溫度對缸套-活塞環(huán)摩擦性能的影響*

杜 昌 盛晨興 饒 響 郭智威

(1.武漢理工大學船海與能源動力工程學院 湖北武漢 430063；2.國家水運安全工程技術研究中心，可靠性工程研究所 湖北武漢 430063；3.武漢理工大學交通與物流工程學院 湖北武漢 430063)

隨著相關排放法規(guī)日益嚴格，為了應對持續(xù)惡化的環(huán)境問題，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略深入到能源結構的各個方面，綠色的發(fā)展方式已經成為主流[1]。柴油機作為船舶動力系統(tǒng)的“心臟”，其工作效率直接影響船舶動力系統(tǒng)的能源轉換效率，而缸套-活塞環(huán)摩擦副摩擦性能的好壞決定著柴油機的能源轉換效率的優(yōu)劣[2-4]。同時，LNG作為船舶的代用燃料在極大程度上能解決一次燃料枯竭的問題，并以其優(yōu)秀的環(huán)保性能成為未來船舶能源主要發(fā)展方向之一[5]。研究表明，LNG燃料柴油機與傳統(tǒng)石油燃料柴油機相比，缸內燃燒溫度更高，爆發(fā)壓力更大，缸套-活塞環(huán)摩擦副也面臨著更為復雜的工作環(huán)境[6-7]。而摩擦學三公理揭示了摩擦是復雜的各個學科耦合作用的結果，其中溫度作為重要的影響因素，對于摩擦表面的組織結構、潤滑液的性質以及表面濕潤性等都有較大影響[8-9]。溫度作為影響柴油機缸套-活塞環(huán)摩擦副工作過程的重要因素之一，不僅對缸套-活塞環(huán)的工作性能有較大影響，也關系到柴油機的可靠性與經濟性。因此，探究高溫下缸套-活塞環(huán)摩擦副摩擦性能的變化規(guī)律對于柴油機向著更高的缸內溫度發(fā)展具有重要的推動意義。

近年來，許多學者研究了溫度對材料摩擦性能的影響。劉義和胡晏明[10]研究了溫度對H13鋼材摩擦磨損性能的影響，發(fā)現在50～200 ℃溫度下，H13的摩擦因數隨溫度升高先增大后減小。XU等[11]研究了Ti3SiC2/TiAl復合材料(TTC)與Si3N4之間的摩擦特性在25～800 ℃溫度區(qū)間的變化規(guī)律，試驗結果表明，在25～400 ℃溫度區(qū)間內摩擦因數隨著溫度的升高而升高，在400～800 ℃溫度區(qū)間內摩擦因數隨著溫度的升高而降低。宗輝祖[12]研究了輪軌材料摩擦副摩擦因數與溫度的關系，研究結果表明，摩擦因數隨溫度的變化分為3個階段：在低溫階段(25～300 ℃)摩擦因數上升，在中高溫階段(300～700 ℃)摩擦因數急速下降，在高溫階段(700～925 ℃)摩擦因數緩慢下降。而柴油機缸內溫度作為衡量柴油機工作性能的關鍵指標以及影響缸套-活塞環(huán)摩擦副摩擦性能的重要因素，研究人員也進行了大量研究。李玉杰等[13]研究了缸套溫度對活塞環(huán)潤滑的影響，發(fā)現合適的缸內溫度分布有利于潤滑油達到更好的潤滑效果，從而提高柴油機的熱效率。AL-SARKHI等[14]研究認為工作流體的溫度對柴油機效率有較大的影響，摩擦等不可逆損失隨溫度的變化而改變。周龍[15]通過建立內燃機耦合傳熱全仿真模型，分析了活塞組-氣缸套傳熱潤滑摩擦耦合機制。朱信[16]通過建立仿真模型，研究了冷啟動狀態(tài)下內燃機缸套-活塞環(huán)的摩擦特性，分析了隨著環(huán)境溫度的變化，活塞環(huán)-缸套摩擦性能及潤滑狀態(tài)的變化規(guī)律。

