柴油機連桿小頭襯套摩擦磨損試驗研究

劉旭康,張利敏,王浩宇,李一帆,李滿,周潤天

(中國北方發動機研究所(天津),天津 300400)

連桿小頭襯套是柴油機中連接連桿小頭和活塞銷的關鍵零件,它不僅交替承受氣缸的燃燒壓力和連桿自身的慣性力,還受到活塞熱負荷的作用[1-3]。連桿小頭襯套-活塞銷摩擦副的飛濺潤滑方式和擺動特點導致潤滑油膜不易建立,極易出現混合潤滑甚至干摩擦情況,而其摩擦磨損性能的優劣直接影響柴油機使用壽命和動力特性。

國內外研究學者綜合考慮各種非線性因素對連桿小頭襯套的潤滑性能的影響,建立了關于連桿小頭襯套多種形式的計算模型,指出粗糙度、間隙等因素的影響規律,并提出結構參數的優化設計方法[4-8]。仿真手段在一定程度上對連桿小頭襯套摩擦磨損特性的評價和結構設計提供了理論支撐以及優化思路,但實際工程應用性較差。通過試驗手段研究襯套不同材料、不同結構的性能差異[9-11],存在以試樣級作為研究對象、摩擦副運動狀態模擬難度較大、各工況因素選取較為簡單等問題,與工程實際磨損狀態差異較大。

本研究以某型號柴油機實際裝機使用的零件為試驗對象,依照局部強化技術的工程思路,在擺動摩擦副摩擦磨損試驗臺上,模擬柴油機工作中連桿小頭襯套繞活塞銷擺動的運動形式和承載狀況,開展擠壓工藝、旋壓工藝和進口產品工藝3種制備工藝的連桿小頭襯套摩擦磨損試驗,對比不同襯套與活塞銷匹配性能差異,力求為提高連桿小頭襯套的可靠性提供參考依據。

1 摩擦磨損試驗

1.1 試驗裝置

圖1a和圖1b分別示出試驗裝置原理和襯套-活塞銷安裝實物圖。試驗裝置由控制系統、加載系統、測試系統、潤滑系統、冷卻系統等組成。試驗所用的連桿小頭襯套和活塞銷均滿足某型號柴油機裝機的使用要求,其中活塞銷兩端開有V型槽用于安裝定位。軸承試樣和軸承蓋上分別開有直徑為5 mm的油孔,提供牌號為RP-4652D的裝甲車輛潤滑油。K1熱電偶用于監測襯套承載中心溫度,K2熱電偶用于監測襯套承載外側溫度,與K2安裝孔相隔90°的位置處安裝K3熱電偶,用于監測襯套非承載區域溫度。

圖1 擺動摩擦副摩擦磨損試驗臺

1.2 試驗對象及方案

試驗對象如表1所示,以進口襯套作為對比件開展試驗。試驗方案如表2所示。表2中循環載荷是指施加載荷按照擺動頻率周期性變化;飛濺潤滑是指潤滑油通過循環過濾系統噴淋到摩擦副接觸區;終止條件是指試驗過程中摩擦扭矩超過200 N·m或者摩擦溫度超過220 ℃,則立即停止試驗,如未超限則持續考核120 min。

表1 試驗對象

表2 試驗方案

2 試驗結果及分析

針對3種工藝襯套,每種襯套均進行3次摩擦磨損性能的對比試驗,經過前期的試驗驗證發現,試驗結果一致性良好,本研究選取其中一次試驗結果進行分析。

2.1 摩擦扭矩

圖2示出試驗過程中3種工藝襯套摩擦扭矩的變化情況。由圖2b可以看出,旋壓工藝襯套和進口工藝襯套磨合階段的驅動扭矩與初始值基本一致,分別約52 N·m和49 N·m,而擠壓襯套磨合階段呈現“下降—平穩”的趨勢,扭矩相對較小。整體來看,3種工藝襯套表面粗糙度基本一致,磨合階段襯套表面的微凸體被快速磨平,摩擦副處于良好的潤滑狀態。改變工況,進入磨損考核階段,由于載荷的增加,摩擦扭矩瞬間變大,擠壓工藝襯套摩擦扭矩基本穩定在150 N·m,且整個過程都比較穩定。進口工藝襯套考核前1 h,摩擦扭矩基本穩定在120 N·m,之后逐漸變大,最后超過擠壓工藝襯套。旋壓工藝襯套的摩擦扭矩在考核前期一直增加,在考核后期陡增、陡降,且幅度較大,在考核100 min時觸發試驗終止條件,摩擦扭矩曲線波動明顯,反映出潤滑效果差,難以形成穩定的油膜。

圖2 3種工藝襯套摩擦扭矩的變化情況

2.2 摩擦溫度

圖3示出試驗過程中3種工藝襯套摩擦溫度的變化情況。由圖3b可以看出,3種工藝襯套磨合階段的摩擦溫度呈現略微升高的趨勢,這是摩擦熱在摩擦界面不斷累積的結果,同一位置溫度差異主要是配副類型和基礎油溫不同造成的。進入考核階段后,3種工藝襯套的摩擦溫度均上升,在同一監測點下,擠壓工藝襯套和進口工藝襯套摩擦溫度基本相當,均表現為緩慢上升的趨勢,而旋壓工藝襯套的摩擦溫度明顯高于另外2種工藝襯套,且存在波動。這與摩擦扭矩變化情況一致,較高的摩擦扭矩有利于摩擦力做功,進而轉化為更多的摩擦熱量,同時由于摩擦熱在摩擦界面的不斷積累,使得襯套材料表現出黏彈性程度增大;且隨著溫度的不斷升高,襯套表層材料發生軟化和塑性變形,抵抗剪切變形的能力降低,從而影響摩擦扭矩,摩擦溫度和摩擦扭矩相互影響,存在一定的相關性[12]。另外不同測點均表現出承載中心溫度最高,直接反映出軸承摩擦生熱的分布差異。襯套材料的強度和腐蝕性能都與使用溫度有很大的關系,若使用溫度較高,無論是否在正常的潤滑狀態下,軸承的性能都會降低,這就要求產品選擇時要重點關注其摩擦溫度。摩擦溫度一定程度上能夠反映連桿小頭襯套工作變化情況,有利于預測運行故障,尤其對襯套燒傷的診斷比較可靠。

