活塞環——缸套摩擦磨損研究

吳立來

（南京飛燕活塞環股份有限公司）

1 概述

內燃機機械摩擦功耗占燃油消耗17%，其中活塞環與缸套組件占總燃油消耗的4%。同時活塞環與缸套的摩擦學特性直接影響著內燃機的動力性能、排放性能和使用壽命，行業內視活塞環與缸套為內燃機第一摩擦副，活塞環與缸套公認為內燃機心臟部位的關鍵零部件。活塞環與缸套摩擦副的摩擦系數直接影響摩擦功耗，磨損系數又直接影響著使用壽命。

內燃機四個工作行程中，活塞環受力及其復雜，有氣體壓力、慣性力、活塞槽作用力、缸套摩擦力等。受力的活塞環做三維運動，運動狀態急劇變化，分別與缸套、活塞在軸向和徑向產生相對變速度運動，其中活塞環與缸套間的軸向運動速度最大、加速度最大、摩擦力最大、磨損最大。在活塞上止點處，由于高溫、高壓、變向、遠離潤滑油等因素，活塞環與缸套存在貧油潤滑，此處摩擦磨損最為苛刻。

選取3對活塞環與缸套配對，做貧油狀態摩擦磨損試驗，測出拉缸前平均摩擦系數0．1349，物理氣相沉積的活塞環平均磨損系數0．8375×10－6mm3／min，未經表面耐磨處理的鑄鐵缸套平均磨損系數2．735×10－3mm3／N．m。選取1對未經表面處理的鑄鐵活塞環和鑄鐵缸套配對，在富油狀態做摩擦磨損試驗，測出平均摩擦系數0．15，活塞環平均磨損系數0．722×10－11mm3／min，缸套平均磨損系數1．179×10－8mm3／N．m。得出結論：貧油狀態 （拉缸前）摩擦系數與富油狀態相當，貧油狀態 （拉缸前）磨損系數是富油狀態的105倍，揭示出潤滑狀態是影響摩擦副磨損的關鍵因素，這為產品設計和故障分析提供了數據支持。

2 貧油狀態試驗過程

2．1 試驗裝置

試驗活塞環定位夾具圖1，設備UMT－2MT多功能磨損試驗機圖2，試驗運動平面往復式圖3。

圖1 活塞環定位夾具

圖2 多功能磨損試驗機

圖3 試驗原理圖

2．2 試驗樣品

鋼質活塞環經滲氮、外圓面PVD鍍CrN處理。缸套共三種，編號分別為1＃、2＃和3＃，材料均為灰鑄鐵。試樣樣品從活塞環與缸套上直接截取，保證樣品接觸面為配副實際工作面，活塞環樣品、缸套樣品見圖4、圖5。

圖4 活塞環樣品

圖5 缸套樣品

2．3 貧油狀態試驗規范

活塞環－缸套磨損試驗規范見表1，潤滑油牌號為CI－15W－40，跑合前在上、下試樣之間一次性加油0．15ml。為確保結果的可靠性，相同條

件下的試驗按同一規范重復三次。

表1 磨損試驗規范

2．4 試驗數據及結果

2．4．1 摩擦系數：三組配副的摩擦系數測試結果見表2、圖6。

表2 摩擦系數

圖6 貧油狀態摩擦系數曲線

2．4．2 磨損系數：缸套、活塞環的磨損系數分別見表3、表4，磨損系數比對結果見圖7。

表3 缸套磨損系數

表4 活塞環磨損系數

圖7 活塞環－缸套磨損系數對比圖

配副的磨損系數與摩擦系數并無對應關系。

2．4．3 磨損形貌與磨損機理

2．4．3．1 三維磨損形貌：缸套三維磨損形貌見圖

8，缸套三維磨損形貌的差異與磨損系數分析結果一致。

圖8 缸套三維磨損形貌

2．4．3．2 磨損機理：三組配副的磨損機理見表5，掃描電鏡照片 （微觀形貌）見圖9。

表5 磨損機理

圖9 缸套－活塞環SEM磨損形貌

缸套磨損后表面珩磨形貌基本消失，磨損表面有明顯的犁溝狀磨痕，1＃缸套與3＃缸套磨損表面還可發現部分材料剝落及微裂紋擴展，磨損機理主要表現為磨粒磨損加疲勞磨損。與缸套配副的活塞環磨損機理主要為磨粒磨損。

3 富油狀態試驗過程

試驗活塞環定位夾具、試驗設備、試驗運動、試驗缸套樣品同貧油狀態，試驗活塞環樣品為鑄鐵磷化活塞環。

3．1 富油狀態試驗規范充分潤滑為試驗過程中始終持續供油，供油速度一致。保證活塞環對缸套施加的載荷500N、活塞環運動頻率40Hz、活塞環運動行程2．5mm、缸套溫度100℃，潤滑油供油速度為1ml／min、潤滑油溫度為100℃。

3．2 試驗數據與結果

3．2．1 摩擦系數：摩擦系數緩慢變小趨于穩定在0．15，見圖10。

圖10 富油狀態活塞環缸套摩擦系數曲線

3．2．3 磨損系數：缸套、活塞環的磨損系數分別見表6、表7，取缸套磨損區域3個截面測量，見圖11，磨損系數對比見圖12。

表6 缸套磨損系數

表7 活塞環磨損系數

圖11 富油狀態缸套磨損截面圖

圖12 富油狀態活塞環－缸套磨損系數對比圖

4 結論

4．1 貧油狀態活塞環與缸套磨損主要有磨粒磨損和疲勞磨損，富油狀態活塞環與缸套磨損主要是磨粒磨損。

4．2 貧油狀態 （拉缸前）與富油狀態，活塞環與缸套摩擦副的摩擦系數相當，約為0．15。

4．3 貧油狀態活塞環與缸套摩擦副的磨損系數是富油狀態的105倍。