S50MC柴油機(jī)氣缸套-活塞環(huán)磨合磨損的模擬試驗(yàn)研究

孫鵬，于功志，王宏志，李國賓，周家章

(1.大連海洋大學(xué)航海與船舶工程學(xué)院，遼寧大連116023;2.大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧大連116026)

氣缸套-活塞環(huán)摩擦副在上、下止點(diǎn)附近，由于運(yùn)動速度低、潤滑不良等原因常會導(dǎo)致異常的摩擦磨損。潤滑介質(zhì)是氣缸套-活塞環(huán)磨合系統(tǒng)的主要組成部分，它對磨合過程有顯著的影響［1-4］。以往的研究［5-9］多是在其它摩擦條件不變時(shí)，研究潤滑劑對磨合質(zhì)量的影響。實(shí)際工作中，氣缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦條件是周期變化的，而對此的研究甚少。因此，本研究中，作者采用滴油潤滑方式模擬氣缸套-活塞環(huán)摩擦副在上、下止點(diǎn)附近的潤滑狀態(tài)，用浸油潤滑方式模擬氣缸套-活塞環(huán)摩擦副良好的潤滑狀態(tài)，在一定的試驗(yàn)力和摩擦轉(zhuǎn)速下，研究不同潤滑方式對S50MC船用柴油機(jī)氣缸套-活塞環(huán)摩擦副材料磨合磨損性能的影響。

1 材料與方法

1.1 材料及儀器

使用濟(jì)南實(shí)驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的MMW-1立式萬能摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨合磨損試驗(yàn)(圖1)。其中，銷試樣通過專用夾具安裝于主軸的下端部，盤試樣安裝在托盤內(nèi)并通過托盤下的施力系統(tǒng)對試樣加載，主軸在直流電機(jī)的驅(qū)動下帶動銷試樣作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

氣缸套-活塞環(huán)摩擦副磨合磨損模擬試驗(yàn)所用下試樣取自S50MC船用柴油機(jī)普通灰鑄鐵氣缸套，直徑為30 mm×10 mm，硬度為300～400 HV，表面粗糙度 Ra為 1.0 μm;上試樣 (銷)取自S50MC船用柴油機(jī)鑄鐵活塞環(huán)，直徑為3 mm×20 mm，其組織結(jié)構(gòu)為石墨、索氏體/珠光體基體和少量磷化物，硬度為600～700 HV，表面粗糙度Ra為3.7 μm。在MMW-1型立式萬能摩擦磨損機(jī)上采用銷盤式摩擦接觸。

1.2 方法

試驗(yàn)過程中，上面3個(gè)均勻分布在夾具上的銷試樣繞夾具中心轉(zhuǎn)動，下面盤試樣固定，接觸形式為面接觸，名義接觸面積為21 mm2。

試驗(yàn)條件:根據(jù)S50MC柴油機(jī)的說明書，氣缸套與活塞環(huán)之間的最大正壓力設(shè)計(jì)值為15 MPa，額定負(fù)荷時(shí)的正壓力為12～13 MPa，故試驗(yàn)力設(shè)為90 N，轉(zhuǎn)速為600 r/min。試驗(yàn)A，采用CD40浸油潤滑方式，即將摩擦副浸在實(shí)驗(yàn)機(jī)油杯的潤滑油液中，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)60 min;試驗(yàn)B，采用CD40滴油潤滑方式，即試驗(yàn)前在試樣上涂抹一層潤滑油，磨損時(shí)間為60 min，不更換潤滑油。試驗(yàn)中每隔10 min記錄一次摩擦力矩。

2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦系數(shù)

參照Streibeck 曲線確定了本研究中的潤滑狀態(tài)，對兩種潤滑方式下的摩擦系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。各種潤滑狀態(tài)下的摩擦系數(shù)參考值見表1。

圖1 MMW-1立式萬能摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)工作原理圖Fig.1 Schematic diagram of MMW-1 tester

表1 不同潤滑狀態(tài)下的摩擦系數(shù)參考Tab.1 Reference to friction coefficient in different lubrication states

