冷卻強(qiáng)度、配對(duì)副以及潤滑介質(zhì)對(duì)活塞環(huán)槽溫度限值的影響

韓曉光， 杜鳳鳴， 吳迪， 金梅， 袁曉帥， 胡定云， 龐銘， 徐久軍

(1. 大連海事大學(xué)船機(jī)修造工程交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室， 遼寧 大連 116026；2. 大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026；3. 南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 江蘇 南京 210016； 4. 中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

冷卻強(qiáng)度、配對(duì)副以及潤滑介質(zhì)對(duì)活塞環(huán)槽溫度限值的影響

韓曉光1， 杜鳳鳴2， 吳迪3， 金梅2， 袁曉帥4， 胡定云4， 龐銘4， 徐久軍1

(1. 大連海事大學(xué)船機(jī)修造工程交通行業(yè)重點(diǎn)試驗(yàn)室， 遼寧 大連 116026；2. 大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院， 遼寧 大連 116026；3. 南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 江蘇 南京 210016； 4. 中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)， 天津 300400)

在自制的基于摩擦力的活塞環(huán)槽溫度限值測試裝置上，采用火焰加熱活塞模擬內(nèi)燃機(jī)燃燒室的燃燒過程，在加熱強(qiáng)度一定的條件下，分別研究不同冷卻強(qiáng)度、配對(duì)副以及潤滑介質(zhì)時(shí)缸套-活塞環(huán)間的摩擦力隨活塞環(huán)槽溫度的變化。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：活塞環(huán)槽溫度限值隨冷卻強(qiáng)度的增大而逐漸提高；CKS環(huán)與鍍鉻缸套配副時(shí)比鍍鉻環(huán)以及噴鉬環(huán)與鍍鉻缸套配副時(shí)活塞環(huán)槽溫度限值高；SAE15W/40潤滑油作為潤滑介質(zhì)時(shí)比SAE40，SAE10W/30潤滑油作為潤滑介質(zhì)時(shí)活塞環(huán)槽溫度限值高。

活塞環(huán)； 氣缸套； 潤滑劑； 冷卻強(qiáng)度； 活塞環(huán)槽； 溫度限值

近年來，隨著動(dòng)力機(jī)械向著高速化和大型化的方向發(fā)展，潤滑問題受到廣泛關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于潤滑失效導(dǎo)致的事故占總量的60%左右[1]。通常認(rèn)為，潤滑條件下的磨損是由于零件運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的機(jī)械作用、熱作用以及摩擦副與潤滑介質(zhì)間的化學(xué)作用造成的，導(dǎo)致潤滑失效的主要因素包括潤滑劑非牛頓性、表面粗糙度和界面溫度三個(gè)方面[2-3]。

內(nèi)燃機(jī)溫度過高會(huì)使吸進(jìn)內(nèi)燃機(jī)的混合氣數(shù)量減少，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降。活塞溫度過高會(huì)使機(jī)油在高溫下氧化變質(zhì)、失效、黏度降低，潤滑性能下降，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)件間油膜變薄甚至破壞，從而加劇機(jī)件的磨損。楊睿[4-5]等搭建了一套油品高溫氧化結(jié)焦行為的實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)裝置，并測定了兩種潤滑油高溫氧化后的極性和非極性結(jié)焦前驅(qū)物及結(jié)焦的組成，研究了其熱氧化結(jié)焦行為，證明潤滑油在高溫環(huán)境長期工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生結(jié)焦現(xiàn)象。

燃油燃燒過程中產(chǎn)生的高溫高壓氣體作用在活塞表面，使活塞表面溫度升高，不同部位之間的溫度分布不均，溫度梯度增大，易造成活塞的熱變形和熱應(yīng)力增加[6]，導(dǎo)致活塞和氣缸磨損，活塞-活塞環(huán)、活塞-缸套、活塞環(huán)-缸套因過熱膨脹而破壞其原有正常的配合間隙，造成摩擦阻力增加，零件的磨損加劇，強(qiáng)度降低，使零件變形和損壞[7]。活塞環(huán)，特別是第一道氣環(huán)，在高溫高壓和燃燒生成物所產(chǎn)生的化學(xué)作用下，潤滑油熱解、結(jié)焦，環(huán)槽區(qū)積炭、粘附磨粒加劇磨損，進(jìn)而使活塞環(huán)卡滯、扭斷，引起活塞環(huán)槽異常磨損產(chǎn)生密封失效，造成竄氣、燒機(jī)油甚至燒活塞故障[8-9]。因此，在活塞設(shè)計(jì)中，環(huán)槽區(qū)域的溫度必須處于某一限值以下，避免功能性熱損傷。

