基于顆粒效應(yīng)的活塞環(huán)-缸套潤滑特性研究

王永強(qiáng)， 劉宇陽， 于姝雯， 盧熙群， 馬旋

(1.哈爾濱工程大學(xué) 動力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院， 上海 200011)

內(nèi)燃機(jī)目前仍然是陸地和海上交通運輸及發(fā)電的主要動力源。由于人們節(jié)能環(huán)保意識的提高以及內(nèi)燃機(jī)高可靠性需求的增加，對摩擦磨損提出了更高的要求。固體顆粒雜質(zhì)進(jìn)入活塞環(huán)-缸套后，會改變潤滑狀態(tài)，可能發(fā)生異常磨損和潤滑失效甚至是嚴(yán)重故障。所以，對活塞環(huán)-缸套潤滑特性的研究具有重要意義[1]。

早期，學(xué)者[2-3]發(fā)現(xiàn)固體顆粒會影響潤滑油的粘度、油膜厚度以及總承載能力。Yousifc等[4]采用傳質(zhì)理論研究了潤滑油中固體添加劑對圓錐軸頸軸承穩(wěn)態(tài)性能的影響。王超[5]以表面形貌的統(tǒng)計參數(shù)和功能參數(shù)為特征參數(shù)，研究了潤滑油中添加納米顆粒對其的影響。劉偉等[6-8]探究了摩擦副上多顆粒的位置、間距、大小等因素對潤滑的影響。楊曉京[9]建立了一個可以在彈性、彈塑性和塑性變形下計算的多固體顆粒-摩擦副表面接觸模型，并在此基礎(chǔ)上對活塞環(huán)-缸套摩擦副液固兩相潤滑進(jìn)行了求解。孟凡明等[10]推導(dǎo)出了含顆粒下的混合雷諾方程，并按照顆粒的上下左右將求解區(qū)域分成4份進(jìn)行計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)油膜承載力和壓力峰值以及摩擦力均隨粒徑的增加而增大。關(guān)于活塞環(huán)缸套磨損問題，相關(guān)學(xué)者做了大量的仿真工作[11-13]，磨損現(xiàn)象的發(fā)生也是顆粒產(chǎn)生的主要原因之一。

學(xué)者們對活塞環(huán)-缸套摩擦副的顆粒磨損做了大量研究，但絕大多數(shù)的研究還停留在定性研究，缺乏定量研究。本文根據(jù)柴油機(jī)實際工況及特殊的工作環(huán)境選定固體顆粒種類，提出潤滑油顆粒尺寸的描述方法，在定性的基礎(chǔ)上定量地探究潤滑油顆粒效應(yīng)對活塞環(huán)-缸套摩擦副潤滑特性的影響。

1 實驗裝置及方法

本文實驗采用WPM-02型高速往復(fù)摩擦磨損實驗機(jī)進(jìn)行顆粒摩擦磨損模擬，該臺架的實物圖如圖1所示。實驗臺架主要由往復(fù)運動機(jī)構(gòu)、載荷加載機(jī)構(gòu)、夾具、信號采集及處理系統(tǒng)等部分組成。

圖1 高速往復(fù)摩擦磨損實驗機(jī)Fig.1 High speed reciprocating friction machine

往復(fù)運動機(jī)構(gòu)：該機(jī)構(gòu)動力源為伺服電機(jī)，通過皮帶、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)及導(dǎo)軌將圓周運動轉(zhuǎn)化為往復(fù)直線運動。其中可通過調(diào)節(jié)偏心機(jī)構(gòu)卡槽位置來控制行程。

載荷加載機(jī)構(gòu)：該機(jī)構(gòu)主要通過控制底座的位置，實現(xiàn)上下試件的接觸和分離以及載荷大小的控制。其中為避免載荷波動過大，在壓桿中放置了彈簧，且載荷由連接座板上的負(fù)荷傳感器測定。

夾具：上夾具夾持活塞環(huán)試件，下夾具夾持缸套切片試件，摩擦力通過施力座上的傳感器測量。

信號采集及處理系統(tǒng)：信號采集系統(tǒng)以固定頻率采集加載力和摩擦力信號，首先力信號經(jīng)過傳感器轉(zhuǎn)化為電壓信號，再通過電壓放大器將電壓放大，最后由數(shù)據(jù)采集儀采集信號并傳輸?shù)诫娔X中，利用軟件進(jìn)行處理。其中信號采集系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 信號采集系統(tǒng)Fig.2 Schematic diagram of signal collecting system

