不同表面紋理結(jié)構(gòu)對柴油機(jī)缸套- 活塞環(huán)摩擦磨損性能的影響研究

饒響， 盛晨興， 郭智威

(1.武漢理工大學(xué) 船舶動力工程技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 湖北 武漢 430063；2.國家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心 可靠性工程研究所， 湖北 武漢 430063)

0 引言

缸套- 活塞環(huán)組件作為柴油機(jī)的主要摩擦副之一，其摩擦學(xué)性能直接關(guān)系到船舶柴油機(jī)的性能和使用壽命，對缸套- 活塞環(huán)組件摩擦學(xué)性能的研究也是當(dāng)今一大熱點(diǎn)。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，通過優(yōu)化改造缸套內(nèi)表面的微觀幾何形貌，利用表面紋理技術(shù)可以提高缸套- 活塞環(huán)摩擦副的摩擦學(xué)性能。

表面紋理技術(shù)是為了加強(qiáng)缸套表面的儲油能力，確保能形成一定厚度的油膜并改善油膜分布，從而達(dá)到提高缸套- 活塞環(huán)摩擦副的摩擦學(xué)性能目的的一種技術(shù)。表面紋理技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展[2]，在改善摩擦學(xué)性能的方面已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，例如在缸套表面采用激光加工規(guī)則凹坑，一定程度上能改善其摩擦性能[3]；1988年北京格林公司提出激光珩磨缸套技術(shù)，并對相關(guān)發(fā)動機(jī)進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)該技術(shù)能夠有效地降低缸套- 活塞環(huán)的摩擦以及發(fā)動機(jī)的顆粒排放[4]；在缸套內(nèi)表面加工一定深度的槽、坑，在不同運(yùn)行工況下能夠有效地提升摩擦副的摩擦性能，并且隨著工況的改變其摩擦學(xué)性能也各不相同，同時能夠減小缸體的振動[5]；通過對缸套表面微溝槽形貌的仿真分析，得出具有一定角度的微溝槽能夠降低缸套- 活塞環(huán)之間的摩擦[6]。

以上研究為表面紋理結(jié)構(gòu)在缸套- 活塞環(huán)上面的應(yīng)用提供了必要的理論基礎(chǔ)，同時也提供了微溝槽形貌的仿真分析，但是并沒有從試驗(yàn)方面對微溝槽形貌在缸套- 活塞環(huán)上的應(yīng)用進(jìn)行分析。為了進(jìn)一步研究微溝槽在缸套- 活塞環(huán)上的實(shí)際工作情況和潤滑性能，本文以不同表面微結(jié)構(gòu)的缸套為研究對象，改變試驗(yàn)運(yùn)行工況，研究缸套表面微結(jié)構(gòu)對缸套- 活塞環(huán)摩擦副的摩擦磨損性能影響，并分析影響機(jī)理。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)對象

試驗(yàn)均在MWF-10微機(jī)控制往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)[7]上進(jìn)行，試驗(yàn)機(jī)簡化模型[8]如圖1所示，圖1中ω為電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度。缸套通過線切割的方式在整缸上切取120 mm×80 mm的切片，材料為耐磨合金鑄鐵。根據(jù)前人的研究經(jīng)驗(yàn)[1,5,9-11]以及現(xiàn)有研究的需要，在缸套的內(nèi)表面加工出3種不同的紋理，分別是橫豎相間槽、環(huán)圓槽、環(huán)方槽，與原始缸套一起總共4種形貌的缸套切片。其中缸套是選購的1115單缸柴油機(jī)缸套，整缸成品已經(jīng)過常規(guī)表面珩磨處理，帶有表面網(wǎng)紋。試驗(yàn)試樣是在整缸的基礎(chǔ)上采用線切割加工成切片形狀，并且試驗(yàn)紋理缸套采用化學(xué)刻蝕的方法加工，具體形貌如表1所示。同時采用合金鑄鐵活塞環(huán)，活塞環(huán)表面未進(jìn)行涂質(zhì)層加工處理，環(huán)的大小與缸套切片尺寸相對應(yīng)。圖2為缸套- 活塞環(huán)摩擦?xí)r的簡化模型[8]，圖2中v為缸套的往返速度。