目前已研究證實溫度變化對材料摩擦性能有較大的影響，但涉及溫度環(huán)境對缸套-活塞環(huán)摩擦性能影響的研究多數通過模擬分析的方式展開。為了進一步試驗探究環(huán)境溫度對于缸套-活塞環(huán)摩擦性能的影響，本文作者選用S195單缸柴油機缸套切片進行試驗，通過往復式摩擦磨損試驗機研究溫度對其摩擦性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

試驗在MWF-10往復式摩擦磨損試驗機上進行，整體結構如圖1所示。包括驅動裝置、傳動裝置、特制夾具以及信號采集裝置。電機通過曲柄連桿機構帶動夾具在導軌上做往復運動，通過調節(jié)電機轉速以及壓力承載裝置可以模擬柴油機不同工作負載下的摩擦環(huán)境，利用USB6009采集卡可以完成試驗過程中壓力以及摩擦力的數據采集。缸套切片夾具結構如圖2所示，由加熱片對夾具進行加熱提供試驗所需要的溫度條件，通過放置于溫度檢測口的溫度傳感器監(jiān)測試驗過程中的溫度；加熱片和溫度傳感器與溫控器相連，以達到控制試驗過程中缸套-活塞環(huán)摩擦副工作溫度的目的。

圖1 往復式摩擦磨損試驗機Fig.1 Reciprocating friction and wear tester

圖2 缸套夾具結構示意Fig.2 Schematic diagram of cylinder liner fixture structure

1.2 試驗方法

低速柴油機在大型船只上應用廣泛，為模擬其運行環(huán)境，電機倒拖轉速設置為100 r/min，載荷設置為100 N，溫度梯度設置為室溫和60、90、120 ℃ 4組。

試驗試樣是由S195單缸柴油機缸套線切割加工成的120 mm×80 mm的切片，材質為耐磨合金鑄鐵；活塞環(huán)切片與缸套切片大小對應，材質為球墨鑄鐵，如圖3所示。

圖3 缸套、活塞環(huán)試樣Fig.3 Cylinder liner and piston ring specimens

為探究不同溫度對缸套-活塞環(huán)摩擦副摩擦特性的影響，在上述4種溫度條件下進行摩擦試驗，每組試驗時間為1.5 h。試驗采用無任何添加劑的70 N基礎油為潤滑劑，以加速模擬缸套-活塞環(huán)摩擦副之間的磨損，更好地分析不同溫度下缸套-活塞環(huán)摩擦副摩擦學行為。試驗過程中將50 mL基礎油均勻地加入摩擦副之間，潤滑方式為滴油潤滑。試驗過程中除溫度條件作為控制變量，試驗載荷和速度及其他試驗條件均相同。

1.3 數據采集

試驗需要采集的數據包括試驗過程中缸套-活塞環(huán)之間的摩擦力以及試驗后缸套表面形貌。摩擦力的采集頻率為0.1 s采集一次。通過接觸式表面輪廓儀采集缸套試樣的磨損表面形貌特征，每個缸套采集4個樣點，輔助分析缸套-活塞環(huán)摩擦副的磨損特征[17]。

2 試驗結果與分析

2.1 摩擦力

不同溫度下試驗過程中摩擦力曲線如圖1所示，這些曲線反映了試驗過程中不同時間段摩擦力的變化情況。不同溫度下平均摩擦力大小如圖4所示，反映了試驗過程中摩擦性能的整體水平。

圖4 不同溫度下摩擦力曲線Fig.4 Friction curves under different temperature：(a) room temperature;(b)60 ℃;(c)90 ℃;(d)120 ℃

