內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)-缸套摩擦磨損性能的實(shí)驗(yàn)研究

陳建宏，陳貴清（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州350007）

內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)-缸套摩擦磨損性能的實(shí)驗(yàn)研究

陳建宏，陳貴清
（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州350007）

摘要：利用自行研制的往復(fù)式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)-缸套進(jìn)行了摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，主要測(cè)試載荷、轉(zhuǎn)速以及潤(rùn)滑方式對(duì)摩擦副磨損的影響，應(yīng)用稱重法測(cè)量活塞環(huán)的磨損量，結(jié)果表明：在極限載荷下，活塞環(huán)的磨損量隨著載荷的增大而加??；若轉(zhuǎn)速較低，難以形成潤(rùn)滑油膜，磨損加劇；必須使摩擦副處于一種彈性流體動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài)，才能降低磨損量。

關(guān)鍵詞：活塞環(huán)；缸套；摩擦；磨損

D01：10.19329/j.cnki.1673-2928.2016.04.004

0引言

發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的可靠性、動(dòng)力性以及耐久性等性能受活塞環(huán)-缸套摩擦副的影響很大，其磨損會(huì)導(dǎo)致部分燃油燃燒不充分，使汽車尾氣的污染程度加劇，因此，活塞環(huán)-缸套成為內(nèi)燃機(jī)中極其重要的摩擦副之一，同時(shí)，其摩擦磨損狀況對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)械效率也產(chǎn)生重要影響。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知，內(nèi)燃機(jī)的燃燒能量中有10～20%消耗在機(jī)械損失［1］，如表1所示。

表1　內(nèi)燃機(jī)各摩擦副機(jī)械損失情況表

由表1可以看出，內(nèi)燃機(jī)各摩擦副的機(jī)械損失主要發(fā)生在活塞以及活塞環(huán)與缸套摩擦副之間，它們占據(jù)總機(jī)械損失將近一半以上，發(fā)動(dòng)機(jī)的主要性能指標(biāo)（如工作的可靠性、穩(wěn)定性以及使用壽命等）受其影響最大［2-5］。由于活塞環(huán)屬于易損零件，一般情況下，普遍將活塞環(huán)當(dāng)作發(fā)動(dòng)機(jī)的睛雨表，為了能夠提高內(nèi)燃機(jī)的使用性能參數(shù)以及延長(zhǎng)其使用壽命，必須降低活塞環(huán)-缸套之間的摩擦損耗，因此，有必要開(kāi)展內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)-缸套摩擦副的研究。

1摩擦磨損性能實(shí)驗(yàn)

本文的研究材料為外購(gòu)五十鈴活塞環(huán)-缸套，主要測(cè)試其在不同載荷、轉(zhuǎn)速以及潤(rùn)滑方式下的摩擦磨損性能。

1.1實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備利用自行研制的往復(fù)式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)，圖1是其工作原理示意圖。圖中“S”型傳感器用來(lái)測(cè)量活塞環(huán)的摩擦力。

圖1　試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

為考慮加載力易于測(cè)量、安裝方便以及加工簡(jiǎn)單等因素，采用彈簧加載方式，如圖2所示。

圖2　彈簧加載裝置

1.2性能測(cè)試及評(píng)價(jià)方法

在往復(fù)式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行活塞環(huán)-缸套的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，在相同條件下的摩擦實(shí)驗(yàn)必須按照同一規(guī)范進(jìn)行操作以便確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的統(tǒng)一性和可靠性。利用物理天平，測(cè)量活塞環(huán)磨損前后的質(zhì)量，它們的質(zhì)量之差即為活塞環(huán)磨損量的大小。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1載荷的影響

當(dāng)轉(zhuǎn)速為270r/min并且全油潤(rùn)滑狀態(tài)下進(jìn)行變載荷試驗(yàn)20min，測(cè)得活塞環(huán)磨損量隨載荷的變化曲線如圖3所示。

圖3　活塞環(huán)隨載荷變化的曲線圖

由圖3可以看出，活塞環(huán)的磨損量的變化趨勢(shì)是隨著載荷的升高而逐漸增大，當(dāng)載荷超過(guò)25kg時(shí)，活塞環(huán)的磨損量急劇增大，表明要使活塞環(huán)保持一個(gè)正常的磨損狀態(tài)，必須在極限載荷（25kg）下運(yùn)行，這樣才能發(fā)揮出其最佳性能。

在缸套上下止點(diǎn)之間，活塞環(huán)以0～30 m/s之間的速度不斷作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，速度波動(dòng)變化的范圍較大。在活塞環(huán)-缸套的工作循環(huán)中，需要完成進(jìn)氣、壓縮、做功以及排氣四個(gè)過(guò)程，在這當(dāng)中氣缸內(nèi)的壓力發(fā)生較大的變化，又因?yàn)槭窃诟邷叵逻\(yùn)行，尤其對(duì)于第一道活塞環(huán)，潤(rùn)滑油膜不易形成，活塞環(huán)要實(shí)現(xiàn)完全潤(rùn)滑相對(duì)比較困難，因此一般處于臨界潤(rùn)滑的狀態(tài)。

2.2轉(zhuǎn)速的影響

在全浸油潤(rùn)滑狀態(tài)下磨損20min，選取轉(zhuǎn)速270r/min和360r/min兩種轉(zhuǎn)速進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的磨損量隨載荷的變化曲線如圖4所示。

