重型车辆（精选7篇）
重型车辆 篇1
一、车架的失效形式与常见损伤原因分析
就像人的身体由骨架来支持一样, 重型车辆也必须有一幅好骨架, 这就是车架。车架的作用是承受载荷, 包括汽车自身零部件的重量和行驶时所受的冲击、扭曲、惯性力等。重型车辆现有的车架种类有大梁式、承载式、钢管式及特殊材料一体成型式等。车架不但承担发动机、车身、底盘、货物的重量, 而且还承受重型车辆行驶时所产生的各种力和力矩。因此, 其可靠性不仅关系到整车能否正常运行, 而且还关系到整车安全性。在车辆使用中, 重型车辆车架在实际环境中要面对的有以下4种压力:
负载弯曲。从字面上就可以十分容易的理解这个压力, 车辆的非悬挂重量, 是由车架承受的, 通过轮轴传到地面。而这个压力, 主要会集中在轴距的中心点。因此车架底部的纵梁和横梁, 一般都要求较强的刚度。
非水平扭动。当前后对角车轮遇到道路上的不平而滚动, 车架的梁柱便要承受这个纵向扭曲压力, 情况就好像要将一块塑料片扭曲成螺旋形一样。
横向弯曲。所谓横向弯曲, 就是车辆在转弯时重量的惯性 (即离心力) 会使车身产生往外甩的倾向, 而轮胎的抓着力会和路面形成反作用力, 两股相对的压力将车架横向扭曲。
水平菱形扭动。因为车辆在行驶时, 每个车轮因为路面和行驶情况的不同, 路面的铺设情况、凹凸起伏、障碍物及进出弯角等等, 每个车轮会承受不同的阻力和牵引。
重型车辆车架在使用过程中往往会出现变形 (包括弯曲变形、扭转变形) 、裂纹、锈蚀、螺栓和铆钉松动等失效形式。由于车架是汽车的装配基体, 并承受各种载荷的作用, 在某些情况下有可能出现车架的弯曲和扭转变形。车架的变形会导致汽车各总成之间的装配、连接位置发生变化, 使得各系统出现故障。为了汽车整体布局、安装的需要, 车架常要制成各种形状, 在形状急剧变化的地方往往会由于应力集中而导致裂纹、断裂, 所以早期发现车架的裂纹对于汽车的安全非常重要。恶劣的工作环境往往会使汽车车架锈蚀, 路面不平产生的冲击振动会使螺栓、铆钉等连接松动。车架损坏后, 如果盲目地进行修补和加固, 非但得不到预期效果, 有时甚至会削弱车架的强度, 在修复后的使用中更容易引起变形和断裂。
二、车架裂纹的检查与焊修方法
从外观上检查车架是否有严重的变形、裂纹、锈蚀、螺栓或铆钉松动等现象。重型车辆车架出现裂纹不容忽视。如果较小裂纹不及时整修, 使其继续扩大, 将导致整个车辆报废。重型车辆在行驶过程中, 由于受各种载荷的影响, 车架的纵梁会产生弯曲应力和剪切应力, 特别是在路面不平、重型车辆严重超载或载荷分布不合理、紧急制动等情况下, 将使车架承受的弯曲和剪切应力值和分布产生很大变化。重型车辆制动时应力值较静载荷状态下增大2～3倍。车架的断面虽然是按等强度和一定的安全系数设计的, 但常因结构不完善、最大载荷位置偏移和严重超载, 造成在最大应力处发生断裂。车架某局部由于应力集中, 也往往会产生裂纹。例如:在螺孔、铆钉孔等处。尤其是这些孔在加工或拆卸铆钉时, 不正确地操作而造成的疵病形成了应力集中点, 在纵梁和横梁连接处、转角处、槽形断面急剧拐弯处都容易产生应力集中。
重型车辆车架纵梁和横梁如发现裂纹应及时修理。车架上不重要的部位产生裂纹可以直接焊接修复;车架上受力较大的部位产生裂纹除将裂纹修复外, 还应采取局部加强的方法。一般采用加强板的办法。加强板的形状和尺寸取决于车架纵梁的损坏部位、裂纹长度和受力情况的影响等。纵梁裂纹视其裂纹部位及长短, 采取不同的修理方法。现将常用的修理方法简述如下:
裂纹尚未扩展到整个纵梁横截面, 且不在最大受力部位:修理前先进行车架校正, 保持车架的固有直度;用砂布或钢丝刷打磨焊缝处, 使裂纹处露出金属光泽, 然后仔细检查, 确定裂纹界限 (即裂纹末端) , 在界限延伸10 mm处钻5～8 mm的限止孔;在裂纹处用砂轮或凿子修切, 并形成V型焊道坡口;填焊时从限止孔开始直至裂纹另一末端, 并在反面同样进行焊补。施焊时的环境温度应在0 ℃以上, 最后修平;加强腹板。当纵梁上的裂纹较短时, 可加焊加强腹板。腹板厚度及材料应与纵梁相同, 腹板长度不少于600 mm。腹板与纵梁焊接时, 焊缝周围也应预先打磨, 施焊方向应自腹板中央移向两端。当纵梁上裂纹较长时, 可采用三角形腹板加强。腹板厚度不应大于纵梁厚度。焊接三角形腹板时, 先将腹板放在裂纹对称的位置上, 点焊3～4处, 然后沿周围焊牢。
铁道车辆转向架重型转盘设计 篇2
铁道车辆转向架转盘, 是铁道车辆在新造、检修过程中, 转向架分解、组装流水线上的重要组成部分。转盘装置的先进程度和适用性, 决定制造、检修生产效率。重载转向架转盘的特定功能是在完成转盘功能的基础上, 在固定位置满足机车等大型设备通过。转盘的主要作用就是通过转盘上垂直轨道的旋转, 与制造或检修库内的纵横铁轨对接, 实现和谐机车单个转向架的转轨和整车通过的需求。重点要解决的是旋转过程中, 转盘轨顶与车间轨顶保持平齐平滑过渡, 承载托轮承载力均匀, 整体结构的承载强度和刚度、过轨的偏载强度和抗冲击强度, 远程遥控能力等问题。此前在流水线上安装使用的装备, 不同程度地存在着缺陷, 尤其是满足不了和谐机车单个转向架转轨和整车通过的要求。在方便作业和远程遥控方面也存在很大的改进空间。
2 主要设计参数
转盘直径Φ6 000mm、转盘旋转承载4 500kg、转盘过车载重10 000kg、轨距1 435mm。结构强度:作为动载钢构装置, 其强度是重要的质量指标。设计时, 根据不同的工作特点及性质, 依据下表选择强度设计值, 见表1:
表中:fu对接焊缝极限抗拉强度最小值;fwc对接焊缝强度设计值;fwt12焊缝质量1、2级时抗拉抗弯强度设计值;fwt3焊缝质量3级时抗拉抗弯强度设计值, fwv抗剪强度设计值;fwf角焊缝强度设计值
焊接方法为自动焊、半自动焊、手工焊。
3 装置构成设计与实施
该转向架重载转盘由盖板、转盘架、转盘定位装置、上轮器及活动手柄、液压泵站、遥控装置等组成。
3.1 盖板
盖板由防滑花纹钢板及构架组成, 与转盘架通过螺栓连接, 构成转盘盘面。转盘旋转时, 盖板始终保持在同一水平面内, 与周边混凝土地坪圆心同心, 与地坪高差处无凸台, 平滑过渡, 方便作业。
3.2 转盘架及回转装置
转盘架由相互垂直的两股轨道 (轨距为1 435mm) 及焊接构架组成。转盘架整体支承在直径φ2 100mm的单排球式回转支承上, 增大中心点支撑, 垂直和偏载能力达300t以上, 整个结构具有足够的承载强度及刚度、过轨的偏载强度和抗冲击强度, 保证旋转作业无扇形摆动和轴间晃动, 转动方便灵活, 无别劲现象。
3.3 转盘定位及支撑装置
