柴油机活塞环_缸套摩擦副匹配性能的试验_图文

1、产品性能研究柴油机活塞环/缸套摩擦副匹配性能的试验丁业武(山东恒圆活塞环有限公司谢宗法(山东大学机械工程学院摘要根据柴油机缸套、活塞环快速模拟磨损的试验结果,讨论了首环镀铬对缸套耐磨性的影响,探讨了新材质活塞环取代油环镀铬的可行性,分析了活塞环失效的原因。通过试验证明,改进设计后的新材质活塞环组,耐磨性能和可靠性能明显提高,这对降低柴油机的机油耗,提高活塞环使用寿命有重要影响。关键词柴油机活塞环匹配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前言在内燃机缸套/活塞环、曲轴/轴瓦、凸轮轴/挺柱、气门/气门座、柱塞偶件等主要配对摩擦副中,缸套/活塞环配对副的工作条件最差,磨损也最严重,直接影响内燃机的使用寿命。由于内燃机的工作状况、使用条件不同,导致其磨损形式的差异。如工作环境比较恶劣的农用柴油机、车用柴油机是以磨粒磨损为主。大型船用柴油机是以熔着磨损和腐蚀磨损为主。大负荷的中、高增压柴油机是以熔着磨损为主。为此,多年从事缸套、活塞组摩擦副匹配研究的内燃机工作者从材质和表面处理等方面入手做了大量的工作,试

5、图解决缸套/活塞环配副寿命低的问题。为提高缸套、活塞环的抗磨性能,出现了许多材质和表面处理的缸套和活塞环。为迅速而方便地研究该对配副的磨损,用以模拟柴油机缸套、活塞环磨损的快速模拟试验也应运而生1。其中热机快速模拟试验,抓住了柴油机磨料磨损的主要矛盾,能迅速而准确地模拟柴油机的实际磨损情况2,3。本文从柴油机缸套、活塞环的磨损机理入手,以柴油机缸套、活塞环的热机快磨试验数据为依据,结合柴油机的实机磨损情况,论述柴油机缸套/活塞环新配副的良好匹配关系。2影响磨损的主要因素及快磨试验方法2.1影响缸套、活塞环磨损的主要因素摩擦元件的磨损量与摩擦元件的滑动距离之比称为磨损度。影响磨损度的主要因素有:

6、摩擦面上的法向载荷越大磨损度也越大,未磨合表面的磨损度与法向压力呈非线性关系。磨合表面的磨损度与载荷成正比。柴油机第一道活塞环直接承受燃烧气体的高压作用,其最高压力高达6 7MPa,出现在活塞上止点后10度曲轴转角左右。此时,活塞环与缸套摩擦面出现最大载荷。第二道活塞环所承受的最高气压力比首环小的多,且最大压力出现在止点后40度曲轴转角之后,如图1所示。油环仅靠自身的弹力与气缸套形成摩擦其压力大约在1.01.2MPa左右。 1.首环背压2.二环背压图1第一、二道活塞承受的气体背压润滑条件对缸套、活塞环的磨损有重要的影响。缸套和活塞环之间的油膜,能阻挡摩擦金属的直接接触,减少磨损,并能将摩擦表面

7、产生的热量迅速带走,以防止金属表面的粘结。图2示出首环形成的油膜厚度分布图4,可以看出第一道活塞环在上止点前后的油膜厚度最小,这将导致活塞环和缸套在上止点前后出现最大的磨损 。图2首环与缸套间的油膜厚度分布滑动速度决定材料变形的速率,因而影响材料配对材料的弹性模量、摩擦系数、摩擦疲劳强度特性、表面粗糙度和波度等参数对磨损有重要的影响。同一种材料,其配对材料不同,其磨损将有很大的差异5。2.2快速磨损模拟试验为迅速而方便地考核柴油机缸套、活塞环的耐磨性能,根据有关资料2,3,在495柴油机上进行了缸套、活塞环台架快速磨损模拟试验,试验工况为48马力,2000r/min 。通过自制加磨料器连续、均

8、匀地经进气道向气缸内加磨料,磨料的加入量为0.20g/缸小时,共运行6小时。由于该试验是在柴油机实机上进行的,影响缸套、活塞环磨损的因素同柴油机的实际情况完全相同,仅是空气中的磨料较多。而农用柴油机和车用柴油机主要是以磨料磨损为主,这种快速磨损模拟试验基本上体现了柴油机的实机磨损情况。3缸套、活塞环的匹配性为考核缸套、活塞环的耐磨性,以及缸套、活塞环配对副之间的匹配性能,进行了多方案的快磨试验。现将具有规律性的几个问题说明如下:3.1首环镀铬与缸套的耐磨性根据2.1节的分析,由于首环在上止点附近对缸套的法向载荷大、油膜厚度小和温度较高等原因,首环上止点或邻近的下端处气缸的磨损将达到最大值。图3

