活塞環(huán)——缸套摩擦磨損研究

吳立來

（南京飛燕活塞環(huán)股份有限公司）

1 概述

內(nèi)燃機機械摩擦功耗占燃油消耗17%，其中活塞環(huán)與缸套組件占總?cè)加拖牡?%。同時活塞環(huán)與缸套的摩擦學(xué)特性直接影響著內(nèi)燃機的動力性能、排放性能和使用壽命，行業(yè)內(nèi)視活塞環(huán)與缸套為內(nèi)燃機第一摩擦副，活塞環(huán)與缸套公認為內(nèi)燃機心臟部位的關(guān)鍵零部件。活塞環(huán)與缸套摩擦副的摩擦系數(shù)直接影響摩擦功耗，磨損系數(shù)又直接影響著使用壽命。

內(nèi)燃機四個工作行程中，活塞環(huán)受力及其復(fù)雜，有氣體壓力、慣性力、活塞槽作用力、缸套摩擦力等。受力的活塞環(huán)做三維運動，運動狀態(tài)急劇變化，分別與缸套、活塞在軸向和徑向產(chǎn)生相對變速度運動，其中活塞環(huán)與缸套間的軸向運動速度最大、加速度最大、摩擦力最大、磨損最大。在活塞上止點處，由于高溫、高壓、變向、遠離潤滑油等因素，活塞環(huán)與缸套存在貧油潤滑，此處摩擦磨損最為苛刻。

選取3對活塞環(huán)與缸套配對，做貧油狀態(tài)摩擦磨損試驗，測出拉缸前平均摩擦系數(shù)0．1349，物理氣相沉積的活塞環(huán)平均磨損系數(shù)0．8375×10－6mm3／min，未經(jīng)表面耐磨處理的鑄鐵缸套平均磨損系數(shù)2．735×10－3mm3／N．m。選取1對未經(jīng)表面處理的鑄鐵活塞環(huán)和鑄鐵缸套配對，在富油狀態(tài)做摩擦磨損試驗，測出平均摩擦系數(shù)0．15，活塞環(huán)平均磨損系數(shù)0．722×10－11mm3／min，缸套平均磨損系數(shù)1．179×10－8mm3／N．m。得出結(jié)論：貧油狀態(tài) （拉缸前）摩擦系數(shù)與富油狀態(tài)相當(dāng)，貧油狀態(tài) （拉缸前）磨損系數(shù)是富油狀態(tài)的105倍，揭示出潤滑狀態(tài)是影響摩擦副磨損的關(guān)鍵因素，這為產(chǎn)品設(shè)計和故障分析提供了數(shù)據(jù)支持。

2 貧油狀態(tài)試驗過程

2．1 試驗裝置

試驗活塞環(huán)定位夾具圖1，設(shè)備UMT－2MT多功能磨損試驗機圖2，試驗運動平面往復(fù)式圖3。

圖1 活塞環(huán)定位夾具

圖2 多功能磨損試驗機

圖3 試驗原理圖

2．2 試驗樣品

鋼質(zhì)活塞環(huán)經(jīng)滲氮、外圓面PVD鍍CrN處理。缸套共三種，編號分別為1＃、2＃和3＃，材料均為灰鑄鐵。試樣樣品從活塞環(huán)與缸套上直接截取，保證樣品接觸面為配副實際工作面，活塞環(huán)樣品、缸套樣品見圖4、圖5。

圖4 活塞環(huán)樣品

圖5 缸套樣品

2．3 貧油狀態(tài)試驗規(guī)范

活塞環(huán)－缸套磨損試驗規(guī)范見表1，潤滑油牌號為CI－15W－40，跑合前在上、下試樣之間一次性加油0．15ml。為確保結(jié)果的可靠性，相同條

件下的試驗按同一規(guī)范重復(fù)三次。

表1 磨損試驗規(guī)范

2．4 試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果

2．4．1 摩擦系數(shù)：三組配副的摩擦系數(shù)測試結(jié)果見表2、圖6。

表2 摩擦系數(shù)

圖6 貧油狀態(tài)摩擦系數(shù)曲線

2．4．2 磨損系數(shù)：缸套、活塞環(huán)的磨損系數(shù)分別見表3、表4，磨損系數(shù)比對結(jié)果見圖7。

表3 缸套磨損系數(shù)

表4 活塞環(huán)磨損系數(shù)

圖7 活塞環(huán)－缸套磨損系數(shù)對比圖

配副的磨損系數(shù)與摩擦系數(shù)并無對應(yīng)關(guān)系。

2．4．3 磨損形貌與磨損機理

2．4．3．1 三維磨損形貌：缸套三維磨損形貌見圖

8，缸套三維磨損形貌的差異與磨損系數(shù)分析結(jié)果一致。

圖8 缸套三維磨損形貌

2．4．3．2 磨損機理：三組配副的磨損機理見表5，掃描電鏡照片 （微觀形貌）見圖9。

表5 磨損機理

圖9 缸套－活塞環(huán)SEM磨損形貌

缸套磨損后表面珩磨形貌基本消失，磨損表面有明顯的犁溝狀磨痕，1＃缸套與3＃缸套磨損表面還可發(fā)現(xiàn)部分材料剝落及微裂紋擴展，磨損機理主要表現(xiàn)為磨粒磨損加疲勞磨損。與缸套配副的活塞環(huán)磨損機理主要為磨粒磨損。

3 富油狀態(tài)試驗過程

試驗活塞環(huán)定位夾具、試驗設(shè)備、試驗運動、試驗缸套樣品同貧油狀態(tài)，試驗活塞環(huán)樣品為鑄鐵磷化活塞環(huán)。

3．1 富油狀態(tài)試驗規(guī)范充分潤滑為試驗過程中始終持續(xù)供油，供油速度一致。保證活塞環(huán)對缸套施加的載荷500N、活塞環(huán)運動頻率40Hz、活塞環(huán)運動行程2．5mm、缸套溫度100℃，潤滑油供油速度為1ml／min、潤滑油溫度為100℃。

3．2 試驗數(shù)據(jù)與結(jié)果

3．2．1 摩擦系數(shù)：摩擦系數(shù)緩慢變小趨于穩(wěn)定在0．15，見圖10。

圖10 富油狀態(tài)活塞環(huán)缸套摩擦系數(shù)曲線

3．2．3 磨損系數(shù)：缸套、活塞環(huán)的磨損系數(shù)分別見表6、表7，取缸套磨損區(qū)域3個截面測量，見圖11，磨損系數(shù)對比見圖12。

表6 缸套磨損系數(shù)

表7 活塞環(huán)磨損系數(shù)

圖11 富油狀態(tài)缸套磨損截面圖

圖12 富油狀態(tài)活塞環(huán)－缸套磨損系數(shù)對比圖

4 結(jié)論

4．1 貧油狀態(tài)活塞環(huán)與缸套磨損主要有磨粒磨損和疲勞磨損，富油狀態(tài)活塞環(huán)與缸套磨損主要是磨粒磨損。

4．2 貧油狀態(tài) （拉缸前）與富油狀態(tài)，活塞環(huán)與缸套摩擦副的摩擦系數(shù)相當(dāng)，約為0．15。

4．3 貧油狀態(tài)活塞環(huán)與缸套摩擦副的磨損系數(shù)是富油狀態(tài)的105倍。