不同活塞銷孔襯套-活塞銷摩擦副匹配性能研究

劉旭康 張利敏 王延榮 刁占英 王根全 王浩宇 強(qiáng) 慧 袁曉帥 柯慶航

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

隨著高強(qiáng)化柴油機(jī)活塞最高燃燒壓力的不斷提高，活塞銷座部位承受的熱負(fù)荷和機(jī)械負(fù)荷也越來(lái)越高[1-2]，持續(xù)高溫高壓的工作環(huán)境使其面臨著更大的考驗(yàn)?；钊N和銷孔之間的潤(rùn)滑油膜厚度是0.5～15 μm，在活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，摩擦副實(shí)際存在的混合摩擦行為極易造成銷孔表面干摩擦[2]，導(dǎo)致活塞銷孔襯套黏著磨損失效。許多故障案例表明，活塞銷軸承磨損是造成活塞連桿組件失效的主要原因之一[3-6]。

優(yōu)化活塞銷孔型線[7-9]和銷座結(jié)構(gòu)[10-14]設(shè)計(jì)是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。研究人員利用有限元軟件開(kāi)展多方案結(jié)構(gòu)對(duì)比分析，研究了不同型線下活塞銷孔軸承潤(rùn)滑狀態(tài)，依據(jù)潤(rùn)滑特征參數(shù)評(píng)價(jià)型線匹配的合理性。然而，單純依靠型線優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不能完全解決銷座磨損失效的問(wèn)題。研究表明，依照局部強(qiáng)化技術(shù)的思想，改善活塞銷孔鑲銅襯套制備工藝是降低活塞銷軸承磨損失效的另一種有效的工程技術(shù)手段。本文作者在擺動(dòng)摩擦副摩擦磨損試驗(yàn)臺(tái)上，開(kāi)展擠壓、旋壓工藝制備的鑲銅襯套以及進(jìn)口同類襯套的承載、抗咬合和耐磨損性能試驗(yàn)，對(duì)比摩擦副的匹配性能差異，優(yōu)選匹配方案，為國(guó)內(nèi)活塞銷孔襯套選配提供參考。

1 活塞銷孔襯套-活塞銷匹配性能試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

活塞銷孔襯套-活塞銷匹配性能試驗(yàn)在擺動(dòng)摩擦副摩擦磨損試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，模擬柴油機(jī)工作中活塞銷孔襯套繞活塞銷擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式和承載狀況。圖1和圖2分別為試驗(yàn)裝置原理圖及測(cè)試機(jī)構(gòu)實(shí)物圖，裝置由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、電液伺服加載系統(tǒng)、襯套-活塞銷擺桿機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)載荷由液壓作動(dòng)器提供，垂直向上作用于測(cè)試軸承座底端。由電機(jī)經(jīng)皮帶傳遞到擺臂后驅(qū)動(dòng)活塞銷往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬襯套-活塞銷之間的擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。潤(rùn)滑油通過(guò)循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)噴淋到摩擦副接觸區(qū)，模擬飛濺潤(rùn)滑。試驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制液壓伺服加載和主機(jī)系統(tǒng)的啟動(dòng)和停止，以及擺動(dòng)頻率、施加載荷的調(diào)節(jié)。轉(zhuǎn)速、壓力、扭矩和溫度傳感器采集的信號(hào)，經(jīng)工控機(jī)處理后在顯示屏上以數(shù)字和曲線形式顯示，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。

圖1 摩擦磨損試驗(yàn)臺(tái)原理

圖2 試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)

