弱，润滑性能提升，通过小波分析，提取出活塞与缸套之间摩擦磨损振动与声发射信号　主要的工作频率带，为进一步研究活塞与缸套之间的摩擦磨损提供参考。　关键词：单缸机；摩擦磨损；冷启动；小波分析；振动；声发射　中图分类号：Ｕ４６３．３２　文献标识码：Ａ　文章编号：２０９５—５５５３（２０１６）０２—０１５６—０４　

徐元栋，谷丰收，王铁，魏娜莎，杨龙杰．单缸机室温冷启动的摩擦磨损研究［Ｊ］．中国农机化学报，２０１６，３７（２）：１５６～１５９　Ｘｕ　Ｙｕａｎｄｏｎｇ，Ｇｕ　Ｆｅｎｇｓｈｏｕ，Ｗａｎｇ　Ｔｉｅ，Ｗｅｉ　Ｎａｓｈａ，Ｙａｎｇ　Ｌｏｎｇｊ　ｉｅ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｅａｒ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｐｉｓｔｏｎ　ｅｎｇｉｎｅ　ｉｎ　ｃｏｌｄ　ｓｔａｒｔｉｎｇ　ａｔ　ｒｏｏｍ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ　Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ，２０１６，３７（２）：１５６～１５９　

０　引言　

随着环境保护意识的日益增强，国家法律法规的　要求日渐提高，消费者对车辆经济性、动力性和可靠性　

的要求越来越高，各大发动机厂商对燃油经济性和排　放性的要求也越来越高，改善发动机冷启动磨损情况，　

减少各部件间的摩擦磨损，提高发动机各项性能就变　得势在必行。发动机的使用寿命，主要决定于气缸壁　

与曲轴颈的磨损程度，通常气缸壁最大允许磨损量为　气缸直径的０．１２５　～０．５　，如超过上述极限时，平　

均有效压力下降，机油耗率增加，所以发动机活塞与汽　缸壁摩擦损失的研究显得更为重要［１　］。　本文以单缸柴油机为研究目标，进行发动机摩擦磨　

损的研究，重点关注活塞与缸套之间的摩擦磨损。针对　试验的振动与声发射信号，普通的信号时频分析方法难　

以得到较好的结果，因此采用小波分析对信号进行分析　处理，小波变换的优势在于对于高频率的信号，时间间　隔相对较小，可给出较好的精度；而对于低频的信号，时　

间间隔相对较宽，可以给出较完全的信息。　

１　冷启动气缸壁磨损机理　

１．１　粘着磨损以及磨粒磨损　当摩擦表面相对运动时，由于粘着作用使两表面　的材料由一个表面转移到另一个表面而引起的机械磨　

损现象，统称粘着磨损。由塑性理论可知：发动机气缸　壁与活塞环是塑性接触，当牵引力作用这两者时，两个　表面产生了相对滑动，粘着点的面积增加。发动机磨　

损机理的第一阶段就是粘着点的形成，但是在第一阶　段气缸壁与活塞环并没有产生材料的实际磨损；随着　

磨损的进行，在接触面内的粘结区域，在剪切力的作用　下，气缸壁磨损的微粒移附到活塞环的表面。这些微　粒大部分吸附在活塞环表面，这就形成了发动机磨损　

机理的第二个阶段；工作工程中，微粒团在气缸壁表面　不断形成，在周围温度的影响下，当其弹性能刚好超过　

表面能时，微粒团开始发生崩落，这时的成团微粒的表　面能由于周围环境温度的降低而大大降低，这为粘着　

磨损的最后阶段。粘附磨损体系和它周围的环境处于　

一种动力学平衡状态中，当发动机工作状态参数变化　时，气缸壁表面因润滑油中含有的活性成分的氧化反　应而生成的氧化膜和破裂之间的动态平衡被破坏，导　

致气缸壁表面的磨损突然从低磨损改变到高磨损　阶段　］。　

１．２　腐蚀磨损　腐蚀也是造成发动机气缸壁与活塞环之间磨损的　主要原因之一。当发动机冷却后，燃烧产物中ｃｏ　和　

Ｈ　Ｏ合成的碳酸也冷凝在气缸壁上，产生腐蚀物（如　

收稿日期：２０１４年９月５日　修回日期：２０１４年９月３０日　＊基金项目：国家自然科学基金（５１３７５３２６）——基于声发射分析替代燃料柴油机摩擦磨损诊断的研究　第一作者：徐元栋，男，１９８８年生，山东青岛人，硕士研究生；研究方向为车辆振动噪声信号分析处理。Ｅ　ｍａｉｌ：ｔａｎｇｄｏｎｇｌ０１０＠ｓｉｎａ．ｃｏｒｎ　通讯作者：谷丰收，男，１９５７年生，山西襄汾人，教授，博导；研究方向为信号分析处理，故障诊断研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｅｎｇｓｈｏｕ—ｇｕ＠ｈｏｔｍａｉｌ．ｃｏｒｎ