圖3 3種工藝襯套摩擦溫度的變化情況

2.3 宏觀/微觀形貌

圖4示出試驗結束后襯套和活塞銷的宏觀形貌。從圖4可以看出,3種工藝襯套非磨損區域表面的機械加工痕跡被磨平,形成比較光滑的表面,而磨損區域表面存在與滑動方向一致的磨痕;進口工藝襯套表面存在細微劃痕,擠壓工藝襯套表面存在少量劃痕,而旋壓工藝襯套表面劃痕最為明顯,且存在高溫變色現象,活塞銷摩擦區域被與之匹配襯套轉移來的銅屑附著。

圖4 試驗后試樣的宏觀形貌

圖5示出3種工藝襯套摩擦區域的SEM圖。由圖5可見,旋壓工藝襯套表面存在較多犁溝和鱗狀剝落坑,擠壓工藝襯套表面犁溝和鱗狀剝落坑較少,而進口工藝襯套形貌保持良好,與宏觀形貌觀測的磨痕現象一致,這是磨粒磨損機制產生的結果。襯套表面剝落的銅屑嵌入兩摩擦面之間形成硬質磨粒,引起類似于銼刀銼東西的磨損行為;同時存在鱗狀剝落坑,結合局部銅屑熔融附著現象,說明摩擦副之間發生了黏著磨損。黏著磨損是襯套與活塞銷金屬表面局部發生直接接觸,兩者之間潤滑油膜破裂造成局部高溫,使其熔融黏著、脫落[13-14],逐步擴大發生的一種表面損傷行為。因此,該摩擦副磨損過程是以黏著磨損為主,同時伴隨著磨粒磨損的混合磨損類型。

圖5 3種襯套摩擦區域的SEM圖

2.4 磨損量

借助輪廓儀測量襯套的輪廓半徑,測量區域包含襯套表面未磨損區域(開始段和結束段)和磨損區域。以襯套輪廓最大深度圓半徑R與結束段未磨損區域的基準圓半徑R0的徑向差值ΔR衡量襯套的磨損量。圖6示出輪廓測量儀所測輪廓放大500倍的結果,圖7示出不同襯套表面輪廓測量的差值結果。從圖7可以看出,旋壓工藝襯套中心位置最大深度圓半徑與基準圓差值最大,擠壓工藝襯套次之,進口工藝襯套最小,但后兩者相差不大。

圖6 輪廓測量儀測量示意

圖7 襯套輪廓測量差值

2.5 制備工藝剖析

進口襯套在前期的裝機考核過程中表現出良好的摩擦磨損性能和使用穩定性,但其具體制備工藝和特殊加工細節對國內嚴格封鎖。旋壓工藝技術在國內相對成熟[15],它是一種無切削的等體積塑性成形制備工藝,但由于其多而復雜的加工過程,再加上各參數之間的影響,很容易產生裂紋、鼓包等缺陷,從而影響產品質量。強力旋壓本質上是對材料加工硬化而強行提高材料的力學性能,使得經過旋壓后的襯套處于亞穩狀態,在高溫甚至中低溫環境下長期服役,極易出現變形、軟化的現象,最終影響柴油機的正常運行。而擠壓工藝技術是被加熱的坯料在具有一定溫度的模具內在擠壓力的作用下擠壓成形,坯料與模具之間的熱傳遞小,使得坯料具有良好的塑性和流動性,后經過機加、磨外圓等工序制備出合格的襯套產品。在此過程中,采用以溫擠—冷拔—機加等工藝過程為主的近凈成形技術,不斷細化晶粒,使得產品表現出良好的摩擦磨損性能。

利用奧林巴斯顯微鏡對腐蝕后的樣品進行顯微組織觀察,獲得其金相照片,如圖8所示。

圖8 3種工藝襯套組織金相圖

旋壓工藝襯套經過機加工藝,其晶內出現大量滑移帶,且晶粒沿加工方向有輕微拉長跡象,其平均晶粒直徑為47 μm。擠壓工藝襯套高倍照片顯示合金是由兩種相組成,襯度較亮的相為α固溶體,晶粒內部形成了明顯的孿晶片層,黑色相為γ-(CuNi)3Sn相,其平均晶粒直徑為29 μm。進口工藝襯套微觀組織相對均勻和細小,其平均晶粒直徑為21 μm,晶粒內部可見到明顯的孿晶片層,結晶晶粒完整,呈α單相組織,其間嵌有少量含鉛顆粒。晶粒細化可以提高材料的強度性能,也會提高材料的韌性和塑性,相應地提升耐磨性。

3 結論

a) 從摩擦扭矩、摩擦溫度、宏觀/微觀形貌和磨損量4個方面進行對比,相同工況下擠壓工藝襯套摩擦磨損性能均優于旋壓工藝襯套,表現出對標進口工藝襯套的能力;

b) 結合制備工藝剖析和試驗結果,說明擠壓制備工藝成形的零件整體晶粒均勻性良好,該工藝對提高連桿襯套的生產質量具有重要的意義。