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设计制造润滑与可靠性

摘要

活塞—环组—缸套是内燃机中参与燃烧最重要的摩擦副之一，密封性能的优劣将直接影响到内燃机的动力性、经济性及排放特性。优化活塞—环组—缸套的结构参数是改善密封性能的有效方法之一。然而从众多结构参数中筛选出对密封性能影响较大的因素并建立它们与密封性能的多目标数学模型进行优化设计可能是一项艰巨的工作。该研究提出了一种内燃机活塞—环组—缸套摩擦副（piston-ring pack-cylinder liner friction subsets，PRCFS）密封特性的多目标优化方法。以一台非道路国Ⅳ高压共轨柴油机为对象，首先建立柴油机PRCFS运动学与动力学仿真模型，搭建柴油机润滑油消耗（lube oil consumption，LOC）和漏气量（crankcase blow-by, CB）的测试台架对仿真模型进行验证，试验值与仿真值的相对误差在5%以内，证明模型具有较高的精确度和可靠度。然后，在仿真与试验测试的基础上采用灰色关联分析（grey relation analysis，GRA）得到不同结构参数与CB的灰色关联度（grey relational grade，GRG），通过分析得到对CB影响的敏感程度从大到小的6个参数依次为顶环环槽下边缘倒角、顶环闭口间隙、第二环环槽下边缘倒角、顶环环槽背隙、第二环闭口间隙和顶环环槽下侧环岸间隙，并揭示了以上参数对密封性能的影响规律。基于响应曲面法（response surface method, RSM）建立PRCFS密封性能优化设计的多目标数值模型，响应面回归模型的决定系数、调整决定系数及预测决定系数均在0.98以上，反映预测模型具有良好的拟合优度和预测能力。最后，采用NSGA-Ⅱ（non-dominated sorting genetic algorithm Ⅱ）对多目标数值模型进行优化得到PRCFS密封性能的Pareto最优解集，并从中筛选8个优化方案进行效果的验证与分析。优化结果表明：适当地减小顶环闭口间隙、第二环闭口间隙、顶环环槽背隙和增大顶环环槽下侧环岸间隙、顶环环槽下边缘倒角、第二环环槽下边缘倒角能够降低内燃机PRCFS的CB，进而有效改善密封性能。8个优化方案可将原机方案的CB降低4.7%～88.6%，其中Case Ⅰ为最优设计方案。所提出的优化方法可用于有效改善内燃机PRCFS密封特性的同时进而为内燃机提高热效率、减少和控制碳排放提供有效指导。

关键词

柴油机；;活塞环组；密封特性；多目标优化

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