表面織構(gòu)對(duì)缸套-活塞環(huán)摩擦學(xué)性能的影響

表面織構(gòu)對(duì)缸套-活塞環(huán)摩擦學(xué)性能的影響

內(nèi)套固定圈的性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作性能（動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放性、穩(wěn)定性等）和壽命效應(yīng)有重大影響。內(nèi)套筒固定圈摩擦的副性能對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的氣壓損失和氣壓排放有顯著影響。由于其協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的平滑性，活動(dòng)器對(duì)內(nèi)部套筒的振動(dòng)影響，并影響機(jī)的噪聲。其摩擦油耗占葉片總摩擦損失的45%65%。目前,國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)缸套、活塞環(huán)表面織構(gòu)的摩擦學(xué)性能開展了大量的工作綜上所述,對(duì)缸套的表面織構(gòu)特征研究大多著眼于理論仿真試驗(yàn)和缸套-活塞環(huán)切片的往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)研究,與真實(shí)柴油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)存在一定的差異,且少有涉及缸套表面織構(gòu)對(duì)缸套-活塞環(huán)密封性能的研究,而在整機(jī)試驗(yàn)中大多通過(guò)燃料消耗和廢氣成分鑒于此,筆者設(shè)計(jì)并加工了兩種螺紋槽的表面織構(gòu)缸套并應(yīng)用自制的TCLPR-1缸套-活塞環(huán)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn),采集試驗(yàn)中缸套-活塞環(huán)間油膜的接觸電阻和該摩擦副的平均摩擦力、缸壓等數(shù)據(jù),并測(cè)量試驗(yàn)后活塞環(huán)磨損量、缸套磨損表面三維形貌,以綜合分析這兩種缸套螺紋槽表面織構(gòu)對(duì)缸套-活塞環(huán)間油膜潤(rùn)滑減摩、密封與抗磨等工作特性的影響.1試驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)1.1試驗(yàn)臺(tái)架和輔助模塊缸套-活塞環(huán)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)包括臺(tái)架模塊、輔助模塊和測(cè)控模塊,結(jié)構(gòu)布置示意見圖1.其中,試驗(yàn)機(jī)無(wú)傳統(tǒng)氣缸蓋以缸蓋板代替,試驗(yàn)將缸蓋板上的進(jìn)氣單向閥反裝,活塞下行時(shí)氣缸內(nèi)將出現(xiàn)負(fù)壓.臺(tái)架模塊主要包括缸蓋板、氣缸體、缸套-活塞組件、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、雙平衡軸、彈性聯(lián)軸器和變頻電機(jī)等,通過(guò)電機(jī)倒拖的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)活塞組件的往復(fù)運(yùn)動(dòng),其主要尺寸如表1所示.輔助模塊主要用于試驗(yàn)變量的控制,包括恒溫裝置、潤(rùn)滑裝置和空氣加載裝置.可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)缸套-活塞環(huán)溫度、滑油供給量和缸壓負(fù)載調(diào)控.