柴油機(jī)氣缸套－活塞環(huán)配副匹配特性研究

甄洪梅，宋吉林，王旭蘭，葛玉霞，任 偉，白軍愛，王紅麗

（中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所（天津），天津 300400）

氣缸套－活塞環(huán)配副是柴油機(jī)中最重要的摩擦副，其摩擦磨損性能直接影響柴油機(jī)的機(jī)械效率和可靠性［1］。隨著柴油機(jī)向高強(qiáng)化趨勢(shì)發(fā)展，此配副的工作條件更為苛刻，摩擦功耗進(jìn)一步加大，磨損將更為嚴(yán)重。為此，需要選用適當(dāng)?shù)呐鋵?duì)副，延長(zhǎng)缸套－活塞環(huán)配副的磨損壽命，降低摩擦功耗。

隨著表面改性技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)內(nèi)外已出現(xiàn)多種表面涂覆涂層的活塞環(huán)，具有良好的耐磨減摩性能。針對(duì)在用的氮化及松孔鍍鉻氣缸套，采用噴鉬（Mo）［2］、氮化鉻（CrN）［3］、鉻基陶瓷復(fù)合鍍（CKS）［4］活塞環(huán)，通過專用氣缸套－活塞環(huán)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，研究幾種配副的摩擦磨損性能，為高功率密度柴油機(jī)缸套－活塞環(huán)配副的選取提供指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)則和試驗(yàn)裝置

氣缸套－活塞環(huán)配副在上止點(diǎn)附近燃燒壓力最大，線速度接近于0，油膜不易形成，處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)，配副的磨損主要發(fā)生在這個(gè)區(qū)域。采用“磨損條件－形式”模擬準(zhǔn)則［5］，通過模擬該配對(duì)副的往復(fù)運(yùn)動(dòng)形式、活塞環(huán)徑向加載方式及上止點(diǎn)附近的工作溫度和線速度，在保持邊界潤(rùn)滑狀態(tài)不變的前提下，采用強(qiáng)化載荷的方式加速磨損試驗(yàn)。

試驗(yàn)在專用氣缸套－活塞環(huán)零件試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，缸套、活塞環(huán)的裝夾見圖1，氣缸套固定于外套中，液壓缸通過傳動(dòng)桿帶動(dòng)外套及缸套上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞環(huán)安裝于上下兩碟簧中間，通過碟簧將液壓軸向力轉(zhuǎn)化為活塞環(huán)徑向加載力。試驗(yàn)采用頂端注油潤(rùn)滑方式，由電子計(jì)量泵控制潤(rùn)滑油流量，模擬邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。通過試驗(yàn)臺(tái)頂端的拉壓力傳感器測(cè)取缸套－活塞環(huán)配副的摩擦力。由于試驗(yàn)件選用某機(jī)型實(shí)際零件，配副材料、表面狀態(tài)、接觸狀態(tài)與實(shí)際運(yùn)動(dòng)副相同。

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)用氣缸套為鍍鉻缸套及氮化缸套。鍍鉻氣缸套采用松孔鍍鉻技術(shù)，鍍鉻層有硬度高、熔點(diǎn)高、摩擦系數(shù)小、耐腐蝕性好等優(yōu)點(diǎn)，而且在氣缸套鏡面鍍鉻時(shí)出現(xiàn)多孔，保證了儲(chǔ)油功能的實(shí)現(xiàn)［6］；氮化氣缸套表面耐熱性和耐腐蝕性都很好，在高溫下氮化層硬度下降很少，可以保證在工作溫度下的良好耐磨性［7］。兩種試驗(yàn)氣缸套表面狀態(tài)見圖2和圖3。鍍鉻氣缸套表面珩磨紋很少，基本依靠鍍鉻松孔儲(chǔ)存潤(rùn)滑油，珩磨網(wǎng)紋角36°；氮化缸套珩磨紋清晰可見，珩磨網(wǎng)紋角38°。試驗(yàn)采用的缸套及活塞環(huán)涂層表面硬度見表1。考慮到摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果的穩(wěn)定性，每種氣缸套－活塞環(huán)共準(zhǔn)備7組試樣。

