柴油機(jī)連桿小頭襯套摩擦磨損試驗(yàn)研究

劉旭康,張利敏,王浩宇,李一帆,李滿,周潤天

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

連桿小頭襯套是柴油機(jī)中連接連桿小頭和活塞銷的關(guān)鍵零件,它不僅交替承受氣缸的燃燒壓力和連桿自身的慣性力,還受到活塞熱負(fù)荷的作用[1-3]。連桿小頭襯套-活塞銷摩擦副的飛濺潤滑方式和擺動(dòng)特點(diǎn)導(dǎo)致潤滑油膜不易建立,極易出現(xiàn)混合潤滑甚至干摩擦情況,而其摩擦磨損性能的優(yōu)劣直接影響柴油機(jī)使用壽命和動(dòng)力特性。

國內(nèi)外研究學(xué)者綜合考慮各種非線性因素對(duì)連桿小頭襯套的潤滑性能的影響,建立了關(guān)于連桿小頭襯套多種形式的計(jì)算模型,指出粗糙度、間隙等因素的影響規(guī)律,并提出結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[4-8]。仿真手段在一定程度上對(duì)連桿小頭襯套摩擦磨損特性的評(píng)價(jià)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論支撐以及優(yōu)化思路,但實(shí)際工程應(yīng)用性較差。通過試驗(yàn)手段研究襯套不同材料、不同結(jié)構(gòu)的性能差異[9-11],存在以試樣級(jí)作為研究對(duì)象、摩擦副運(yùn)動(dòng)狀態(tài)模擬難度較大、各工況因素選取較為簡單等問題,與工程實(shí)際磨損狀態(tài)差異較大。

本研究以某型號(hào)柴油機(jī)實(shí)際裝機(jī)使用的零件為試驗(yàn)對(duì)象,依照局部強(qiáng)化技術(shù)的工程思路,在擺動(dòng)摩擦副摩擦磨損試驗(yàn)臺(tái)上,模擬柴油機(jī)工作中連桿小頭襯套繞活塞銷擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)形式和承載狀況,開展擠壓工藝、旋壓工藝和進(jìn)口產(chǎn)品工藝3種制備工藝的連桿小頭襯套摩擦磨損試驗(yàn),對(duì)比不同襯套與活塞銷匹配性能差異,力求為提高連桿小頭襯套的可靠性提供參考依據(jù)。

1 摩擦磨損試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

圖1a和圖1b分別示出試驗(yàn)裝置原理和襯套-活塞銷安裝實(shí)物圖。試驗(yàn)裝置由控制系統(tǒng)、加載系統(tǒng)、測試系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)所用的連桿小頭襯套和活塞銷均滿足某型號(hào)柴油機(jī)裝機(jī)的使用要求,其中活塞銷兩端開有V型槽用于安裝定位。軸承試樣和軸承蓋上分別開有直徑為5 mm的油孔,提供牌號(hào)為RP-4652D的裝甲車輛潤滑油。K1熱電偶用于監(jiān)測襯套承載中心溫度,K2熱電偶用于監(jiān)測襯套承載外側(cè)溫度,與K2安裝孔相隔90°的位置處安裝K3熱電偶,用于監(jiān)測襯套非承載區(qū)域溫度。

圖1 擺動(dòng)摩擦副摩擦磨損試驗(yàn)臺(tái)

1.2 試驗(yàn)對(duì)象及方案

試驗(yàn)對(duì)象如表1所示,以進(jìn)口襯套作為對(duì)比件開展試驗(yàn)。試驗(yàn)方案如表2所示。表2中循環(huán)載荷是指施加載荷按照擺動(dòng)頻率周期性變化;飛濺潤滑是指潤滑油通過循環(huán)過濾系統(tǒng)噴淋到摩擦副接觸區(qū);終止條件是指試驗(yàn)過程中摩擦扭矩超過200 N·m或者摩擦溫度超過220 ℃,則立即停止試驗(yàn),如未超限則持續(xù)考核120 min。

表1 試驗(yàn)對(duì)象

表2 試驗(yàn)方案

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

針對(duì)3種工藝襯套,每種襯套均進(jìn)行3次摩擦磨損性能的對(duì)比試驗(yàn),經(jīng)過前期的試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)結(jié)果一致性良好,本研究選取其中一次試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