從圖2可見:1)兩種潤滑方式下，摩擦系數(shù)均在磨合初期下降較快;隨著磨合時(shí)間的延長，摩擦系數(shù)逐漸穩(wěn)定在一定數(shù)量值的范圍內(nèi)。

2)滴油潤滑方式下，摩擦系數(shù)為0.1384～0.1097。磨合初期的摩擦系數(shù)為0.1384～0.1127，說明此時(shí)的潤滑狀態(tài)處于干摩擦和邊界潤滑之間，即半干摩擦狀態(tài);隨著磨合時(shí)間的延長，摩擦系數(shù)逐漸減小，在磨合時(shí)間為30～40 min時(shí)，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.11左右，可以認(rèn)為，此時(shí)摩擦副已經(jīng)進(jìn)入邊界潤滑狀態(tài)。由此可見，磨合初期，由于初始的工作表面粗糙度較大，在磨合進(jìn)程中將會出現(xiàn)摩擦表面的粗糙峰直接相互接觸的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致摩擦副工作表面出現(xiàn)較大的磨損;當(dāng)磨合的運(yùn)行趨于穩(wěn)定時(shí)，摩擦副處在邊界潤滑狀態(tài)，摩擦副工作表面間可能會形成一定的邊界膜以隔開摩擦表面，減少摩擦，從而減小了摩擦副之間的磨損。

3)浸油潤滑方式下，摩擦系數(shù)為0.1012～0.08。磨合初期的摩擦系數(shù)為0.1012～0.0858，說明此時(shí)的潤滑狀態(tài)處于由邊界潤滑向混合潤滑過渡的階段;隨著磨合時(shí)間的延長，摩擦系數(shù)逐漸減小，在磨合時(shí)間為40 min左右時(shí)，摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.08左右，可以認(rèn)為，此時(shí)的摩擦副已經(jīng)進(jìn)入混合潤滑狀態(tài)。

圖2 摩擦系數(shù)隨磨合時(shí)間的變化Fig.2 Friction coefficient change value with runningin time

綜上所述，可以看出:滴油潤滑方式對氣缸套-活塞環(huán)摩擦副磨合磨損過程影響較大;浸油潤滑方式優(yōu)于滴油潤滑方式，主要表現(xiàn)在摩擦副在浸油潤滑方式下的磨合磨損要緩和得多，從磨合初期到磨合相對穩(wěn)定期的過渡也比較平穩(wěn);滴油潤滑方式下的磨合主要實(shí)現(xiàn)了摩擦副從半干摩擦潤滑狀態(tài)向邊界潤滑狀態(tài)的過渡，而浸油潤滑方式下的磨合主要實(shí)現(xiàn)了摩擦副從邊界潤滑向混合潤滑狀態(tài)的過渡。

2.2 磨損失重

2.2.1 浸油潤滑時(shí)的磨損失重 從圖3可見:1)浸油潤滑方式下，氣缸套和活塞環(huán)的磨損失重率表現(xiàn)出一致的規(guī)律，即磨合時(shí)間在30 min以內(nèi)時(shí)，磨損失重率變化幅度較大，且磨損失重率逐漸減小;磨合時(shí)間超過40 min后，磨損失重率逐漸趨于穩(wěn)定。這是因?yàn)闅飧滋?活塞環(huán)摩擦副的工作表面在磨損前存在許多微凸體，磨合初期這些微凸體首先相互接觸，此時(shí)摩擦副工作表面的實(shí)際接觸面積很小，摩擦應(yīng)力很大，且潤滑油膜還未完全形成，摩擦副處在邊界潤滑狀態(tài)下，微凸體之間發(fā)生黏著并撕裂，致使此時(shí)的磨損失重率較大，磨損失重急劇增加;隨著磨合時(shí)間的延長，摩擦副工作表面間逐漸形成相對穩(wěn)定的潤滑油膜，此時(shí)進(jìn)入到混合潤滑狀態(tài)，油膜在摩擦副間起到了一定的潤滑作用，加之摩擦副工作表面間的微凸體高度逐漸降低，接觸表面的相互貼合度越來越好，相互間接觸面積越來越大，摩擦應(yīng)力逐漸減小，使得磨損失重率逐漸趨于穩(wěn)定，磨損失重增加幅度逐漸變緩。磨合時(shí)間超過40 min后，摩擦副工作表面間形成了穩(wěn)定的潤滑油膜，兩表面的接觸面積也趨于穩(wěn)定，使得磨損失重率在一定的小數(shù)值范圍內(nèi)波動。磨損失重均勻增加。

