高強(qiáng)化柴油機(jī)活塞環(huán)-氣缸套邊界潤(rùn)滑模型研究

張利敏,袁曉帥,呂步高,王延榮,強(qiáng)慧,劉旭康

(1.中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津),天津 300406;2.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200240)

隨著柴油機(jī)強(qiáng)化程度越來越高,活塞環(huán)-氣缸套摩擦副的工作條件也越來越苛刻,特別是在上止點(diǎn)位置,該摩擦副將承受高溫高壓等極惡劣工況條件,且摩擦副表面難以形成油膜潤(rùn)滑,處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)。邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下基材表面會(huì)與機(jī)油極壓添加劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng),形成一層極薄的化學(xué)反應(yīng)膜對(duì)基材表面進(jìn)行保護(hù),對(duì)摩擦副摩擦磨損性能有較大影響。由于邊界潤(rùn)滑涉及極薄表面層的性質(zhì)和變化,國(guó)內(nèi)外學(xué)者多通過試驗(yàn)手段對(duì)邊界潤(rùn)滑開展研究,研究結(jié)果表明摩擦副表面特性會(huì)受到摩擦膜的影響[1-2]。Gosvami等[3]提出了在動(dòng)態(tài)滑動(dòng)下摩擦膜生長(zhǎng)及磨損率的仿真模型,探明在單粗糙峰滑動(dòng)接觸試驗(yàn)中摩擦膜生長(zhǎng)與應(yīng)力有關(guān)。施洪生等[4]采用接觸電阻的方法考察了往復(fù)運(yùn)動(dòng)的活塞環(huán)-氣缸套摩擦副中表面膜的形成過程,并研究了表面膜的成分、厚度等特性。RUPESH等[5]建立了基底磨損與摩擦膜厚度之間的函數(shù)關(guān)系。LYU等[6]對(duì)摩擦膜的摩擦系數(shù)進(jìn)行了探究,認(rèn)為其只能通過試驗(yàn)方法獲取。近些年來,在對(duì)摩擦膜形成機(jī)制和規(guī)律研究的基礎(chǔ)上,許多學(xué)者對(duì)摩擦膜影響下的摩擦磨損開展了研究。Ghanbarzadeh等[7]提出了考慮ZDDP摩擦膜影響的半確定性磨損模型,該模型的接觸壓力采用彈性-完全塑性理論進(jìn)行計(jì)算,表面磨損采用修正的Archard磨損模型進(jìn)行計(jì)算,模型中的磨損系數(shù)定義為隨著摩擦膜的生長(zhǎng)發(fā)生改變。此后,Akchurin等[8]通過集成基于邊界元的接觸模型和應(yīng)力激發(fā)摩擦膜生長(zhǎng)方程,建立了用于模擬摩擦膜生成過程的模型。Chen等[9]建立了可模擬粗糙表面ZDDP摩擦膜形成和去除的模型,并將該模型應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)缸套表面摩擦膜模擬。Lyu等[10]針對(duì)往復(fù)摩擦副系統(tǒng)研究了考慮ZDDP影響的邊界潤(rùn)滑模型,并通過試樣級(jí)往復(fù)試驗(yàn)機(jī)開展邊界潤(rùn)滑試驗(yàn),驗(yàn)證了其模型的有效性。呂修頤等[11]在活塞環(huán)-氣缸套摩擦力計(jì)算過程中,通過考慮摩擦化學(xué)反應(yīng)膜的影響,對(duì)摩擦力計(jì)算模型進(jìn)行修正,并在試驗(yàn)機(jī)上驗(yàn)證其計(jì)算精度提高9%。

值得指出的是,雖然針對(duì)邊界潤(rùn)滑以及摩擦膜已經(jīng)開展了大量研究,但在工程應(yīng)用中,仍然缺少可綜合考慮工程結(jié)構(gòu)表面狀態(tài)的邊界潤(rùn)滑模型。因此,本研究將通過建立摩擦膜生長(zhǎng)演化模型、基于統(tǒng)計(jì)的粗糙表面接觸壓力分析模型、修正的邊界潤(rùn)滑非線性磨損模型來表征活塞環(huán)-氣缸套邊界潤(rùn)滑狀態(tài)的摩擦磨損性能,最后借助往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)模擬邊界潤(rùn)滑條件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。