转盘盖板边缘处设置可转动定位板, 并与存放线轨道的定位装置锁定, 保证转盘轨道与地面线路钢轨对位准确, 并防止过机车和推动转向架过轨时转盘转动, 又是过机车时支撑点, 保证机车通过时整机通过载荷能力。
3.4 止轮器
转盘配有2套止轮器, 防止转盘转动过程中, 转向架自由转动, 造成转向架脱轨。
3.5 活动手柄
转盘盖板上设置2套美观实用的活动手柄, 不用时, 可拔出放在一边, 需要使用时, 插入盖板上的方孔即可。
3.6 转盘地面轨头固定装置
主要解决机车、转向架上下转盘时冲击轨道引起的地面轨头松动。
3.7 转盘上“井”
轨道端部均设有支撑轮, 保证转盘转动到任何位置平衡和稳定性。
3.8 基坑
内设有固定的检修照明装置, 方便检修。
3.9 变频调速装置
启停时, 实现缓启缓停, 减少冲击, 精准定位。
4 设备装置的主要技术特点
主体结构为框架形, 承重轨道固结在主梁上, 2主梁由多个连接梁连接。转盘回转定位轴从中间连接梁穿过, 定位轴除起回转定位作用外, 还可以承受转盘径向和轴向向上的外载荷。圆形台面面板和辅助梁固结在主体框架上, 形成转盘钢结构主体。8个钢制车轮固结在4个主梁两端, 承受全部自重和外载荷。车轮在圆坑内环行轨道上运行。转向架转盘为圆形地坑式布置, 上设相互垂直的两股轨道, 旋转工作中转盘轨顶与车间轨顶保持齐平。转盘旋转面板与周边地坪圆柱形孔壁同心定位。转盘转动时平稳、轻便、灵活, 承载能力强。转盘转动时对位准确, 无扇形摆动和轴间晃动。转盘设有转向架、轮对止轮器, 以防止转向架、轮对脱轨。止动装置安全、可靠。转盘可顺时针和逆时针回转, 转盘轨道日常处于过机车状态, 转向架转向后, 转盘返回过机车状态。定位状态下, 轮对、转向架及车辆通过转盘时, 转盘在径向移动不大于2mm, 周向不大于2mm。转盘轨道与库内钢轨的对位误差满足:纵向间隙≤4mm, 顶面高差≤2mm, 侧向偏差≤2mm。转盘面板与转盘上钢轨轨面高差≤2mm。
转盘圆周基础坑的上地面与转盘台面平齐, 即转盘台面与库地面平齐, 无凸台。转盘台面外侧圆周与转盘基础坑圆周, 在任何转动位置的间隙≤10mm。转盘圆周基础坑的上地面与库地面成一体, 无接缝, 且与库地面平齐。设备工作中不能对轮对踏面等部位造成损伤。
5 设备能力参数及控制线路
5.1 设备能力参数
转盘直径Φ6 000mm。转盘旋转承载45t。转盘过车载重100t。轨距1 435mm。外形尺寸Φ6 000×1 000mm。转盘钢轨与存放线钢轨对位偏差要求:钢轨纵向间隙≤4mm, 轨顶高差≤2mm, 接头侧向错位≤2mm。液压系统工作压力16MPa。总功率11k W。旋转速度0.2~2r/min。操作方式:遥控/电动。
遥控器主要技术参数:
a操作温度:-45℃~80℃;
b识别码:32位元组 (约43亿组) ;
c汉明码≥4;
d抗静电>15k V;
e操作距离可达50m。
5.2 控制线路
6 结论
铁道车辆转向架重型转盘设计成功, 实现了当初的设计初衷。该装置具有设计精巧、适用性强、质优价廉、操作简便、防误措施完备、安全性能好的特点。投入使用后, 切实优化了车辆转向架分解、组装流水线的功能, 是一套适用性较高的车辆修造装置。
摘要：铁道车辆新造、检修过程中, 在工艺检修线上的重要设备转向架转盘结构设计、自动控制及安全防护, 决定制造、检修生产效率。该装置具有设计精巧、适用性强、质优价廉、操作简便、防误措施完备、安全性能好的特点。投入使用后, 切实优化了车辆转向架分解、组装流水线的功能, 是一套适用性较高的车辆修造装置。铁道车辆转向架重型转盘设计成功, 实现了当初的设计初衷。
重型车辆 篇3
一、涡轮增压发动机广泛应用于重型工程车辆
自从我国实行国Ⅲ排放标准后, 国内发动机企业在产的产品采用了新型燃油泵、高压燃油喷射、废气再循环、增压及中冷等先进技术。为达到国Ⅳ排放标准, 更高压力的电控燃油喷射、可变几何截面的增压中冷、冷却式废气再循环、多气阀技术及可变进气涡流等技术将得到应用。国外先进增压技术的应用, 将促进我国的增压器企业提高产品技术水平。
涡轮增压的主要作用就是提高发动机进气量, 从而提高发动机的功率和扭矩, 让重型工程车更有劲。
发动机装上涡轮增压器后, 其最大功率与未装增压器的时候相比可以增加40%甚至更高。这样也就意味着一台同样的发动机在经过增压之后能够产生更大的功率。
从原理上讲, 它就是采用专门的压气机将气体在进入气缸前预先进行压缩, 提高进入气缸的气体密度, 这样在单位体积里气体的质量就大大增加了, 进气量即可满足燃料的燃烧需要, 从而达到提高发动机功率的目的。
根据驱动增压器所用能量来源的不同, 发动机的增压方法可以分为三类:第一类是机械增压系统, 增压器由发动机曲轴通过齿轮 (或链条等) 直接驱动。第二类是废气涡轮增压系统, 增压器是由发动机工作时排出的废气带动的。第三类是复合增压系统, 即在发动机上, 既采用废气涡轮增压器, 又同时应用机械增压器。此外还有惯性增压、气波增压等其它增压方式。
二十年来, 随着人们环境保护意识的增强, 对发动机尾气排放的限制越来越严。为满足不断加严的排放法规的要求, 许多新的发动机技术被采用。然而, 废气涡轮增压技术在降低发动机排放方面发挥了十分重要的作用。废气涡轮增压是重型工程车辆发动机的一项重要技术, 它促进了发动机技术的发展, 并将为重型工程车辆发动机的发展开拓更加广阔的前景。目前, 国内外重型工程车辆全部采用柴油机作为动力, 并且绝大多数采用了涡轮增压技术或涡轮增压中冷技术。
二、涡轮增压技术是排放控制重要措施
具有代表性的国际三大排放体系 (欧洲、美国、日本) 分别制定了分阶段的汽车柴油机的排放限值。虽然三个排放法规体系采用了各自的测试方法和阶段限值, 但不断加严的趋势是一致的。为满足越来越严的排放法规要求, 必须提高燃料质量和采用先进的发动机技术。要达到各阶段排放限值需有相应的发动机技术作保证。对应于不同的排放限值阶段, 除了采用其它先进技术, 诸如高压喷射、多气门技术、泵喷嘴、EGR、预喷射、电控喷射、De-NOX催化器等技术外, 各阶段都对应一定的增压技术的改进和提高。涡轮增压系统是由涡轮和压气机2个主要部件组成的增压系统是器来进行增压工作。对于增压压力较高的中、高增压发动机, 一般需装置中间冷却器, 以提高进气密度。
涡轮增压主要作用是提高柴油机功率、降低燃油消耗。同时涡轮增压及增压中冷技术对降低柴油机排放起着重要作用。增压技术的最大好处是它在不增加发动机排量的情况下, 大幅提高发动机的功率和扭矩。涡轮增压器实际上就是一个空气压缩机, 利用发动机排出的废气推动涡轮高速旋转, 将空气压缩进入气缸。随着发动机转速加快, 废气排出速度加快, 使涡轮转速也加快, 空气压缩程度就加大, 发动机的进气量就相应增加, 从而提高发动机动力。所以说, 涡轮增压器通过增加发动机进气量, 在不增加排量的情况下却得到了增大发动机排量的效果。