2)相同的磨合時(shí)間內(nèi)，氣缸套的磨損失重和磨損失重率均比活塞環(huán)的要小。磨合初期，活塞環(huán)的磨損失重和磨損失重率是氣缸套的1.6～1.7倍;但隨著磨合時(shí)間的延長，兩者的磨損失重率逐漸趨于接近，當(dāng)磨損失重率趨于穩(wěn)定時(shí)，兩者的磨損失重率處于同一量級。這主要是因?yàn)榛钊h(huán)試樣的工作表面原始粗糙度比氣缸套試樣的工作表面原始粗糙度大，磨合初期摩擦副處于邊界潤滑狀態(tài)，摩擦副工作表面間形成黏著磨損和磨粒磨損的綜合作用，導(dǎo)致活塞環(huán)試樣的磨損加劇。而隨著工作表面接觸和潤滑條件的改善，造成異常磨損的因素降低，活塞環(huán)試樣的磨損失重率也逐漸接近氣缸套磨損失重率，最后進(jìn)入磨合相對穩(wěn)定期時(shí)，兩者的磨損率處于同一量級。

圖3 浸油潤滑時(shí)氣缸套-活塞環(huán)磨損失重和磨損失重率隨磨合時(shí)間的變化Fig.3 Changes in wear weight loss，and wear weight loss rate of a cylinder liner-piston ring with running-in time during soaking lubrication

2.2.2 滴油潤滑時(shí)的磨損失重 氣缸套-活塞環(huán)各階段的磨損失重和磨損失重率隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖4所示。從圖4可見:1)滴油潤滑方式下，氣缸套和活塞環(huán)的磨損失重與磨損失重率表現(xiàn)出和浸油潤滑狀態(tài)一致的規(guī)律。磨合初期，磨損失重和磨損失重率的變化幅度相對較大;隨著磨合時(shí)間的延長，兩者逐漸趨于穩(wěn)定，最后在一定的小數(shù)值范圍內(nèi)波動。在相同磨合時(shí)間內(nèi)，活塞環(huán)的磨損失重和磨損失重率比氣缸套的磨損失重和磨損失重率大。

圖4 滴油潤滑時(shí)氣缸套-活塞環(huán)磨損失重和磨損失重率隨磨合時(shí)間的變化Fig.4 Changes in wear weight loss，and wear weight loss rate of a cylinder liner-piston ring with running-in time during dropping lubrication

2)磨合初期，氣缸套和活塞環(huán)的磨損失重相差較大，活塞環(huán)的磨損失重是氣缸套磨損失重的2.3倍。磨合相對穩(wěn)定后，氣缸套的磨損失重率比活塞環(huán)的磨損失重率小得多，兩者在各自的數(shù)值范圍內(nèi)波動，此時(shí)活塞環(huán)的磨損失重率大約是氣缸套磨損失重率的1.7倍，而不像浸油潤滑狀態(tài)下，氣缸套和活塞環(huán)的磨損失重率處于同一數(shù)量值范圍。由此表明，在滴油潤滑狀態(tài)下，即使在磨合穩(wěn)定后，活塞環(huán)的磨損仍比氣缸套的磨損嚴(yán)重的多。這說明潤滑狀態(tài)不良對活塞環(huán)的磨損影響較大，因?yàn)樵诘斡蜐櫥绞较掠湍げ蛔阋孕纬苫旌蠞櫥瑺顟B(tài)，僅能形成邊界潤滑狀態(tài)。

