柴油機活塞環(huán)_缸套摩擦副匹配性能的試驗_圖文

1、產(chǎn)品性能研究柴油機活塞環(huán)/缸套摩擦副匹配性能的試驗丁業(yè)武(山東恒圓活塞環(huán)有限公司謝宗法(山東大學機械工程學院摘要根據(jù)柴油機缸套、活塞環(huán)快速模擬磨損的試驗結果,討論了首環(huán)鍍鉻對缸套耐磨性的影響,探討了新材質(zhì)活塞環(huán)取代油環(huán)鍍鉻的可行性,分析了活塞環(huán)失效的原因。通過試驗證明,改進設計后的新材質(zhì)活塞環(huán)組,耐磨性能和可靠性能明顯提高,這對降低柴油機的機油耗,提高活塞環(huán)使用壽命有重要影響。關鍵詞柴油機活塞環(huán)匹配A Matching T est Study for Cylinder Piston Rings Pair of Diesel EngineDIN G Y e-wu1XIE Z ong-fa2(1.

2、Shan Dong Heng Yuan PistonRing C.,Ltd;2.School of Mechanical engineering,Shandong University,Jinan250061ChinaAbstract:Through the results of accelerated simulation wear for95Diesel Engine System,the ef2 fects of chromium2plated1st ring is described,the practicability of non2chromium2plated oil contr

3、ol ring made by new material is discussed,the mechanism of failure of rings is analyzed.The tested re2 sults show that the wear2resisting property and the reliability of the piston rings made by new material is improvised significantly.This will be important to reduce the oil composition and increas

4、e the life of rings.K ey w ords:Diesel enginePiston ringsMatching1前言在內(nèi)燃機缸套/活塞環(huán)、曲軸/軸瓦、凸輪軸/挺柱、氣門/氣門座、柱塞偶件等主要配對摩擦副中,缸套/活塞環(huán)配對副的工作條件最差,磨損也最嚴重,直接影響內(nèi)燃機的使用壽命。由于內(nèi)燃機的工作狀況、使用條件不同,導致其磨損形式的差異。如工作環(huán)境比較惡劣的農(nóng)用柴油機、車用柴油機是以磨粒磨損為主。大型船用柴油機是以熔著磨損和腐蝕磨損為主。大負荷的中、高增壓柴油機是以熔著磨損為主。為此,多年從事缸套、活塞組摩擦副匹配研究的內(nèi)燃機工作者從材質(zhì)和表面處理等方面入手做了大量的工作,試

5、圖解決缸套/活塞環(huán)配副壽命低的問題。為提高缸套、活塞環(huán)的抗磨性能,出現(xiàn)了許多材質(zhì)和表面處理的缸套和活塞環(huán)。為迅速而方便地研究該對配副的磨損,用以模擬柴油機缸套、活塞環(huán)磨損的快速模擬試驗也應運而生1。其中熱機快速模擬試驗,抓住了柴油機磨料磨損的主要矛盾,能迅速而準確地模擬柴油機的實際磨損情況2,3。本文從柴油機缸套、活塞環(huán)的磨損機理入手,以柴油機缸套、活塞環(huán)的熱機快磨試驗數(shù)據(jù)為依據(jù),結合柴油機的實機磨損情況,論述柴油機缸套/活塞環(huán)新配副的良好匹配關系。2影響磨損的主要因素及快磨試驗方法2.1影響缸套、活塞環(huán)磨損的主要因素摩擦元件的磨損量與摩擦元件的滑動距離之比稱為磨損度。影響磨損度的主要因素有:

6、2.1.1摩擦面上的法向載荷摩擦面上的法向載荷越大磨損度也越大,未磨合表面的磨損度與法向壓力呈非線性關系。磨合表面的磨損度與載荷成正比。柴油機第一道活塞環(huán)直接承受燃燒氣體的高壓作用,其最高壓力高達6 7MPa,出現(xiàn)在活塞上止點后10度曲軸轉(zhuǎn)角左右。此時,活塞環(huán)與缸套摩擦面出現(xiàn)最大載荷。第二道活塞環(huán)所承受的最高氣壓力比首環(huán)小的多,且最大壓力出現(xiàn)在止點后40度曲軸轉(zhuǎn)角之后,如圖1所示。油環(huán)僅靠自身的彈力與氣缸套形成摩擦其壓力大約在1.01.2MPa左右。 1.首環(huán)背壓2.二環(huán)背壓圖1第一、二道活塞承受的氣體背壓2.1.2潤滑條件潤滑條件對缸套、活塞環(huán)的磨損有重要的影響。缸套和活塞環(huán)之間的油膜,能阻