1.2 試驗(yàn)條件

模擬低速柴油機(jī)運(yùn)行工況，設(shè)置倒拖電機(jī)轉(zhuǎn)速為100 r/min，載荷分別為200 N、400 N、600 N, 根據(jù)活塞環(huán)與缸套的接觸面積，可以得到各個載荷下的缸套與活塞環(huán)間的壓強(qiáng)分別為1.23 MPa、2.46 MPa和6.39 MPa，載荷與氣缸壓力的對應(yīng)關(guān)系由(1)式表示：

表1 不同表面結(jié)構(gòu)缸套幾何形貌

Tab.1 Geometrical morphologies of cylinder liners with different surface textures

(1)

式中：Fc為試驗(yàn)中載荷壓力；F為氣缸壓力；β為連桿與活塞的夾角。

4種不同形貌的缸套分別在上述工況下進(jìn)行試驗(yàn)，每組試驗(yàn)2 h，除運(yùn)行工況不同，試驗(yàn)時潤滑油供給量和其他試驗(yàn)環(huán)境等均處于相同狀態(tài)。為了加速缸套- 活塞環(huán)切片的磨損，保證試驗(yàn)時間內(nèi)考察不同運(yùn)行工況下該摩擦副的摩擦磨損性能，試驗(yàn)中采用的是無任何添加的70 N基礎(chǔ)油，其40 ℃運(yùn)動黏度為13 m2/s，采用滴定式注油。

1.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

在試驗(yàn)中使用兩種不同的壓力傳感器分別采集對缸套施加的正壓力和缸套- 活塞環(huán)之間的摩擦力，所獲取的數(shù)據(jù)由摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)專業(yè)測控軟件紀(jì)錄，每0.5 s采集一次數(shù)據(jù)，記錄數(shù)據(jù)已經(jīng)過軟件濾波處理，通過摩擦系數(shù)可以直接反映出缸套- 活塞環(huán)摩擦副的摩擦狀態(tài)；試驗(yàn)同時利用接觸電阻測試系統(tǒng)[7]測量缸套- 活塞環(huán)之間的接觸電阻值，試驗(yàn)中每秒采集一次數(shù)據(jù)，通過摩擦副之間的接觸電阻定性分析摩擦副的潤滑特性，接觸電阻技術(shù)是利用金屬導(dǎo)電性能與潤滑油導(dǎo)電性能相差懸殊的特性，檢測摩擦副接觸電壓降，并利用油膜厚度與油膜電阻率之間的關(guān)系，來計算摩擦副表面間的油膜厚度，接觸電阻原理圖如圖3 所示。

摩擦試驗(yàn)結(jié)束之后，利用接觸式表面輪廓儀測量每組缸套磨損表面的三維形貌，并且測量多個點(diǎn)，缸套磨損表面形貌特征可以直接反映出缸套內(nèi)的摩擦磨損狀態(tài)。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

通過對比分析摩擦系數(shù)、三維表面形貌以及接觸電阻，得到不同紋理缸套- 活塞環(huán)在不同運(yùn)行工況下的摩擦學(xué)性能，具體結(jié)果在下面展開分析。

2.1 摩擦系數(shù)分析

表2展示了在同一運(yùn)行速度(100 r/min)不同紋理缸套在不同載荷下的摩擦系數(shù)變化趨勢以及平均摩擦系數(shù)。從表2中可以看出以下現(xiàn)象：

1)不同紋理的缸套- 活塞環(huán)組件的摩擦系數(shù)隨著載荷的變化而變化，且隨著載荷的增加，橫豎槽缸套的平均摩擦系數(shù)逐漸減小；環(huán)圓槽則先是減小，然后再增加；環(huán)方槽的摩擦系數(shù)存在一個增大的突變，然后再減小。