長期以來，國內(nèi)柴油機(jī)研發(fā)大多仿制國外成型產(chǎn)品，活塞環(huán)槽臨界溫度還采用經(jīng)驗(yàn)值，對(duì)活塞環(huán)槽溫度研究相對(duì)較少。王建平等[8]以鋁活塞鑲嵌高鎳合金鑄鐵圈-球墨鑄鐵活塞環(huán)為研究對(duì)象，采用CD10W40潤滑油摩擦副，以潤滑介質(zhì)結(jié)焦、摩擦副過度磨損為評(píng)價(jià)依據(jù)，通過開展不同溫度下的高溫端面磨損試驗(yàn)確定活塞環(huán)區(qū)潤滑油結(jié)焦溫度及異常磨損溫度分別為200 ℃和220 ℃。但該試驗(yàn)僅僅分析了給定溫度下試樣表面形貌及摩擦因數(shù)的變化，不能實(shí)時(shí)反映環(huán)槽溫度的變化對(duì)潤滑介質(zhì)工作狀態(tài)的影響。

本研究采用自制的非發(fā)火單缸臥式試驗(yàn)機(jī)模擬火焰加熱，以在線測量缸套活塞環(huán)間摩擦力信號(hào)來表征潤滑油性能隨活塞環(huán)槽溫度的變化，從而確定活塞環(huán)槽溫度限值，為活塞設(shè)計(jì)及抑制活塞功能性熱損傷提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

采用自制的基于摩擦力的缸套活塞環(huán)槽溫度限值測試裝置(專利申請(qǐng)?zhí)枺篊N201610427400)進(jìn)行試驗(yàn)，圖1示出了缸套與活塞組件摩擦力在線測試裝置示意。該裝置采用電機(jī)倒拖方式拖動(dòng)活塞環(huán)組在缸套內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，電機(jī)額定功率5.5 kW；通過在活塞第二和第三道活塞環(huán)間打孔，通入壓縮空氣實(shí)現(xiàn)活塞環(huán)背壓加載，實(shí)際工作背壓為3 MPa; 環(huán)槽溫度通過在環(huán)槽附近內(nèi)置熱電偶進(jìn)行測量；冷卻水采用可控流量的水泵通過缸套冷卻腔對(duì)缸套活塞環(huán)進(jìn)行冷卻，通過在缸套與擋板間設(shè)置壓力傳感器對(duì)缸套活塞環(huán)間的摩擦力進(jìn)行測量；活塞為表面噴磷處理的鋁活塞。

1—加熱系統(tǒng)； 2—測力系統(tǒng)； 3—活塞環(huán)； 4—熱電偶； 5—連桿； 6—缸套； 7—加壓系統(tǒng)； 8—密封端蓋； 9—冷卻系統(tǒng)圖1 試驗(yàn)機(jī)原理

1.2 材料及試驗(yàn)方法

采用鍍鉻活塞環(huán)、噴鉬環(huán)和CKS環(huán)分別與鍍鉻缸套配對(duì)，SAE40，SAE10W/30，SAE15W/40潤滑油作為潤滑介質(zhì)，冷卻水流量為20～60 L/min，電機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min，活塞環(huán)背壓加載至3 MPa條件下，研究不同配副材料對(duì)活塞環(huán)槽溫度限值的影響，具體試驗(yàn)流程如下：

1) 開動(dòng)電機(jī)，達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速后，逐步加載活塞環(huán)背壓，在加壓的過程中，要充分潤滑缸套-活塞組，使缸套-活塞組接觸面盡快進(jìn)入磨合穩(wěn)定期；

2) 在進(jìn)入磨合穩(wěn)定期后，對(duì)活塞頂面以一定的加熱速率進(jìn)行點(diǎn)火加熱，冷卻水流量為20 L/min，鍍鉻環(huán)與缸套配對(duì)，SAE15W/40潤滑油作為潤滑介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，采集該試驗(yàn)條件下的摩擦力數(shù)據(jù)，獲得摩擦力與活塞環(huán)槽溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

3) 分別提高冷卻水流量為40 L/min和60 L/min，重復(fù)上述試驗(yàn)步驟1～3，記錄摩擦力數(shù)據(jù)；

4) 更換潤滑介質(zhì)，采用SAE40，SAE10W/30作潤滑介質(zhì)，在冷卻水流量為20 L/min條件下，進(jìn)行上述試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

5) 更換活塞環(huán)，采用CKS環(huán)和噴鉬環(huán)分別與鍍鉻缸套匹配，在冷卻水流量為20 L/min條件下，進(jìn)行上述試驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 冷卻強(qiáng)度的影響