2.1 摩擦扭矩

圖2示出試驗(yàn)過程中3種工藝襯套摩擦扭矩的變化情況。由圖2b可以看出,旋壓工藝襯套和進(jìn)口工藝襯套磨合階段的驅(qū)動(dòng)扭矩與初始值基本一致,分別約52 N·m和49 N·m,而擠壓襯套磨合階段呈現(xiàn)“下降—平穩(wěn)”的趨勢,扭矩相對(duì)較小。整體來看,3種工藝襯套表面粗糙度基本一致,磨合階段襯套表面的微凸體被快速磨平,摩擦副處于良好的潤滑狀態(tài)。改變工況,進(jìn)入磨損考核階段,由于載荷的增加,摩擦扭矩瞬間變大,擠壓工藝襯套摩擦扭矩基本穩(wěn)定在150 N·m,且整個(gè)過程都比較穩(wěn)定。進(jìn)口工藝襯套考核前1 h,摩擦扭矩基本穩(wěn)定在120 N·m,之后逐漸變大,最后超過擠壓工藝襯套。旋壓工藝襯套的摩擦扭矩在考核前期一直增加,在考核后期陡增、陡降,且幅度較大,在考核100 min時(shí)觸發(fā)試驗(yàn)終止條件,摩擦扭矩曲線波動(dòng)明顯,反映出潤滑效果差,難以形成穩(wěn)定的油膜。

圖2 3種工藝襯套摩擦扭矩的變化情況

2.2 摩擦溫度

圖3示出試驗(yàn)過程中3種工藝襯套摩擦溫度的變化情況。由圖3b可以看出,3種工藝襯套磨合階段的摩擦溫度呈現(xiàn)略微升高的趨勢,這是摩擦熱在摩擦界面不斷累積的結(jié)果,同一位置溫度差異主要是配副類型和基礎(chǔ)油溫不同造成的。進(jìn)入考核階段后,3種工藝襯套的摩擦溫度均上升,在同一監(jiān)測點(diǎn)下,擠壓工藝襯套和進(jìn)口工藝襯套摩擦溫度基本相當(dāng),均表現(xiàn)為緩慢上升的趨勢,而旋壓工藝襯套的摩擦溫度明顯高于另外2種工藝襯套,且存在波動(dòng)。這與摩擦扭矩變化情況一致,較高的摩擦扭矩有利于摩擦力做功,進(jìn)而轉(zhuǎn)化為更多的摩擦熱量,同時(shí)由于摩擦熱在摩擦界面的不斷積累,使得襯套材料表現(xiàn)出黏彈性程度增大;且隨著溫度的不斷升高,襯套表層材料發(fā)生軟化和塑性變形,抵抗剪切變形的能力降低,從而影響摩擦扭矩,摩擦溫度和摩擦扭矩相互影響,存在一定的相關(guān)性[12]。另外不同測點(diǎn)均表現(xiàn)出承載中心溫度最高,直接反映出軸承摩擦生熱的分布差異。襯套材料的強(qiáng)度和腐蝕性能都與使用溫度有很大的關(guān)系,若使用溫度較高,無論是否在正常的潤滑狀態(tài)下,軸承的性能都會(huì)降低,這就要求產(chǎn)品選擇時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注其摩擦溫度。摩擦溫度一定程度上能夠反映連桿小頭襯套工作變化情況,有利于預(yù)測運(yùn)行故障,尤其對(duì)襯套燒傷的診斷比較可靠。

圖3 3種工藝襯套摩擦溫度的變化情況

2.3 宏觀/微觀形貌

圖4示出試驗(yàn)結(jié)束后襯套和活塞銷的宏觀形貌。從圖4可以看出,3種工藝襯套非磨損區(qū)域表面的機(jī)械加工痕跡被磨平,形成比較光滑的表面,而磨損區(qū)域表面存在與滑動(dòng)方向一致的磨痕;進(jìn)口工藝襯套表面存在細(xì)微劃痕,擠壓工藝襯套表面存在少量劃痕,而旋壓工藝襯套表面劃痕最為明顯,且存在高溫變色現(xiàn)象,活塞銷摩擦區(qū)域被與之匹配襯套轉(zhuǎn)移來的銅屑附著。

圖4 試驗(yàn)后試樣的宏觀形貌

圖5示出3種工藝襯套摩擦區(qū)域的SEM圖。由圖5可見,旋壓工藝襯套表面存在較多犁溝和鱗狀剝落坑,擠壓工藝襯套表面犁溝和鱗狀剝落坑較少,而進(jìn)口工藝襯套形貌保持良好,與宏觀形貌觀測的磨痕現(xiàn)象一致,這是磨粒磨損機(jī)制產(chǎn)生的結(jié)果。襯套表面剝落的銅屑嵌入兩摩擦面之間形成硬質(zhì)磨粒,引起類似于銼刀銼東西的磨損行為;同時(shí)存在鱗狀剝落坑,結(jié)合局部銅屑熔融附著現(xiàn)象,說明摩擦副之間發(fā)生了黏著磨損。黏著磨損是襯套與活塞銷金屬表面局部發(fā)生直接接觸,兩者之間潤滑油膜破裂造成局部高溫,使其熔融黏著、脫落[13-14],逐步擴(kuò)大發(fā)生的一種表面損傷行為。因此,該摩擦副磨損過程是以黏著磨損為主,同時(shí)伴隨著磨粒磨損的混合磨損類型。