2)每一種紋理的缸套(包括原始缸套)在前期均存在一個磨合期，隨著磨合期的結(jié)束，缸套- 活塞環(huán)的摩擦系數(shù)一般會進(jìn)入平穩(wěn)期。進(jìn)入平穩(wěn)期后，橫豎槽缸套的摩擦系數(shù)在400 N和600 N時小于環(huán)圓槽和環(huán)方槽缸套；環(huán)方槽缸套的摩擦系數(shù)在200 N時則是最小。

3)3種帶有表面紋理的缸套摩擦系數(shù)在一般情況是比原始缸套的摩擦系數(shù)要小。

表面紋理的類型對缸套- 活塞環(huán)摩擦副的摩擦系數(shù)影響顯著，改變缸套的表面紋理，缸套- 活塞環(huán)組件的摩擦系數(shù)會有顯著變化。在400 N和600 N時，橫豎槽缸套的摩擦系數(shù)比另外兩種紋理的缸套摩擦系數(shù)小，這說明在兩種載荷下，橫豎槽缸套的儲油能力強(qiáng)。但從表2中摩擦系數(shù)變化圖以及平均摩擦系數(shù)可以看出：橫豎槽缸套的平均摩擦系數(shù)較小，但是隨著時間推移，400 N時摩擦系數(shù)幅值波動較大，這表明其儲油能力強(qiáng)但不穩(wěn)定；載荷為200 N時，環(huán)方槽缸套的摩擦系數(shù)最小，其紋理的表面占有率為12%，此時環(huán)方槽缸套的摩擦系數(shù)最小可能的原因是，紋理的表面占有率對缸套內(nèi)表面儲油能力有極大的影響，一般情況下表面紋理占有率越大，儲油能力越強(qiáng)。但在低載荷工況下，紋理的表面占有率并非越高越好，表面占有率太高反而對缸套- 活塞環(huán)組件的摩擦性能有負(fù)面作用，雖然某種程度上可以提高缸套內(nèi)表面的儲油能力，但是另一方面同時提高了缸套內(nèi)表面的粗糙度，直接提高了缸套- 活塞環(huán)之間的摩擦系數(shù)。然而從沒有加工任何表面紋理的原始缸套平均摩擦系數(shù)來看，加工一定的紋理對缸套- 活塞環(huán)的摩擦是有積極作用的。這兩方面說明了缸套內(nèi)表面的表面紋理占有率需要在一定的范圍之內(nèi)，這樣在一定工況下才能發(fā)揮其積極作用。

表2 摩擦系數(shù)變化趨勢及平均摩擦系數(shù)

Tab.2 Variation trends of friction coefficient and average friction coefficient

隨著載荷的增加，缸套- 活塞環(huán)之間摩擦系數(shù)的變化趨勢也各不相同，對于相同紋理的缸套，在不同載荷下的儲油能力基本相同，但是在不同載荷下缸套擠壓潤滑油的能力大不相同。例如橫豎槽缸套，摩擦系數(shù)隨著載荷的增加而減小，其原因是隨著載荷的增加，儲存在缸套表面紋理的潤滑油被不斷地擠壓出來，使缸套- 活塞環(huán)之間的潤滑狀態(tài)得到改善，減小了摩擦副的摩擦系數(shù)；而環(huán)圓槽和環(huán)方槽缸套的摩擦系數(shù)隨著載荷的增大變化與橫豎槽缸套不同，環(huán)方槽缸套的摩擦系數(shù)存在一個較大跳躍，而環(huán)圓槽缸套在400 N時對潤滑油的擠壓處于一種比較好的狀態(tài)，但是隨著壓力的進(jìn)一步增大，缸套與活塞環(huán)之間的接觸更加緊密，此時潤滑油被更多地從紋理中擠壓到缸套與活塞環(huán)接觸面之外，使摩擦系數(shù)增大。

2.2 表面形貌分析

通過測量試驗(yàn)后的缸套磨損表面的三維形貌，可以直觀反映出缸套- 活塞環(huán)的摩擦摩擦情況。三維形貌表征參數(shù)[12]有14種之多，本文以比較典型的3種為例，分別是均方根偏差Sq、偏斜度Ss以及谷區(qū)液體滯留指數(shù)Sv. 表3、表4是不同載荷下各種缸套內(nèi)表面的三維形貌以及相關(guān)的三維形貌參數(shù)，三維形貌的采樣范圍為0.8 mm×0.8 mm.