為探究潤滑油顆粒效應(yīng)對摩擦副潤滑特性的影響，本實驗初步選用粒徑大致為2、5、10 μm的石英砂作為固體顆粒，并將其摻雜在SAE5W-30型潤滑油中。

由于廠家未給定本實驗溫度下的潤滑油粘度，需要根據(jù)廠家提供的潤滑油參數(shù)計算本實驗溫度下的粘度，其中潤滑油參數(shù)見表1，計算采用的Ubbelohde-Walter粘溫方程為：

表1 SAE5W-30潤滑油參數(shù)表Table 1 Parameter list of SAE5W-30 lubricating oil

log log(v+c)=a-blogT

(1)

式中：c為常數(shù)，一般取0.6～0.7；T為溫度，K。

為對比不同粒徑固體顆粒對潤滑特性的影響，選擇在圖3(b)的潤滑油中，分別摻雜粒徑為2、5、10 μm的固體顆粒，同時基于提高實驗對比效果的目的，還配比了不同濃度下的含顆粒潤滑油。其中有無固體顆粒下的潤滑油對比如圖3所示。還需注意在實驗前使固體顆粒與潤滑油均勻混合。

圖3 有無固體顆粒下的潤滑油對比Fig.3 Comparison of particle and non-particle lubricant

實驗所用的活塞環(huán)和缸套小樣試件均由195型柴油機(jī)的缸套及活塞環(huán)均勻切割而成，如圖4所示。因活塞環(huán)曲率半徑略大于缸套，為保證整個環(huán)面與缸套均勻摩擦、不出現(xiàn)偏磨，需要對缸套試樣邊緣進(jìn)行加工，且要保證粗糙度基本不變。同時在正式實驗前還需將缸套與活塞環(huán)試樣進(jìn)行磨合，并將其放入無水乙醇中利用超聲波清洗。

圖4 活塞環(huán)及缸套試件Fig.4 Piston ring and cylinder liner sample

2 磨粒的幾何參數(shù)測試

潤滑油中的固體顆粒主要為滑油添加劑、熱分解產(chǎn)生的不溶性灰分、磨屑以及跟隨空氣進(jìn)入的固體顆粒。其中隨著空氣進(jìn)入的固體顆粒主要為石英砂，約占65%～95%[14-15]。所以本文選用石英砂為固體顆粒。顆粒幾何形狀的不規(guī)則，給顆粒大小的表征帶來了很大的困難。本文為定量描述顆粒的幾何參數(shù)，將空間不規(guī)則的顆粒簡化為球形，這樣即可通過測量顆粒的平面參數(shù)來計算顆粒的等效粒徑進(jìn)而描述顆粒的大小。等效粒徑的計算分成3個部份：對角線長度、與周長對應(yīng)的等效直徑、與面積對應(yīng)的等效長度，且這3部分的權(quán)重均為1/3。這樣即可通過測量顆粒的長軸和短軸長度、周長、面積，計算單個顆粒的等效粒徑，再對所有測量顆粒進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)平均，分別得到2、5、10 μm固體顆粒的實際等效粒徑。其中顆粒的幾何形狀參數(shù)如圖5所示，等效粒徑計算公式為：

圖5 顆粒幾何形狀Fig.5 Schematic diagram of particle geometry

d1=(a+b)/2

(2)

d2=L/π

(3)

(4)

de=(d1+d2+d3)/3

(5)

將清洗后的石英砂顆粒分別放在篩口大小為2、5、10 μm的篩網(wǎng)中進(jìn)行篩選，篩選后按照篩口大小把石英砂顆粒分成3組；在每一組內(nèi)隨機(jī)選取若干固體顆粒，盡量以適當(dāng)?shù)拈g隔均勻的置于載玻片之上，放置方式如圖6所示；然后選擇適當(dāng)位置，將載玻片固定載物臺上，利用圖7的光學(xué)顯微鏡對顆粒幾何形狀進(jìn)行觀察；首先調(diào)節(jié)粗準(zhǔn)焦螺旋使鏡筒緩慢上移，找到顆粒位置后再調(diào)節(jié)細(xì)準(zhǔn)焦螺旋，以達(dá)到最佳的清晰度，需要注意的是在調(diào)焦的過程中應(yīng)避免鏡頭撞到載玻片而發(fā)生損壞；再使用圖8的CCD鏡頭對其中分布較為均勻且顆粒無互相遮擋重疊的部份進(jìn)行拍照，保存圖像清晰的照片，并將照片傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中。