測(cè)控模塊用于控制試驗(yàn)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)和數(shù)據(jù)采集,主要包括相關(guān)信號(hào)傳感器及變送器、NIPCI6251數(shù)據(jù)采集卡和測(cè)控PC軟件.可采集缸壓負(fù)載、缸套-活塞環(huán)間油膜接觸電阻、缸套-活塞摩擦力和缸套溫度等信號(hào).各信號(hào)測(cè)試精度見表2.1.2缸套-活塞環(huán)間油膜接觸電阻測(cè)試原理和約束接觸電阻測(cè)油膜是利用金屬導(dǎo)電性與潤(rùn)滑油導(dǎo)電性相差懸殊的特性檢測(cè)摩擦副接觸電壓降,并利用油膜厚度與油膜電阻率之間的關(guān)系來(lái)計(jì)算摩擦副表面間的油膜厚度.摩擦副被油膜完全隔開時(shí),油膜接觸電阻較大,電壓降較大;而當(dāng)油膜較薄時(shí),摩擦副表面的微凸體刺穿油膜而接觸,導(dǎo)通電流,電壓降趨近小值.接觸電阻傳感器如圖2所示,實(shí)質(zhì)上是一個(gè)恒壓源與待測(cè)電阻組成回路,再?gòu)拇郎y(cè)電阻兩端引線,采集待測(cè)電阻兩端的電壓信號(hào),即可得到待測(cè)電阻值式中:R缸套-活塞環(huán)間油膜接觸電阻的布置方式是在活塞環(huán)的非摩擦面貼上耐高溫、高壓的絕緣膠布,使之與活塞絕緣.考慮到引線方便,以油環(huán)為對(duì)象,將引線穿過(guò)活塞油環(huán)槽上的布油孔,沿連桿引出機(jī)體,與缸套電極引線接入接觸電阻傳感器,連通油環(huán)與缸套間的測(cè)量回路如圖3所示.控制缸套溫度、滑油供給量不變,空載(不加缸蓋板)分別在100、200和300,r/min轉(zhuǎn)速下檢測(cè)缸套-活塞環(huán)間油膜的接觸電阻,并與同轉(zhuǎn)速的活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度對(duì)比,如圖4所示.不同轉(zhuǎn)速下,相同之處是:在上止點(diǎn)和下止點(diǎn)附近,接觸電阻均較小,且大小在0~0.8,?內(nèi),說(shuō)明活塞環(huán)在止點(diǎn)附近處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài),金屬接觸明顯;在活塞行程中段,接觸電阻明顯增大,原因是活塞環(huán)與缸套之間的油膜建立良好,有效避免了金屬摩擦副的直接接觸.總之,循環(huán)內(nèi)接觸電阻的整體變化趨勢(shì)和活塞往復(fù)速度的變化趨勢(shì)相符.但是接觸電阻在局部小范圍內(nèi)波動(dòng),說(shuō)明潤(rùn)滑油膜的狀態(tài)在不斷變化,原因是運(yùn)行過(guò)程中活塞環(huán)整體偏轉(zhuǎn)、扭轉(zhuǎn)變形、缸套活塞環(huán)表面物理變形和化學(xué)變化、磨屑運(yùn)動(dòng)以及試驗(yàn)機(jī)振動(dòng)、活塞組件對(duì)缸套的沖擊振動(dòng)等因素加劇活塞銷、曲軸等的配合間隙變化所引起的油膜狀態(tài)變化;不同之處是:不同轉(zhuǎn)速的行程中段的接觸電阻幅值差異較明顯,且與不同轉(zhuǎn)速活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度差異規(guī)律相對(duì)應(yīng);說(shuō)明轉(zhuǎn)速在100~300,r/min內(nèi),隨著轉(zhuǎn)速的升高,活塞環(huán)-缸套之間油膜的接觸電阻整體呈上升趨勢(shì),潤(rùn)滑油膜厚度逐漸增大,與理論相符.