2.2.3 兩種潤滑方式下磨損失重率的比較 從圖3、圖4可見:1)磨合初期，不同潤滑方式對于氣缸套-活塞環(huán)摩擦副的磨損影響都較大，在浸油潤滑方式下，氣缸套和活塞環(huán)的磨損失重率要遠(yuǎn)小于在滴油潤滑方式下的磨損失重率。這主要是因?yàn)榈斡蜐櫥绞较?，摩擦副磨合初期處在邊界潤滑和瞬時(shí)干摩擦的潤滑狀態(tài)下，潤滑油膜不易形成并很容易遭到破壞，同時(shí)很難形成新的潤滑油膜，使得磨合初期由于摩擦副黏著磨損形成的磨屑不能被帶離摩擦副工作表面，從而形成了黏著磨損和磨粒磨損的綜合作用，使得摩擦副工作表面的磨損增大。而在浸油潤滑方式下，摩擦副磨合初期處在邊界潤滑和混合潤滑狀態(tài)下，在摩擦工作表面間有比較充足的潤滑油流動，并很順利地帶走磨損過程中產(chǎn)生的磨屑，大大降低了由于形成的磨屑而對磨損表面造成的磨粒磨損。

2)隨著磨合時(shí)間的延長，兩種潤滑方式下氣缸套的磨損失重率逐漸減小。在浸油潤滑方式下，氣缸套的磨損失重率略小于滴油潤滑方式下氣缸套的磨損失重率，并最后處于同一數(shù)量級。說明隨著磨合時(shí)間的延長，磨合相對穩(wěn)定時(shí)，兩種潤滑方式下摩擦副分別處在邊界潤滑和混合潤滑的狀態(tài)，這兩種潤滑狀態(tài)下均能形成相對穩(wěn)定的邊界膜或潤滑油膜，從而使摩擦副工作表面的磨損狀況得到明顯的改善，磨損失重率減小。因此，不同的潤滑方式對氣缸套的磨損影響較小。

3)隨著磨合時(shí)間的延長，兩種潤滑方式下活塞環(huán)的磨損失重率也在逐漸減小，但在磨合趨于穩(wěn)定后，活塞環(huán)在滴油潤滑方式下的磨損率比浸油潤滑方式下的磨損失重率高，并在各自的數(shù)值范圍內(nèi)波動。在滴油潤滑方式下，活塞環(huán)的磨損是黏著磨損和磨粒磨損兩種磨損形式的綜合作用;而在浸油潤滑狀態(tài)下，磨屑能被潤滑油順利帶走，此時(shí)的磨損形式以黏著磨損為主。這說明潤滑油是否充足是關(guān)系到活塞環(huán)是否耐磨的重要參量，貧油將加劇活塞環(huán)的磨損。不同的潤滑方式對活塞環(huán)磨損的影響比對氣缸套的影響嚴(yán)重的多，而在充分潤滑的條件下，磨粒對活塞環(huán)磨損的影響并不大。

2.3 表面粗糙度

從圖5可見:1)隨著磨合時(shí)間的延長，氣缸套的工作表面粗糙度逐漸減小，最后穩(wěn)定在一定的數(shù)值范圍內(nèi)，變化規(guī)律同摩擦系數(shù)和磨損率的相一致。磨合初期，氣缸套的工作表面粗糙度迅速下降。這主要是由于在磨合過程之初，接觸表面凹凸不平，表面的粗糙度很大，摩擦界面上只有少量的相互接觸的微凸體發(fā)生摩擦。由于接觸面上的正應(yīng)力很大，進(jìn)而造成大量的粗糙峰接觸，這些相互接觸的峰頂由于疲勞磨損、微切削和塑性變形等原因而發(fā)生形狀和尺寸的明顯變化，峰頂在磨合過程中被率先磨去，削去峰頂后的摩擦表面變得越來越光滑，使得這一階段氣缸套工作表面粗糙度迅速下降。隨著磨合時(shí)間的延長，接觸表面上原有微凸體的峰頂曲率變小，接觸峰頂?shù)膫€(gè)數(shù)減少，峰頂?shù)膶?shí)際接觸面積逐漸增加，其潤滑狀況也隨著磨合時(shí)間的延長逐漸改善，加之摩擦副材料表面形態(tài)、表層組織及性能的改變，使得摩擦副工作表面的粗糙度下降速度變緩，最后穩(wěn)定在一定的數(shù)值范圍內(nèi)，即達(dá)到了平衡粗糙度。此時(shí)，摩擦副工作表面間貼合度更好，摩擦磨損處于穩(wěn)定狀態(tài)，表面粗糙度也在平衡粗糙度附近波動。