7、擋摩擦金屬的直接接觸,減少磨損,并能將摩擦表面產(chǎn)生的熱量迅速帶走,以防止金屬表面的粘結。圖2示出首環(huán)形成的油膜厚度分布圖4,可以看出第一道活塞環(huán)在上止點前后的油膜厚度最小,這將導致活塞環(huán)和缸套在上止點前后出現(xiàn)最大的磨損 。圖2首環(huán)與缸套間的油膜厚度分布2.1.3溫度和速度滑動速度決定材料變形的速率,因而影響材料的磨損。金屬材料隨著溫度的上升,其強度、硬度降低,因而也影響材料的磨損。柴油機每道環(huán)的滑動速度完全相同,但缸套上部由于受高溫高壓氣體的作用,其溫度較高。2.1.4配對材料及其表面特征配對材料的彈性模量、摩擦系數(shù)、摩擦疲勞強度特性、表面粗糙度和波度等參數(shù)對磨損有重要的影響。同一種材料,其配

8、對材料不同,其磨損將有很大的差異5。2.2快速磨損模擬試驗為迅速而方便地考核柴油機缸套、活塞環(huán)的耐磨性能,根據(jù)有關資料2,3,在495柴油機上進行了缸套、活塞環(huán)臺架快速磨損模擬試驗,試驗工況為48馬力,2000r/min 。通過自制加磨料器連續(xù)、均勻地經(jīng)進氣道向氣缸內(nèi)加磨料,磨料的加入量為0.20g/缸小時,共運行6小時。由于該試驗是在柴油機實機上進行的,影響缸套、活塞環(huán)磨損的因素同柴油機的實際情況完全相同,僅是空氣中的磨料較多。而農(nóng)用柴油機和車用柴油機主要是以磨料磨損為主,這種快速磨損模擬試驗基本上體現(xiàn)了柴油機的實機磨損情況。3缸套、活塞環(huán)的匹配性為考核缸套、活塞環(huán)的耐磨性,以及缸套、活塞環(huán)

9、配對副之間的匹配性能,進行了多方案的快磨試驗?，F(xiàn)將具有規(guī)律性的幾個問題說明如下:3.1首環(huán)鍍鉻與缸套的耐磨性根據(jù)2.1節(jié)的分析,由于首環(huán)在上止點附近對缸套的法向載荷大、油膜厚度小和溫度較高等原因,首環(huán)上止點或鄰近的下端處氣缸的磨損將達到最大值。圖3示出實機運行時缸套的磨損結果6,圖4示出熱機快磨試驗缸套的試驗結果。圖3、圖4中各缸的缸套、活塞環(huán)的材質(zhì)是完全相同的,僅是圖3中二、四缸和圖4中二缸首環(huán)采用鍍鉻,而其余幾缸首環(huán)不鍍鉻,圖3、圖4可以看出首環(huán)鍍鉻明顯的降低了氣缸套上止點附近的磨損。在幾次熱機快機快速模擬磨損試驗中,采用幾種不鍍鉻新材質(zhì)首環(huán)配對幾種不同材料的氣缸套,氣缸套在首環(huán)上止點附近

10、處均出現(xiàn)較大的磨損,參見表1,其磨損值是相應鍍鉻環(huán)的二倍以上 。圖3實機運行680小時缸套的磨損圖4熱機快磨試驗缸套的磨損表1缸套在首環(huán)上止點的磨損值(mm 試驗序號1234磨損值首環(huán)鍍鉻首環(huán)不鍍鉻0.0400.1030.0350.1000.0540.1340.0450.105首環(huán)不鍍鉻時,缸套在首環(huán)上止點附近形成較大的磨損,這是由于合金鑄鐵材料的特性及首環(huán)在上止點附近的工作條件所決定的。一般說來,現(xiàn)在廣泛采用的合金鑄鐵活塞環(huán)、或合金鑄鐵氣缸套,為提高其耐磨性,金相組織大都是在硬度較低的珠光體(HV200-400基體上鑲嵌著硬度較高的硬質(zhì)點(Nb (C ,N 、釩鈦碳化物或硬骨架(磷共晶、特殊

