溫度對缸套-活塞環(huán)摩擦性能的影響*

杜 昌 盛晨興 饒 響 郭智威

(1.武漢理工大學船海與能源動力工程學院 湖北武漢 430063；2.國家水運安全工程技術研究中心，可靠性工程研究所 湖北武漢 430063；3.武漢理工大學交通與物流工程學院 湖北武漢 430063)

隨著相關排放法規(guī)日益嚴格，為了應對持續(xù)惡化的環(huán)境問題，可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略深入到能源結構的各個方面，綠色的發(fā)展方式已經(jīng)成為主流[1]。柴油機作為船舶動力系統(tǒng)的“心臟”，其工作效率直接影響船舶動力系統(tǒng)的能源轉(zhuǎn)換效率，而缸套-活塞環(huán)摩擦副摩擦性能的好壞決定著柴油機的能源轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)劣[2-4]。同時，LNG作為船舶的代用燃料在極大程度上能解決一次燃料枯竭的問題，并以其優(yōu)秀的環(huán)保性能成為未來船舶能源主要發(fā)展方向之一[5]。研究表明，LNG燃料柴油機與傳統(tǒng)石油燃料柴油機相比，缸內(nèi)燃燒溫度更高，爆發(fā)壓力更大，缸套-活塞環(huán)摩擦副也面臨著更為復雜的工作環(huán)境[6-7]。而摩擦學三公理揭示了摩擦是復雜的各個學科耦合作用的結果，其中溫度作為重要的影響因素，對于摩擦表面的組織結構、潤滑液的性質(zhì)以及表面濕潤性等都有較大影響[8-9]。溫度作為影響柴油機缸套-活塞環(huán)摩擦副工作過程的重要因素之一，不僅對缸套-活塞環(huán)的工作性能有較大影響，也關系到柴油機的可靠性與經(jīng)濟性。因此，探究高溫下缸套-活塞環(huán)摩擦副摩擦性能的變化規(guī)律對于柴油機向著更高的缸內(nèi)溫度發(fā)展具有重要的推動意義。

近年來，許多學者研究了溫度對材料摩擦性能的影響。劉義和胡晏明[10]研究了溫度對H13鋼材摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)在50～200 ℃溫度下，H13的摩擦因數(shù)隨溫度升高先增大后減小。XU等[11]研究了Ti3SiC2/TiAl復合材料(TTC)與Si3N4之間的摩擦特性在25～800 ℃溫度區(qū)間的變化規(guī)律，試驗結果表明，在25～400 ℃溫度區(qū)間內(nèi)摩擦因數(shù)隨著溫度的升高而升高，在400～800 ℃溫度區(qū)間內(nèi)摩擦因數(shù)隨著溫度的升高而降低。宗輝祖[12]研究了輪軌材料摩擦副摩擦因數(shù)與溫度的關系，研究結果表明，摩擦因數(shù)隨溫度的變化分為3個階段：在低溫階段(25～300 ℃)摩擦因數(shù)上升，在中高溫階段(300～700 ℃)摩擦因數(shù)急速下降，在高溫階段(700～925 ℃)摩擦因數(shù)緩慢下降。而柴油機缸內(nèi)溫度作為衡量柴油機工作性能的關鍵指標以及影響缸套-活塞環(huán)摩擦副摩擦性能的重要因素，研究人員也進行了大量研究。李玉杰等[13]研究了缸套溫度對活塞環(huán)潤滑的影響，發(fā)現(xiàn)合適的缸內(nèi)溫度分布有利于潤滑油達到更好的潤滑效果，從而提高柴油機的熱效率。AL-SARKHI等[14]研究認為工作流體的溫度對柴油機效率有較大的影響，摩擦等不可逆損失隨溫度的變化而改變。周龍[15]通過建立內(nèi)燃機耦合傳熱全仿真模型，分析了活塞組-氣缸套傳熱潤滑摩擦耦合機制。朱信[16]通過建立仿真模型，研究了冷啟動狀態(tài)下內(nèi)燃機缸套-活塞環(huán)的摩擦特性，分析了隨著環(huán)境溫度的變化，活塞環(huán)-缸套摩擦性能及潤滑狀態(tài)的變化規(guī)律。

