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基于超声法的柴油机气缸活塞环润滑油膜厚度测量技术研究

摘要

柴油机的正常运行与其机械结构产生的摩擦磨损现象有着重要关联，活塞组件-缸

套作为其重要的摩擦副之一，其二者之间良好的润滑性能，对保障柴油机可靠性运行、

降低活塞组件-缸套的摩擦损失与提高柴油机的工作效率等方面具有着重要的研究意义

与科学价值。因为润滑性性能的好坏与润滑油膜厚度有着很大关系，所以本文以润滑

油膜厚度为研究目标，基于柴油机气缸润滑油膜厚度测量方法展开了理论分析与实验

测量研究，旨在获得润滑油膜厚度在柴油机工作过程中的变化规律，进而弥补国内柴

油机活塞环动态油膜厚度测量方面的研究空白。

首先对超声波测量原理进行了研究，根据超声波测量特性以及其传播边界条件研

究了超声波频率、反射系数与润滑油膜厚度之间的关系，建立了基于不同厚度测量范

围的谐振模型、弹簧模型以及相位模型，并基于泰勒展开式推导出了谐振模型、弹簧

模型以及相位模型的直接计算公式，为超声波测量润滑油膜厚度奠定了理论基础。

然后通过COMSOLMultiphysics仿真软件建立了阻抗边界处声压传递模型与摩擦

副材质内部声压衰减模型，对压电陶瓷元件接收到的反射信号进行了研究，定量分析

了声压在不同摩擦副边界处与内部的衰减情况，仿真结果对后续实验器材选型提供了

帮助。

在此基础上，开展了相同厚度下摩擦副材质对超声波测量润滑油膜厚度的影响研

究；使用2.25MHz与5MHz中心频率的超声波探头，开展了相同厚度下基于探头中心

频率对超声波测量润滑油膜厚度的影响研究。基于上述两个实验得出的结论，自主设

计并搭建了以不锈钢为摩擦副的静态油膜厚度标定实验台，采用5MHz超声波探头对

0~130μm范围内的润滑油膜厚度进行了测量与标定，实验结果证明了静态油膜厚度标

定实验台的测量能力与精度。

最后在HS400型单缸风冷柴油机上进行了动态润滑油膜厚度超声波测量系统构建，

结合测量方案对柴油机壳体结构进行了部分改造，搭建出了柴油机气缸油膜厚度测量

实验系统。通过测量系统对10-100r/min转速条件下的润滑油膜厚度进行测量，得出了

润滑油膜厚度在柴油机运转工况下的变化规律，为后续开展柴油机燃烧状态下润滑油

膜厚度测量提供了一定的支撑。

关键词：润滑油膜厚度；超声波测量方法；反射系数；活塞

基于超声法的柴油机气缸活塞环润滑油膜厚度测量技术研究

Abstract

Thenormaloperationofadieselengineiscloselyrelatedtothefrictionandwear

phenomenongeneratedbyitsmechanicalstructure.Asoneofitsimportantfrictionpairs,the

pistoncomponentcylinderlinerhasgoodlubricationperformance,whichhasimportant

researchsignificanceandscientificvalueinensuringthereliableoperationofthedieselengine,

reducingthefrictionlossofthepistoncomponentcylinderliner,andimprovingtheworking

efficiencyofthedieselengine.Becausethelubricityperformancehasagreatrelationshipwith

thelubricatingoilfilmthickness,thispapertakesthelubricatingoilfilmthicknessasthe

researchgoal,andconductstheoreticalanalysisandexperimentalmeasurementresearchbased

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