不同表面织构对柴油机缸套-活塞环摩擦磨损性能的影响

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Efects of Diferent Surface Textures on Friction andW ear Performance of Diesel Cylinder Liner-Piston RingHu Yong Qu Shengguan Li Bin Wang Guanghong Ye Zibo(1.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou Guangdong5 10640 ，China；2.School of Eleetromeehanical Engineering，Guangdong Polytechnic Normal University，GuangzhouGuangdong 510665，China)Abstract：Three kinds of surface textures，honing twill surface，smooth surface and micro-pit and twill surface were con-strueted on the inner surface of diesel cylinder liners，and the efects of diferent surface textures on the friction and wearperformances of cylinder liners were investigated on an Optimol SRV IV oscilating friction and wear tester on the conditionof the same temperature and speed but diferent loads.The results show that the friction and wear perform ances of the pairsare improved by the surface textures on the surface of diesel cylinder liners under the same loads.Under low loads and thestate of fluid lubrication，micro-pit and twill surface has lower friction coeficient，smaller vibration of friction coeficientand better wear resistan ce.However，under high loads and the state of boundary lubrication，the friction and wear perform -ances of different forms of surface texture are close to each other。

Keywords：cylinder liner；surface texture；friction coeficient；wear柴油机中活塞环-缸套的摩擦学性能在很大程度上影响着柴油机整机的性能和可靠性，-般柴油机在1 600 r/min下运行时活塞组的摩擦损失占机械摩擦损失的58%，有时活塞组的摩擦损失甚至可以占到柴油机机械摩擦损失的75% 。因此，如果活塞环与缸套的摩擦增加，则直接导致柴油机功率下降及油耗增加，使柴油机的动力性和经济性降低。

对于改善活塞环-缸套的摩擦磨损性能，大多数收稿日期：2012-10-11作者简介：胡勇 (1981-)，男，硕士，主要从事内燃机零部件摩擦磨损的研究 .E-mail：huyoohuyoo###yahoo.tom.ca研究主要集中于3个方面：-是采用新材料或新工艺，如缸套表面氮化、镀铬、火焰喷涂、超音速喷涂等；二是改进或采用性能更优的润滑油 ；三是对缸套摩擦表面微观几何形貌进行优化构造，增强储油能力，保证-定油膜厚度，改善油膜分布 。

表面织构技术经过十多年的发展，在改善材料的摩擦磨损性能方面得到广泛应用。Etison等 在端面密封、活塞环设计等方面，采用激光技术制造了多种表面织构，经测试表明摩擦力最大可降低 40%。

1998年格林公司提出激光珩磨气缸套技术，并对F528型发动机进行了试验，结果发现该技术能有效降低气缸和活塞环的磨损量及减少颗粒排放量 。

2013年第4期 胡 勇等：不同表面织构对柴油机缸套-活塞环摩擦磨损性能的影响 59A、B试样，B试样优于 A试样。因为在低载荷下润滑油能够在2个摩擦表面形成近似流体润滑状态，载荷对润滑油的挤压损失较小 ，A、B 2组试样表面油膜厚度相差不大，润滑油内部阻力所占的摩擦力部分几乎相同，但 B试样表面较光滑，摩擦表面突峰较少，而接触突峰更少，所产生的摩擦力就小，表现为B组试样平均摩擦因数略小于A组试样。c组试样表现出最好的摩擦性能，且与 A组试样比较可推断 c组试样表面凹坑对润滑和降低摩擦因数起到了较大作用。在 300N载荷下 ，C试样摩擦性能最好 ，A试样优于B试样，这是由于随着载荷增大，润滑油的挤压损失随之加大，摩擦副表面油膜变薄，进入混合润滑状态，摩擦表面接触突峰增多，载荷-部分由油膜承担，-部分由接触突峰承担，其摩擦学特征由润滑油的流变学和接触突峰的弹塑性变形共同决定，而A组试样表面槽纹织构和 c组试样槽纹-微坑织构对油膜形成及改变润滑条件作用明显，使得平均摩擦因O。

