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基于超声法的混有碳烟的气缸润滑油膜厚度测量研究

摘要

本文以柴油机气缸-活塞环处润滑油膜厚度为测量对象，对油膜厚度超声波测量技

术进行了深入的研究，并利用超声波法对运转状态下的柴油机活塞环处含有碳烟的润

滑油膜厚度进行测量，旨在建立柴油机活塞环润滑油膜厚度监测系统，确保柴油机活

塞环组能在运行中能保持良好的润滑条件。

本文首先深入分析了目前国内外的润滑油膜厚度测量技术，针对于目前柴油机实

际运转时活塞环-气缸处润滑油膜厚度测量过程中存在的挑战，确定了以超声波来测量

活塞环-气缸处的润滑油膜厚度的方法。接着对超声波传播原理进行了分析，根据超声

波传播原理与不同的边界条件，推导并得到反射系数的计算公式。基于反射系数以及

振幅和相位变化情况，建立了谐振模型、相移模型以及弹簧模型，以满足不同厚度润

滑油膜的计算需求。

结合柴油机活塞环处润滑油膜厚度变化范围，搭建了超声波测量润滑油膜厚度实

验台，并分析了声波聚焦，不同材料以及衰减等因素对利用超声波法测量油膜厚度过

程中的影响。接着，对柴油机不完全燃烧产物碳烟的物理性质进行分析，使用炭黑与

洁净润滑油的混合物替代柴油机实际工作时活塞处被碳烟污染的润滑油，并对被碳烟

污染的润滑油膜厚度进行测量。

然后，在超声波测量润滑油膜厚度实验台上对4.1-155.3μm范围内的油膜进行厚

度测量实验。以铸铁-空气界面反射信号为参考信号，利用加汉明窗等数据修正方法对

所获得的数据进行处理，所得的油膜厚度测量值与油膜厚度设定值相吻合，相对误差

不超过5%，证明基于超声波所得的三种油膜厚度测量方法具有准确测量微小润滑油膜

厚度的能力，同时也具有很高的准确性。并通过实验探究三种测量方法对于混有炭黑

的润滑油膜厚度测量能力。

最后，搭建了以HS400型柴油机为基础的柴油机气缸活塞往复运动模拟装置，并

在该装置上设计了一套反射信号采集系统，该系统可有效提高数据采集效率。利用超

声波法测量曲轴转速为10-100r/min时，三个不同的活塞环与气缸之间的洁净润滑油膜

厚度，然后将柴油机中的洁净润滑油替换为炭黑-机油混合物，研究不同转速下不同含

量的炭黑对于活塞环润滑油膜的影响。

实验结果证明了超声波法具有测量运行状态下柴油机气缸-润滑油膜厚度的能力，

为后续在柴油机燃烧状态下，对含有碳烟组分的润滑油膜厚度的测量提供了基础。这

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

项研究对于提高柴油机的润滑效率和降低柴油机的排放具有重要的参考价值。

关键词：油膜厚度测量；柴油机气缸；超声波测量；碳烟影响；活塞环

基于超声法的混有碳烟的气缸润滑油膜厚度测量研究

Abstract

Thispapertodieselenginecylinder-pistonringlubricantfilmthicknessastheobjectof

measurement,thefilmthicknessofultrasonicmeasurementtechnologyforin-depthstudy,and

theuseofultrasonicmethodofoperationofthedieselenginepistonringcontainingsoot

lubricantfilmthicknessmeasurement,aimedattheestablishmentofthelubricantfilm

thicknessofthedieselpistonringlubricantthicknessmonitoringsystem,toensurethatdiesel

enginepistonringgroupcanmaintaingoodlubricationintheoperatingconditionsduring

operation.