活塞環(huán)——缸套摩擦磨損研究

2014-07-16 04:39:20吳立來(lái)

內(nèi)燃機(jī)與配件 2014年4期

吳立來(lái)

（南京飛燕活塞環(huán)股份有限公司）

1 概述

內(nèi)燃機(jī)機(jī)械摩擦功耗占燃油消耗17%，其中活塞環(huán)與缸套組件占總?cè)加拖牡?%。同時(shí)活塞環(huán)與缸套的摩擦學(xué)特性直接影響著內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力性能、排放性能和使用壽命，行業(yè)內(nèi)視活塞環(huán)與缸套為內(nèi)燃機(jī)第一摩擦副，活塞環(huán)與缸套公認(rèn)為內(nèi)燃機(jī)心臟部位的關(guān)鍵零部件。活塞環(huán)與缸套摩擦副的摩擦系數(shù)直接影響摩擦功耗，磨損系數(shù)又直接影響著使用壽命。

內(nèi)燃機(jī)四個(gè)工作行程中，活塞環(huán)受力及其復(fù)雜，有氣體壓力、慣性力、活塞槽作用力、缸套摩擦力等。受力的活塞環(huán)做三維運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)急劇變化，分別與缸套、活塞在軸向和徑向產(chǎn)生相對(duì)變速度運(yùn)動(dòng)，其中活塞環(huán)與缸套間的軸向運(yùn)動(dòng)速度最大、加速度最大、摩擦力最大、磨損最大。在活塞上止點(diǎn)處，由于高溫、高壓、變向、遠(yuǎn)離潤(rùn)滑油等因素，活塞環(huán)與缸套存在貧油潤(rùn)滑，此處摩擦磨損最為苛刻。

選取3對(duì)活塞環(huán)與缸套配對(duì)，做貧油狀態(tài)摩擦磨損試驗(yàn)，測(cè)出拉缸前平均摩擦系數(shù)0．1349，物理氣相沉積的活塞環(huán)平均磨損系數(shù)0．8375×10－6mm3／min，未經(jīng)表面耐磨處理的鑄鐵缸套平均磨損系數(shù)2．735×10－3mm3／N．m。選取1對(duì)未經(jīng)表面處理的鑄鐵活塞環(huán)和鑄鐵缸套配對(duì)，在富油狀態(tài)做摩擦磨損試驗(yàn)，測(cè)出平均摩擦系數(shù)0．15，活塞環(huán)平均磨損系數(shù)0．722×10－11mm3／min，缸套平均磨損系數(shù)1．179×10－8mm3／N．m。得出結(jié)論：貧油狀態(tài) （拉缸前）摩擦系數(shù)與富油狀態(tài)相當(dāng)，貧油狀態(tài) （拉缸前）磨損系數(shù)是富油狀態(tài)的105倍，揭示出潤(rùn)滑狀態(tài)是影響摩擦副磨損的關(guān)鍵因素，這為產(chǎn)品設(shè)計(jì)和故障分析提供了數(shù)據(jù)支持。

2 貧油狀態(tài)試驗(yàn)過(guò)程

2．1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)活塞環(huán)定位夾具圖1，設(shè)備UMT－2MT多功能磨損試驗(yàn)機(jī)圖2，試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)平面往復(fù)式圖3。

圖1 活塞環(huán)定位夾具

圖2 多功能磨損試驗(yàn)機(jī)

圖3 試驗(yàn)原理圖

2．2 試驗(yàn)樣品

鋼質(zhì)活塞環(huán)經(jīng)滲氮、外圓面PVD鍍CrN處理。缸套共三種，編號(hào)分別為1＃、2＃和3＃，材料均為灰鑄鐵。試樣樣品從活塞環(huán)與缸套上直接截取，保證樣品接觸面為配副實(shí)際工作面，活塞環(huán)樣品、缸套樣品見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 活塞環(huán)樣品

圖5 缸套樣品

2．3 貧油狀態(tài)試驗(yàn)規(guī)范

活塞環(huán)－缸套磨損試驗(yàn)規(guī)范見(jiàn)表1，潤(rùn)滑油牌號(hào)為CI－15W－40，跑合前在上、下試樣之間一次性加油0．15ml。為確保結(jié)果的可靠性，相同條

件下的試驗(yàn)按同一規(guī)范重復(fù)三次。

表1 磨損試驗(yàn)規(guī)范

2．4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果

2．4．1 摩擦系數(shù)：三組配副的摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2、圖6。

表2 摩擦系數(shù)

圖6 貧油狀態(tài)摩擦系數(shù)曲線

2．4．2 磨損系數(shù)：缸套、活塞環(huán)的磨損系數(shù)分別見(jiàn)表3、表4，磨損系數(shù)比對(duì)結(jié)果見(jiàn)圖7。

表3 缸套磨損系數(shù)

表4 活塞環(huán)磨損系數(shù)

圖7 活塞環(huán)－缸套磨損系數(shù)對(duì)比圖

配副的磨損系數(shù)與摩擦系數(shù)并無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系。

2．4．3 磨損形貌與磨損機(jī)理

2．4．3．1 三維磨損形貌：缸套三維磨損形貌見(jiàn)圖

8，缸套三維磨損形貌的差異與磨損系數(shù)分析結(jié)果一致。

圖8 缸套三維磨損形貌

2．4．3．2 磨損機(jī)理：三組配副的磨損機(jī)理見(jiàn)表5，掃描電鏡照片（微觀形貌）見(jiàn)圖9。

表5 磨損機(jī)理

圖9 缸套－活塞環(huán)SEM磨損形貌

缸套磨損后表面珩磨形貌基本消失，磨損表面有明顯的犁溝狀磨痕，1＃缸套與3＃缸套磨損表面還可發(fā)現(xiàn)部分材料剝落及微裂紋擴(kuò)展，磨損機(jī)理主要表現(xiàn)為磨粒磨損加疲勞磨損。與缸套配副的活塞環(huán)磨損機(jī)理主要為磨粒磨損。

3 富油狀態(tài)試驗(yàn)過(guò)程

試驗(yàn)活塞環(huán)定位夾具、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)運(yùn)動(dòng)、試驗(yàn)缸套樣品同貧油狀態(tài)，試驗(yàn)活塞環(huán)樣品為鑄鐵磷化活塞環(huán)。

3．1 富油狀態(tài)試驗(yàn)規(guī)范充分潤(rùn)滑為試驗(yàn)過(guò)程中始終持續(xù)供油，供油速度一致。保證活塞環(huán)對(duì)缸套施加的載荷500N、活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)頻率40Hz、活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)行程2．5mm、缸套溫度100℃，潤(rùn)滑油供油速度為1ml／min、潤(rùn)滑油溫度為100℃。

3．2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與結(jié)果

3．2．1 摩擦系數(shù)：摩擦系數(shù)緩慢變小趨于穩(wěn)定在0．15，見(jiàn)圖10。