由于涡轮增压器的驱动是来自发动机排气, 不需要额外的动力, 与其它增压方式相比, 涡轮增压的效率更高, 能耗更低。
三、涡轮增压是实现国Ⅳ排放标准的关键技术
涡轮增压技术已成为提高发动机功率和扭矩、降低油耗、满足排放标准要求的一种有效技术。据了解, 现有增压器技术可以满足国Ⅲ排放标准的要求, 但并不能轻易达到国Ⅳ甚至更高的排放标准。发动机排放升级到国Ⅳ标准, 可通过不同技术路线实现:一是带旁通阀的增压器、VNT (可变截面增压器) 或两级增压。二是采用SCR (选择性催化还原装置) 。此举可通过机内净化手段实现降低NOX、微粒的排放。三是冷却EGR+EOC (氧化催化器) 。
国Ⅳ排放标准对我国涡轮增压器行业乃至整个内燃机行业都是巨大的挑战。国外知名企业和研究机构证明, VNT可实现国Ⅲ排放标准升级到国Ⅳ排放标准, 但VNT或两级增压系统比较复杂, 攻克技术难关需要时间。
众所周知, 涡轮增压是迅速提升发动机动力的最有效方法。但它也存在着诸多弊端, 涡轮增压值的设定会直接影响到低速扭矩以及驾驶的平顺性。而可变式喷嘴涡轮增压器, 在进气系统的一侧安装有可移动导片, 其位置可变动, 从而能够在整个发动机转速范围内提供最佳的流速和很高的增压效率。当发动机高速运转时, 它们基本全部打开, 此时的废气流经的截面最大, 其作用同普通增压器没有什么区别。但在发动机低速运转时, 就可通过移动导流叶片来控制和调节进入涡轮增压器的气流, 这样导向叶片就会将废气流经的截面开得最小, 使涡前排气背压升高, 形成较大的压差, 迫使流经导向叶片的废气流速加快, 从而驱动涡轮叶片转得更快, 使压气机端增压压力比普通增压器更高, 在整个发动机内提供最佳的流速和很高的增压效率。
在采用可变截面涡轮增压器的汽油发动机里, 涡轮增压系统的核心是可调涡流截面的导流叶片。这些导流叶片可在低转速、低排气量的工况下关闭, 从而增大发动机的进气压力。与传统涡轮增压器相比, 大大改善了低转速时的响应时间和加速能力。采用可变涡轮截面技术的汽油发动机, 在高、低转速范围内的效率明显高于采用标准放气阀式的涡轮增压器。相应地, 在各转速范围内的节油性能也得到改善。市场上常见的TDI系统, 采用的是盖瑞特GarrettVNT15可变截面涡轮增压器, 这种增压器比旧产品有更快的响应 (尽管以前机型的增压滞后现象比较轻微) 速度, 起效范围更宽, 同时, 不会造成排气气压过高的问题。
满足排放标准不仅需要提高增压技术, 还需要燃油系统、后处理设备乃至缸内燃烧技术上的提高。国内企业已经完全解决了增压器技术提升的困难。可变截面涡轮增压器主要用与国Ⅳ柴油机所匹配。它具有保持高速性能不恶化, 改善低速扭矩特性和排放性能, 减少发动机尾气排放等性能, 是环保动力产品。
四、涡轮增压技术的发展前景
涡轮增压器以其领先的增压技术, 提高汽车性能的同时也改进燃油效率、减少有害排放而著称。随着节能减排的呼声越来越高, 相关技术层出不穷。在国内涡轮增压技术发展了多年, 已经成为产业化较好的产品之一。
近几年, 涡轮增压器技术基本成熟, 成本已经大幅下降。涡轮增压器市场价格较最初的产品价格下降了2/3, 随着涡轮增压器产量的增加, 增压器特别是汽油机增压器价格还有下降的空间。此外, 涡轮增压器的维修成本大幅度降低, 一方面因为更换零部件的成本下调, 另一方面因为精通涡轮增压器维修的工人数目不断增加, 劳动力成本降低。
涡轮增压器的正常使用寿命基本与汽车发动机寿命相等或者更长。而使消费者产生需要经常更换涡轮增压器的印象, 多数是用户使用不当造成的。
涡轮增压器对发动机其它部件要求较高, 特别是空气滤清器和机油滤清器, 如果用户不能按照厂家要求定期更换滤清器, 将导致颗粒进入增压器, 从而引起增压器的损坏。如果消费者能够按照厂家的要求使用, 涡轮增压器的寿命完全可以满足消费者的需求。
从整个市场来看, 发动机的涡轮增压器和发动机的小型化, 是非常明显的趋势。中国的消费者有后发优势, 不会重复别的国家走过的一些弯路。中国的污染非常严重, 政府在大力推行低排放的汽车和技术, 涡轮增压技术正好符合这个潮流。中国市场很大, 竞争很强, 竞争会促进技术发展, 使之在中国得到更快的渗透。混合动力车会用发动机和电机的配合, 这其中的发动机也有采用涡轮增压技术的趋势。
五、涡轮增压技术的发展趋势
废气涡轮增压技术的应用大大提高了重型工程车辆柴油机的动力性、改善了燃油经济性, 并且还在降低汽车排放有害物、减少温室效应气CO2、保护环境等方面起到了重要作用。
涡轮增压技术发展的主要因素是增大发动机输出功率、提高发动机低速扭矩、加快瞬态响应速度、降低排放有害物和改善燃油经济性。增压器的技术关键是改善涡轮和压气机的效率, 拓宽工作范围、提高增压的压比、降低轴承系统的磨损和提高稳定性及耐久性。
重型工程车辆柴油机增压器的新技术包括:可变喷嘴涡轮VNT、铁铝合金、滚动轴承、可擦涂层、混流式涡轮、电子控制执行器总成、电控涡轮复合式发动机等。
今后发展内燃机的涡轮增压技术要深入研究、解决的有两大问题:一是要有高效率、高压比、流量范围宽广、可靠性好、寿命长的涡轮增压器;二是要有能充分利用发动机排气能量, 避免进排气干扰和与涡轮增压器有良好配合的增压器系统。为此, 随着增压器技术的不断提高, 涡轮增压器设计的目趋成熟, 新型重型工程车辆涡轮增压器将会朝着提高增压比, 增加增压器效率, 减少零件数, 拓宽流量范围, 朝着小型化的方面发展。
随着涡轮增压器向高速、大容量变化, 径流涡轮的比转速已达到极限, 混流涡轮却能在径流涡轮同样轮径的情况下, 流通能力可增加40%左右。现在世界各国增压器厂家的增压器产品, 已采用大容量混流涡轮和宽流量范围的前倾后弯压气机来获得高效率的增压器性能。在重型工程车辆柴油机上使用旁通放气的较多, 而在轻型、高转速发动机上越来越多采用可调截面喷嘴增压器, 既能满足发动机低速大扭矩和加速性的要求, 又能在发动机高转速时, 将增压压力控制在所需范围内。可调喷嘴截面增压器进一步与电子控制技术相结合, 可实现全工况范围内发动机与增压器的最佳匹配, 满足发动机性能的全面优化。