圖6 載玻片上固體顆粒放置方法Fig.6 Method of placing particles on glass slide

圖7 光學(xué)顯微鏡Fig.7 Optical microscope

在MiVnt軟件中打開圖片，由于顆粒均勻放置在載玻片上，選用矩形框框選需要分析的區(qū)域，具體操作如圖9所示；再對選取區(qū)域進(jìn)行色調(diào)處理，選定目標(biāo)顆粒并設(shè)定其顏色，得到的結(jié)果如圖10所示；最后選擇要輸出的顆粒幾何參數(shù)及單位，經(jīng)過軟件自動分析后即可得到石英砂顆粒的長軸長度、短軸長度、周長及面積，幾何參數(shù)自動分析過程如圖11所示。

圖9 分析區(qū)域選取Fig.9 Analysis region selection

分別在3種粒徑下各測量了20個顆粒的幾何尺寸，測量結(jié)果為：2 μm粒徑的固體顆粒長軸長度在2.24～6.40 μm，短軸長度在0.71～3.16 μm，周長在6.00～15.07 μm，面積在2.00～9.00 μm2；5 μm粒徑的固體顆粒長軸長度在4.47～10.63 μm，短軸長度在1.00～6.31 μm，周長在10.83～29.31 μm，面積在4.00～38.00 μm2；10 μm粒徑的固體顆粒長軸長度在9.49～21.26 μm，短軸長度在1.00～13.27 μm，周長在30.14～66.43 μm，面積在46.00～160.00 μm2，詳細(xì)測量結(jié)果見文獻(xiàn)[16]。最終得到3種顆粒實際平均等效粒徑分別為2.75、5.38和12.07 μm。

3 缸套力學(xué)材料特性測試

石英砂的硬度略高于缸套的硬度，本文在仿真計算時需要缸套材料的彈性模量和屈服極限作為輸入?yún)?shù)，因此需要對這2個參數(shù)進(jìn)行測量。

本實驗利用英斯特朗公司的4504系列電子萬能試驗機(jī)對材料屬性進(jìn)行測量，試驗機(jī)如圖12所示。

圖12 電子萬能試驗機(jī)Fig.12 Instron4505 electronic universal tester

首先，為保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性以及可重復(fù)性，切割部份缸套制成3個大小相同的長方體；其次分別在試件上、下表面涂抹凡士林，以減少摩擦力的影響；再控制軟件開始進(jìn)行壓縮測試，并注意觀察載荷-位移曲線；最后根據(jù)接觸面積將載荷-位移曲線轉(zhuǎn)化為應(yīng)力-應(yīng)變曲線，從而得到缸套材料的彈性模量及屈服強(qiáng)度。

實驗結(jié)果：測試得到的缸套材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖13所示。由于試件1和2曲線在彈性變形區(qū)域內(nèi)比較接近，而試件3曲線與試件1和2曲線相差較大，為減小實驗誤差，本實驗選擇試件1和2的應(yīng)力-應(yīng)變曲線進(jìn)行分析。首先根據(jù)曲線的趨勢確定在X值為0.004 708 時達(dá)到屈服，因此該材料的屈服強(qiáng)度為396.4 MPa。然后在彈性變形區(qū)域內(nèi)選擇曲線上另外一點，計算此點與屈服點之間直線的斜率即可得到缸套材料的彈性模量，值為0.935×1011Pa。

圖13 缸套材料應(yīng)力應(yīng)變曲線Fig.13 Stress-strain curves of cylinder liner

4 實驗結(jié)果分析

本文根據(jù)柴油機(jī)的實際工況參數(shù)，進(jìn)行了模擬實驗，分別在加載力為50、100 N和等效主機(jī)轉(zhuǎn)速為100、200 r/min下進(jìn)行了含顆粒和無顆粒潤滑實驗。為驗證本實驗結(jié)果的正確性，建立了考慮潤滑油顆粒效應(yīng)的數(shù)值模型，并仿真計算出的摩擦力與實驗結(jié)果相對比，其中具體的仿真模型建立方法見文獻(xiàn)[17]。得到的無顆粒下的摩擦力計算與測試結(jié)果對比如圖14所示。