根據(jù)表3、表4可以看出：載荷和缸套表面紋理對Sq有顯著影響，Sq值是直接反映出試驗(yàn)之后的缸套內(nèi)表面是否平坦的一個衡量值。在低載荷下，環(huán)方槽缸套的Sq值最大，但是其摩擦系數(shù)最小，這是因?yàn)樵谀Σ猎囼?yàn)過程中新產(chǎn)生的磨痕并沒有完全覆蓋掉原來的絎磨痕跡，兩種不同磨痕的混合導(dǎo)致Sq值變大；而隨著載荷的增加，環(huán)方槽缸套的Sq值不斷增加且均大于橫豎槽和環(huán)圓槽缸套的Sq值，此時其摩擦系數(shù)相比另外兩種紋理的缸套也是最大，這就說明環(huán)方槽缸套的性能在中載荷、高載荷下不如橫豎槽和環(huán)圓槽缸套。橫豎槽和環(huán)圓槽在中載荷、高載荷下的Sq值有一定的起伏變化，這與試驗(yàn)后三維形貌的測量位置可能有一定關(guān)系。

表4中的Ss基本都是小于0，這就說明試驗(yàn)后的缸套內(nèi)表面基本都是深谷較多[12]，而尖峰則基本都被磨掉。從表3、表4中三維彩圖和三維形貌參數(shù)可以看出：環(huán)方槽缸套在200 N時的Ss值最小，說明低載荷下的環(huán)方槽缸套表面比較平坦，尖峰和深谷均比較少，反映出了在摩擦過程中缸套- 活塞環(huán)處于良好的潤滑狀態(tài)；隨著載荷的增大，橫豎槽缸套的Ss值不斷增加，表面的犁溝也逐漸減少，表明隨著載荷的增大，儲存在缸套表面紋理內(nèi)的潤滑油被擠壓出來，形成了比較良好的潤滑。而環(huán)圓槽的Ss值隨著載荷的增大逐漸偏離0，但是在中載荷、低載荷下的Ss值相比與另外兩種紋理的缸套相差不大，尤其是在400 N時，此時儲存在缸套紋理內(nèi)的潤滑油被擠壓出來，使缸套- 活塞環(huán)處于比較好的潤滑狀態(tài)。環(huán)方槽缸套隨著載荷的增大，Ss值有較大幅度的波動，與其摩擦系數(shù)值相對應(yīng)。

表3 試驗(yàn)后缸套表面形貌

Tab.3 Surface topographies of cylinder liner surface textures after test

槽型載荷/NSq/μmSsSv2001.63-1.603.595橫豎槽4000.53-1.023.6976000.60-1.064.4402001.65-0.435.830環(huán)方槽4001.940.513.6006002.54-0.113.6502001.09-0.913.570環(huán)圓槽4001.11-0.973.7706000.34-1.682.730

Sv值可以反映出缸套表面儲存潤滑油能力的大小，Sv越大則說明缸套儲存潤滑油的能力越好。從表4中數(shù)據(jù)可以看出：在200 N時環(huán)方槽缸套的Sv值遠(yuǎn)大于橫豎槽和環(huán)圓槽缸套，而其摩擦系數(shù)在低載荷下也是最優(yōu)的，說明在低載荷下環(huán)方槽缸套表面儲油能力最好且在此種載荷下能將儲存在紋理內(nèi)的油液擠壓出來；但隨著載荷的進(jìn)一步增大，橫豎槽的Sv逐漸增加且大于另外兩種缸套的Sv值，同種紋理的缸套在試驗(yàn)前的儲油能力是相當(dāng)?shù)?，但是施加一定的載荷之后改變其儲油能力和油液擠壓出來的數(shù)量。說明隨著載荷的增大，橫豎槽缸套的儲油能力不斷增加且油液能夠被擠壓出來起到潤滑的作用。