　中国农机化学报　

６　０００～２４　Ｏ００Ｈｚ，由于试验数据较多，因此选取试验　

开始、中间和结束三个时间点加速度信号的小波分析　结果说明摩擦磨损的频带。　

图５不同工作时间振动信号各频率带的ＲＭＳ　Ｆｉｇ．５　ＲＭＳ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒａｎｇｅ　ｆｒｏｍ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｔｉｍｅ　

由频带６　０００￣２４　０００Ｈｚ的振动ＲＭＳ看出，随着　

试验时间的增加，即润滑油温度的升高，振动的ＲＭＳ　明显减小，这是因为刚启动时，润滑油温度较低，润滑　

油的运动粘度较大，流动性较坏，造成发动机活塞与缸　套接触面之间供油不足，形成半干摩擦或干摩擦　］，随　

着温度的升高，飞溅润滑效果变好，总体润滑性能变　好，接触面形成良好油膜，振动得以改善。　

３．２声发射信号分析　声发射是指材料或构件内部的局部区域，在外界　

（应力、温度等）影响下，伴随能量快速释放而产生的瞬　态应力波现象。当碰撞、摩擦发生时，常伴有较强的声　

发射信号产生，作为一种新的无损检测手段，声发射技　

术显示出了它的优越性，可以充分利用声发射技术灵　敏、动态检测、便于故障定位等优点，来实现碰撞、摩擦　的早期故障诊断ｒ１　。　

图６润滑油温度与声发射ＲＭＳ变化　Ｆｉｇ．６　Ｃｈａｎｇｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｕｂｒｉｃａｔｉｎｇ　ｏｉｌ　ａｎｄ　ＲＭＳ　ｏｆ　ｔｈｅ　ＡＥ　

如图６所示，随着润滑油温度的升高，声发射　ＲＭＳ的趋势逐渐降低，由于声发射信号主要由发动机　各部件碰撞、摩擦产生，在缸体处的声发射传感器采集　的主要是活塞与缸套之间的碰撞、摩擦，对于两者之间　

的摩擦磨损更具有说服力。　

对各时间点的声发射信号进行小波变换，选取的　小波基为ｓｙｍ５，分解层数为９，选取试验开始、中间和　结束三个时间点ＡＥ信号的小波分析结果说明摩擦磨　损的频带Ｅｌｌ－ｉｓ］。　

图７不同工作时间ＡＥ信号各频率带的ＲＭＳ　Ｆｉｇ．７　ＲＭＳ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｒａｎｇｅ　ｆｒｏｍ　ＡＥ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｔｉｍｅ　

由图７可知，频带为６２　５００～５００　Ｏ００Ｈｚ的声发　

射信号的ＲＭＳ变化明显，油膜从无到有，活塞与缸套　的润滑从坏变好的过程得以被充分说明，发动机室温　启动，润滑油温度较低，运动粘度较大，飞溅润滑效果　

差，不能形成良好油膜，活塞与缸体之间为典型粘着磨　

损，摩擦磨损较为严重，由此产生的声发射信号较大，　随着润滑油温的升高，良好油膜形成，摩擦磨损进入第　

二阶段，整体润滑性能得以改善　

４　结论　

发动机室温冷启动，润滑油温度较低，运动粘度较　大，飞溅润滑效果较差，活塞与缸套之间摩擦磨损严重，　

宜对润滑油采用保温、电暖等措施，提高发动机启动时　润滑油温度，从而改善发动机室温启动摩擦磨损状况。　

活塞与缸套之间摩擦磨损主要体现在振动信号的　６　０００～２４　０００Ｈｚ频带和声发射信号的６２　５００～　

５００　０００Ｈｚ频带，为进一步研究两者问摩擦磨损提供了　参考。　

参　考　文　献　

Ｉ－１］Ｂｉｅｌａｃｚｙｃ　Ｐ，Ｍｅｒｋｉｓｚ　Ｊ．Ａ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ｃｏｌｄ　ｓｔａｒｔ　ａｎｄ　ｗａｒｍ　ｕｐ　ｐｈａｓｅｓ　ｗｉｔｈ　ａ　ｓｉ　ｅｎｇｉｎｅ［Ｒ］．ＳＡＥ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒ，１９９９．　［２２莫玮，鄂加强，赵延明．车用发动机低温冷启动磨损研究［Ｊ］．　内燃机，２００２，（３）：１９～２１．　Ｍｏ　Ｗｅｉ，Ｅ　Ｊｉａｑｉａｎｇ，Ｚｈａｏ　Ｙａｎｍｉｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ａｂｒａｓｉ