將缸套-活塞環(huán)間油膜的接觸電阻與郭智威1.3傳感器的安裝采用雙螺桿型膜合拉壓力傳感器,搭配±5,V輸出的JC-BC-II變送器,在主、副推力面的缸體上對(duì)稱加工有兩個(gè)凹槽用于安裝傳感器:缸套下端攻有兩個(gè)螺紋孔,帶有螺桿的小平板與之配合,傳感器的上螺桿穿過(guò)小平板的光孔通過(guò)螺母固定;在固定平板對(duì)應(yīng)位置開有光孔,傳感器的下螺桿穿過(guò)固定平板的光孔通過(guò)螺母固定.圖5所示對(duì)稱布置兩個(gè)傳感器,兩者測(cè)力之和即為缸套-活塞組件的摩擦力.雙螺桿型拉壓力傳感器可測(cè)得試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行多個(gè)循環(huán)摩擦力的平均值.2試驗(yàn)材料的制備和試驗(yàn)方案2.1螺紋槽的尺寸缸套制備為:95缸徑柴油機(jī)光面缸套3個(gè),1個(gè)內(nèi)表面不處理的原始缸套,2個(gè)用精密數(shù)控加工中心在內(nèi)表面加工螺紋槽,分別標(biāo)記為雙紋缸套、單紋缸套.兩螺紋槽的尺寸與區(qū)別分別如表3和圖6所示,雙紋缸套兩螺紋在端面的相位差為180°.潤(rùn)滑油為APICD15,W-40.活塞環(huán)為95缸徑柴油機(jī)活塞環(huán)3組,每組包括前3道桶面氣環(huán)和第4道油環(huán)(該油環(huán)不加漲圈,非摩擦面用耐高溫絕緣膠布包圍,其與活塞之間的絕緣阻值超過(guò)200,M?).2.2缸套、活塞環(huán)的貿(mào)易摩擦試驗(yàn)試驗(yàn)前測(cè)取活塞環(huán)的質(zhì)量,所用電子天平精度為0.1,mg,型號(hào)為FA2104N.缸套-活塞環(huán)在試驗(yàn)機(jī)不加缸蓋板的情況下進(jìn)行磨合,磨合轉(zhuǎn)速為100,r/min,磨合潤(rùn)滑油量為40,mL/h,磨合缸套溫度為40,℃,磨合期間觀察測(cè)控界面顯示的接觸電阻增長(zhǎng)趨勢(shì),待接觸電阻明顯增大且穩(wěn)定后即可,磨合時(shí)間設(shè)置為40,min.磨合結(jié)束后停機(jī),用擦鏡紙將活塞燃燒室、缸套內(nèi)壁的潤(rùn)滑油及磨屑擦干凈,注入新的潤(rùn)滑油,在低轉(zhuǎn)速(30,r/min)下運(yùn)轉(zhuǎn)并將活塞環(huán)間的磨屑洗出,需重復(fù)擦洗.安裝缸蓋板,并將進(jìn)氣單向閥反裝,此處空氣只出不進(jìn),則活塞下行時(shí)氣缸內(nèi)將出現(xiàn)負(fù)壓.應(yīng)用原始缸套、雙紋缸套和單紋缸套分別進(jìn)行3組試驗(yàn),每組試驗(yàn)采用新的活塞環(huán).其他試驗(yàn)變量控制:轉(zhuǎn)速為200,r/min,缸套溫度為40,℃,潤(rùn)滑油流量及滑油泵出口壓力分別為12,mL/h、2.15,MPa,最大缸壓為0.15,MPa,運(yùn)行時(shí)間為60,min.試驗(yàn)采樣頻率設(shè)為2,kHz,在該試驗(yàn)轉(zhuǎn)速下可達(dá)1.2°,CA的信號(hào)分辨率.每運(yùn)行20,min采集2,min數(shù)據(jù).試驗(yàn)結(jié)束后,將缸套、活塞環(huán)除油后,用超聲波清洗.用電子天平測(cè)量活塞環(huán)質(zhì)量;用接觸式表面輪廓測(cè)量?jī)x測(cè)量缸套主、副推力面的上、下止點(diǎn)區(qū)域的磨損三維形貌特征,測(cè)點(diǎn)要選擇4道活塞環(huán)均經(jīng)過(guò)的位置,測(cè)點(diǎn)測(cè)量區(qū)間為0.8,mm×0.8,mm,采樣間隔為16,μm×16,μm.可采集活塞燃燒室內(nèi)的油做油液分析.3結(jié)果與討論原始缸套、雙紋缸套和單紋缸套3組試驗(yàn)的平均值數(shù)據(jù)見表4.