2.3 接觸電阻分析

圖4顯示的是不同載荷下4種紋理缸套的接觸電阻平均值。接觸電阻測量缸套- 活塞環(huán)之間的油膜厚度是利用金屬導(dǎo)電性能與潤滑油電導(dǎo)率相差懸殊而進(jìn)行測量的[13]，接觸電阻值越大表明油膜厚度越厚，反之則越薄。通常情況下，缸套- 活塞環(huán)之間的接觸電阻會隨載荷的增大而減小，因?yàn)樵谝话闱闆r下增大載荷會使缸套與活塞環(huán)接觸更加緊密，導(dǎo)致二者之間的潤滑油膜厚度變小。如圖4中的原始缸套，接觸電阻值變化不是很大，但是在高載荷下的接觸電阻值最小，這就說明在摩擦試驗(yàn)過程中，原始缸套與活塞環(huán)之間的油膜厚度很小甚至油膜已經(jīng)被擠壓破裂。

從圖4中可以看出，隨著載荷的變化，紋理的不同對缸套- 活塞環(huán)摩擦副的接觸電阻值影響很大。對于同種紋理的缸套，除橫豎槽缸套的接觸電阻值隨著載荷的增大先增后減，環(huán)圓槽和環(huán)方槽缸套的電阻值均隨著載荷的增大而減小。在載荷相同時，各種紋理的缸套接觸電阻值變化比較明顯。在200 N時，環(huán)方槽缸套的接觸電阻值最大，表明其油膜厚度最厚且油膜沒有被擠壓破裂，形成了良好的潤滑油膜和潤滑狀態(tài)；隨著載荷增大到400 N和600 N時，橫豎槽缸套的接觸電阻值都是最大，說明在中載荷、高載荷的情況下，橫豎槽缸套與活塞環(huán)之間形成了比較好的油膜，載荷增大到600 N時，接觸電阻值有一定程度的減小，但幅度不大。此時環(huán)方槽和環(huán)圓槽缸套的接觸電阻值隨著載荷的增大而減小，但是在試驗(yàn)過程中也形成了一定厚度的油膜，在載荷增大到600 N時，油膜被擠壓導(dǎo)致其厚度變小，使其接觸電阻值基本與原始缸套的接觸電阻值相當(dāng)?？傊瑥慕佑|電阻值來看，橫豎槽缸套- 活塞環(huán)在中載荷、高載荷下能夠形成一定厚度的油膜，處于一種比較良好的潤滑狀態(tài)，而環(huán)方槽缸套則在低載荷下能夠形成一定厚度的油膜，這基本與摩擦系數(shù)和三維形貌的分析一致。

3 結(jié)論

本文以不同紋理(橫豎槽、環(huán)圓槽、環(huán)方槽以及原始缸套)的缸套- 活塞環(huán)為研究對象，對固定轉(zhuǎn)速(100 r/min)和不同載荷(200 N、400 N、600 N)下缸套的摩擦磨損性能進(jìn)行了研究。從缸套與活塞環(huán)之間的摩擦系數(shù)、接觸電阻值以及缸套表面形貌幾個不同的特征參數(shù)進(jìn)行分析比較，得到如下結(jié)論：

1)載荷不同，不同紋理的缸套表現(xiàn)出來的摩擦性能不相同。在低載荷下，環(huán)方槽缸套的摩擦學(xué)性能比較好；而橫豎槽缸套則在中載荷、高載荷下的摩擦學(xué)性能比較好。

2)除缸套表面紋理種類對缸套- 活塞環(huán)的摩擦學(xué)性能有顯著影響以外，缸套表面紋理占有率也有一定的影響。

3)可以通過接觸電阻測出來的油膜厚度情況來定性分析缸套- 活塞環(huán)之間的摩擦系數(shù)和缸套表面的三維形貌。

4)根據(jù)低速柴油機(jī)的情況，對于長期處于中載荷、高載荷下的柴油機(jī)，可以使用橫豎槽缸套，從而達(dá)到減少摩擦損耗，提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。

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