內燃機活塞環-缸套摩擦磨損性能的實驗研究

陳建宏，陳貴清（福建船政交通職業學院，福州350007）

內燃機活塞環-缸套摩擦磨損性能的實驗研究

陳建宏，陳貴清
（福建船政交通職業學院，福州350007）

摘要：利用自行研制的往復式摩擦磨損實驗機對內燃機活塞環-缸套進行了摩擦磨損實驗，主要測試載荷、轉速以及潤滑方式對摩擦副磨損的影響，應用稱重法測量活塞環的磨損量，結果表明：在極限載荷下，活塞環的磨損量隨著載荷的增大而加劇；若轉速較低，難以形成潤滑油膜，磨損加劇；必須使摩擦副處于一種彈性流體動力潤滑狀態，才能降低磨損量。

關鍵詞：活塞環；缸套；摩擦；磨損

D01：10.19329/j.cnki.1673-2928.2016.04.004

0引言

發動機運行的可靠性、動力性以及耐久性等性能受活塞環-缸套摩擦副的影響很大，其磨損會導致部分燃油燃燒不充分，使汽車尾氣的污染程度加劇，因此，活塞環-缸套成為內燃機中極其重要的摩擦副之一，同時，其摩擦磨損狀況對發動機的機械效率也產生重要影響。據相關文獻可知，內燃機的燃燒能量中有10～20%消耗在機械損失［1］，如表1所示。

表1　內燃機各摩擦副機械損失情況表

由表1可以看出，內燃機各摩擦副的機械損失主要發生在活塞以及活塞環與缸套摩擦副之間，它們占據總機械損失將近一半以上，發動機的主要性能指標（如工作的可靠性、穩定性以及使用壽命等）受其影響最大［2-5］。由于活塞環屬于易損零件，一般情況下，普遍將活塞環當作發動機的睛雨表，為了能夠提高內燃機的使用性能參數以及延長其使用壽命，必須降低活塞環-缸套之間的摩擦損耗，因此，有必要開展內燃機活塞環-缸套摩擦副的研究。

1摩擦磨損性能實驗

本文的研究材料為外購五十鈴活塞環-缸套，主要測試其在不同載荷、轉速以及潤滑方式下的摩擦磨損性能。

1.1實驗設備

實驗設備利用自行研制的往復式摩擦磨損實驗機，圖1是其工作原理示意圖。圖中“S”型傳感器用來測量活塞環的摩擦力。

圖1　試驗機的結構組成

為考慮加載力易于測量、安裝方便以及加工簡單等因素，采用彈簧加載方式，如圖2所示。

圖2　彈簧加載裝置

1.2性能測試及評價方法

在往復式摩擦磨損實驗機上進行活塞環-缸套的摩擦磨損實驗，在相同條件下的摩擦實驗必須按照同一規范進行操作以便確保實驗結果的統一性和可靠性。利用物理天平，測量活塞環磨損前后的質量，它們的質量之差即為活塞環磨損量的大小。

2實驗結果及分析

2.1載荷的影響

當轉速為270r/min并且全油潤滑狀態下進行變載荷試驗20min，測得活塞環磨損量隨載荷的變化曲線如圖3所示。

圖3　活塞環隨載荷變化的曲線圖

由圖3可以看出，活塞環的磨損量的變化趨勢是隨著載荷的升高而逐漸增大，當載荷超過25kg時，活塞環的磨損量急劇增大，表明要使活塞環保持一個正常的磨損狀態，必須在極限載荷（25kg）下運行，這樣才能發揮出其最佳性能。

在缸套上下止點之間，活塞環以0～30 m/s之間的速度不斷作往復運動，速度波動變化的范圍較大。在活塞環-缸套的工作循環中，需要完成進氣、壓縮、做功以及排氣四個過程，在這當中氣缸內的壓力發生較大的變化，又因為是在高溫下運行，尤其對于第一道活塞環，潤滑油膜不易形成，活塞環要實現完全潤滑相對比較困難，因此一般處于臨界潤滑的狀態。

2.2轉速的影響

在全浸油潤滑狀態下磨損20min，選取轉速270r/min和360r/min兩種轉速進行實驗，測得內燃機活塞環的磨損量隨載荷的變化曲線如圖4所示。

圖4　活塞環在不同載荷下的磨損量

從圖4可以看出，內燃機活塞環的磨損量隨著主軸轉速的提高而增加。這是由于提高轉速，則發動機的輸出功率增大，熱負荷也隨之急劇增加，潤滑油溫迅速升高，導致潤滑油粘度降低，氣缸套內表面的潤滑油膜厚度變薄，加劇了活塞環的磨損［5］；另外一個原因是，隨著轉速提高，則活塞環經過的路程增加，其磨損量相應增加。