1.2 試驗(yàn)對(duì)象

試驗(yàn)所用的活塞銷陪試件為某型號(hào)柴油機(jī)裝機(jī)使用的活塞銷，兩端開(kāi)有V形槽用于安裝定位?；钊N孔襯套為高強(qiáng)度銅合金，通過(guò)液氮冷卻過(guò)盈安裝在連接套。試驗(yàn)的活塞銷孔襯套包括旋壓襯套和擠壓襯套，其中旋壓襯套的制備采用無(wú)切削等體積塑性成形工藝，擠壓襯套的制備是將被加熱的坯料和一定溫度的模具在擠壓力的作用下擠壓成形。同時(shí)，還以某進(jìn)口活塞銷孔襯套為對(duì)比件進(jìn)行試驗(yàn)。襯套和連接套上分別開(kāi)有直徑為5 mm的油孔，提供牌號(hào)RP-4652D裝甲車輛潤(rùn)滑油。在與油孔間隔180°處的連接套上安裝K1熱電偶，用于測(cè)試襯套摩擦中心外壁溫度，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)軸承承載中心的摩擦溫度[15]。在襯套基座端面壁厚中心處安裝K2熱電偶，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)軸承承載區(qū)域外壁的摩擦溫度，與K2安裝孔相隔90°的位置處安裝K3熱電偶，監(jiān)測(cè)試驗(yàn)軸承非承載區(qū)域外壁的摩擦溫度。襯套軸承座截面示意見(jiàn)圖3，活塞銷-襯套軸承安裝座截面見(jiàn)圖4。

圖3 活塞銷及軸承安裝座

圖4 軸承安裝座截面示意

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案如表1所示。表中,循環(huán)載荷是指施加載荷按照擺動(dòng)頻率周期性變化;恒定載荷是指施加載荷不隨擺動(dòng)頻率變化，即載荷恒定不變;單一載荷是指在同一擺動(dòng)頻率下，施加載荷(10/30/80 kN)恒定不變;逐級(jí)加載是指在同一擺動(dòng)頻率下，載荷從10 kN開(kāi)始，按照每5 min 3 kN載荷步逐級(jí)遞增;飛濺潤(rùn)滑是指潤(rùn)滑油通過(guò)循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)噴淋到摩擦副接觸區(qū);乏油潤(rùn)滑是指停止向摩擦副接觸區(qū)飛濺潤(rùn)滑(但在磨合結(jié)束后摩擦副接觸區(qū)仍殘留部分潤(rùn)滑油)。

表1 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

裝配完成后，3種襯套在正式考核前均經(jīng)過(guò)30 min的磨合。結(jié)果如圖5、6和7所示，可以看出，3種襯套磨合階段的驅(qū)動(dòng)扭矩與初始值相比變化不大，摩擦溫度略微升高(3種試驗(yàn)溫度差異是試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)的基礎(chǔ)油溫不一致造成的)，說(shuō)明在磨合階段，摩擦副未出現(xiàn)較嚴(yán)重的粗糙接觸，襯套表面的微凸體被快速磨平，處于持續(xù)穩(wěn)定的潤(rùn)滑狀態(tài)。

圖5 3種襯套逐級(jí)加載過(guò)程中扭矩、溫度的變化

2.1 承載性能試驗(yàn)

圖5給出了3種襯套逐級(jí)加載階段扭矩與溫度的變化。磨合階段結(jié)束后，按照每5 min 3 kN載荷步逐級(jí)遞增，3種襯套的摩擦扭矩和摩擦溫度隨之增加，這是因?yàn)檩d荷的增加，接觸面積就越大，即微凸體發(fā)生塑性變形和磨損的概率就增加，相應(yīng)地摩擦副接觸表面的摩擦阻力增大，表現(xiàn)為摩擦功耗上升。對(duì)比3種襯套在相同載荷下的扭矩值(見(jiàn)圖5(a))，旋壓襯套最大，進(jìn)口襯套次之，擠壓襯套最小，旋壓襯套首先觸發(fā)摩擦扭矩超過(guò)200 N·m的試驗(yàn)終止條件。這是因?yàn)樾龎汗に噮?shù)多而復(fù)雜，導(dǎo)致各工藝參數(shù)之間相互耦合，可能出現(xiàn)裂紋、鼓包等缺陷，影響旋壓成形件的質(zhì)量。3種襯套承載極限：擠壓襯套為52 kN，旋壓襯套為43 kN，進(jìn)口襯套為49 kN，即承載極限擠壓襯套>進(jìn)口襯套>旋壓襯套。觀察3種襯套在相同載荷下的溫度曲線(見(jiàn)圖5(b))，對(duì)比同一位置溫度得出，擠壓襯套溫度最低；對(duì)比不同位置溫度來(lái)看，K1、K2溫度相差較小，說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)程中未出現(xiàn)嚴(yán)重的偏載現(xiàn)象，K1溫度略高于K2，這是因?yàn)槌休d面中心區(qū)域較承載面外側(cè)溫度高造成的，非承載區(qū)域外壁的摩擦溫度K3始終低于K1和K2，直接反映出軸承摩擦生熱的分布差異。