常见的增压系统分机械增压、废气涡轮增压和复合式涡轮增压。机械增压是发动机运转直接驱动增压器, 优点是没有迟滞, 缺点是损耗部分动力、增压值较低。废气涡轮增压是靠发动机排气的动能来驱动涡轮旋转, 优点是涡轮转速高、增压值大对动力提升明显, 缺点是有涡轮迟滞现象, 即发动机在转速较低时排气动能较小, 不能驱动涡轮高速旋转以产生增大进气压力的作用, 这时候的发动机动力等同于自然吸气, 当转速提高后, 涡轮增压起作用了动力会突然提升。双涡轮增压是两组涡轮通过串联或者并联的方式连接。并联指每组涡轮负责发动机半数气缸的工作, 每组涡轮都是同规格的, 其优点就是增压反应快且降低管道的复杂程度。串联涡轮通常是一大一小两组涡轮串联搭配而成, 低转时推动反应较快的小涡轮, 使低转扭力丰厚, 高转时大涡轮介入, 提供充足的进气量, 功率输出得以提高。
六、结束语
重型工程车辆涡轮增压技术不仅作为发动机的一项很重要的节能手段, 还可以提高发动机的功率。涡轮增压发动机可以在不改变排量的情况下, 将发动机的综合性能提高40%甚至更高。在改善经济性, 尤其是在降低排放等诸方面, 都给人们带来了巨大的综合效益。涡轮增压技术是今后国内汽车发动机重要的发展趋势之一。
重型车辆 篇4
随着电子技术在重型卡车上的日益广泛应用, 辅助驾驶装置也明显增多。驾驶辅助系统 (Driver Assistance Systems) 简称DAS, 是利用安装于车上各式各样的传感器, 在第一时间收集车内外的环境数据, 进行静、动态物体的辨识、侦测与追踪等技术上的处理, 从而能够让驾驶者在最快的时间察觉可能发生的危险。DAS的组成架构非常广泛, 包括了夜视系统、主动巡航控制系统、电子稳定程序、随动转向前照灯、车道偏移报警、防碰撞技术、盲点辅助技术以及泊车辅助技术等, 下面就几种比较热门的技术进行介绍。
1 国内外重型车辆驾驶辅助系统关键技术
1.1 电子稳定程序 (ESP)
在欧洲, 估计每年有400人不幸在卡车事故中丧生, 其中的3/4是由卡车滑出路面造成的, 另外的1/4则是由于翻车所致。而电子稳定程序 (Electronic Stability Program) 是一种非常有效的可以防止侧滑或翻车等事故发生的系统。
通常, ESP系统由多个传感器组成, 这些传感器测量的参数包括转弯角度、偏航运动的幅度和侧加速度等。另外, ESP系统还会将驾驶员所期待的汽车行驶状态与实际状态进行比较, 如果汽车的实际状态不符合驾驶员所希望的状态, ESP就会对其行驶状态进行纠正。例如, 车辆在侧滑时的情况, 如果一辆半挂车在转弯时出现了转弯过大的迹象并具有横穿的危险, ESP系统进入工作状态, 制动牵引车外侧前轮和整个半挂车;如果汽车转向不足而径直驶向弯道, ESP则制动牵引车内侧后轮。
1.2 主动巡航控制系统
传统巡航控制系统车辆通常在发动机舱内配有巡航控制模块, 通过控制执行器调节节气门开度来控制车速。在转向盘附近通常有控制按键, 按下设定键就会启动巡航, 车辆会自动维持在当前车速。按下加速或减速键时, 车速会以一定的数值改变, 可以进行1 km/h的定值加速或减速。在40 km/h以下的车速时不能设定巡航。作为安全特性, 只要踩下制动踏板, 巡航会自动取消。如果是手动变速器, 离合器踏板也起到关闭巡航的功能。
1.3 智能紧急制动系统
这种技术的作用效果.使事故发生的载货车撞车事故减少了30%。事故的避免通常在刹那间。能否在事故发生的最后瞬间得以防止或者一场难以避免的事故后果可以在最后一秒钟内减小到最小。几年来, 智能车距控制系统已富有成效地证明在奔驰重型货车上的这种能力然而它们在技术上的设计最多只达到最大制动力的20%。紧急制动系统利用车距控制系统的3个雷达传感器, 它们能在一个三维范围内识别货车前面车道上715Om范围内的行驶障碍物并连续测定出与前面行驶车辆的速度差。如果一场事故在所难免的话那么会首先在视觉上通过一个红色三角标志给驾驶员以报警.当碰撞危险性加剧时就以声音信号报警并附带以部分制动 (30%的制动功率) 。如若驾驶员还没有反应.则本系统自动投入全制动。
1.4 轮胎压力监视系统
据有关部门调查得知, 在欧洲公路上行驶的接近50%的卡车存在轮胎压力不足的问题。这意味着存在加剧轮胎磨损、增大轮胎爆胎的可能性及油耗增高等问题。其中, 近乎85%的这类事件是由于没有检测到轮胎有慢性漏气现象造成的。为了解决这个问题, 让驾驶员更加警惕这些轮胎的状态, 汽车制造商提供了压力监视系统。
1.5 驾驶员视觉增强
驾驶员的视觉增强是利用各种传感器和先进技术增强驾驶员在雨、雾天、光线不足条件下的视觉效果。为增强在雨、雾天驾驶员视觉效果, 日本研制出一种视觉增强系统。可迅速去除档风玻璃上的雨水、雾气。典型的结构有3种:1) 采用除水防护薄膜, 使水膜不易形成;2) 采用一种斥水玻璃, 使水珠快速结成大水滴流走;3) 利用超声波技术使吸附在档风玻璃上的水膜雾化消散。
1.6 车道保持辅助控制系统
另一种常见的载货车事故原因.是车辆偏离行驶车道。卓有成效的车道保持辅助控制系统.它通过切入转向操纵而从被动变成为一种主动安全系统。这种技术在以“Road Departure Avoidance (道路偏离免除系统) 概念而处于开发之中。当系统发出声音报警信号之后有目标地制动一个车轮而重新将货车引回到自己的车道上。某种意义上讲, 这种功能与智能稳定控制系统的制动干涉功能并不相类似。它是基于车道辅助控制和智能稳定控制这两个系统的一种智能网络互联。驾驶员在这里仍然保持对局势的控制:当投入制动和转向控制后可随时让本系统失效。
1.7 停车辅助系统
在载货车上已可选用的车距自动跟踪控制系统保持着一定的车距类似于速度自动控制系统.从车速30km/h起往上就保持恒定, 当速度不断降低时就把速度调节到15km/h。因此, 它很理想地适用于交通畅通无阻时候。但是当交通堵塞时“走走停停”情况下, 或者在人口稠密区交通密度大的时候, 这时, 不断地停车和起动要求驾驶员有特别高的注意力。因此, 为减轻驾驶员的工作负担和心理压力, 奔驰公司开发了这种停车辅助系统。
1.8 纵向操纵杆
纵向操纵杆的控制德国梅赛德斯公司调试了一种不再需要转向盘、油门踏板、制动器踏板的汽车驾驶装置。所有这些功能将由一些内置于驾驶员座椅扶手内的左右侧操纵杆来代替。这2个操纵杆具有完全一样的功能:加速、减速和转弯, 使用时只需选择左手或右手来进行操作。用纵向操纵杆的控制系统将会增加主动和被动安全性, 因为在该装置中取消了驾驶室内的传统的转向装置, 同时取消了油门踏板和制动器踏板, 降低了车辆在发生碰撞时驾驶员的危险性。
3 结论
重型卡车制造商使用科学技术来实现越来越多的辅助驾驶装置, 以满足驾驶员对舒适性的要求。辅助驾驶装置在带来舒适性的同时, 也随之增加了汽车的安全性, 因为驾驶员承受了较小的疲劳, 这样可以保证以更好的注意力来关注汽车周围经过的行人和车辆, 从而避免发生某些碰撞事故。
参考文献
[1]修云.基于普适计算的汽车驾驶安全辅助系统研究.黄石理工学院学报, 2009 (4) .