目前已研究證實溫度變化對材料摩擦性能有較大的影響，但涉及溫度環(huán)境對缸套-活塞環(huán)摩擦性能影響的研究多數(shù)通過模擬分析的方式展開。為了進一步試驗探究環(huán)境溫度對于缸套-活塞環(huán)摩擦性能的影響，本文作者選用S195單缸柴油機缸套切片進行試驗，通過往復式摩擦磨損試驗機研究溫度對其摩擦性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

試驗在MWF-10往復式摩擦磨損試驗機上進行，整體結構如圖1所示。包括驅(qū)動裝置、傳動裝置、特制夾具以及信號采集裝置。電機通過曲柄連桿機構帶動夾具在導軌上做往復運動，通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速以及壓力承載裝置可以模擬柴油機不同工作負載下的摩擦環(huán)境，利用USB6009采集卡可以完成試驗過程中壓力以及摩擦力的數(shù)據(jù)采集。缸套切片夾具結構如圖2所示，由加熱片對夾具進行加熱提供試驗所需要的溫度條件，通過放置于溫度檢測口的溫度傳感器監(jiān)測試驗過程中的溫度；加熱片和溫度傳感器與溫控器相連，以達到控制試驗過程中缸套-活塞環(huán)摩擦副工作溫度的目的。

圖1 往復式摩擦磨損試驗機Fig.1 Reciprocating friction and wear tester

圖2 缸套夾具結構示意Fig.2 Schematic diagram of cylinder liner fixture structure

1.2 試驗方法

低速柴油機在大型船只上應用廣泛，為模擬其運行環(huán)境，電機倒拖轉(zhuǎn)速設置為100 r/min，載荷設置為100 N，溫度梯度設置為室溫和60、90、120 ℃ 4組。

試驗試樣是由S195單缸柴油機缸套線切割加工成的120 mm×80 mm的切片，材質(zhì)為耐磨合金鑄鐵；活塞環(huán)切片與缸套切片大小對應，材質(zhì)為球墨鑄鐵，如圖3所示。

圖3 缸套、活塞環(huán)試樣Fig.3 Cylinder liner and piston ring specimens

為探究不同溫度對缸套-活塞環(huán)摩擦副摩擦特性的影響，在上述4種溫度條件下進行摩擦試驗，每組試驗時間為1.5 h。試驗采用無任何添加劑的70 N基礎油為潤滑劑，以加速模擬缸套-活塞環(huán)摩擦副之間的磨損，更好地分析不同溫度下缸套-活塞環(huán)摩擦副摩擦學行為。試驗過程中將50 mL基礎油均勻地加入摩擦副之間，潤滑方式為滴油潤滑。試驗過程中除溫度條件作為控制變量，試驗載荷和速度及其他試驗條件均相同。

1.3 數(shù)據(jù)采集

試驗需要采集的數(shù)據(jù)包括試驗過程中缸套-活塞環(huán)之間的摩擦力以及試驗后缸套表面形貌。摩擦力的采集頻率為0.1 s采集一次。通過接觸式表面輪廓儀采集缸套試樣的磨損表面形貌特征，每個缸套采集4個樣點，輔助分析缸套-活塞環(huán)摩擦副的磨損特征[17]。

2 試驗結果與分析

2.1 摩擦力

不同溫度下試驗過程中摩擦力曲線如圖1所示，這些曲線反映了試驗過程中不同時間段摩擦力的變化情況。不同溫度下平均摩擦力大小如圖4所示，反映了試驗過程中摩擦性能的整體水平。

圖4 不同溫度下摩擦力曲線Fig.4 Friction curves under different temperature：(a) room temperature;(b)60 ℃;(c)90 ℃;(d)120 ℃