2.2 抗咬合性能試驗(yàn)

圖6給出了3種襯套在乏油過(guò)程中的扭矩和溫度的變化情況。從圖6(a)可以看出，停止向摩擦副接觸區(qū)飛濺潤(rùn)滑后，3種襯套的摩擦扭矩迅速增加至某一值。旋壓襯套摩擦扭矩?cái)?shù)值最大且波動(dòng)明顯，最小扭矩約為150 N·m，最大扭矩接近200 N·m，說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)程中工作狀況惡劣。進(jìn)口襯套摩擦扭矩大約為165 N·m，同時(shí)存在波動(dòng)。而擠壓襯套摩擦扭矩大約為125 N·m，且波動(dòng)較小，說(shuō)明工作穩(wěn)定性較好。驅(qū)動(dòng)扭矩的變化直接反映出摩擦副表面的工作狀況。觀察圖6(b)所示的摩擦溫度變化曲線發(fā)現(xiàn)，旋壓襯套溫升最大，并且對(duì)潤(rùn)滑油的敏感度最高，乏油初期溫度迅速增高，說(shuō)明乏油初期油膜已被破壞，該摩擦副已發(fā)生嚴(yán)重的粗糙接觸，在某些接觸部位已形成干摩擦，造成摩擦副之間的摩擦功耗增加，溫度一直升高，最高達(dá)到170 ℃。對(duì)比擠壓襯套和進(jìn)口襯套，與活塞銷表面發(fā)生持續(xù)但并不嚴(yán)重的粗糙接觸，產(chǎn)生的摩擦熱量不斷累積使試樣溫度不斷升高。同一測(cè)點(diǎn)位置，擠壓襯套溫度低于進(jìn)口襯套，這是因?yàn)閿D壓工藝采用多道冷拔+退火組合工藝，晶粒細(xì)化完整且均勻性較好，表現(xiàn)出產(chǎn)品穩(wěn)定性好。

圖6 3種襯套乏油過(guò)程中扭矩、溫度的變化

2.3 耐磨損性能試驗(yàn)

圖7給出了3種襯套耐磨損試驗(yàn)中的扭矩和溫度的變化情況?？梢钥闯?，擠壓襯套摩擦溫度緩慢上升，摩擦扭矩基本穩(wěn)定，大約為150 N·m，反映出襯套的工作穩(wěn)定性良好；進(jìn)口襯套試驗(yàn)初期，摩擦扭矩穩(wěn)定在120 N·m左右，試驗(yàn)運(yùn)行1 h之后，摩擦扭矩呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)，試驗(yàn)后期超過(guò)擠壓襯套，同一監(jiān)測(cè)點(diǎn)摩擦溫度與擠壓襯套相當(dāng)，但穩(wěn)定性不如擠壓襯套；旋壓襯套整個(gè)磨損試驗(yàn)過(guò)程中，摩擦溫度基本呈增長(zhǎng)的趨勢(shì)，K1和K2溫度明顯高于其他測(cè)點(diǎn)溫度，同時(shí)存在波動(dòng)，摩擦扭矩陡增陡降，波動(dòng)范圍非常大，穩(wěn)定性最差，并且試驗(yàn)70 min時(shí)超過(guò)200 N·m，試驗(yàn)終止。