為了研究冷卻強(qiáng)度對(duì)活塞環(huán)槽溫度限值的影響，在充氣壓力為3 MPa，電機(jī)轉(zhuǎn)速為200 r/min條件下，采用鍍鉻環(huán)與鍍鉻缸套配對(duì)，SAE 15W/40作潤滑介質(zhì)，在冷卻水流量為20～60 L/min時(shí)，進(jìn)行缸套活塞環(huán)摩擦力隨活塞環(huán)槽溫度變化的試驗(yàn)研究。圖2示出了采用火焰加熱活塞模擬內(nèi)燃機(jī)燃燒室的燃燒過程，活塞環(huán)槽溫度隨加熱時(shí)間變化曲線。由圖可知，活塞環(huán)槽的升溫過程明顯分成兩個(gè)階段，在加熱初期，溫度上升速率較快，大約持續(xù)60 s，隨后溫度上升速率逐漸減慢；加熱初期，冷卻水流量為20 L/min時(shí)活塞環(huán)槽溫度上升速率較冷卻水流量為40 L/min和60 L/min更快，隨加熱時(shí)間延長到120 s，溫度上升速率基本保持不變。

圖2 活塞環(huán)槽溫度隨加熱時(shí)間變化

圖3示出了缸套活塞環(huán)摩擦力隨活塞環(huán)槽溫度變化曲線。由圖可知：隨著活塞環(huán)槽溫度上升，初期摩擦力逐漸增大，但變化幅度不大，在0～20 N之間緩慢增加；但當(dāng)溫度增加到200 ℃以上時(shí)，3種冷卻水流量條件下，缸套活塞環(huán)間的摩擦力均發(fā)生突變，只是突變點(diǎn)的溫度不同，分別為203 ℃，217 ℃和228 ℃，由此可知，隨冷卻強(qiáng)度增加，缸套活塞環(huán)摩擦力突變時(shí)的活塞環(huán)槽溫度逐漸增大。

圖3 缸套活塞環(huán)摩擦力隨活塞環(huán)槽溫度變化

2.2 配副材料的影響

為了研究配副材料對(duì)活塞環(huán)槽溫度限值的影響，選取鍍鉻環(huán)、CKS環(huán)與噴鉬環(huán)分別和鍍鉻缸套組成配對(duì)副，在冷卻水流量為20 L/min條件下進(jìn)行了缸套活塞環(huán)摩擦力試驗(yàn)研究。圖4示出了不同配副材料下缸套活塞環(huán)摩擦力隨環(huán)槽溫度變化曲線，由圖可知，隨著活塞環(huán)槽溫度增加，摩擦力逐漸增大，變化幅度在20 N左右；當(dāng)溫度增加到203 ℃時(shí)，鍍鉻環(huán)和噴鉬環(huán)與鍍鉻缸套配對(duì)副的摩擦力值首先發(fā)生突變，隨著溫度進(jìn)一步上升到210 ℃，CKS環(huán)與鍍鉻缸套配副間摩擦力值也發(fā)生突變。

圖4 不同配副材料下缸套活塞環(huán)摩擦力隨環(huán)槽溫度變化曲線

2.3 潤滑介質(zhì)的影響

為了進(jìn)一步研究不同潤滑介質(zhì)對(duì)活塞環(huán)槽溫度限值的影響，選取SAE40，SAE10W/30，SAE15W/40作為潤滑介質(zhì)，采用鍍鉻環(huán)與鍍鉻缸套配對(duì)，在冷卻水流量為20 L/min條件下進(jìn)行缸套活塞環(huán)摩擦力檢測。圖5示出了不同潤滑介質(zhì)條件下缸套活塞環(huán)摩擦力隨環(huán)槽溫度變化曲線。由圖可知，隨著活塞環(huán)槽溫度增加，摩擦力逐漸增大，變化幅度在20 N左右；當(dāng)溫度增加到200 ℃時(shí)，使用SAE10W/30潤滑油的配對(duì)副摩擦力首先發(fā)生突變，隨活塞環(huán)槽溫度的升高，使用SAE40及SAE15W/40潤滑油的摩擦副摩擦力相繼發(fā)生突變。