表1 涂層表面硬度

2.1 配副摩擦特性對(duì)比分析

試驗(yàn)過程中記錄配副的摩擦力，以摩擦力為依據(jù)評(píng)價(jià)配副摩擦特性。試驗(yàn)在潤(rùn)滑良好的狀態(tài)下進(jìn)行。圖4示出鍍鉻氣缸套與3種活塞環(huán)配副摩擦力對(duì)比。由圖4可見，鍍鉻氣缸套與CrN活塞環(huán)配副摩擦力最小，其次為與CKS活塞環(huán)配副，而與噴鉬活塞環(huán)配副摩擦力最大。圖5示出氮化氣缸套與3種活塞環(huán)配副摩擦力對(duì)比。由圖5可見，氮化氣缸套與CrN活塞環(huán)配副摩擦力最小，與CKS及噴鉬活塞環(huán)配副時(shí)二者摩擦力相當(dāng)。圖6示出CrN活塞環(huán)與兩種氣缸套配副摩擦力對(duì)比。由圖6可見，CrN活塞環(huán)與氮化氣缸套配副摩擦特性優(yōu)于與鍍鉻氣缸套配副。

2.2 配副抗拉缸特性對(duì)比分析

拉缸試驗(yàn)采用貧油試驗(yàn)方法［5－6］，初始足量供油，磨合期后斷油直至配副拉缸，加載載荷40MPa，以摩擦力陡增作為配副拉缸標(biāo)志，以拉缸時(shí)間為依據(jù)評(píng)價(jià)配副的抗拉缸特性。

鍍鉻氣缸套與3種活塞環(huán)配副拉缸時(shí)的摩擦力變化見圖7。由圖7可知，Cr－Mo配副拉缸時(shí)間約在2.7h，Cr－CrN配副拉缸時(shí)間約在2.1h，Cr－CKS配副拉缸時(shí)間約在1.7h。Cr－Mo配副試驗(yàn)1.7h后摩擦力逐漸增大，但沒達(dá)到拉缸程度，摩擦力增大至初始摩擦力2倍，繼續(xù)試驗(yàn)1h，摩擦力升至原始摩擦力3倍，配副拉缸。由于鉬層具有多孔性，能儲(chǔ)存一定數(shù)量的潤(rùn)滑油，加之氧化鉬的自潤(rùn)滑性能，此對(duì)配副的抗拉缸性能因此得到改善。Cr－CrN配副在拉缸時(shí)摩擦力短時(shí)間內(nèi)升高至初始摩擦力3倍，Cr－CKS配副在拉缸時(shí)摩擦力短時(shí)間內(nèi)升高至初始摩擦力5倍。

Cr－CrN配副拉缸時(shí)，缸套表面狀態(tài)見圖8，氣缸套表面表現(xiàn)為沿運(yùn)動(dòng)方向的豎狀磨損條紋。由于配副接觸面摩擦形成的局部溫度過高，散熱效果不良，溫度上升到一定程度時(shí)二者熔融黏結(jié)。隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，微小黏著部分?jǐn)U展或者脫落，形成的硬質(zhì)顆粒參與配副磨損，最終發(fā)生嚴(yán)重的磨粒磨損或黏著磨損，導(dǎo)致拉缸。Cr－CKS配副拉缸時(shí)缸套表面與圖8相似，而Cr－Mo配副拉缸時(shí)缸套表面磨損并不嚴(yán)重。3種配副拉缸時(shí)缸套磨損深度測(cè)量見圖9。Cr－Mo配副缸套上的磨痕深度很淺，基本上只是將缸套上微凸體磨平，而活塞環(huán)磨損嚴(yán)重，表明磨粒磨損是配副的主要磨損形式，硬度相對(duì)較低的活塞環(huán)磨損嚴(yán)重。Cr－CrN及Cr－CKS配副缸套局部磨痕深度在20μm以上，黏著磨損與磨粒磨損相互促進(jìn)。