1 活塞環(huán)-氣缸套邊界潤(rùn)滑模型

活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)在上止點(diǎn)時(shí),其速度為零,無法有效建立油膜,同時(shí)受到高溫、高壓燃?xì)庾饔?活塞環(huán)與缸套的接觸載荷較大,在該時(shí)刻摩擦副處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài),主要依靠邊界膜進(jìn)行承載。按照結(jié)構(gòu)性質(zhì)不同,邊界膜主要分為吸附膜和化學(xué)反應(yīng)膜。由于在高溫、高壓和沖擊環(huán)境下摩擦副表面的吸附膜極易破裂,因此本研究未考慮吸附膜的影響,主要考慮化學(xué)反應(yīng)膜對(duì)摩擦副摩擦磨損性能的影響。

1.1 摩擦膜的生長(zhǎng)與消耗模型

在邊界潤(rùn)滑中,摩擦化學(xué)反應(yīng)生成的固體反應(yīng)膜有效地阻隔了微凸體直接接觸,從而降低摩擦、減小磨損,作為邊界潤(rùn)滑最后一道防線阻止了表面膠合失效的發(fā)生。以ZDDP添加劑為例,吸附于表面的ZDDP分子在摩擦化學(xué)反應(yīng)作用下形成ZDDP反應(yīng)膜,ZDDP反應(yīng)膜在不斷生成的同時(shí)也在不斷地被磨損去除,其厚度變化取決于生成與去除過程的平衡情況。

為表征在邊界潤(rùn)滑中化學(xué)反應(yīng)膜(ZDDP膜)的生長(zhǎng)情況,模型中采用了基于切應(yīng)力激發(fā)的邊界膜生成模型,來確定反應(yīng)膜的生長(zhǎng)速率。化學(xué)反應(yīng)膜的生長(zhǎng)率的計(jì)算公式如下:

τ=μpasp。

式中:τ為切應(yīng)力,即摩擦力;μ為摩擦系數(shù);pasp為接觸壓力;Γ0為前置常數(shù);ΔUact為熱激發(fā)下的分子內(nèi)部激發(fā)能;ΔVact為激發(fā)體積常數(shù);kB為玻爾茲曼常數(shù);T為溫度。以上參數(shù)可以通過邊界潤(rùn)滑試驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定。使用以上公式可以計(jì)算得到反應(yīng)膜的厚度生成速率,可以看出其主要與接觸壓力、環(huán)境溫度以及摩擦系數(shù)有關(guān)。

在邊界潤(rùn)滑中,反應(yīng)膜的機(jī)械特性,包括硬度和彈性模量等會(huì)隨著反應(yīng)膜的厚度和環(huán)境溫度發(fā)生變化,進(jìn)而影響其接觸壓力和承載情況,需要在模型中加以考慮。反應(yīng)膜的硬度與其厚度密切相關(guān),靠近基體的硬度較高,而接近表層的硬度較低,并且二者基本上呈線性關(guān)系[8]。此外,反應(yīng)膜的硬度也會(huì)受到溫度影響,溫度越高,硬度越低。而反應(yīng)膜的彈性模量受溫度的影響較小,可以當(dāng)成常數(shù)來處理。

針對(duì)邊界膜的去除計(jì)算,模型中采邊界膜的厚度與其去除率呈線性相關(guān)的模型關(guān)系。去除率的計(jì)算可根據(jù)下面的公式:

式中:α為擬合參數(shù);hr為反應(yīng)膜厚度。根據(jù)這個(gè)關(guān)系可知,磨損率隨著反應(yīng)膜的生長(zhǎng)而增加,這主要是由于反應(yīng)膜的硬度隨著其厚度的增加而下降。

因此,反應(yīng)膜的生長(zhǎng)和磨損之間的平衡決定了其厚度演化過程。反應(yīng)膜厚度的變化通過下式計(jì)算:

