潤滑劑改善柴油機缸蓋與螺栓結合面接觸性能的研究

劉志剛， 冀樹德， 張興剛， 張 科， 賈 偉，齊國棟， 高 巍， 毛玉欣， 陳卓群

（中國北方發(fā)動機研究所（天津）， 天津 300400）

0 引言

螺栓緊固是柴油機缸蓋與機體連接的主要方式，但研制過程中由于方案、結構、材料等的驗證，需要重復試驗并根據(jù)情況在試驗結束后拆裝發(fā)動機，多次拆裝后發(fā)現(xiàn)，缸蓋與螺栓結合面有明顯的劃痕損傷，已經嚴重影響到裝配質量和配合效果。針對此問題，本研究選用三種不同的潤滑劑，采用相同擰緊工藝進行了缸蓋與螺栓結合面損傷分析和評價，從而合理選用結合面潤滑劑，以減少重復拆裝次數(shù)引起的結合面劃傷問題，同時為后續(xù)裝配方法改進提出指導意見。

1 測試對象特征分析

測試對象為V 型6 缸增壓中冷柴油機，V 形夾角90°、四沖程、共軌噴射系統(tǒng)、干式油底殼。

柴油機左、右兩排分別分布3 個獨立的缸蓋，缸蓋與氣缸密封構成燃燒室，缸蓋裝有進、排氣門座，氣門導筒孔、噴油器孔[1-2]。缸蓋內部設有冷卻水套，下端面與缸體構成冷卻水腔。缸蓋與機體之間采用長螺栓緊固連接，在每一氣缸四個角的位置布置一條螺栓，見圖1。

圖1 缸蓋表面布置螺栓孔

缸蓋采用合金鑄鐵材料，機體與缸蓋的緊固連接采用六角鋼制高強度螺栓。

2 缸蓋螺栓安裝工藝及測試方法

2.1 柴油機缸蓋螺栓安裝工藝

柴油機缸蓋螺栓的安裝按1—3—4—2 的順序安裝，安裝的時候先對各個螺栓預壓80 N·m 的擰緊力，在此基礎上分三個步驟進行，見圖2。第一次按照安裝順序將各個螺栓旋轉過相同的角度60°，第二次同樣按照安裝順序將螺栓旋轉過相同的角度60°。完成上述兩步后，再次將螺栓按照安裝順序旋轉過相同的角度30°。

圖2 缸蓋螺栓安裝方法

按照上述安裝方法，依次將柴油機V 形夾角兩側的缸蓋順序安裝，最終實現(xiàn)柴油機缸蓋的安裝。

2.2 接觸面性能測試方法

選取三種潤滑劑，以單個缸蓋為單位，分別在6個缸使用不同的潤滑劑，見表1，然后按照缸蓋螺栓安裝工藝進行安裝[3]。

表1 潤滑劑使用情況

在缸蓋螺栓安裝過程，預壓位置開始每一角度旋轉工序實施時測量擰緊力矩。按照表1 潤滑劑使用位置及缸蓋螺栓安裝工藝重復進行10 次后，檢查缸蓋與螺栓結合面的情況。

3 潤滑劑性能特征分析

三種潤滑劑的主要性能特征見表2。由表2 可知，道康寧G-N plus paste 潤滑劑的密度最大，樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑的針入度、運動黏度、耐溫范圍都比較大，而RP-4652D 潤滑油在各方面的性能都是最低的。三種潤滑劑基于耐溫、耐磨、潤滑等的需求，加入了不同的成分，道康寧G-N plus paste 添加了二硫化鉬，樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑添加了銅和石墨，而RP-4652D 潤滑油添加了改善性能的添加劑[4]。

表2 潤滑劑主要特征性能

二硫化鉬和石墨以固體微粒的形態(tài)存在于潤滑劑中，使用時采用將潤滑劑黏著在摩擦表面，形成固體潤滑膜。摩擦時，材料表面形成轉移膜，摩擦主要發(fā)生在潤滑劑內部，從而減少摩擦。對添加劑類的成分，主要是溶于潤滑劑中，從而使用潤滑劑在某些方面的性能得到強化[5]。

為了進一步比較三種潤滑劑的性能特征，采用MOAII 光譜分析儀對其進行光譜分析，分析結果見表3。由表3 可知，三種潤滑劑的主要元素以鈣、鋅、磷為主，整體來看元素分布差異主要集中在銅元素，樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑的銅含量遠高于其他兩種潤滑劑。此外，樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑其他元素的含量也是相對較高的，道康寧G-N plus paste 與RP-4652D 潤滑油在各個方面是基本相當?shù)摹?/p>