圖4　活塞環(huán)在不同載荷下的磨損量

從圖4可以看出，內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)的磨損量隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而增加。這是由于提高轉(zhuǎn)速，則發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率增大，熱負(fù)荷也隨之急劇增加，潤(rùn)滑油溫迅速升高，導(dǎo)致潤(rùn)滑油粘度降低，氣缸套內(nèi)表面的潤(rùn)滑油膜厚度變薄，加劇了活塞環(huán)的磨損［5］；另外一個(gè)原因是，隨著轉(zhuǎn)速提高，則活塞環(huán)經(jīng)過(guò)的路程增加，其磨損量相應(yīng)增加。

適應(yīng)繼電保護(hù)雖然在原理上與傳統(tǒng)保護(hù)策略相比并沒(méi)有革命性的變革，但是保護(hù)在整定方式上卻發(fā)生了質(zhì)的變化，得益于現(xiàn)代高速數(shù)據(jù)傳輸處理技術(shù)的進(jìn)步，適應(yīng)繼電保護(hù)能夠根據(jù)所采集到的電網(wǎng)的實(shí)時(shí)信息，對(duì)電網(wǎng)的狀態(tài)做出判斷，從而在線整定繼電保護(hù)裝置的各種參數(shù)，達(dá)到繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)限，靈敏度和保護(hù)范圍各項(xiàng)指標(biāo)的綜合尋優(yōu)。

2.3潤(rùn)滑方式的影響

在270r/min的轉(zhuǎn)速下，載荷為16kg，選取全浸油和乏油潤(rùn)滑狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測(cè)得活塞環(huán)磨損量隨潤(rùn)滑狀態(tài)的變化曲線如圖5所示。

圖5　活塞環(huán)在不同潤(rùn)滑方式下的磨損量

由圖5可知潤(rùn)滑狀態(tài)對(duì)活塞環(huán)的磨損量影響非常大，同種材料在不同潤(rùn)滑方式下，乏油比全油潤(rùn)滑的磨損量要大。對(duì)于跑合階段和穩(wěn)定磨損階段而言，兩者的磨損量差別不是很明顯。當(dāng)處于乏油狀態(tài)時(shí)，穩(wěn)定磨損階段時(shí)間縮短，提前進(jìn)入劇烈磨損階段，影響缸套的正常使用壽命。這是因?yàn)?，?dāng)潤(rùn)滑油充分時(shí)，活塞環(huán)與缸套之間的潤(rùn)滑處于一種彈性流體狀態(tài)，能夠減少微凸體尖峰之間的接觸，此時(shí)通過(guò)油膜來(lái)承受摩擦表面之間的赫茲接觸壓力［5］，因此，活塞環(huán)的磨損量較小。

由磨損機(jī)理可知，內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)-缸套的磨損主要包括正常磨損、磨料磨損、熔著磨損（劃傷，擦傷）和腐蝕磨損等［6］，一般是幾種形式互相影響，同時(shí)存在，而不是某種形式單獨(dú)起作用。按照內(nèi)燃機(jī)活塞環(huán)與缸套之間的磨損部位，可將其劃分為上下端面磨損與滑動(dòng)面磨損。通常情況下，活塞環(huán)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)而引起的撞擊磨損主要表現(xiàn)為上下端面磨損，同時(shí)，由空氣中混進(jìn)的塵埃顆粒以及機(jī)油燃油中的硬性殘?jiān)饕l(fā)生的是磨料磨損［7-8］，而由于熱變形或者環(huán)槽側(cè)隙變小時(shí)，主要是發(fā)生熔著磨損；而磨料磨損與熔著磨損主要發(fā)生在滑動(dòng)面的磨損上，因此，活塞環(huán)的磨損主要是滑動(dòng)面的磨損。

在內(nèi)燃機(jī)缸套上止點(diǎn)位置，潤(rùn)滑油膜難以建立，這是由于該處受到高溫氣體作用，導(dǎo)致容易發(fā)生熔著磨損以及磨料磨損。一般情況下，活塞各道環(huán)滑動(dòng)面的磨損量不相同，第一道氣環(huán)磨損量最大，第二道次之，而油環(huán)的磨損量最小［9］。

3結(jié)論

1）活塞環(huán)的磨損與載荷存在正相關(guān)性，即磨損量隨著載荷的升高而增大。必須在極限載荷（25 kg）下運(yùn)行，才能使活塞環(huán)保持一個(gè)正常的磨損狀態(tài)。

2）活塞環(huán)磨損量受主軸轉(zhuǎn)速影響較大?；钊h(huán)的磨損量隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而增加。如果主軸轉(zhuǎn)速較低，則潤(rùn)滑油膜不易形成，導(dǎo)致磨損加劇。

參考文獻(xiàn)：

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［9］金錫志.機(jī)器磨損及其對(duì)策［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

（責(zé)任編輯：郝安林）

中圖分類號(hào)：U464

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-2928（2016）04-0009-03

收稿日期：2015-10-22

作者簡(jiǎn)介：陳建宏（1959-），男，福建福州人，副教授，主要從事車輛工程方面的研究。

Experimental Investigation on Tribological Performance of Cylinder Liner-Piston Ring Materials

CHEN Jianhong，CHEN Guiqing
（Fujian Chuanzheng Communications College，F(xiàn)uzhou 350007，China）

Abstract:The experiment on friction and wear of diesel engine's cylinder liner-piston ring was performed with friction and wear testing machine made in the laboratory.The impact of load，speed and the way of lubrication on friction pair was tested，and the amount of wear was weight by Weighing method.The result shows that the amount of wear of the piston ring increases with the load increasing in the ultimate load；wearing intensifies for the oil film was difficult to form under of condition of low speed；the amount of wear is reduced if the friction pair was in the state of elastic hydrodynamic lubrication.

Key words:piston ring；cylinder liner；friction；abrasion