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2.3潤滑方式的影響

在270r/min的轉速下，載荷為16kg，選取全浸油和乏油潤滑狀態下進行實驗，測得活塞環磨損量隨潤滑狀態的變化曲線如圖5所示。

圖5　活塞環在不同潤滑方式下的磨損量

由圖5可知潤滑狀態對活塞環的磨損量影響非常大，同種材料在不同潤滑方式下，乏油比全油潤滑的磨損量要大。對于跑合階段和穩定磨損階段而言，兩者的磨損量差別不是很明顯。當處于乏油狀態時，穩定磨損階段時間縮短，提前進入劇烈磨損階段，影響缸套的正常使用壽命。這是因為，當潤滑油充分時，活塞環與缸套之間的潤滑處于一種彈性流體狀態，能夠減少微凸體尖峰之間的接觸，此時通過油膜來承受摩擦表面之間的赫茲接觸壓力［5］，因此，活塞環的磨損量較小。

由磨損機理可知，內燃機活塞環-缸套的磨損主要包括正常磨損、磨料磨損、熔著磨損（劃傷，擦傷）和腐蝕磨損等［6］，一般是幾種形式互相影響，同時存在，而不是某種形式單獨起作用。按照內燃機活塞環與缸套之間的磨損部位，可將其劃分為上下端面磨損與滑動面磨損。通常情況下，活塞環作往復運動而引起的撞擊磨損主要表現為上下端面磨損，同時，由空氣中混進的塵埃顆粒以及機油燃油中的硬性殘渣主要發生的是磨料磨損［7-8］，而由于熱變形或者環槽側隙變小時，主要是發生熔著磨損；而磨料磨損與熔著磨損主要發生在滑動面的磨損上，因此，活塞環的磨損主要是滑動面的磨損。

在內燃機缸套上止點位置，潤滑油膜難以建立，這是由于該處受到高溫氣體作用，導致容易發生熔著磨損以及磨料磨損。一般情況下，活塞各道環滑動面的磨損量不相同，第一道氣環磨損量最大，第二道次之，而油環的磨損量最小［9］。

3結論

1）活塞環的磨損與載荷存在正相關性，即磨損量隨著載荷的升高而增大。必須在極限載荷（25 kg）下運行，才能使活塞環保持一個正常的磨損狀態。

2）活塞環磨損量受主軸轉速影響較大。活塞環的磨損量隨著主軸轉速的提高而增加。如果主軸轉速較低，則潤滑油膜不易形成，導致磨損加劇。

參考文獻：

［1］賈錫印.內燃機的潤滑與磨損［M］.北京：國防工業出版社，1988.

［2］石培基，董小瑞.柴油機活塞與缸套的匹配研究現狀［J］.柴油機設計與制造，2013，19（2）：57-60.

［3］施煒，孫軍，柴曉輝，等.活塞（環）-缸套摩擦副潤滑分析中不同邊界條件算法的應用［J］.內燃機，2013（4）：1-4.

［4］程丹，賀紹府，李紅杰，等.內燃機氣缸套磨損原因分析及研究［J］.內燃機與配件，2013（7）：32-34.

［5］陳貴清.內燃機活塞環-缸套摩擦磨損過程性能研究［D］.昆明：昆明理工大學，2005.

［6］鄭慶林.摩擦學原理［M］.北京：高等教育出版社，1994.

［7］蔣安，王忠，胡敏.表面氮化對活塞環摩擦磨損參數的影響分析［J］.機械設計與制造，2013（8）：178-181.

［8］仲志全，李華宇，伊棋.發動機運行工況對機油耗影響的試驗研究［J］.內燃機工程，2004（10）：69-71.

［9］金錫志.機器磨損及其對策［M］.北京：機械工業出版社，1996.

（責任編輯：郝安林）

中圖分類號：U464

文獻標志碼：A

文章編號：1673-2928（2016）04-0009-03

收稿日期：2015-10-22

作者簡介：陳建宏（1959-），男，福建福州人，副教授，主要從事車輛工程方面的研究。

Experimental Investigation on Tribological Performance of Cylinder Liner-Piston Ring Materials

CHEN Jianhong，CHEN Guiqing
（Fujian Chuanzheng Communications College，Fuzhou 350007，China）

Abstract:The experiment on friction and wear of diesel engine's cylinder liner-piston ring was performed with friction and wear testing machine made in the laboratory.The impact of load，speed and the way of lubrication on friction pair was tested，and the amount of wear was weight by Weighing method.The result shows that the amount of wear of the piston ring increases with the load increasing in the ultimate load；wearing intensifies for the oil film was difficult to form under of condition of low speed；the amount of wear is reduced if the friction pair was in the state of elastic hydrodynamic lubrication.

Key words:piston ring；cylinder liner；friction；abrasion