表3 潤滑劑光譜分析結果

4 缸蓋螺栓安裝測試分析

4.1 不同潤滑劑擰緊力矩分析

在三次不同角度旋轉工序操作，每一步每個螺栓記錄的結果見表4。為了減少潤滑劑涂抹厚度不一致或人為操作差異引入的不確定因素，選取測試結果較為均勻的力矩值，以缸為單位計算平均值進行比較。

表4 每個螺栓旋轉工序的擰緊力矩

樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑、道康寧G-N plus paste 和RP-4652D 潤滑油簡記為C5-A、G-N 和4652D。采用標準偏差進行均勻度分析，在第一次60°操作中，相同潤滑劑組選取一組，選取對象為左2、右2、左1，計算平均值，比較結果見圖3；在第二次60°操作中，相同潤滑劑組同樣選取一組，選取對象為左2、左3、左1，計算平均值，比較結果見圖4；在最后30°操作中，相同潤滑劑組仍然選取一組，選取對象仍為左2、左3、左1，計算平均值，比較結果見圖5。

圖3 第一次60°工序下不同潤滑劑擰緊力矩比較

圖4 第二次60°工序下不同潤滑劑擰緊力矩比較

圖5 最后30°工序下不同潤滑劑擰緊力矩比較

從三次擰緊效果來看，第一次旋轉角度工序每單位角度施加的力矩最大，第二次和第三次基本相同。相比，樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑每次旋轉工序操作施加的擰緊力矩都比較大，道康寧G-N plus paste 和RP-4652D 潤滑油從整體來看，每次旋轉角度工序操作施加的力矩基本是一致的。在所有工序操作完成后，三種潤滑劑對應缸蓋螺栓的擰緊力矩都超過了300 N·m，道康寧G-N plus paste 整體擰緊力矩最小，樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑和RP-4652D 潤滑油最終施加的擰緊力矩差不多，樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑稍大[6]。

更換其他類似機體和缸蓋，分別三步旋轉和一步旋轉操作進行缸蓋螺栓擰緊操作，比較缸蓋螺栓施加的擰緊力矩，結果見圖6。由圖6 可知，一步旋轉操作施加的擰緊力矩整體大于三步旋轉操作施加的擰緊力矩，但二者的差別不是很大。

圖6 不同工藝步驟擰緊力矩比較

基于上述分析，不同潤滑劑使用下，缸蓋螺栓擰緊力矩的差異性主要來自于潤滑劑本身。

4.2 結合面特征分析

按照安裝工藝多次完成缸蓋螺栓安裝后，檢查缸蓋與螺栓結合面的情況，結果見圖7 和圖8。

圖7 4652D 和C5-A潤滑劑擰緊使用后比較

圖8 C5-A 和G-N 潤滑劑擰緊使用后比較

根據(jù)圖7 和圖8 可知，涂抹樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑的結合面，潤滑劑被明顯擠出，形成光亮的環(huán)形帶，部分結合部位潤滑劑幾乎消失，潤滑作用減弱。相比之下，道康寧G-N plus paste 和RP-4652D 潤滑油在結合部位仍有留存，盡管呈現(xiàn)摩擦黑色，但仍能起到一定的潤滑作用。

為了進一步檢查結合面的損傷情況，擦拭結合面的潤滑劑，觀察擰緊操作后形成的劃痕，其結果見圖9、圖10 和圖11。

圖9 C5-A 潤滑劑使用后結合面特征

圖10 G-N 潤滑劑使用后結合面特征

圖11 4652D 潤滑劑使用后結合面特征

根據(jù)圖9—圖11，涂抹樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑的結合面出現(xiàn)明顯坑狀損傷，涂抹RP-4652D 潤滑油的結合面出現(xiàn)少許劃痕，而涂抹道康寧G-N plus paste 基本完好無損。結合三種潤滑劑的特征性能，運動黏度和主要成分對摩擦性能有較大的影響，二硫化鉬和石墨對結合面有很好的潤滑效果，但是樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑運動黏度很大，擰緊過程潤滑劑不能保留在結合面，以致螺栓與缸蓋幾乎干摩擦。相比之下，道康寧G-N plus paste潤滑劑中二硫化鉬起到了很好的潤滑作用。

5 結論

三種潤滑油用于缸蓋與螺栓結合面的潤滑，潤滑效果依次為道康寧G-N plus paste、RP-4652D 潤滑油、樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑，樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑運動黏度較大、附著性差，在螺栓擰緊實施操作過程中不能很好地附著在結合面，以致螺栓與缸蓋之前幾乎干摩擦，潤滑效果最差。道康寧G-N plus paste 和RP-4652D 潤滑油都能起到減磨作用，但道康寧G-N plus paste 添加了二硫化鉬減磨材料，對結合面減少摩擦有更好的作用。