65605550454 6 8 1Of，(×1旷s)(a)p200N0.1O.1do·18O.1自暑o.10.10.1数小于B组无表面织构试样，在400 N载荷出现边界润滑状态后，这种对摩擦性能的改善依然存在。

根据试验结果 ，可认为在活塞环 -缸套摩擦副中微坑-槽纹结构优于单-槽纹结构，这是由于活塞环的长期刮油作用，特别是在活塞环运动止点附近，储存在沟槽内的润滑油容易沿着沟槽被挤出，储油作用减弱，润滑条件改善不大。而微坑-槽纹结构中微坑能够起到储油池作用，槽纹可以看作输油管道，通过槽纹将各个微坑连通，这种复合结构能够储存更多的润滑油，也能够更快、更有效地将润滑油连续供给摩擦表面，充分利用挤压和流体动力的联合作用改善润滑状况。

2.1.2 不同载荷下的摩擦因数变化曲线忽略前5 min预磨合阶段和加力阶段摩擦因数的变化，试验得到的持续稳定摩擦状态下，各组试样在同-载荷下的摩擦因数变化曲线如图3所示。

4 6 8 10(×10 s)(b)p300N图3 不同载荷下摩擦副间的摩擦因数随时间变化情况Fig 3 The friction coefficie eues 0f Me different friction pairs under diferent loads根据摩擦因数变化曲线可知，在 200 N低载荷、流体润滑条件下，A组试样的摩擦因数在 55 min前成波动下降趋势，55 min后进入稳定状态，变化范围为0.155～0.157；B组试样在经过40 min的小幅波动后，进入稳定状态，摩擦因数变化范围为0.154～0.156；C组试样随时间的增加摩擦因数有较大幅度的下降，经过7 000 s后下降至0.143～0.145范围内保持稳定。A、C 2组试样在初期的摩擦因数波动较大，而B组试样波动较缓，说明在油膜形成阶段，表面织构对油膜形成会产生较大影响。随着摩擦试验持续，C组试样的微坑-槽纹形貌因储存了更多的润滑油而产生更长久的影响，使摩擦因数不断减校在300 N载荷的混合润滑条件下，A、C 2组试样从摩擦4 6 8 10f，(×10 S)(c)p400N初期油膜形成阶段就表现出比B组试样良好的摩擦特性，而且 c组试样的摩擦因数在 12～75 min阶段摩擦因数更小，更加稳定，维持在0.148～0.150范围内，而A组试样在0.152～0.154波动，B组试样在0.155～0.157内波动。随着持续的摩擦磨损，摩擦表面温度升高，磨屑杂质进入润滑油，使润滑油质量变差，出现由混合润滑向边界润滑过渡情况，摩擦副突峰接触现象增多，接触部位出现极高压强，并发生金属塑性流动，油膜就会变得很薄，并在压力很高的地方发生破裂，接触峰的干摩擦特性决定了3组试样的摩擦性能逐步趋向-致，摩擦因数在 0.155～0.159内变化。在400 N载荷下，出现了边界润滑状态，A、C 2组试样在摩擦初期同样表现出较好的摩0 ! 。 0润滑与密封 第38卷擦特性，但随着摩擦时间增加，摩擦因数逐渐增大，并表现出与 B组试样相似的摩擦特性，这同样是因为边界润滑状态下摩擦副表面出现更多的突峰接触，干摩擦现象增多导致，最终3组试样的摩擦因数都在0.158-0.160内波动。由上述试验可知，摩擦表面有效储油量对长期持续摩擦行为产生较大影响，A、C 2组试样由于表面织构对摩擦表面的储油量、油膜厚度等产生积极作用，改善了润滑状态，特别是 C组试样表面的微坑-槽纹复合织构可在-定的工作周期内延长润滑油的使用寿命，增强润滑效果。