從圖5可以看出，在載荷為100 N、轉速為100 r/min的運行工況下，隨著溫度逐漸升高，平均摩擦力呈現先減小后增大的趨勢。在溫度為60 ℃時，平均摩擦力為18.59 N(即平均摩擦因數為0.185 9)，與室溫下相比降幅為13.45%；在溫度為90 ℃時平均摩擦力達到最小值17.53 N，此時平均摩擦因數為0.175 3，與室溫下相比降幅為18.39%；在120 ℃時平均摩擦力達到最大值23.77 N，平均摩擦因數為0.237 7，與室溫下相比增幅為10.66%。從圖4中的摩擦力曲線可以看出，60 ℃溫度條件下試驗過程中摩擦力曲線最為穩(wěn)定，在整個試驗過程中摩擦力在固定值上下波動；而90 ℃時雖然平均摩擦力最小，但是對應的摩擦力曲線波動較大，且在試驗后0.5 h內摩擦力呈現出逐漸變大的趨勢。

圖5 不同溫度下平均摩擦力Fig.5 Average friction under different temperature

在室溫條件下，潤滑油的黏度較大，在一定程度上增大了摩擦副之間的黏滯阻力，從而增大了缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦力。而隨著溫度的增大，潤滑油的黏度降低，使得摩擦副間的黏滯阻力降低，在一定程度上降低了缸套-活塞環(huán)的摩擦力；同時由于溫度的增加，摩擦副表面金屬更容易與空氣發(fā)生氧化反應，在金屬表面生成氧化膜，改善了缸套-活塞環(huán)之間的摩擦性能，因此適當的溫度環(huán)境有利于缸套-活塞環(huán)切片摩擦副摩擦性能的提升。但是隨著溫度的進一步增大，金屬表面強度降低，從而影響金屬的塑韌性，摩擦表面黏著點增多，增大了摩擦力。

另外在120 ℃溫度條件下試驗后，在摩擦表面觀測到黑色黏著物，這可能是由于溫度升高，潤滑油在高溫下出現碳化的現象。從平均摩擦力大小可以看出，此時的溫度條件與室溫相比不再起到促進潤滑的作用，相反地，少量潤滑油碳化后與磨屑一起附著在摩擦表面增大了表面粗糙度，加劇了磨損，導致摩擦力增大。這是導致120 ℃時平均摩擦力大于室溫的原因之一。同時，雖然溫度升高金屬摩擦表面生成了一層氧化薄膜，但是隨著試驗的進行，氧化膜被磨破，材料磨損進一步加大，從而導致摩擦力出現波動變化，因此90、120 ℃下摩擦力出現較大的波動。相比之下，60 ℃時缸套-活塞環(huán)摩擦副表現出了優(yōu)秀的摩擦特性以及穩(wěn)定性。

2.2 表面形貌

材料表面粗糙度三維評價體系包含多種特征參數，文中選取其中較為典型的3種[18-19]，分別是表面均方根偏差Sq、偏斜度Ssk以及谷區(qū)液體滯留指數Svi。輪廓儀三維表面形貌采樣范圍為0.8 mm×0.8 mm，每個缸套采集4個樣點并取平均值，4種溫度下缸套磨損表面形貌如圖6所示，三維形貌特征參數如圖7所示。

結合摩擦副表面形貌分析，隨著溫度的升高，緩解了試樣表面的摩擦磨損。從圖6中可以看出，在60 ℃時試樣表面的磨損情況較好；而隨著溫度進一步增大，此時摩擦界面金屬機械性能改變，更容易發(fā)生磨損，磨粒磨損以及黏著磨損增多；120 ℃時試樣表面存在較多的犁溝以及磨痕，試樣表面粗糙度增大，因此摩擦因數增大。

圖6 不同溫度缸套表面形貌Fig.6 Surface morphologies of cylinder liners under different temperatures：(a) room temperature; (b)60 ℃;(c)90 ℃;(d)120 ℃