圖5 3種襯套摩擦區(qū)域的SEM圖

2.4 磨損量

借助輪廓儀測量襯套的輪廓半徑,測量區(qū)域包含襯套表面未磨損區(qū)域(開始段和結(jié)束段)和磨損區(qū)域。以襯套輪廓最大深度圓半徑R與結(jié)束段未磨損區(qū)域的基準(zhǔn)圓半徑R0的徑向差值ΔR衡量襯套的磨損量。圖6示出輪廓測量儀所測輪廓放大500倍的結(jié)果,圖7示出不同襯套表面輪廓測量的差值結(jié)果。從圖7可以看出,旋壓工藝襯套中心位置最大深度圓半徑與基準(zhǔn)圓差值最大,擠壓工藝襯套次之,進(jìn)口工藝襯套最小,但后兩者相差不大。

圖6 輪廓測量儀測量示意

圖7 襯套輪廓測量差值

2.5 制備工藝剖析

進(jìn)口襯套在前期的裝機(jī)考核過程中表現(xiàn)出良好的摩擦磨損性能和使用穩(wěn)定性,但其具體制備工藝和特殊加工細(xì)節(jié)對(duì)國內(nèi)嚴(yán)格封鎖。旋壓工藝技術(shù)在國內(nèi)相對(duì)成熟[15],它是一種無切削的等體積塑性成形制備工藝,但由于其多而復(fù)雜的加工過程,再加上各參數(shù)之間的影響,很容易產(chǎn)生裂紋、鼓包等缺陷,從而影響產(chǎn)品質(zhì)量。強(qiáng)力旋壓本質(zhì)上是對(duì)材料加工硬化而強(qiáng)行提高材料的力學(xué)性能,使得經(jīng)過旋壓后的襯套處于亞穩(wěn)狀態(tài),在高溫甚至中低溫環(huán)境下長期服役,極易出現(xiàn)變形、軟化的現(xiàn)象,最終影響柴油機(jī)的正常運(yùn)行。而擠壓工藝技術(shù)是被加熱的坯料在具有一定溫度的模具內(nèi)在擠壓力的作用下擠壓成形,坯料與模具之間的熱傳遞小,使得坯料具有良好的塑性和流動(dòng)性,后經(jīng)過機(jī)加、磨外圓等工序制備出合格的襯套產(chǎn)品。在此過程中,采用以溫?cái)D—冷拔—機(jī)加等工藝過程為主的近凈成形技術(shù),不斷細(xì)化晶粒,使得產(chǎn)品表現(xiàn)出良好的摩擦磨損性能。

利用奧林巴斯顯微鏡對(duì)腐蝕后的樣品進(jìn)行顯微組織觀察,獲得其金相照片,如圖8所示。

圖8 3種工藝襯套組織金相圖

旋壓工藝襯套經(jīng)過機(jī)加工藝,其晶內(nèi)出現(xiàn)大量滑移帶,且晶粒沿加工方向有輕微拉長跡象,其平均晶粒直徑為47 μm。擠壓工藝襯套高倍照片顯示合金是由兩種相組成,襯度較亮的相為α固溶體,晶粒內(nèi)部形成了明顯的孿晶片層,黑色相為γ-(CuNi)3Sn相,其平均晶粒直徑為29 μm。進(jìn)口工藝襯套微觀組織相對(duì)均勻和細(xì)小,其平均晶粒直徑為21 μm,晶粒內(nèi)部可見到明顯的孿晶片層,結(jié)晶晶粒完整,呈α單相組織,其間嵌有少量含鉛顆粒。晶粒細(xì)化可以提高材料的強(qiáng)度性能,也會(huì)提高材料的韌性和塑性,相應(yīng)地提升耐磨性。

3 結(jié)論

a) 從摩擦扭矩、摩擦溫度、宏觀/微觀形貌和磨損量4個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比,相同工況下擠壓工藝襯套摩擦磨損性能均優(yōu)于旋壓工藝襯套,表現(xiàn)出對(duì)標(biāo)進(jìn)口工藝襯套的能力;

b) 結(jié)合制備工藝剖析和試驗(yàn)結(jié)果,說明擠壓制備工藝成形的零件整體晶粒均勻性良好,該工藝對(duì)提高連桿襯套的生產(chǎn)質(zhì)量具有重要的意義。