浅论油田使用重型车辆的安全管理 篇5
1 油田重型车辆安全管理的重要性
1.1 油田生产扩大化
国家对能源战略的加快部署, 带动了油田的发展建设, 随之而来的就是扩大了的油田生产中重型车辆的施工安全管理问题的亟需解决。油气生产、生产经营及勘探开发和油田企业制度化建设任务成功完成的重要内容之一就是油田重型车辆的安全管理。作为世界上最大发展国之一的中国, 经济的发展、现代化的建设和中国梦的实现都离不开“石油”这个经济实体的安全生产, 因此遏制重型车辆事故, 为油田的持续壮大发展打下坚定基础, 是石油生产行业乃至中国经济所必须解决的重大课题。
1.2 安全事故的消极影响
安全事故一般是人为因素在生产经营活动中引起的突然发生的, 伤害人身安全和健康, 或者损坏设备设施, 或者造成经济损失的, 导致原生产经营活动及其相关活动暂时中止或永远中止的意外事故。
油田安全生产事故的显著特征是灾难性。一般发生的重型车辆安全生产事故会造成大量人员伤亡, 由于较高的单次事故死亡人数 (每年大约有13万人死于油田各类安全事故中) , 经济严重损失, 油田重型车辆安全事故除了直接经济损失外, 还间接损耗人力、物力和财力用来应急处置、善后处理和调查原因;社会影响深远, 由于传播媒介的迅速发展, 信息的传递更快、更广、更不可控, 灾难性安全事故的发生消息的传播扩散会对人们的精神领域造成严重的冲击, 造成社会成员的恐慌, 对社会增加了不安定因素, 影响了社会秩序的稳定。因此油田生产中安全生产是企业管理者和生产者必须予以重视和严格控制。
2 油田重型车辆安全管理
2.1 安全文化
人的不安全行为是造成安全事故的根本原因, 由安全文化入手才能改善人的思想, 从而改善人的行为。安全文化包括, 安全知识的普及、法律法规的学习和安全技能的掌握。通过安全文化教育培训、安全文化宣传等手段达到安全文化普及的目的。从人的思想意识上加强对车辆安全的重视, 从意识上根治油田车辆违章行为的根源, 杜绝安全生产中的麻痹大意、侥幸和偷懒心理。加强安全生产过程中的安全知识, 岗位技术操作规程和规范, 应急预案、逃生知识和消防知识的学习, 并注重学习过程中做到安全知识教育是与专业技术知识培训同步、不脱节, 充分发挥员工积极性, 促使每一个生产者都参与到安全防范、安全管理和安全监督的行动中来。
针对人的不安全行为, 提出“以人为本”的管理方针, 即突出以人为中心的管理思想, 为员工能够在车辆管理系统中充分发挥聪明才智努力营造利于环境。以人为本的管理方针就是通过尊重人的价值、重视人的作用、给予生产者充足的思考空间, 令员工自发的真诚的与他人分享交流自己的安全生产知识和工作中积累的各种经验。车辆管理安全文化建设工作只有注重启发人的能动性、自觉性和合作性, 做到尊重人、理解人、关心人, 才能使安全文化深入人心、形成安全生产的潜意识, 从而与安全生产管理制度相辅相成, 使得石油车辆安全生产迈入一个新台阶。
2.2 建立科学管理模式
建立油田车辆安全长效机制是建立科学管理模式的最终目标。首先科学的管理模式就是建立生产全过程的动态控制, HSE管理体系的注重建立并实施, 处理好普遍与特殊, 安全要求与经济能力的同时, 做好油田重型车辆安全生产中的风险辨识和评价, 在生产前对生产过程中可能存在的风险分析、定位, 并为之制定可靠地控制措施, 形成具有先进行、科学性和可操作性的规章制度, 从而在具体工作过程中降低或控制风险, 保证油田生产的顺利进行。其次科学管理模式就是用制度规范、激励和约束员工的行为, 使得安全生产、安全管理和文明施工的各个要素渗透到每一项规章制度、政策、工作标准和要求之中, 鼓励和表彰正确和规范的行为, 控制和处罚错误和违章的行为, 安全文化在制度中的激励和约束作用能让员工充分的感受到。通过把安全生产管理更多地落实到制度、机制中, 把制度变成员工的行动指南, 使正确、规范的行为变成员工的工作习惯。再次科学管理模式就是建立有效的监督制度, 对于落实安全生产制度, 明确安全生产责任, 保证油田重型车辆的安全生产具有重要意义。
结语
随着中国经济的腾飞, 中国石油行业的持续发展壮大, 油田勘探开发区域不断扩大, 不断向大型发展着的炼油装置、化工装置、油品运输装置, 人口密集地区和交通要道中的油品销售站点连续增多, 油田重型车辆运输安全管理在石油行业中所占分量越来越重要。油田车辆安全文化的普及以及油田车辆安全管理模式正在为油田生产和社会生活建立一个和谐稳定有保障的环境。
参考文献
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重型车辆 篇6
电控机械式自动变速器(automatic mechanical transmission,AMT)是在传统的固定轴式变速器和干式离合器的基础上,通过增加电控单元(ECU)、传感器以及相应的执行机构,从而实现自动变速的变速器。AMT具有传动效率高、成本低、操作容易、驾驶舒适等优点,已成为重型车辆变速器配置的一个重要发展方向[1,2]。硬件在环仿真是指将实际被控对象用高速计算机系统上实时运行的仿真模型来代替,与实际控制器连接成为一个系统,通过仿真试验实现对控制系统功能的测试和验证。利用硬件在环仿真可以大大缩短发动机电控单元ECU的开发周期,降低开发成本[3]。
硬件在环仿真技术已广泛应用于轿车自动变速器技术开发中[3,4,5,6,7],在重型车辆上的应用主要集中在防抱死制动系统(ABS)、驱动防滑系统(ASR)、牵引力控制系统(TCS)控制器的开发[8,9]。国内近几年才开始研究开发适用于重型车辆的多挡位(12/16挡)自动变速器,目前还没有见到有关将硬件在环仿真技术应用于重型车辆多挡位(12/16挡)电控机械式自动变速器开发的相关文献报道。
本文通过在某重型车辆法士特12JS200T型变速器基础上增加控制器、传感器以及相应的离合器与选换挡执行机构,取代原来由人工操作完成的离合器分离与接合及变速器选换挡等动作,研制开发出重型车辆AMT硬件在环仿真试验系统,并通过AMT样车道路试验,对其综合性能进行了评估。
1 硬件在环仿真试验系统总体结构设计
重型车辆AMT硬件在环仿真试验系统包括通信协议制定、离合器执行机构和选挡机构的开发设计与制造、传感器选型布置及标定、控制系统线束制作、手自一体换挡手柄的改装、AMT控制系统软件设计、试验平台软硬件系统设计等。
图1为重型车辆AMT硬件在环仿真平台总体结构示意图。通过油门踏板传感器、制动踏板传感器以及换挡手柄传感器,把驾驶员操作意图转换为模拟电信号输入dSPACE/AutoBox中,dSPACE/AutoBox中的DS1401卡A/D口实现模数转换,读入驾驶员信号。通过CAN总线采集发动机转速信号,DS1401卡A/D口采集离合器位移传感器信号与液压单元的压力传感器信号,I/O口接收各挡位电磁开关信号。