表面均方根偏差Sq反映表面輪廓偏離基準面的程度，是衡量被測量表面是否平整的重要參數。從圖7可以看出，隨著溫度的升高Sq的值呈現先減小后增大的趨勢，在溫度為90 ℃時達到最小值，此時缸套表面輪廓偏離基準面最小，這與該試驗工況下平均摩擦力值最小的結論一致；在溫度為120 ℃時Sq達到最大值，此時缸套表面犁溝較多，表面粗糙度較大，相對于其他溫度下缸套磨損更為嚴重，這說明適當的溫度環(huán)境對于缸套-活塞環(huán)的摩擦有改善作用。在60和90 ℃溫度下缸套-活塞環(huán)的Sq值較小且低于室溫條件下，但是當溫度達到120 ℃時，缸套-活塞環(huán)的Sq值反而高于室溫條件下，這與摩擦力變化趨勢是一致的。

圖7 缸套磨損表面的三維特征參數Fig.7 Three-dimensional feature parameters of cylinder liner worn surface

偏斜度Ssk是表面形貌的幅度特征參數，反映被測量區(qū)域內材料表面相對于中面的不對稱程度。當Ssk>0時，說明被測量表面有較多的尖峰，當Ssk<0時，說明被測量表面有較多的深谷，若表面相對于中面對稱，則Ssk=0。從圖7中可以看出，60 ℃時Ssk的絕對值最大，說明此溫度條件下缸套表面存在較多較深的深谷，潤滑油儲存在其中，給缸套-活塞環(huán)提供良好的潤滑條件，改善摩擦副之間的摩擦；在90 ℃時Ssk>0，說明缸套表面有較多的尖峰，表面相對中面不對稱性高，表面尖峰可能會影響潤滑油膜的潤滑狀態(tài)，這也是導致其摩擦力出現波動的原因；在120 ℃時Ssk的絕對值最小，說明缸套表面相較其他條件下關于中面的對稱性高，這可能是由于溫度增大提高了金屬表面的塑韌性，隨著摩擦試驗的進行，缸套表面相對中面對稱性在活塞環(huán)的縱向擠壓下有所提高。

谷區(qū)液體滯留指數Svi反映缸套表面谷區(qū)儲存潤滑油的能力，Svi值越大，則表面谷區(qū)液體滯留性能越好。從圖7可以看出，溫度為60 ℃時Svi的值最大，說明在此溫度下缸套表面的儲油能力最佳，此時缸套-活塞環(huán)摩擦副之間具有最佳的潤滑性能；90 ℃時Svi值也低于室溫條件下，說明此溫度條件仍然促進了缸套表面儲存潤滑油的能力，此時潤滑油膜的潤滑特性要優(yōu)于室溫條件下，這與摩擦力分析的結果是一致的；而在120 ℃時，Svi的值要低于室溫條件下，說明此時的溫度條件已經不再起到促進儲油的效果，反而降低了缸套表面的儲油能力，這也是導致120 ℃時缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦性能惡化的原因。

3 結論

(1)在相同載荷(100 N)、相同轉速(100 r/min)的條件下，隨著溫度的升高，缸套-活塞摩擦力呈現先減小后增大的趨勢，溫度為60與90 ℃時缸套-活塞環(huán)摩擦副表現出了較低的摩擦力，綜合試驗過程中摩擦力的波動幅度，溫度為60 ℃時缸套-活塞環(huán)摩擦副摩擦性能最優(yōu)。

(2)溫度對于缸套-活塞磨損表面形貌參數有較大的影響，與室溫和90、120 ℃相比，60 ℃時磨損表面形貌參數均處于較優(yōu)水平。

(3)適當的溫度環(huán)境對于摩擦配副之間的潤滑性能有一定的促進作用，存在合適的溫度，使得缸套-活塞環(huán)的摩擦性能達到最優(yōu)狀態(tài)。過高環(huán)境溫度對摩擦副的運行穩(wěn)定性影響很大，摩擦副間氧化膜破碎不僅可能破壞潤滑油膜的形成，也會影響摩擦副的磨損表面形貌。