9、示出实机运行时缸套的磨损结果6,图4示出热机快磨试验缸套的试验结果。图3、图4中各缸的缸套、活塞环的材质是完全相同的,仅是图3中二、四缸和图4中二缸首环采用镀铬,而其余几缸首环不镀铬,图3、图4可以看出首环镀铬明显的降低了气缸套上止点附近的磨损。在几次热机快机快速模拟磨损试验中,采用几种不镀铬新材质首环配对几种不同材料的气缸套,气缸套在首环上止点附近处均出现较大的磨损,参见表1,其磨损值是相应镀铬环的二倍以上 。图3实机运行680小时缸套的磨损图4热机快磨试验缸套的磨损表1缸套在首环上止点的磨损值(mm 试验序号1234磨损值首环镀铬首环不镀铬首环不镀铬时,缸套在首环上止点附近形成较大的磨损,

10、这是由于合金铸铁材料的特性及首环在上止点附近的工作条件所决定的。一般说来,现在广泛采用的合金铸铁活塞环、或合金铸铁气缸套,为提高其耐磨性,金相组织大都是在硬度较低的珠光体(HV200-400基体上镶嵌着硬度较高的硬质点(Nb (C ,N 、钒钛碳化物或硬骨架(磷共晶、特殊斯氏体等。在磨损过程中,这些硬度较高(如表2所示的硬质相逐渐显露出来,构成耐磨性较好的第一滑动面,而硬度较低的基体则相应地构成了能贮存润滑油的第二滑动面(如图5所示。当未镀铬首环在爆发冲程的上止点附近时,由于油膜厚度较小,气体压力较高,从而形成合金铸铁活塞环上凸出的硬质点压入缸套较软的基体并形成对缸套基体的切削磨损。同理缸套上

11、的硬质点对活塞环基体也形成相 图5合金铸铁耐磨机理示意图同的切削磨损。当配对副之间的硬质相相互接触时,则形成锯齿状的磨损,甚至造成部分较硬的质点脱离基体,而形成磨料,进一步加速了缸套、活塞在上止点附近的磨损。因此,缸套在首环上止点附近形成较大的磨损。当首环镀铬后,由于镀铬层是单一的、基体硬度均匀的表面组织,因此不可能造成镀铬层对缸套基体的切削磨损作用。其主要磨损是由于进气中的磨料对缸套和活塞环的切削磨损,从而大大的减轻了首环对缸套上止点附近的磨损,如图3、图4所示。此外,首环镀铬后,由于镀铬层较高的硬度,有效地减少了磨料或其它硬质点对铬层的切削磨损作用。因此镀铬环自身具有较高的耐磨性。综上所述

12、,首环镀铬可有效地降低缸套在上止点附近的磨损。实际上,活塞环镀铬后,都在不同程度减小了对缸套的磨损5。但由于除首环之外,其余几环所承受的径向压力和润滑条件显著改善。故对缸套耐磨性的改善不如首环明显。3.2新材质油环取代油环镀铬的可行性新材质油环虽然未经镀铬,但其耐磨性明显高于铬钼铜合金铸铁镀铬环,参见表3,从而有效地改善了油环的刮油能力。但油环是否能够完全取代镀铬,还要取决于新材质环与气缸套的匹配性。为此我们几次采用了首环镀铬,而其余几环全部是新材质未镀铬环进行快速磨损试验。试验证明,不镀铬新材质油环对气缸套匹配性能良好,没有出现缸套的最大磨损值在油环运行范围内的现象。缸套的平均磨损值也没有出

13、现明显的增加(表3。表3缸套/活塞环磨损试验结果装机缸次环组结构缸套磨损第一道活塞环第二(三道气环螺旋撑簧油环最大值(mm 平均值(mm 种类磨损值(mm 切向弹力(N 试验前试验后种类磨损值(mm 切向弹力(N 试验前试验后种类磨损值(mm 切向弹力(N 比压(MPa 试验前试验后试验前试验后第一次第二次1#2#1#1#新材质2#2.81新环组0.0620.036球铁镀铬1.3518.517.6新材质锥台环0.7214.213.0新材质1#1.2956.041.61.190.57注:新材质1#油环指刮油刃宽度为0.5mm 的油环,新材质2#环的刮油刃宽度为0.4mm由于在活塞的整个运行范围内

14、,油环槽内始终充满机油。因此,油环在活塞环组中的润滑条件是最好的。在图5中由油环和缸套形成的第二滑动面上可充满连续的油膜,起减磨作用并保护了硬度较低的基体。作用在油环上的法向载荷是油环自身的弹力。比压在1.2MPa左右,比首环在上止点附近承受的爆发压力(67MPa小的多。因此,大大减轻了油环材料上的硬质点对缸套的切削作用,这进一步说明油环不镀铬是可行的。近年来,柴油机的油环普遍采用了内撑簧镀铬油环,其镀铬的目的主要是提高油环自身的耐磨性。由于油环的结构复杂,电镀质量难以保证。现在普遍采用平环镀铬,镀铬后形成磨削的加工工艺,也造成了镀铬后的大部分铬层被磨削掉的浪费现象。以95油环为例,平环镀铬后