內(nèi)燃機(jī)缸套活塞環(huán)摩擦副在工作過程中承受來自氣缸內(nèi)的高溫高壓氣體和燃燒生成物所產(chǎn)生的化學(xué)作用，缸套活塞環(huán)產(chǎn)生熱變形，間隙變小，潤滑油膜難于形成，同時(shí)潤滑油在高溫作用下可能產(chǎn)生熱解、結(jié)焦、環(huán)槽區(qū)積炭、粘附磨粒加劇磨損，造成缸套活塞環(huán)潤滑異常，摩擦力顯著增大。因此，對(duì)缸套活塞環(huán)進(jìn)行冷卻處理是非常必要的。活塞環(huán)是缸內(nèi)重要的導(dǎo)熱原件，活塞的大部分熱量經(jīng)活塞環(huán)-潤滑油膜-氣缸套系統(tǒng)傳給冷卻介質(zhì)，因此，冷卻系統(tǒng)對(duì)缸套活塞環(huán)的潤滑性能有較大影響。在外加熱源作用下活塞環(huán)槽處的溫度顯著增大，但產(chǎn)生的熱量大部分經(jīng)活塞環(huán)-潤滑油膜-氣缸套系統(tǒng)傳遞給冷卻水系統(tǒng)，使?jié)櫥蜏囟冉档停S著冷卻水流量增大，活塞環(huán)-潤滑油膜-氣缸套系統(tǒng)經(jīng)冷卻系統(tǒng)帶走的熱量也顯著增大，使得潤滑油與活塞環(huán)槽之間溫差也相應(yīng)增大，也是環(huán)槽溫度限值隨冷卻水流量的增大顯著提高的原因。在同一冷卻水流量條件下，不同配對(duì)副的影響主要是由于活塞環(huán)表面不同成分及不同的表面處理工藝造成的。鍍鉻環(huán)和噴鉬環(huán)表面分別做了電鍍鉻和噴鉬處理，均有效地改善了摩擦副的摩擦磨損性能，但與CKS環(huán)相比，金屬涂層的導(dǎo)熱性能比陶瓷涂層的導(dǎo)熱性能更好，使來自活塞的熱量很快傳導(dǎo)到潤滑油，導(dǎo)致潤滑油溫升高更快，在同樣的冷卻強(qiáng)度下，電鍍鉻和噴鉬處理活塞環(huán)與缸套配副時(shí)潤滑油更容易達(dá)到結(jié)焦溫度，造成摩擦力值發(fā)生突變。當(dāng)采用不同的潤滑介質(zhì)進(jìn)行潤滑時(shí)，潤滑油本身的性質(zhì)決定了活塞環(huán)槽溫度限值的變化，SAE40及SAE15W/40潤滑油在高溫使用時(shí)的黏稠性好，生成的油膜強(qiáng)度更高，在高溫下不容易結(jié)焦，因而活塞環(huán)槽具有更高的溫度限值。

圖5 不同潤滑介質(zhì)條件下缸套活塞環(huán)摩擦力隨環(huán)槽溫度變化曲線

3 結(jié)論

a) 活塞環(huán)槽溫度限值隨冷卻水流量的增大而逐漸提高，冷卻水流量由20 L/min 增加到60 L/min時(shí)，環(huán)槽溫度限值由203 ℃增加到228 ℃；

b) 采用CKS活塞環(huán)、噴鉬活塞環(huán)與鍍鉻環(huán)與鍍鉻缸套配副時(shí)，CKS環(huán)與鍍鉻缸套配副時(shí)活塞環(huán)槽溫度限值較高；

c) 采用不同的潤滑介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，SAE15W/40潤滑油作為潤滑介質(zhì)時(shí)活塞環(huán)槽溫度限值較高，這與該潤滑油具有更好的高溫性能有關(guān)。

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[編輯： 潘麗麗]

Influences of Cooling Intensity, Mating Material and Lubricant Medium on Temperature Limit of Piston Ring Groove

HAN Xiaoguang1, DU Fengming2, WU Di3， JIN Mei2, YUAN Xiaoshuai4, HU Dingyun4, PANG Ming4, XU Jiujun1

(1. Key Lab of Ship-Maintenance & Manufacture, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2. College of marine engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 3. School of Materials Science and Technology， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China； 4. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China)

The friction force changes of different mating materials, cooling intensities and lubricant mediums with the temperature of piston ring groove were studied through simulating the combustion process inside combustion chamber with the flame heating piston on a self-made temperature limit apparatus of piston ring groove based on the friction force. It was found that the temperature limit of piston ring groove increased gradually with the increase of cooling intensity and the temperature limit at the friction pair of chrome plated cylinder liner with CKS ring was higher than that at the pair of the same cylinder liner with chrome plated ring or spraying molybdenum ring. Besides, the temperature limit of piston ring groove of SAE15W/40 was also higher than that of SAE40 and SAE10W/30.

piston ring； cylinder liner； lubricant； cooling intensity； piston ring groove； temperature limit

2016-12-15；

2017-03-02

遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201602065)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(3132017009)

韓曉光(1974—)，男，副教授，博士，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)摩擦學(xué)，材料表面改性；xghandl@163.com。

徐久軍(1967—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)閮?nèi)燃機(jī)摩擦學(xué)；jjxu@dlmu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.02.007

TK417.12

B

1001-2222(2017)02-0041-04