從配副拉缸時(shí)間及缸套磨痕深度可得出結(jié)論：對(duì)鍍鉻氣缸套而言，Cr－Mo配副抗拉缸性能最優(yōu)，Cr－CKS配副抗拉缸性能最差。

在相同試驗(yàn)條件下，氮化氣缸套與3種活塞環(huán)配副在試驗(yàn)3h后摩擦力均未發(fā)生變化，拆卸后發(fā)現(xiàn)N－CrN，N－CKS配副缸套及活塞環(huán)表面無明顯變化，N－Mo配副缸套表面無明顯變化，活塞環(huán)表面呈現(xiàn)磨斑及豎狀條紋，配副處于拉缸初期。因此，NCrN，N－CKS配副抗拉缸性能優(yōu)于N－Mo配副。

從配副拉缸試驗(yàn)可知：氮化氣缸套與3種活塞環(huán)配副的抗拉缸性能優(yōu)于鍍鉻氣缸套。

2.3 配副磨損特性對(duì)比分析

磨損試驗(yàn)條件為加載載荷50MPa，少量連續(xù)供油，磨損試驗(yàn)30h后測(cè)量缸套磨損區(qū)域與未磨損區(qū)域的磨損臺(tái)階，并以氣缸套圓周方向7點(diǎn)均值作為磨痕深度，評(píng)價(jià)配副的磨損性能。

鍍鉻氣缸套對(duì)潤(rùn)滑狀態(tài)比較敏感，在磨損試驗(yàn)過程中容易發(fā)生局部拉缸現(xiàn)象，經(jīng)過前兩輪次鍍鉻氣缸套與3種活塞環(huán)配副的磨損試驗(yàn)，選取磨損性能最優(yōu)的Cr－CrN配副和氮化氣缸套與3種活塞環(huán)配副進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。4組配副磨損深度測(cè)量結(jié)果見表2。Cr1－CrN－2配副缸套局部發(fā)生拉缸現(xiàn)象，導(dǎo)致7點(diǎn)磨損深度均值較大，Cr1－CrN－1配副在未發(fā)生拉缸時(shí)磨損深度與N－CrN配副磨損深度相當(dāng)，具有最優(yōu)的磨損性能，N－CKS配副缸套磨損深度次之，NMo配副缸套磨損深度最大。

從配副拉缸及磨損試驗(yàn)可知：在斷油工況下，配副運(yùn)動(dòng)面間不能形成油膜，兩者摩擦面有微小部分金屬直接接觸，產(chǎn)生高溫，熱量積累到一定程度容易使配副發(fā)生黏著磨損，此時(shí)如果油膜恢復(fù)，便可起到冷卻和清洗作用，微小黏著部分脫落而不擴(kuò)展；隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，缸套表面形成環(huán)形磨痕，如果油膜不能及時(shí)恢復(fù)，黏著部分?jǐn)U展，并伴隨磨粒磨損發(fā)生，導(dǎo)致配副大范圍內(nèi)嚴(yán)重的異常磨損，缸套表面形成沿運(yùn)動(dòng)方向豎狀拉傷條紋。

表2 配副磨損深度測(cè)量結(jié)果 μm

3 結(jié)論

a）鍍鉻氣缸套與3種活塞環(huán)配副的摩擦系數(shù)由低至高為 Cr－CrN，Cr－CKS，Cr－Mo；氮化氣缸套與3種活塞環(huán)配副中摩擦系數(shù)最低為N－CrN，N－Mo與N－CKS相當(dāng)；N－CrN配副摩擦特性優(yōu)于Cr－CrN配副；

b）鍍鉻層對(duì)潤(rùn)滑油的吸附能力較差，在潤(rùn)滑不良時(shí)鍍鉻氣缸套容易發(fā)生拉缸現(xiàn)象；氮化氣缸套與3種活塞環(huán)配副的抗拉缸性能優(yōu)于鍍鉻氣缸套；

c）連續(xù)潤(rùn)滑時(shí)，N－CrN配副磨損性能最優(yōu)，Cr－CrN配副在不發(fā)生局部拉缸時(shí)磨損性能與N－CrN配副相當(dāng)。

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