11、斯氏體等。在磨損過程中,這些硬度較高(如表2所示的硬質(zhì)相逐漸顯露出來,構成耐磨性較好的第一滑動面,而硬度較低的基體則相應地構成了能貯存潤滑油的第二滑動面(如圖5所示。當未鍍鉻首環(huán)在爆發(fā)沖程的上止點附近時,由于油膜厚度較小,氣體壓力較高,從而形成合金鑄鐵活塞環(huán)上凸出的硬質(zhì)點壓入缸套較軟的基體并形成對缸套基體的切削磨損。同理缸套上的硬質(zhì)點對活塞環(huán)基體也形成相 圖5合金鑄鐵耐磨機理示意圖同的切削磨損。當配對副之間的硬質(zhì)相相互接觸時,則形成鋸齒狀的磨損,甚至造成部分較硬的質(zhì)點脫離基體,而形成磨料,進一步加速了缸套、活塞在上止點附近的磨損。因此,缸套在首環(huán)上止點附近形成較大的磨損。當首環(huán)鍍鉻后,由于鍍鉻

12、層是單一的、基體硬度均勻的表面組織,因此不可能造成鍍鉻層對缸套基體的切削磨損作用。其主要磨損是由于進氣中的磨料對缸套和活塞環(huán)的切削磨損,從而大大的減輕了首環(huán)對缸套上止點附近的磨損,如圖3、圖4所示。此外,首環(huán)鍍鉻后,由于鍍鉻層較高的硬度,有效地減少了磨料或其它硬質(zhì)點對鉻層的切削磨損作用。因此鍍鉻環(huán)自身具有較高的耐磨性。綜上所述,首環(huán)鍍鉻可有效地降低缸套在上止點附近的磨損。實際上,活塞環(huán)鍍鉻后,都在不同程度減小了對缸套的磨損5。但由于除首環(huán)之外,其余幾環(huán)所承受的徑向壓力和潤滑條件顯著改善。故對缸套耐磨性的改善不如首環(huán)明顯。3.2新材質(zhì)油環(huán)取代油環(huán)鍍鉻的可行性新材質(zhì)油環(huán)雖然未經(jīng)鍍鉻,但其耐磨性明顯

13、高于鉻鉬銅合金鑄鐵鍍鉻環(huán),參見表3,從而有效地改善了油環(huán)的刮油能力。但油環(huán)是否能夠完全取代鍍鉻,還要取決于新材質(zhì)環(huán)與氣缸套的匹配性。為此我們幾次采用了首環(huán)鍍鉻,而其余幾環(huán)全部是新材質(zhì)未鍍鉻環(huán)進行快速磨損試驗。試驗證明,不鍍鉻新材質(zhì)油環(huán)對氣缸套匹配性能良好,沒有出現(xiàn)缸套的最大磨損值在油環(huán)運行范圍內(nèi)的現(xiàn)象。缸套的平均磨損值也沒有出現(xiàn)明顯的增加(表3。表3缸套/活塞環(huán)磨損試驗結果裝機缸次環(huán)組結構缸套磨損第一道活塞環(huán)第二(三道氣環(huán)螺旋撐簧油環(huán)最大值(mm 平均值(mm 種類磨損值(mm 切向彈力(N 試驗前試驗后種類磨損值(mm 切向彈力(N 試驗前試驗后種類磨損值(mm 切向彈力(N 比壓(MPa

14、試驗前試驗后試驗前試驗后第一次第二次一原環(huán)組(四環(huán)0.0500.030鉻鉬銅鍍鉻 1.8416.511.0鉻鉬銅0.93(1.1015.0(13.512.0(11.8鉻鉬銅鍍鉻 2.6955.029.4 1.0820.26二新環(huán)組0.0800.038球鐵鍍鉻 1.6624.217.6新材質(zhì)錐臺環(huán)0.8517.414.2新材質(zhì)1#1.7556.036.5 1.1790.45三新環(huán)組0.0650.037球鐵鍍鉻 1.6724.219.4新材質(zhì)錐環(huán)0.6020.017.0新材質(zhì)2#1.8545.529.0 1.1970.37四新環(huán)組0.0540.035球鐵鍍鉻 1.3323.519.4新材質(zhì)錐環(huán)0.