ｏｎ　ｏｆ　第２期　徐元栋等：单缸机室温冷启动的摩擦磨损研究　

ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ｅｎｇｉｎｅｉｎ　ｃｏｌｄ　ｓｔａｒｔｉｎｇ　ａｔ　ｌｏｗ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ［Ｊ］．Ｉｎｔｅｒ—　ｎａｌ　ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｓ，２００２，（３）：１９～２ｌＩ　［３］冯铮．冷却液温度对发动机冷启动影响的仿真研究［Ｄ］．　沈阳：沈阳工业大学，２０１２．　Ｆｅｎｇ　Ｚｈｅｎｇ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｃｏｏｌａｎｔ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｏｎ　ｅｎｇｉｎｅ　ｃｏｌｄ　ｓｔａｒｔ［Ｄ］．Ｓｈｅｎｙａｎｇ：Ｓｈｅｎｙａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１２．　Ｅ４］Ｈｅｎｅｉｎ　Ｎ　Ａ，Ｔａｇｏｍｏｒｉ　Ｍ　Ｋ，Ｙａｓｓｉｎｅ　Ｍ　Ｋ，ｅｔ　ａ１．Ｃｙｃｌｅ　ｂｙ—－ｃｙｃｌｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ＨＣ　ｅｍｉｓｓｉｏｎｓ　ｄｕｒｉｎｇ　ｃｏｌｄ　ｓｔａｒｔ　ｏｆ　ｇａｓｏ—　ｌｉｎｅ　ｅｎｇｉｎｅ　ＥＲ］．ＳＡＥ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｐａｐｅｒ，１９９５．　Ｅｓ］黄朝明．柴油机缸套一活塞环摩擦振动量化分析方法研究［Ｉ）］．　大连：大连海事大学，２０１１．　Ｈｕａｎｇ　Ｃｈａｏｍｉｎｇ．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｄｉｅｓｅｌ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｌｉｎｅｒ－ｐｉｓｔｏｎ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｍｅｔｈ—　ｏｄｓ　ＥＤ］．Ｄａｌｉａｎ：Ｄａｌｉａｎ　Ｍａｒｉｔｉｍｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１１．　Ｅ６３任宗英．摩擦磨损过程摩擦振动特征提取方法的研究［Ｄ］．　大连：大连海事大学，２０１２．　Ｒｅｎ　Ｚｏｎｇｙｉｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　ｍｅｔｈ—　ｏｄ　ｏｆ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｅａｒ　ｐｒｏｃｅｓｓ　ＥＤ］．　Ｄａｌｉａｎ：Ｄａｌｉａｎ　Ｍａｒｉｔｉｍｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１２．　ＥＴ］杨杰．机车活塞环摩擦磨损性能的试验研究［Ｄ］．上海：上　海交通大学，２０１２．　Ｙａｎｇ　Ｊｉｅ．Ｔｅｓｔｉｎｇ　ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ－ｗｅａｒ　ｒｅｓｉｓｔｉｎｇ　ｐｅｒ—　ｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｐｉｓｔｏｎ　ｒｉｎｇ　ｏｆ　ｌｏｃｏｍｏｔｉｖｅ［Ｄ］．Ｓｈａｎｇｈａｉ：　Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１２．　Ｅｓ］Ｊ・霍林．摩擦学原理［Ｍ］．上海交通大学摩擦学研究室　译．北京：机械工业出版社．Ｉ９８１．　［９］黄朝明，于洪亮，陈峰，等．缸套一活塞环摩擦振动的时频　谱分析［Ｊ］．振动与冲击，２０１０，２９（ｓ）：１６３￣１６６．　Ｈｕａｎｇ　Ｃｈａｏｍｉｎｇ，Ｙｕ　Ｈｏｎｇｌｉａｎｇ，Ｃｈｅｎ　Ｆｅｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｔｉｍｅ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ　ｏｆ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ａｎｄ　ｐｉｓｔｏｎ　ｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓｈｏｃｋ，２０１０，　２９（Ｓ）：１６３～１６６．　［１Ｏ］吴建，梁家惠，李淮凌．大型转动机械碰摩故障分析的声　发射检测系统［Ｊ］．北京航空航天大学学报，１９９８，（１）：　ｌ０８～¨１．　