周期性往复运动自润滑活塞环组内载荷分布特性及热失效研究

活塞环普遍应用于往复式压缩机、内燃机、泵等往复运动机械的活塞与气缸之间的间隙密封，是影响其热力性能和可靠性的关键部件。但是在高压差、高温、无油润滑等环境下，活塞环的密封性能及可靠性仍然是一个技术难题，存在着非均匀磨损失效和高温热失效等问题。所以，围绕无油润滑活塞环在高压差、高温环境下的快速失效问题，本项目拟通过研究活塞环组周期性往复运动过程中的非稳态流动过程，得到活塞环组内部各道环载荷分布，揭示活塞环非均匀磨损失效过程及其主要影响因素；通过研究活塞环与气缸内壁这对摩擦副在做周期性往复运动时，摩擦界面摩擦热在活塞环内部非稳态传递规律，获得活塞环摩擦升温特性，揭示自润滑活塞环热失效过程及改善热稳定性的方法。本项目的研究不仅能揭示活塞环组摩擦失效和高温热失效的机理和过程，建立自润滑活塞环失效的评定方法和准则，更为自主研发在高压差、高温、无油润滑等苛刻环境下工作的活塞环提供理论指导和试验依据。

活塞环普遍应用于往复式压缩机、内燃机、泵等往复运动机械的活塞与气缸之间的间隙密封，是影响其热力性能和可靠性的关键部件。但是在高压差、高温、无油润滑等环境下，活塞环的密封性能及可靠性仍然是一个技术难题，存在着非均匀磨损失效和高温热失效等问题。所以，围绕无油润滑活塞环在高压差、高温环境下的快速失效问题，本项目主要研究活塞环组周期性往复运动过程中的非稳态流动过程及其周期性活塞环内部载荷分布规律和往复运动自润滑活塞环摩擦热通过摩擦界面的非稳态传递过程。.建立了活塞环组内部载荷分布的数学模型，搭建了往复运动活塞环组内部压力动态分布的试验装置，研究了活塞环组周期性往复运动过程中的非稳态流动过程，得到活塞环组内部的静态、动态压力分布和各道环载荷分布。结果表明第一道活塞环两侧压力差占到整个泄漏压差的75%以上，这是引起不均匀磨损并导致失效的主要原因；各活塞环前后的压力差并不是同时建立的，只有前一道活塞环前的压力达到一定的大小，后一道环才开始工作。建立了摩擦热在活塞环内部非稳态传递规律理论模型，搭建了活塞环组温度分布的试验装置，研究了摩擦热通过摩擦界面的非稳态传递过程，获得了活塞环内部温度分布规律。研究发现通过自润滑活塞环导出的摩擦热量只占总摩擦热的0.065，绝大部分摩擦热通过气缸导出。进一步分析了载荷、气缸散热条件、材料对活塞环摩擦热导出过程和温度场的影响，研究了影响热失效的主要参数及其与热失效的关系，结果表明：压缩机转速对轴向温度分布具有显著影响，决定了哪道活塞环具有最大温度；活塞环平均温度随着转速的上升和外部散热条件的恶化而上升，转速从580r/min提高到1015 r/min时，活塞环组内最高温度从31.1℃升高了11.6℃，而转速从1015r/min提高到1450 r/min时，活塞环组内最高温度进一步升高了6.9℃；同一活塞环内温度梯度与材料的摩擦系数成正比，与其导热系数成反比。研究不仅揭示了活塞环组摩擦失效和高温热失效的机理和过程，建立了自润滑活塞环失效的评定方法和准则，更为自主研发在高压差、高温、无油润滑等苛刻环境下工作的活塞环提供理论指导和试验依据。