15、4319.018.0新材質(zhì)1#1.4557.039.8 1.0810.48一新環(huán)組0.0470.032球鐵鍍鉻 1.3418.417.4新材質(zhì)錐環(huán)0.7518.616.0新材質(zhì)1#1.6355.036.0 1.1580.49二新環(huán)組0.0620.035球鐵鍍鉻 1.3318.417.8新材質(zhì)錐環(huán)0.5219.418.8新材質(zhì)2#1.7747.030.6 1.1120.41三原環(huán)組(四環(huán)0.1020.059鉻鉬銅鍍鉻 1.9018.59.0鉻鉬銅0.80(1.0614.016.0(12.813.2鉻鉬銅鍍鉻 2.2056.033.6 1.1670.33四新環(huán)組0.0620.036球鐵鍍鉻1.35

16、18.517.6新材質(zhì)錐臺環(huán)0.7214.213.0新材質(zhì)1#1.2956.041.61.190.57注:新材質(zhì)1#油環(huán)指刮油刃寬度為0.5mm 的油環(huán),新材質(zhì)2#環(huán)的刮油刃寬度為0.4mm由于在活塞的整個運行范圍內(nèi),油環(huán)槽內(nèi)始終充滿機油。因此,油環(huán)在活塞環(huán)組中的潤滑條件是最好的。在圖5中由油環(huán)和缸套形成的第二滑動面上可充滿連續(xù)的油膜,起減磨作用并保護了硬度較低的基體。作用在油環(huán)上的法向載荷是油環(huán)自身的彈力。比壓在1.2MPa左右,比首環(huán)在上止點附近承受的爆發(fā)壓力(67MPa小的多。因此,大大減輕了油環(huán)材料上的硬質(zhì)點對缸套的切削作用,這進一步說明油環(huán)不鍍鉻是可行的。近年來,柴油機的油環(huán)普遍采用

17、了內(nèi)撐簧鍍鉻油環(huán),其鍍鉻的目的主要是提高油環(huán)自身的耐磨性。由于油環(huán)的結構復雜,電鍍質(zhì)量難以保證?，F(xiàn)在普遍采用平環(huán)鍍鉻,鍍鉻后形成磨削的加工工藝,也造成了鍍鉻后的大部分鉻層被磨削掉的浪費現(xiàn)象。以95油環(huán)為例,平環(huán)鍍鉻后的鉻層寬度為6mm,成形磨削掉5mm,僅保留1mm。實際上浪費了80%的鍍鉻量。油環(huán)不鍍鉻后,可為國家節(jié)約一定的電力資源。大大簡化了油環(huán)的加工制造工藝,有效地提高油環(huán)的成品率,降低了活塞環(huán)的制造成本。此外油環(huán)不鍍鉻后,可減輕鍍鉻時對環(huán)境的污染,改善了工人的工作條件,所以新材質(zhì)油環(huán)取代原鍍鉻油環(huán)具有重要的經(jīng)濟效益和社會效益。4實驗結果及其分析綜合考慮活塞環(huán)、氣缸套的匹配性能以及整個活

18、塞組的機械效率,使95系列柴油機具有良好的動力性、經(jīng)濟性和使用壽命,將95系列柴油機的活塞組進行了改進設計。改進后的活塞組采用三環(huán)結構,活塞環(huán)的材料及表面處理情況參見表3,現(xiàn)將改進后的活塞組與氣缸套的匹配試驗說明如下:試驗工作是在495柴油機上進行的,試驗的裝機情況、試驗后缸套、活塞環(huán)的磨損值以及活塞環(huán)彈力和比壓的變化情況參見表3。表3中活塞環(huán)的彈力是根據(jù)活塞環(huán)磨損前后在標準缸套內(nèi)的開口間隙測得的,其比壓值是根據(jù)活塞環(huán)與氣缸套的接觸面積和切向彈力求得的。因此其比壓值和切向彈力的測量值基本上反映了活塞環(huán)磨損前后的變化情況。現(xiàn)主要分析以下兩個問題:4.1缸套、活塞環(huán)的耐磨性分析從表3中可以看出,新

19、結構環(huán)組的每道環(huán)比原環(huán)組的相應環(huán)的耐磨性都有一定程度的提高,尤其是第二環(huán)和油環(huán)的耐磨性有較大幅度的提高。關于新材質(zhì)環(huán)的耐磨機理可解析如下:由于新材質(zhì)活塞環(huán)中加入了鈮等合金元素,這些合金元素形成了硬度較高的硬質(zhì)相,使圖5所示的第一滑動面的耐磨性能大大提高,有效地保護了第二滑動面。這些合金元素的加入還進一步強化了活塞環(huán)基體,使基體的抗塑能力進一步得到提高,從而提高了活塞環(huán)的耐磨性能。為對比新、舊活塞環(huán)的耐磨性,將原環(huán)組的四道環(huán)去掉第三道氣環(huán),裝在三環(huán)結構活塞上,同新環(huán)組一同進行快速磨損試驗,其試驗結果列于表4。從表4可以看出,新材質(zhì)環(huán)的耐磨性提高一倍以上,整個環(huán)組的耐磨性(壽命提高了67%,即使表