dSPACE/AutoBox运行整车动力学仿真模型以及AMT换挡控制算法代码,得到各执行机构的控制指令;经过驱动单元放大驱动电流与电压,DS1401卡I/O转换发送给相应挡位电磁阀及直流电机继电器,发送PWM信号控制离合器的进油高速开关阀(进油HSV)与出油高速开关阀,并通过控制局域网(CAN)总线与发动机电控单元(ECU)通信,控制相应机构执行动作,从而实现控制系统指令接收与反馈。惯性飞轮模拟整车惯量,交流电力测功机实现模拟整车行驶阻力。数据采集及控制系统由传感器群与控制系统组成。上位机安装了测试软件ControlDesk,实现硬件在环试验与模型相关参数在线、实时的修改调试;工控机中安装了自行开发的AMT综合性能试验测控软件,能与AMT控制器进行数据通信,实时显示重型车辆AMT的运行状态,并反馈给驾驶员。
2 硬件在环仿真试验系统硬件设计
图2为重型车辆AMT硬件在环仿真试验台结构示意图。图2中的硬件在环仿真试验台硬件系统主要由发动机、重型车辆AMT样机、进油高速开关阀、出油高速开发阀、换挡电磁阀、电机继电器、转速转矩传感器、惯性飞轮组、法士特12JS200T型变速器、电力测功机及其变频器、驱动器、dSPACE/AutoBox、笔记本电脑、工控机、方向盘、油门踏板、制动踏板以及换挡手柄等组成。硬件系统按功能可分为动力单元、被测单元、加载单元、监控单元、接口单元和控制单元。试验台可对AMT系统的各种工况进行模拟,完成系统控制参数的匹配和优化。
2.1 动力单元
动力单元为试验的动力来源,根据重型车辆的特点,本文试验系统选用康明斯柴油发动机ISM420 E30作为动力源。
2.2 被测单元
被测对象通过增加控制器、传感器以及相应的离合器与选换挡执行机构,将法士特12JS200T型手动变速器改装成AMT样机。增加的传感器包括8个换挡手柄位置传感器(P、R、N、D、M、+、-、AUTO)、转向盘转角传感器、油门踏板传感器、制动踏板传感器、发动机转速传感器、离合器位移传感器、液压系统压力传感器,以及8个挡位传感器(1挡、2挡、3挡、4挡、5挡、6挡、R挡、高低挡);执行机构包括进油高速开关阀、回油高速开关阀、换挡电磁阀与电机继电器。控制器部分由dSPACE/AutoBox替代实际的电控单元进行试验测试。
2.3 加载单元
加载装置采用西门子560kW交流电力测功机,变频调速柜采用矢量控制调节加载扭矩,从而对车辆行驶阻力进行模拟;陪试变速器采用法士特12JS200T型手动变速器,试验中作为升速箱,通过调节升速箱挡位实现测功机的直接加载,满足AMT系统不同工况下试验加载需求。采用惯性飞轮组模拟整车转动惯量。
2.4 监控单元
监控单元由工控机、转速转矩传感器与转速转矩仪组成。转速转矩传感器信号通过工控机内安装的转速转矩仪读取,再通过串口通信把信号传递给dSPACE/AutoBox。
2.5 控制单元
控制单元由制动踏板、油门踏板、换挡手柄、dSPACE/AutoBox以及上位机笔记本电脑组成。操作人员可通过操纵制动踏板、油门踏板与换挡手柄体现驾驶员的操纵意图,实现基于人-车闭环系统的重型车辆AMT样机控制系统硬件在环试验测试。上位机安装了MATLAB/Simulink/Stateflow、ControlDesk测试软件以及自行开发的AMT综合性能试验测控软件。上位机通过LAN与dSPACE/AutoBox相连,实现对试验系统相关单元的实时控制,dSPACE/AutoBox通过串口与转速转矩仪相连。
3 硬件在环仿真试验系统软件设计
3.1 组合型两参数换挡规律
重型车辆AMT的换挡以小油门开度为主,以舒适、稳定、少污染为目标,采用单参数控制;中油门开度以保证最佳燃油经济性为主,兼顾动力性,采用两参数经济性控制;大油门开度则以获得最佳动力性为主,采用两参数动力性控制的方法,由此得到某重型汽车AMT的两参数组合型换挡规律。重型车辆在满载情况下的换挡规律曲线如图3所示。换挡规律存储在控制器中,在自动变速系统正常运行时,由各种传感器采集汽车当前行驶状态信息,
通过控制器所预设的相应控制规律将这些信息与最佳的换挡规律相比较,从而求取最佳换挡点[10]。之后通过逻辑判断程序完成是否执行换挡的决定,如果达到换挡的要求,则向执行机构发出完成换挡的信号。
3.2 实时仿真模型
如图4所示,AMT控制系统硬件在环仿真模型主要由输入模块、计算模块、AMT控制模块以及输出模块组成。输入模块中包含发动机油门、发动机转速、制动踏板开度、离合器位置、AMT输入轴转速、液压系统压力、挡位判断、换挡手柄判断以及车速共9个子模块;计算模块包含发动机转速控制、离合器接合速度控制、升降挡判断以及液压力控制共4个子模块;AMT控制模块包含换挡车速计算与AMT换挡逻辑控制系统2个子模块,换挡规律曲线包含换挡车速计算模块;输出模块包含变速器主箱换挡电磁阀、副箱气动电磁阀、电机继电器、进油高速开关阀、回油高速开关阀。AMT换挡逻辑控制系统包括P挡、N挡、R挡、D挡与M挡(包括+、-)5个模式以及各模式等待与切换,如图5所示。
3.3 接口模块
基于MATLAB/Simulink/RTW环境,开发系统接口模块,包括信号采集模型、信号处理模型与信号输出模型。其中,信号采集模型与信号输出模型采用与DS1401卡配套的Simulink环境下的A/D、D/A与I/O模块建立,用于采集试验系统相关参数,并输出控制信号。信号处理模型是采用低通滤波器模块与函数计算模块建立的,用于对输入信号进行滤波与转化处理。同时,由于试验系统中发动机与AMT之间采用CAN通信技术进行数据交换,各节点遵循统一的通信规范,因此不需要额外的信号调理电路,把实物节点CAN接口和仿真节点CAN接口直接用双绞线相连就可以实现通信[11,12]。
3.4 AMT综合性能试验测控软件
图6所示是基于Delphi开发平台开发的重
型车辆AMT综合性能试验测控软件,其功能是对插于工控机扩展槽内的卡式扭矩仪和CAN卡进行读写、采集转速转矩信号,并通过RS232串口将采集到的数据发送至dSPACE/AutoBox。测控软件能与AMT控制器进行数据通信、在线调整参数,实时显示AMT的运行状态。
3.5 硬件在环仿真测控调试系统
为便于试验的实时测控、参数调整以及试验过程中可能出现的不可预期的故障检测和分析,需构建试验测控系统,实现对试验系统运行状态和工作参数的测控和调试。本文利用dSPACE/ControlDesk软件提供的虚拟测试控件建立了重型车辆AMT面向对象的实时测控系统(图7)。通过该系统能进行试验的实时测控、参数在线调整、试验数据保存和紧急情况的应急处理。
4 硬件在环仿真试验