15、的铬层宽度为6mm,成形磨削掉5mm,仅保留1mm。实际上浪费了80%的镀铬量。油环不镀铬后,可为国家节约一定的电力资源。大大简化了油环的加工制造工艺,有效地提高油环的成品率,降低了活塞环的制造成本。此外油环不镀铬后,可减轻镀铬时对环境的污染,改善了工人的工作条件,所以新材质油环取代原镀铬油环具有重要的经济效益和社会效益。4实验结果及其分析综合考虑活塞环、气缸套的匹配性能以及整个活塞组的机械效率,使95系列柴油机具有良好的动力性、经济性和使用寿命,将95系列柴油机的活塞组进行了改进设计。改进后的活塞组采用三环结构,活塞环的材料及表面处理情况参见表3,现将改进后的活塞组与气缸套的匹配试验说明如下

16、:试验工作是在495柴油机上进行的,试验的装机情况、试验后缸套、活塞环的磨损值以及活塞环弹力和比压的变化情况参见表3。表3中活塞环的弹力是根据活塞环磨损前后在标准缸套内的开口间隙测得的,其比压值是根据活塞环与气缸套的接触面积和切向弹力求得的。因此其比压值和切向弹力的测量值基本上反映了活塞环磨损前后的变化情况。现主要分析以下两个问题:4.1缸套、活塞环的耐磨性分析从表3中可以看出,新结构环组的每道环比原环组的相应环的耐磨性都有一定程度的提高,尤其是第二环和油环的耐磨性有较大幅度的提高。关于新材质环的耐磨机理可解析如下:由于新材质活塞环中加入了铌等合金元素,这些合金元素形成了硬度较高的硬质相,使图

17、5所示的第一滑动面的耐磨性能大大提高,有效地保护了第二滑动面。这些合金元素的加入还进一步强化了活塞环基体,使基体的抗塑能力进一步得到提高,从而提高了活塞环的耐磨性能。为对比新、旧活塞环的耐磨性,将原环组的四道环去掉第三道气环,装在三环结构活塞上,同新环组一同进行快速磨损试验,其试验结果列于表4。从表4可以看出,新材质环的耐磨性提高一倍以上,整个环组的耐磨性(寿命提高了67%,即使表3中,新环组的耐磨性与四环组相应环的耐磨性相比,也提高了47.1%。此外,需要说明的是以上耐磨性的提高,是按活塞环开口间隙计算的。事实上,由于第二道环和油环的断面形状是梯形的,而开始磨损的部位是锥角或梯形断面的小端。

18、因此,在前期磨损和后期磨损的开口间隙增大值相同的条件下,前期的体积磨损量小于后期的体积磨损量。所以若按体积磨损量计算,新材质环的耐磨性更高。例如,表4中第二道新材质锥面环的耐磨性,若按开口间隙磨损量计算,其耐磨性提高126%,若按体积磨损量计算,其耐磨性提高196%。表4活塞环耐磨性的对比名称一环二环三环种类磨损(mm种类磨损(mm种类磨损(mm总平均原环铬钼铜镀铬1.59铬钼铜锥环1.30铬钼铜镀铬3.10 2.00新环球铁镀铬寿命提高%9.6126102674.2活塞环磨损后的性能分析二环的耐磨性大大提高,使磨损后的活塞环开口间隙增大量较小,切向弹力降低值较小,进一步保证了活塞环的密封作用

19、。因此新环组采用三环结构是完全可行的。油环对柴油机机油消耗量影响最大,影响油环刮油能力的两个重要因素是环的比压和环的贴合性。对于一定结构的油环来说,油环贴合性的变化主要取决于油环切向弹力Ft 的变化。从表3中可以看出,经快磨试验后,油环弹力和比压值的降低是非常惊人的,这也许是导致柴油机使用后期窜机油的重要原因7。从表3中还可以看出,由于新环组中油环的耐磨性能大大提高,使新材质1#油环的弹力和比压值降低较小。新材质1#油环的弹力降低25.734.8%,比压降低51.662.4%,而原环组油环弹力降低4046.5%,比压降低71.776%。图6示出根据比压值预测的柴油机油耗量。从图中可以看出新环组油环比原环组油环能明显改善柴油机使用后期(磨损后的机油耗量。 图6油环比压对机油耗的影响5结束语通过本文对缸套、活塞环配对副匹配性能的研究,可得出以下结论:(1活塞环首环镀铬是非常必要的。活塞环首环镀铬后不仅提高了自身的耐磨性,更重要的是有效地改善了缸套在首环上止点附近的磨损。(2新材质油环可取代油环镀铬,并提高了自身的耐磨性。新材质油环良好的耐磨性和良好的匹配性,使新材质油环的制造成