圖5 氣缸套表面粗糙度隨磨合時(shí)間的變化Fig.5 Changes in surface roughness of cylinder liner with running-in time

2)不同潤滑方式下，氣缸套工作表面粗糙度雖然都表現(xiàn)出逐漸減小的規(guī)律，但是收斂的程度不同。在滴油潤滑方式下，磨合初期工作表面粗糙度的下降非常大;而在浸油潤滑方式下，工作表面粗糙度的初期變化比在滴油潤滑方式下平緩的多。這說明在浸油潤滑方式下，摩擦副接觸表面間從磨合開始就可形成一定的潤滑油膜，并對摩擦副工作表面起到了較好的潤滑作用，減緩了因粗糙峰之間直接接觸形成干摩擦而產(chǎn)生較劇烈的磨損;而在滴油潤滑方式下，潤滑狀態(tài)相對較差，因而摩擦副工作表面粗糙峰的磨損較為嚴(yán)重。

3)隨著磨合時(shí)間的延長，在滴油潤滑方式下，氣缸套工作表面粗糙度的下降程度變緩，最終穩(wěn)定在0.5 μm左右;而在浸油潤滑方式下，氣缸套工作表面粗糙度呈平穩(wěn)的下降趨勢，最終穩(wěn)定在0.4 μm左右，比在滴油潤滑狀態(tài)下的平衡粗糙度低，得到的表面質(zhì)量更好。這主要是由于在滴油潤滑方式下，磨損產(chǎn)生的磨屑不能被帶離摩擦表面從而造成了一定程度的磨粒磨損，同時(shí)加上此種潤滑方式不易形成穩(wěn)定的潤滑油膜，且形成的油膜較薄而強(qiáng)度不足，極容易遭到破環(huán)，油膜的不斷破壞也加劇了摩擦表面間的磨損。這些都限制了工作表面粗糙度的進(jìn)一步下降。浸油潤滑方式下，摩擦表面能得到相對充分的潤滑，粗糙峰逐漸地被磨平或削去，這個(gè)過程相對平穩(wěn)，從而使這種狀態(tài)下的表面粗糙度平穩(wěn)下降。在磨合過程中，磨損產(chǎn)生的磨屑可以被周圍的潤滑油順利地帶離摩擦表面，磨粒磨損得不到增強(qiáng)。整個(gè)磨損過程都是以黏著磨損為主，磨損相對穩(wěn)定，因此可以得到更為光滑的摩擦表面。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，在氣缸套-活塞環(huán)摩擦副磨合模擬試驗(yàn)過程中，通過各種分析方法可獲得一致的分析結(jié)果:

1)磨合初期，摩擦副的磨損較為嚴(yán)重，磨損失重迅速增加，摩擦系數(shù)和表面粗糙度迅速下降;隨著磨合時(shí)間的延長，各分析參數(shù)逐漸穩(wěn)定，并在一定的數(shù)值范圍內(nèi)波動。

2)使用普通CD40潤滑油的磨合過程中，由于各參數(shù)達(dá)到相對穩(wěn)定的時(shí)間為30～40min，故該摩擦副的有效磨合時(shí)間為40 min。

3)不同的潤滑方式對完成磨合的時(shí)間影響不大，但磨合穩(wěn)定后的磨合參數(shù)會隨潤滑方式的不同表現(xiàn)出很大的差異;不同的潤滑方式對于摩擦副不同零件工作表面的影響程度亦不同，對活塞環(huán)的影響明顯大于對氣缸套的影響;浸油潤滑方式下摩擦副的磨合質(zhì)量優(yōu)于滴油潤滑方式下的磨合質(zhì)量。

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