從圖5可以看出，在載荷為100 N、轉(zhuǎn)速為100 r/min的運行工況下，隨著溫度逐漸升高，平均摩擦力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢。在溫度為60 ℃時，平均摩擦力為18.59 N(即平均摩擦因數(shù)為0.185 9)，與室溫下相比降幅為13.45%；在溫度為90 ℃時平均摩擦力達到最小值17.53 N，此時平均摩擦因數(shù)為0.175 3，與室溫下相比降幅為18.39%；在120 ℃時平均摩擦力達到最大值23.77 N，平均摩擦因數(shù)為0.237 7，與室溫下相比增幅為10.66%。從圖4中的摩擦力曲線可以看出，60 ℃溫度條件下試驗過程中摩擦力曲線最為穩(wěn)定，在整個試驗過程中摩擦力在固定值上下波動；而90 ℃時雖然平均摩擦力最小，但是對應的摩擦力曲線波動較大，且在試驗后0.5 h內(nèi)摩擦力呈現(xiàn)出逐漸變大的趨勢。

圖5 不同溫度下平均摩擦力Fig.5 Average friction under different temperature

在室溫條件下，潤滑油的黏度較大，在一定程度上增大了摩擦副之間的黏滯阻力，從而增大了缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦力。而隨著溫度的增大，潤滑油的黏度降低，使得摩擦副間的黏滯阻力降低，在一定程度上降低了缸套-活塞環(huán)的摩擦力；同時由于溫度的增加，摩擦副表面金屬更容易與空氣發(fā)生氧化反應，在金屬表面生成氧化膜，改善了缸套-活塞環(huán)之間的摩擦性能，因此適當?shù)臏囟拳h(huán)境有利于缸套-活塞環(huán)切片摩擦副摩擦性能的提升。但是隨著溫度的進一步增大，金屬表面強度降低，從而影響金屬的塑韌性，摩擦表面黏著點增多，增大了摩擦力。

另外在120 ℃溫度條件下試驗后，在摩擦表面觀測到黑色黏著物，這可能是由于溫度升高，潤滑油在高溫下出現(xiàn)碳化的現(xiàn)象。從平均摩擦力大小可以看出，此時的溫度條件與室溫相比不再起到促進潤滑的作用，相反地，少量潤滑油碳化后與磨屑一起附著在摩擦表面增大了表面粗糙度，加劇了磨損，導致摩擦力增大。這是導致120 ℃時平均摩擦力大于室溫的原因之一。同時，雖然溫度升高金屬摩擦表面生成了一層氧化薄膜，但是隨著試驗的進行，氧化膜被磨破，材料磨損進一步加大，從而導致摩擦力出現(xiàn)波動變化，因此90、120 ℃下摩擦力出現(xiàn)較大的波動。相比之下，60 ℃時缸套-活塞環(huán)摩擦副表現(xiàn)出了優(yōu)秀的摩擦特性以及穩(wěn)定性。

2.2 表面形貌

材料表面粗糙度三維評價體系包含多種特征參數(shù)，文中選取其中較為典型的3種[18-19]，分別是表面均方根偏差Sq、偏斜度Ssk以及谷區(qū)液體滯留指數(shù)Svi。輪廓儀三維表面形貌采樣范圍為0.8 mm×0.8 mm，每個缸套采集4個樣點并取平均值，4種溫度下缸套磨損表面形貌如圖6所示，三維形貌特征參數(shù)如圖7所示。

結合摩擦副表面形貌分析，隨著溫度的升高，緩解了試樣表面的摩擦磨損。從圖6中可以看出，在60 ℃時試樣表面的磨損情況較好；而隨著溫度進一步增大，此時摩擦界面金屬機械性能改變，更容易發(fā)生磨損，磨粒磨損以及黏著磨損增多；120 ℃時試樣表面存在較多的犁溝以及磨痕，試樣表面粗糙度增大，因此摩擦因數(shù)增大。

圖6 不同溫度缸套表面形貌Fig.6 Surface morphologies of cylinder liners under different temperatures：(a) room temperature; (b)60 ℃;(c)90 ℃;(d)120 ℃