2.2 磨损失重情况2.2.1 缸套的磨损失重不同载荷下3组缸套试样的磨损失重占原试样的质量百分比如图4所示。

露喜矗蕾200 300 400Loadp/N图4 不同载荷下缸套磨损质量百分比Fig 4 The percentage of the liner mass loss under underdiferent loads可知，随着载荷增大，缸套的磨损量随之增大，较低载荷下磨损量较小，超过某-载荷后磨损加剧，与摩擦因数变化情况相似。这与润滑状态相关，较低载荷下摩擦副间多为流体润滑状态，表面突峰接触少，摩擦力表现为流体内部自阻力，且在较低载荷下润滑油所受压力小，不易进入表面裂纹，扩展裂纹的作用小，使得磨损量较邢高载荷下，出现混合润滑或边界润滑状态，随着摩擦副表面接触突峰增多，峰顶区域的弹、塑性变形增多，材料发生转移，随着摩擦持续-部分转移的金属就从母体分离，形成磨损颗粒。而且较高的油压会使润滑油迅速进入表面裂纹，加剧裂纹扩展，出现疲劳磨损和黏着磨损都逐步加剧的复合形式，磨损量就会变大。在相同载荷下，表面织构对降低磨损起到了积极作用，尤其是在较高载荷条件下作用更为明显，而且微坑-槽纹结构要优于网纹结构，这与微坑-槽纹结构在摩擦过程中能够储存更多的油，持续改善表面润滑状态有关。

2.2.2 活塞环的磨损失重不同载荷下，与不同表面织构缸套对磨的活塞环磨损量占原活塞环的质量百分比如图5所示。

200 300 400Loadp/N图5 不同载荷下活塞环磨损质量百分比Fig 5 The percentage of the ring mass loss under underdiferent loads可知，随着载荷的增大，活塞环磨损量也增大，但增加的幅度不大。由于活塞环镀铬层硬度较高，本身磨损量相对缸套要小，所以表面织构对减小磨损量的作用不显著。但在相同载荷下，缸套表面织构能够起到减小与之对磨的活塞环磨损量的作用，且微坑-槽纹结构优于网纹结构和无表面织构。

2.3 织构区磨损形貌不同载荷下，不同表面织构的3组缸套试样的磨损表面形貌如图6所示。

可知 ，在不同载荷下 ，3组缸套试样的磨损区域都出现了明显 白区”结构 ，这是在磨损过程中发生相变的产物，是黏着磨损的主要特征。在 200 N载荷下 ，3组缸套试样 的磨损机制是 以黏着磨损 为主，出现明显的点蚀坑，A组缸套磨损区内还可以看到明显的球状碳化物聚集。在 300和400 N载荷下，缸套的剥落坑处沿摩擦方向还出现了明显的裂纹和表层卷曲，这是疲劳磨损的特征，是由于随着载荷增大，润滑油在高压下迅速进入表面裂纹，接触面将裂纹封住，使裂纹油压更高，促使裂纹向纵深发展，产生疲劳磨损。由此可知，在较高载荷下缸套出现疲劳磨损和黏着磨损共同作用的复合式磨损机制。对于网纹织构和微坑-槽纹织构，在网纹交叉、网纹与微坑相交处，槽纹沟近似裂纹，更易使裂纹发生和扩展，较容易出现疲劳磨损。无表面织构缸套由于表面光滑，不利于裂纹产生和发展，则黏着磨损占主要因素。

5 O 5 O 5 O 5 O 毗 ∞ ∞0 0 0 0 O O 0 O 62 润滑与密封 第 38卷3 结论(1)在流体润滑和混合润滑条件下，微坑-槽纹这种复合结构能够储存更多的润滑油，也能够更快、更有效地将润滑油连续供给摩擦表面，充分利用挤压和流体动力的联合作用改善润滑状况，表现出良好的摩擦特性。在较高载荷、边界润滑状态下，微坑- 槽纹及网纹织构能起到-定减摩作用，但摩擦磨损特性与光洁表面趋近。

(2)在相同载荷下，缸套表面织构对降低磨损起到了积极作用，尤其是在较高载荷下作用更为明显，而且微坑-槽纹结构要优于网纹结构。缸套表面织构对降低活塞环磨损同样有效，但效果没有缸套那么显著。

(3)在微坑～槽纹表面织构 中，微坑处于槽纹交叉点处与处于单条槽纹中间处相比是否更有利于改善缸套-活塞环摩擦副摩擦性能，还需要进-步试验验证。