圖7 3種襯套磨損過(guò)程中扭矩、溫度的變化

2.4 耐磨損性能評(píng)價(jià)

圖8示出了3種襯套磨損試驗(yàn)結(jié)束后的宏觀形貌。可以看出，3種襯套非磨損區(qū)域摩擦表面機(jī)械加工痕跡被磨平，形成比較光滑的表面，而磨損區(qū)域表面上存在與滑動(dòng)方向一致的磨痕；進(jìn)口襯套磨損表面雖有黑色細(xì)微劃痕，但手感相對(duì)光滑；擠壓襯套接觸表面，均有高溫變色痕跡，存在多處劃痕，而旋壓襯套表面劃痕最為明顯。

圖8 3種襯套試驗(yàn)后的宏觀形貌

采用表面輪廓法來(lái)評(píng)價(jià)不同襯套的磨損量，評(píng)價(jià)方式是輪廓最大深度圓半徑與基準(zhǔn)圓半徑的差值。根據(jù)多次測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，測(cè)量觸針下行過(guò)程中較為晃動(dòng)，得到的基準(zhǔn)圓不太準(zhǔn)確，所以選取上行末端區(qū)域?yàn)槲茨p區(qū)域，同時(shí)為了減小人為因素導(dǎo)致的測(cè)量誤差，選取襯套承載區(qū)域3條線作為評(píng)價(jià)對(duì)象。圖9所示為襯套表面輪廓測(cè)量?jī)x，圖10所示為測(cè)試區(qū)域示意圖，圖11示出了不同襯套輪廓測(cè)量的差值。

圖9 輪廓測(cè)量?jī)x

圖10 測(cè)試區(qū)域示意

圖11 襯套磨損量對(duì)比

從圖11可以看出，旋壓襯套中心位置最大深度圓半徑與基準(zhǔn)圓差值最大，擠壓襯套次之，進(jìn)口襯套最小。結(jié)合左、右側(cè)輪廓測(cè)量差值，進(jìn)口襯套磨損量最小。可見(jiàn)，進(jìn)口襯套穩(wěn)定性不及擠壓襯套，但其耐磨性更優(yōu)。這可能因?yàn)檫M(jìn)口襯套采用了優(yōu)良的合金材料和更優(yōu)的加工工藝，后期可進(jìn)一步從這兩個(gè)方面對(duì)擠壓襯套進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3 結(jié)論及建議

(1)3種襯套承載極限依次是擠壓襯套、進(jìn)口襯套、旋壓襯套，承載中心區(qū)域摩擦溫度最高，不同測(cè)點(diǎn)溫度直接反映出軸承摩擦生熱的分布差異。

(2)3種襯套乏油初期動(dòng)態(tài)潤(rùn)滑油膜就遭到破壞，但擠壓襯套對(duì)乏油耐受性最佳，即抗咬合性能最優(yōu)。

(3)進(jìn)口襯套制備工藝對(duì)國(guó)內(nèi)嚴(yán)格封鎖，具體細(xì)節(jié)和參數(shù)不得而知，但從磨損試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，進(jìn)口襯套穩(wěn)定性不及擠壓襯套，而耐磨性優(yōu)良，這可能因?yàn)榫哂袃?yōu)良的合金材料和機(jī)加工藝。但從磨損試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，進(jìn)口襯套穩(wěn)定性不及擠壓襯套，但耐磨性更優(yōu)。

(4)活塞銷孔襯套-活塞銷摩擦副匹配性能試驗(yàn)建議優(yōu)選擠壓制備工藝的襯套，能夠提高活塞銷座承載能力和熱負(fù)荷、機(jī)械負(fù)荷的承受能力，緩解因溫度過(guò)高導(dǎo)致的活塞材料性能的下降以及因應(yīng)力集中活塞銷座產(chǎn)生的裂紋的問(wèn)題，具備對(duì)標(biāo)進(jìn)口襯套的能力，可為國(guó)內(nèi)活塞銷孔襯套的選配提供參考。