表面均方根偏差Sq反映表面輪廓偏離基準面的程度，是衡量被測量表面是否平整的重要參數(shù)。從圖7可以看出，隨著溫度的升高Sq的值呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，在溫度為90 ℃時達到最小值，此時缸套表面輪廓偏離基準面最小，這與該試驗工況下平均摩擦力值最小的結論一致；在溫度為120 ℃時Sq達到最大值，此時缸套表面犁溝較多，表面粗糙度較大，相對于其他溫度下缸套磨損更為嚴重，這說明適當?shù)臏囟拳h(huán)境對于缸套-活塞環(huán)的摩擦有改善作用。在60和90 ℃溫度下缸套-活塞環(huán)的Sq值較小且低于室溫條件下，但是當溫度達到120 ℃時，缸套-活塞環(huán)的Sq值反而高于室溫條件下，這與摩擦力變化趨勢是一致的。

圖7 缸套磨損表面的三維特征參數(shù)Fig.7 Three-dimensional feature parameters of cylinder liner worn surface

偏斜度Ssk是表面形貌的幅度特征參數(shù)，反映被測量區(qū)域內(nèi)材料表面相對于中面的不對稱程度。當Ssk>0時，說明被測量表面有較多的尖峰，當Ssk<0時，說明被測量表面有較多的深谷，若表面相對于中面對稱，則Ssk=0。從圖7中可以看出，60 ℃時Ssk的絕對值最大，說明此溫度條件下缸套表面存在較多較深的深谷，潤滑油儲存在其中，給缸套-活塞環(huán)提供良好的潤滑條件，改善摩擦副之間的摩擦；在90 ℃時Ssk>0，說明缸套表面有較多的尖峰，表面相對中面不對稱性高，表面尖峰可能會影響潤滑油膜的潤滑狀態(tài)，這也是導致其摩擦力出現(xiàn)波動的原因；在120 ℃時Ssk的絕對值最小，說明缸套表面相較其他條件下關于中面的對稱性高，這可能是由于溫度增大提高了金屬表面的塑韌性，隨著摩擦試驗的進行，缸套表面相對中面對稱性在活塞環(huán)的縱向擠壓下有所提高。

谷區(qū)液體滯留指數(shù)Svi反映缸套表面谷區(qū)儲存潤滑油的能力，Svi值越大，則表面谷區(qū)液體滯留性能越好。從圖7可以看出，溫度為60 ℃時Svi的值最大，說明在此溫度下缸套表面的儲油能力最佳，此時缸套-活塞環(huán)摩擦副之間具有最佳的潤滑性能；90 ℃時Svi值也低于室溫條件下，說明此溫度條件仍然促進了缸套表面儲存潤滑油的能力，此時潤滑油膜的潤滑特性要優(yōu)于室溫條件下，這與摩擦力分析的結果是一致的；而在120 ℃時，Svi的值要低于室溫條件下，說明此時的溫度條件已經(jīng)不再起到促進儲油的效果，反而降低了缸套表面的儲油能力，這也是導致120 ℃時缸套-活塞環(huán)摩擦副的摩擦性能惡化的原因。

3 結論

(1)在相同載荷(100 N)、相同轉(zhuǎn)速(100 r/min)的條件下，隨著溫度的升高，缸套-活塞摩擦力呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，溫度為60與90 ℃時缸套-活塞環(huán)摩擦副表現(xiàn)出了較低的摩擦力，綜合試驗過程中摩擦力的波動幅度，溫度為60 ℃時缸套-活塞環(huán)摩擦副摩擦性能最優(yōu)。

(2)溫度對于缸套-活塞磨損表面形貌參數(shù)有較大的影響，與室溫和90、120 ℃相比，60 ℃時磨損表面形貌參數(shù)均處于較優(yōu)水平。

(3)適當?shù)臏囟拳h(huán)境對于摩擦配副之間的潤滑性能有一定的促進作用，存在合適的溫度，使得缸套-活塞環(huán)的摩擦性能達到最優(yōu)狀態(tài)。過高環(huán)境溫度對摩擦副的運行穩(wěn)定性影響很大，摩擦副間氧化膜破碎不僅可能破壞潤滑油膜的形成，也會影響摩擦副的磨損表面形貌。