在对重型车辆AMT系统进行硬件在环试验前,应首先对离合器执行机构、选换挡执行机构的工作性能进行快速控制原型(RCP)测试和检验,验证执行机构的结构合理性和工作可靠性,同时标定各个传感器,检验驱动单元与传感器的工作性能,保证单个系统工作可靠;其次检验各子系统协调控制性能,并进行参数在线调试和优化;最后完成被控实物硬件在环仿真试验台和实时仿真控制系统的构建,并与dSPACE/AutoBox正确连接后,在MATLAB/Simulink环境下结合dSPACE/RTI工具完成代码的生成,并下载到dSPACE/AutoBox控制箱中进行硬件在环仿真试验,实时验证重型车辆AMT换挡控制策略。
图8所示是分别保持小油门开度(30%)、中油门开度(50%)与大油门开度(80%),从1挡连续升挡到12挡的车速与挡位随时间的变化曲线。表1、表2和表3所示是从曲线中得到的各个挡位的实际换挡点,与之前设计的组合型两参数换挡规律比较,结果表明实际换挡点车速与本文制
定的换挡规律曲线在该点的车速基本相同,证明本文制定的组合型两参数换挡控制策略能够满足重型车辆AMT的控制要求。
5 AMT样车道路试验
完成硬件在环仿真台架试验后,将该AMT样机安装在某重型车辆上,仍然采用dSPACE/AutoBox作为AMT样机控制器进行路试,便于实时测控、在线调整参数、实时数据保存与分析等,更好地评价AMT样车综合性能。
5.1 平路起步试验
如图9所示,根据重型车辆特点,选择4挡且油门开度α=15%工况起步。开始时离合器接合非常缓慢,主动盘、从动盘转速同步前,离合器接合速度几乎为零。当主动盘、从动盘转速同步后,离合器迅速接合。在整个起步过程中,发动机转速基本保持在900r/min左右,车速变化较小,起步平稳,但时间较长。
5.2 坡道起步试验
如图10所示,车辆在小坡道上以4挡起步,加速踏板开度比水平路面稍大。离合器半接合点延后,离合器接合比较缓慢,当离合器主动盘、从动盘转速同步后,离合器迅速接合。整个起步过程中,发动机转速基本保持在1000r/min左右,车速变化较小,起步较为平稳。
5.3 连续加减挡试验
如图11所示,在无风状态、水平良好路面条件下,车辆从1挡连续换至12挡,然后松开加速踏板,并踩下制动踏板,逐渐从12挡换至1挡。在整个过程中,当车辆达到换挡车速后,节气门开度迅速下降为零,离合器分离,然后进行退挡、选挡和挂挡,离合器接合,同时控制节气门逐渐恢复至目标开度。发动机工作平稳,无换挡不及时现象。
6 结论
开发了重型车辆AMT硬件在环仿真试验系统。基于该试验系统,分别在大、中、小油门开度下进行连续换挡试验,结果表明,实际换挡点车速与本文制定的换挡控制规律车速基本相同。AMT样车道路试验结果表明,综合性能变化趋势符合重型车辆AMT运行规律,控制策略准确可靠,为后续电控单元的开发与整车测试打下基础。
摘要：以重型车辆电控机械式自动变速器(permanent magent synchronous motor,AMT)样机开发为应用背景,基于MATLAB/Simulink/Stateflow/RTW与dSPACE软硬件系统,开发了重型车辆AMT硬件在环仿真试验系统。利用该系统实时验证组合型两参数换挡控制策略,并进行了平路起步、坡道起步以及连续加、减挡AMT样车道路试验。结果表明:所开发的硬件在环仿真系统能快速、有效地验证重型车辆AMT控制策略,正确评估其综合性能,为重型车辆AMT控制器的开发提供了很好的系统测试平台。
关键词：重型车辆,AMT,换挡控制,硬件在环仿真
参考文献
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重型车辆 篇7
本工作在SRV实验机上模拟活塞环-缸套摩擦副实际工况的动载荷和静载荷环境,将重型车辆发动机实际使用的活塞环和缸套加工成试样,测试了不同条件下摩擦副的摩擦因数和磨损量,并结合磨痕形貌和能谱分析,研究了摩擦副的磨损机制。目的是为改善摩擦副的减摩耐磨性,并为延长材料的使用寿命提供理论和实验依据。
1 实验材料与方法
本实验采用SRV?4高温摩擦磨损实验机。它是最新一代的摩擦学测试系统,可以方便地控制载荷、温度、往复频率、行程,能够较好的模拟活塞环-缸套在静载荷和动载荷条件下往复运动的工作方式,使实验结果更具可比性,从而对实际应用更具指导意义,目前已经广泛应用于活塞环-缸套的摩擦学特性实验中[5,6]。
为了模拟发动机中活塞环-缸套的实际运动方式,本实验采用相对滑动的面接触运动形式(见图1)。由图1可看出,上试样取自实际球面梯形环的一部分,材料为65Mn钢[7],表面电镀Cr。下试样是用实际缸套加工制成的,材料为42MnCr52钢,表面经过珩磨处理,长×宽×高的尺寸为20mm×12mm×5mm。同时设计了符合SRV实验机要求的下卡具,设计的卡具具有便于拆卸,定位准确的优点。实验过程中固定下试样不动,使上试样进行往复运动。试样之间的接触部分采用CD10W/40号机油进行润滑。
通过发动机台架考核实验可知,发动机实际工作过程中,气缸内壁最高温度约为200℃,缸内最大爆发压力约为10MPa,换算成此实验机最大载荷为400N。摩擦学测试条件如表1,2所示。
实验前后,采用无水乙醇对活塞环和缸套试样进行超声波清洗。利用Nova NanoSEM 450/650型高分辨场发射扫描电镜观察观察活塞环、缸套表面摩擦磨损后的微观形貌,采用Feature Max型X射线能谱仪分析表面元素分布情况。用精度为0.1mg的天平称量试样磨损前后的质量,所得质量差为试样的磨损量。
2 实验结果与讨论
2.1 静载荷条件下摩擦副的摩擦学性能
图2为摩擦副在不同静载荷下的摩擦因数图。由图2可见,摩擦副的摩擦因数随载荷的增加而减小。当载荷从50N时增加到170N时,摩擦因数下降的较为明显,而载荷从170N时增加到400N时,摩擦因数下降的较为平缓。与50N相比,载荷为400N时摩擦因数下降了约26%。在摩擦过程中,随着载荷的增加,摩擦表面的微凸体发生变形,导致接触面积增加。由于活塞环表面的Cr电镀层具有较高的硬度和承载能力,导致载荷增加的比例大于剪切强度和接触面积增加比例的乘积,所以摩擦副的摩擦因数随载荷的增加而减小[8,9]。
图3为不同静载荷下摩擦副的磨损总失重量。由图3可见,摩擦副的总失重量随载荷的增加而增加。当载荷为50N和170N时,总失重量增加较为平缓,当载荷超过170N后,随载荷的增加,总失重量增加明显。与50N相比,载荷为400N时摩擦副总失重量增加了约47%。