20、3中,新環(huán)組的耐磨性與四環(huán)組相應環(huán)的耐磨性相比,也提高了47.1%。此外,需要說明的是以上耐磨性的提高,是按活塞環(huán)開口間隙計算的。事實上,由于第二道環(huán)和油環(huán)的斷面形狀是梯形的,而開始磨損的部位是錐角或梯形斷面的小端。因此,在前期磨損和后期磨損的開口間隙增大值相同的條件下,前期的體積磨損量小于后期的體積磨損量。所以若按體積磨損量計算,新材質(zhì)環(huán)的耐磨性更高。例如,表4中第二道新材質(zhì)錐面環(huán)的耐磨性,若按開口間隙磨損量計算,其耐磨性提高126%,若按體積磨損量計算,其耐磨性提高196%。表4活塞環(huán)耐磨性的對比名稱一環(huán)二環(huán)三環(huán)種類磨損(mm種類磨損(mm種類磨損(mm總平均原環(huán)鉻鉬銅鍍鉻1.59鉻鉬銅錐

21、環(huán)1.30鉻鉬銅鍍鉻3.10 2.00新環(huán)球鐵鍍鉻1.45鈮錐環(huán)0.575鈮環(huán) 1.53 1.19壽命提高%9.6126102674.2活塞環(huán)磨損后的性能分析眾所周知,對于中小功率柴油機來說,氣環(huán)的開口間隙對漏氣量影響不大,而氣環(huán)的切向彈力和比壓值是衡量活塞環(huán)正常工作的重要指標。由表3可以看出,經(jīng)快磨試驗后的活塞環(huán)原環(huán)組中首環(huán)的切向彈力值分別由16.5N和13.5N降低到11.0N和9.0N,比壓值則降低到0.077MPa和0.063MPa。顯然,此時首環(huán)已不能保證正常而可靠的工作。為保證整個環(huán)組的密封作用,第二、三道環(huán)的密封性能則是非常重要的。而課題組研制的新環(huán)組由于首環(huán)采用了高強度的球墨鑄

22、鐵材料,該材料具有較高的彈性模量和良好的熱穩(wěn)定性能,使首環(huán)磨損后的切向彈力最低值尚高達17.6N(原環(huán)組首環(huán)的彈力設計值為16.2±3.2N。這說明磨損后的首環(huán)仍能保證有效而可靠的密封作用。此外,由于新環(huán)組中第二環(huán)的耐磨性大大提高,使磨損后的活塞環(huán)開口間隙增大量較小,切向彈力降低值較小,進一步保證了活塞環(huán)的密封作用。因此新環(huán)組采用三環(huán)結構是完全可行的。油環(huán)對柴油機機油消耗量影響最大,影響油環(huán)刮油能力的兩個重要因素是環(huán)的比壓和環(huán)的貼合性。對于一定結構的油環(huán)來說,油環(huán)貼合性的變化主要取決于油環(huán)切向彈力Ft 的變化。從表3中可以看出,經(jīng)快磨試驗后,油環(huán)彈力和比壓值的降低是非常驚人的,這也許

23、是導致柴油機使用后期竄機油的重要原因7。從表3中還可以看出,由于新環(huán)組中油環(huán)的耐磨性能大大提高,使新材質(zhì)1#油環(huán)的彈力和比壓值降低較小。新材質(zhì)1#油環(huán)的彈力降低25.734.8%,比壓降低51.662.4%,而原環(huán)組油環(huán)彈力降低4046.5%,比壓降低71.776%。圖6示出根據(jù)比壓值預測的柴油機油耗量。從圖中可以看出新環(huán)組油環(huán)比原環(huán)組油環(huán)能明顯改善柴油機使用后期(磨損后的機油耗量。 圖6油環(huán)比壓對機油耗的影響5結束語通過本文對缸套、活塞環(huán)配對副匹配性能的研究,可得出以下結論:(1活塞環(huán)首環(huán)鍍鉻是非常必要的?；钊h(huán)首環(huán)鍍鉻后不僅提高了自身的耐磨性,更重要的是有效地改善了缸套在首環(huán)上止點附近的磨損。(2新材質(zhì)油環(huán)可取代油環(huán)鍍鉻,并提高了自身的耐磨性。新材質(zhì)油環(huán)良好的耐磨性和良好的匹配性,使新材質(zhì)油環(huán)的制造成本降低,油環(huán)壽命增加,并能改善柴油機使用后期竄機油的現(xiàn)象。(3