由圖14可得：潤滑油中不摻雜固體顆粒時，實驗測試結(jié)果存在一定的波動，主要原因是往復(fù)摩擦磨損試驗機(jī)的機(jī)架處支撐剛度較低，致使機(jī)體振動過大，以及摩擦力傳感器為應(yīng)變傳感器。但摩擦力仿真與實驗結(jié)果曲線趨勢相同且幅值相近。所以驗證了本次實驗結(jié)果的正確性。

圖14 無顆粒下摩擦力Fig.14 Friction force without particles

通過探究實驗發(fā)現(xiàn)，摻雜等效粒徑為5.38和12.07 μm的固體顆粒不適合作為顆粒效應(yīng)實驗的工況條件，因為此時摩擦力的大小與干摩擦?xí)r相近，其原因是等效主機(jī)轉(zhuǎn)速過低，潤滑油動壓效應(yīng)不明顯，油膜厚度接近或小于顆粒粒徑，固接觸占據(jù)主導(dǎo)地位。而等效粒徑為2.75 μm下，液固兩相潤滑占據(jù)主導(dǎo)，滿足實驗要求。同時通過嘗試性實驗選擇最佳顆粒濃度為0.05作為實驗工況。最后得到不同工況下實驗測試和仿真計算結(jié)果對比，如圖15所示。

圖15 等效粒徑為2.75 μm時的摩擦力曲線Fig.15 Friction force with particle diameter of 2.75 μm

由圖15可得：潤滑油中摻雜固體顆粒時，仿真結(jié)果與實驗結(jié)果仍基本相同，側(cè)面證明了含顆粒下活塞環(huán)-缸套潤滑特性實驗的正確性，也表明了仿真模型的準(zhǔn)確性。在相同運行工況下(50 N、100 r/min)對比是否含顆粒下的摩擦力(圖14(a)和圖15(a))發(fā)現(xiàn)：潤滑油中摻雜等效粒徑為2.75 μm的固體顆粒后，摩擦力幅值增加了1倍。對比圖15(a)、(c)與圖15(b)、(d)發(fā)現(xiàn)：對應(yīng)摩擦力隨著載荷的增高而增大；對比圖15(a)、(b)和圖15(c)、(d)可得：轉(zhuǎn)速增加后在活塞環(huán)離開2個止點處于較高運動速度時，摩擦力有所減小。這是由于試件處于2個止點時運動速度為0，油膜的承載力極小，轉(zhuǎn)速增加摩擦力的影響很小。活塞環(huán)試件離開2個止點后，轉(zhuǎn)速增加會使各位置處的滑動速度增加，其中以行程中點處最為明顯，這有利于油膜的形成，導(dǎo)致顆粒承載作用減弱，從而使摩擦力減小。

5 結(jié)論

1)本文根據(jù)柴油機(jī)的實際工況，選取石英砂作為潤滑油顆粒效應(yīng)研究的摻雜顆粒，利用光學(xué)顯微鏡和圖像分析軟件定量的得到顆粒幾何特征參數(shù)；并測量缸套試件的彈性模量和屈服強(qiáng)度；在往復(fù)摩擦機(jī)上進(jìn)行摩擦力測試，分析了潤滑油中摻雜固體顆粒對活塞環(huán)-缸套潤滑特性的影響。通過實驗測試發(fā)現(xiàn)潤滑油顆粒效應(yīng)會使摩擦力大大增加。

2)當(dāng)滑油中含有固體顆粒時，油膜厚度整體增大很多，主要是顆粒的增粘效應(yīng)和承載作用引起的；加入顆粒后顆粒的承載作用引起油膜壓力下降；往復(fù)速度增大后，油膜壓力增大，流體動壓效應(yīng)更加明顯；當(dāng)滑油中摻雜固體顆粒時，固體顆粒與摩擦副之間的固固摩擦力占據(jù)主導(dǎo)地位，而活塞環(huán)與缸套微凸體之間的接觸摩擦力和油膜的粘性摩擦力占比很小。