图4为摩擦副在不同载荷下磨损后的磨痕形貌。当载荷为50N时,活塞环表面由于磨屑的犁削作用,形成轻微的犁沟,与之对磨的缸套表面划痕呈细且浅的长条状存在,活塞环和缸套的磨损机理以磨粒磨损为主(见图4(a),(b))。当载荷增加到400N时,与前几种载荷相比,活塞环表面出现了严重的磨粒磨损,以及摩擦过程中因黏着-摩擦热产生的黏着磨损(见图4(c)),此时活塞环的磨损机理转变为综合的磨粒磨损和黏着磨损,缸套表面犁沟明显增深加宽(见图4(d)),导致磨损失重量继续增加。
从图4(c)可以看出,活塞环表面覆盖着条状深色区域。通过能谱进一步分析(见图(5)),结果表明该区域有一定量来自机油的功能元素:P,Zn,Ca,说明在摩擦过程中,通过摩擦化学反应,在活塞环表面形成摩擦反应膜。这是因为,当载荷增加到一定程度,摩擦副接触面会产生很大的塑性应力和剪切力,产生大量的摩擦热,导致摩擦副接触处摩擦温度升高,在塑性应力和高摩擦温度下很容易产生磨屑的转移从而形成摩擦反应膜[10,11]。摩擦反应膜可以减小摩擦副之间的接触面积,这是摩擦因数会降低的另一个原因。此时,虽然摩擦副之间的接触面积减小了,但是作用在已接触的点上的压力增加较大,再加上一些未形成摩擦反应膜的区域发生了黏着磨损,因此磨损失重量增加较多。
(a)活塞环50N;(b)缸套50N;(c)活塞环400N;(d)缸套400N(a)piston ring 50N;(b)cylinder liner 50N;(c)piston ring 400N;(d)cylinder liner 400N
2.2 动载荷条件下摩擦副的摩擦学性能
图6为摩擦副在不同强度动载荷条件下的摩擦因数曲线。由图6(a)可知,载荷为50N和170N交替循环时,摩擦副的摩擦因数随载荷的变化而呈循环变化。当载荷为50N时,摩擦因数约为0.24,当载荷增加到170N时,摩擦因数约为0.19。与50N的静载荷相比,摩擦因数上升了约14%;与170N的静载荷相比,摩擦因数上升了约12%。
由图6(b)可见,与低强度动载荷条件下的情况类似,载荷为170N和290N交替循环时,摩擦副的摩擦因数也随载荷的变化呈循环变化。当载荷为170N时,摩擦因数约为0.19,当载荷增加到290N时,摩擦因数约为0.18。与290N的静载荷相比,摩擦因数上升了约13%;与低强度动载荷条件下相比,摩擦因数有所下降。
如图6(c)所示,与低强度和中等强度动载荷条件下的情况不同,载荷为290N和400N交替循环时,摩擦副的摩擦因数没有太大变化,基本保持在约0.17。与400N的静载荷相比,摩擦因数上升了约13%。与低强度和中等强度动载荷条件下相比,摩擦因数有所下降。由此可见,与静载荷相比,在其他条件不变的情况下,动载荷条件下摩擦副的摩擦因数有所上升。而随着动载荷强度的增加,摩擦因数呈下降趋势。
(a)Cr;(b)P;(c)O;(d)Zn;(e)Ca;(f)C(a)Cr;(b)P;(c)O;(d)Zn;(e)Ca;(f)C
(a)低强度;(b)中等强度;(c)高强度(a)low strength;(b)moderate strength;(c)high strength
图7为摩擦副在不同动载荷下的磨损失重量。由图7可见,摩擦副的总失重量随动载荷强度的增加而增加。与低强度动载荷相比,高强度动载荷条件下摩擦副的总失重量增加了约31%。载荷为50N和170N交替循环时,与50N的静载荷相比,活塞环和缸套的失重量有所上升,但小于170N静载荷时的失重量。载荷为170N和290N,290N和400N交替循环时,与低强度动载荷条件下相似,活塞环和缸套的失重量分别介于静载荷为170N和290N的失重量之间、静载荷为290N和400N的失重量之间。
图8是摩擦副在不同强度动载荷条件下磨损后的磨痕形貌。当载荷为50N和170N交替循环时,活塞环表面存在磨粒的犁削痕迹,犁沟的特征为细且浅的长条状;缸套表面不但存在犁沟,而且局部出现涂抹现象。活塞环和缸套的磨损机理以磨粒磨损为主(见图8(a),(b))。
当载荷增加到170N和290N交替循环时,活塞环表面不但存在犁沟、黏着,同时局部出现材料的剥离(见图8(c))。其原因为,经过中等强度载荷的循环变化,材料表面在磨粒磨损过程中会产生较大的摩擦力,摩擦力对Cr电镀层产生剪切作用,随着磨损的进行,持续的剪切使得Cr电镀层与基体的结合遭到破坏,导致镀层被剥离基体。活塞环的磨损机理是综合的磨粒磨损、黏着磨损。缸套表面存在犁沟、黏着,同时涂抹现象更加明显(见图8(d))。缸套的磨损机理是综合的磨粒磨损、黏着磨损。
当载荷增加到290N和400N交替循环时,活塞环表面发生严重的黏着磨损,局部沿垂直于滑动方向出现裂纹(见图8(e))。出现上述磨损特征的原因,是由于载荷对摩擦副摩擦磨损特性的影响,取决于摩擦副接触面积的大小和变形程度。随着载荷的增加,活塞环和缸套接触表面的实际接触面积增加,微凸体变形程度加剧,引起表面和亚表面的塑性变形,在表层内形成裂纹的成核点。高强度载荷的循环变化导致裂纹扩展到表面,微凸体发生剥离形成大量的磨损粒子。同时,载荷的脉冲变化使得润滑油膜剧烈减薄,致使微凸体接触点焊合在一起,形成黏着(见图8(e))。活塞环的磨损机理是综合的磨粒磨损、黏着磨损、疲劳磨损。缸套表面的原始珩磨纹已经被磨平,表面变得相对平滑,犁沟数量明显增多。高强度载荷的循环变化,会导致缸套产生表层变形,表面最终剥离出大碎片,留下凹坑,致使局部出现点蚀(见图8(f))。缸套的磨损机理是综合的磨粒磨损、黏着磨损。
(a)活塞环50N-170N-50N;(b)缸套50N-170N-50N;(c)活塞环170N-290N-170N;(d)缸套170N-290N-170N;(e)活塞环290N-400N-290N;(f)缸套290N-400N-290N(a)piston ring 50N-170N-50N;(b)cylinder liner 50N-170N-50N;(c)piston ring 170N-290N-170N;(d)cylinder liner 170N-290N-170N;(e)piston ring 290N-400N-290N;(f)cylinder liner 290N-400N-290N
综上所述,随动载荷强度的增加,活塞环和缸套的磨损程度逐渐增加,使得摩擦副的总失重量增加。但是,由于载荷增加的比例大于材料剪切力和接触面积增加比例的乘积,因此摩擦副的摩擦因数随动载荷强度的增加而减小[9,12]。
3 结论
(1)随静载荷的增加,摩擦副的摩擦因数减小,总失重量增加。活塞环和缸套的磨损机理以磨粒磨损为主。在400N条件下,活塞环的磨损机理转变为综合的磨粒磨损和黏着磨损,表面形成摩擦反应膜。
(2)在低强度和中等强度动载荷条件下,载荷交替循环时,摩擦副的摩擦因数随载荷的变化而呈循环变化。在高强度动载荷条件下,摩擦副的摩擦因数保持稳定。摩擦副的总失重量随动载荷强度的增大而增加。