將數(shù)據(jù)以同種數(shù)據(jù)最大值為基準(zhǔn)歸一化處理如圖7所示.3.1循環(huán)內(nèi)外壓力變化試驗(yàn)均在200,r/min的初定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行,而后活塞壓縮空氣受載轉(zhuǎn)速有所降低.初期,缸內(nèi)空氣量較多,排氣量大于從活塞環(huán)間隙的進(jìn)氣量,氣缸壓力下降,缸內(nèi)真空度變大;活塞環(huán)間隙進(jìn)氣量和排氣量達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡,各循環(huán)缸內(nèi)空氣量的變化趨近于周期性,缸內(nèi)達(dá)到一個(gè)平均壓力水平,轉(zhuǎn)速達(dá)到穩(wěn)定平均轉(zhuǎn)速.因而該穩(wěn)定平均轉(zhuǎn)速與缸內(nèi)平均壓力水平可用于評(píng)價(jià)缸套-活塞環(huán)的密封性能.雙紋缸套的密封性能不佳,如表4和圖7所示.雙紋缸套的平均氣缸壓力大于原始缸套,且其平均穩(wěn)定轉(zhuǎn)速小于原始缸套;進(jìn)一步觀察循環(huán)內(nèi)氣體壓力變化,如圖8所示,每循環(huán)內(nèi)雙紋缸套的氣缸壓力整體上顯著大于原始缸套,說(shuō)明從雙紋缸套-活塞環(huán)之間漏進(jìn)氣缸的氣體較多.雙紋缸套的密封性能不佳,原因有:(1)雙紋缸套的螺距S較大,換算得的角度θ較大為30.5°,螺紋槽在缸套內(nèi)壁繞過(guò)的圈數(shù)少,相比于幾道活塞環(huán)在活塞軸線的跨度而言,螺紋槽接近平行于軸線的直槽,氣體容易從螺紋槽內(nèi)進(jìn)入氣缸.氣體的通過(guò)破壞了螺紋槽內(nèi)建立的油膜,導(dǎo)致油膜壓力無(wú)法建立,進(jìn)一步降低了油膜的密封性能;(2)雙紋缸套的局部磨損嚴(yán)重(圖6、圖11),加大活塞環(huán)-缸套間隙,加劇了漏氣.單紋缸套的密封性能優(yōu)于原始缸套,如表4和圖7所示.單紋缸套的平均氣缸壓力小于原始缸套,且其穩(wěn)定平均轉(zhuǎn)速與原始缸套相近;進(jìn)一步觀察循環(huán)內(nèi)的氣體壓力變化,如圖8所示.每循環(huán)內(nèi)單紋缸套的氣缸壓力整體上小于原始缸套,說(shuō)明從單紋缸套-活塞環(huán)之間漏進(jìn)氣缸的氣體較少.單紋缸套的密封性能優(yōu)于原始缸套與雙紋缸套,原因有:(1)單紋缸套的螺距S較小,換算得到的角度θ為7.6°較小,螺紋槽在缸套內(nèi)壁繞過(guò)的圈數(shù)多,相比于幾道活塞環(huán)在活塞軸線的跨度而言,螺紋槽能夠保持螺紋的特性,活塞環(huán)對(duì)應(yīng)螺紋槽的部分,摩擦副間空隙體積增大,從活塞環(huán)與非螺紋槽部分缸套接觸面及活塞環(huán)開口間隙間的漏氣量減少,而受壓力勢(shì)的推動(dòng)進(jìn)入螺紋槽,螺紋槽形成迷宮密封,削弱了氣體的通過(guò)速度,在活塞快速運(yùn)動(dòng)的瞬間,漏氣無(wú)法實(shí)現(xiàn),進(jìn)而提升密封性能;(2)單紋缸套以及活塞環(huán)的磨損小(圖6、圖11),有助于保持密封性能.3.2螺紋槽表面織構(gòu)與油膜磨損的接觸電阻分析潤(rùn)滑油膜潤(rùn)滑減摩特性為單紋缸套>原始缸套>雙紋缸套.表4和圖7所示平均接觸電阻的大小順序是單紋缸套>原始缸套>雙紋缸套,平均摩擦力的大小順序是單紋缸套<原始缸套<雙紋缸套,說(shuō)明單紋缸套的螺紋槽具有促進(jìn)潤(rùn)滑、減小摩擦的功效,而雙紋缸套的潤(rùn)滑效果不佳,其摩擦力略有減小,原因是:螺紋槽結(jié)構(gòu)能夠儲(chǔ)存一部分的磨屑,避免磨屑陷入缸套-活塞環(huán)的摩擦表面,具有一定的減磨效果.進(jìn)一步觀察循環(huán)內(nèi)的接觸電阻的變化趨勢(shì),如圖9所示.