Ｗｕ　Ｊｉａｎ，Ｌｉａｎｇ　Ｊｉａｈｕｉ，Ｌｉ　Ｈｕａｉｌｉｎ．Ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ａｐｐａｒａｔｕｓ　ｆｏｒ　ｒｕｂｂｉｎｇ　ｄｉａｇｎｏｓｉｓ　ｏｆ　ｌａｒｇｅ　ｒｏｔａｔｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅｒｙ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｅｉｊ　ｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ　ａｎｄ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，　１９９８，（１）：１０８～１１１．　［１１］黄朝明，于洪亮，关德林，等．摩擦振动时频图像特征提　取［Ｊ］．振动与冲击，２０１２，（７）：４６～４９，６２．　Ｈｕａｎｇ　Ｃｈａｏｍｉｎｇ，Ｙｕ　Ｈｏｎｇｌｉａｎｇ，Ｇｕａｎ　Ｄｅｌｉｎ，ｅｔ　ａ１．Ｆｅａ—　ｔｕｒｅ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｆｒｉｃｔｉｏｎａｌ　ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｉｍｅ－ｆｒｅ—　ｑｕｅｎｃｙ　ｉｍａｇｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓｈｏｃｋ，２０　１　２，　（７）：４６～４９，６２．　［１２］田建明．基于分形理论的柴油机缸套一活塞环磨合期摩　擦磨损特性研究［Ｄ］．大连：大连海事大学，２００６．　Ｔｉａｎ　Ｊｉａｎｍｉｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｆｒｉｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｗｅａｒ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓ—　ｔｉｃ　ｏｆ　ｃｙｌｉｎｄｅｒ　ｌｉｎｅｒ－ｐｉｓｔｏｎ　ｒｉｎｇ　ｆｏｒ　ｄｉｅｓｅｌ　ｅｎｇｉｎｅ　ｉｎ　ｒｕｎｎｉｎｇ—　ｉｎ　ｐｅｒｉｏｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｆｒａｃｔａｌ　ｔｈｅｏｒｙ［Ｄ］．Ｄａｌｉａｎ：Ｄａｌｉａｎ　Ｍａｒ—　ｉｔｉｍｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００６．　［１３］李录平，邹新元，唐月清．小波变换在声发射信号特征参　数检测中的应用［Ｊ］．振动与冲击，２００１，２０（２）：６９～　７Ｏ，８３，９７．　Ｌｉ　Ｌｕｐｉｎｇ，Ｚｏｕ　Ｘｉｎｙｕａｎ，Ｔａｎｇ　Ｙｕｅｑｉｎｇ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｉｎ　ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ａ—　ｃｏｕｓｔｉｃ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌｓ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｓｈｏｃｋ，２００１，２Ｏ（２）：６９～７Ｏ，８３，９７．　［１４］张平，施克仁，耿荣生，等．小波变换在声发射检测中的　应用Ｉ－ｊ］．无损检测，２００２，２４（１０）：４３６～４３９，４４２．　Ｚｈａｎｇ　Ｐｉｎｇ，Ｓｈｉ　Ｋｅｒｅｎ，Ｇｅｎｇ　Ｒｏｎｇｓｈｅｎｇ，ｅｔ　ａ１．Ａｐｐｌｉｅａ—　ｔｉｏｎ　ｏｆ　ｗａｖｅｌｅｔ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｔｏ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｔｅｓｔｉｎｇ［Ｊ］．　ＮＤＴ，２００２，２４（１Ｏ）：４３６～４３９，４４２．　［１５］李学军，廖传军，褚福磊．适于声发射信号故障特征提取　的小波函数［Ｊ］．机械工程学报，２００８，（３）：１７７～１８１．　Ｌｉ　Ｘｕｅｊｕｎ，Ｌｉａｏ　Ｃｈｕａｎｊｕｎ，Ｃｈｕ　Ｆｕｌｅｉ。Ｗａｖｅｌｅｔ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｓｕｉｔａｂｌｅ　ｆｏｒ　ｆａｕｌｔ　ｆｅａｔｕｒｅ　ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｅｍｉｓｓｉｏｎ　ｓｉｇｎａｌ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　２００８，（３）：１７７～１８１．