單紋缸套的接觸電阻幅值明顯大于原始缸套,且其行程局部波動(dòng)很小,說(shuō)明整個(gè)中段運(yùn)行過(guò)程中油膜建立完善,極少受到周邊因素干擾而被刺穿或發(fā)生震蕩;雙紋缸套的接觸電阻幅值明顯小于原始缸套,且其行程局部波動(dòng)很大,尤其是當(dāng)活塞從上止點(diǎn)開始下行過(guò)程中(0~120°CA),接觸電阻連續(xù)波動(dòng),甚至小于止點(diǎn)附近的接觸電阻值,說(shuō)明油膜受到破壞.原因是:雙紋缸套的密封性較差,尤其在活塞從上止點(diǎn)開始下行過(guò)程中,缸內(nèi)迅速形成負(fù)壓,空氣通過(guò)雙紋缸套的螺紋槽竄進(jìn)氣缸內(nèi),使螺紋槽及其周邊區(qū)域不能形成良好的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑狀態(tài),甚至直接吹散了油膜;另外,雙紋缸套的表面占有率S而單紋缸套的螺紋槽的表面占有率S3.3缸套磨損情況的對(duì)比研究所選取的表面形貌特征參數(shù):表面粗糙度均方根S3組缸套試驗(yàn)后其主、副推力面上、下止點(diǎn)區(qū)域的表面形貌特征參數(shù)和活塞環(huán)磨損量見表5和圖11,表面形貌如圖12所示.從磨損區(qū)域分析:主推力面的表面形貌參數(shù)普遍大于副推力面,與活塞的運(yùn)動(dòng)規(guī)律相符合;副推力面上、下止點(diǎn)的表面形貌參數(shù)相近,而主推力面上止點(diǎn)的表面形貌參數(shù)顯著小于下止點(diǎn),這和柴油機(jī)上止點(diǎn)附近磨損更為嚴(yán)重的現(xiàn)象不符合.原因是:試驗(yàn)機(jī)是基于倒拖的純壓縮和膨脹過(guò)程,且3組試驗(yàn)的氣缸壓力水平較低,大部分時(shí)間處于真空狀態(tài)(圖8),即大氣將通過(guò)活塞環(huán)竄氣進(jìn)入氣缸,下止點(diǎn)附近缸內(nèi)外的壓差明顯大于上止點(diǎn)附近,因而活塞環(huán)在下止點(diǎn)附近受到氣體的影響大于上止點(diǎn).另外,試驗(yàn)機(jī)的潤(rùn)滑油是從缸蓋板注入沿著缸套內(nèi)壁分布,因而上止點(diǎn)區(qū)域比下止點(diǎn)附近供油及時(shí)而充分.綜上,試驗(yàn)機(jī)主推力面下止點(diǎn)的運(yùn)行工況相對(duì)于上止點(diǎn)更惡劣,導(dǎo)致缸套下止點(diǎn)附近磨損較為嚴(yán)重,而副推力面本身工況優(yōu)于主推力面,上、下止點(diǎn)差異不大.此外,試驗(yàn)機(jī)活塞與缸套的配合校中,也會(huì)對(duì)不同區(qū)域磨損產(chǎn)生一定影響.從表面形貌參數(shù)整體趨勢(shì)分析,不同表面織構(gòu)缸套對(duì)應(yīng)的3個(gè)表面形貌參數(shù)變化趨勢(shì)幾乎一致,上止點(diǎn)主推力面的S活塞環(huán)的磨損情況:不同表面織構(gòu)的活塞環(huán)平均磨損量大小關(guān)系為單紋缸套<雙紋缸套<原始缸套,說(shuō)明在缸套表面加工出螺紋槽,有利于減小活塞環(huán)的磨損,其中小螺距且表面占有率S3.4內(nèi)套筒結(jié)構(gòu)的綜合摩擦學(xué)性能求取雙紋、單紋缸套各評(píng)估參數(shù)平均值,得到螺紋槽表面織構(gòu)缸套對(duì)缸套-活塞環(huán)摩擦學(xué)性能和密封性能相對(duì)于原始缸套變化率,如表6所示.4螺紋槽結(jié)構(gòu)對(duì)摩擦學(xué)性能的影響(1)雙紋缸套過(guò)低的表面占有率與過(guò)大的螺紋角度,使其密封性下降14.7%,;竄氣加劇油膜震蕩甚至刺破油膜,其螺紋槽附近不易形成良好的流體動(dòng)壓潤(rùn)滑油膜,導(dǎo)致其油膜接觸電阻局部波動(dòng)劇烈,油膜平均接觸電阻減小34%,,潤(rùn)滑