根據(jù)上式,模型可以表征在邊界潤(rùn)滑中反應(yīng)膜厚度經(jīng)歷的快速生長(zhǎng)-逐漸穩(wěn)定-消耗破壞3個(gè)變化階段。并且可以預(yù)見的是,在摩擦發(fā)生的初始階段,反應(yīng)膜厚度較低、硬度較高,根據(jù)應(yīng)力激發(fā)機(jī)制,其生成率大于磨損速率,因此厚度持續(xù)增加。但此后生成率逐漸下降,磨損消耗增加,當(dāng)生成率和消耗率相等時(shí),反應(yīng)膜的厚度保持不變,進(jìn)入穩(wěn)定存在階段,此時(shí)摩擦系統(tǒng)進(jìn)入正常的邊界潤(rùn)滑階段。隨著潤(rùn)滑劑中ZDDP不斷消耗,如果得不到補(bǔ)充,那么反應(yīng)膜的生成率會(huì)逐漸下降,導(dǎo)致其磨損消耗率大于生成率,反應(yīng)膜厚度會(huì)持續(xù)降低。當(dāng)反應(yīng)膜被磨損殆盡時(shí),會(huì)發(fā)生大面積的金屬-金屬的直接接觸,產(chǎn)生嚴(yán)重的黏著磨損,甚至發(fā)生表面膠合失效。

1.2 多層粗糙接觸統(tǒng)計(jì)學(xué)模型

實(shí)際工程表面,化學(xué)反應(yīng)膜只是部分存在于基體表面,實(shí)際表面摩擦狀態(tài)是由化學(xué)反應(yīng)膜和基體共同決定的,由于化學(xué)反應(yīng)膜并不是均勻地在基體表面形成,因此兩者的接觸占比和接觸壓力可通過粗糙接觸統(tǒng)計(jì)學(xué)模型進(jìn)行定義。兩個(gè)粗糙接觸表面可以等效為一個(gè)粗糙平面與一個(gè)剛性平面接觸(如圖1所示),在等效接觸模型中,剛性平面距離參考平面為h,其中參考平面為鍍層基體形貌高度的平均位置,htri為化學(xué)反應(yīng)膜的厚度,并且假設(shè)表面粗糙峰高度分布服從概率函數(shù)φ(z)。

圖1 邊界潤(rùn)滑等效接觸模型

依據(jù)Greenwood和Tripp提出的統(tǒng)計(jì)模型可定義基體與剛性平面的接觸壓力為

反應(yīng)膜與剛性平面的接觸壓力可表示為

表面形貌服從高斯分布,即

1.3 邊界潤(rùn)滑下摩擦磨損模型

1.3.1 摩擦力模型

對(duì)于實(shí)際工程表面來說,總的接觸摩擦力如下:

Ffriction=μsαsps+μrαrpr。

式中:μs,μr分別為基體和反應(yīng)膜的接觸摩擦系數(shù),可以通過試驗(yàn)來確定。摩擦膜和基體的摩擦力均為摩擦系數(shù)、接觸占比系數(shù)和接觸壓力的乘積。

1.3.2 磨損模型

基體材料的磨損主要來源于兩個(gè)方面。首先是在多層接觸模型中,基體之間的接觸和滑移造成的機(jī)械磨損,可以由Archard磨損模型直接計(jì)算:

此外,在化學(xué)反應(yīng)膜的生成過程中,基體材料與潤(rùn)滑油中的添加劑會(huì)相互反應(yīng),不斷產(chǎn)生新的反應(yīng)膜,消耗基體材料,這也會(huì)造成一定的磨損,稱為反應(yīng)磨損。研究采用邊界潤(rùn)滑中的輕微磨損模型來表征反應(yīng)磨損。此模型假設(shè)輕微磨損主要來自于由基體材料和潤(rùn)滑添加劑之間化學(xué)反應(yīng)生成的摩擦膜的去除。當(dāng)摩擦膜部分被去除,系統(tǒng)的化學(xué)平衡(邊界潤(rùn)滑膜形成與去除)將被打破,而系統(tǒng)將通過消耗基體材料來重新獲得化學(xué)平衡。

此類磨損是由基體原子擴(kuò)散到反應(yīng)膜中造成的,屬于化學(xué)磨損,和應(yīng)用Archard模型的機(jī)械磨損有著本質(zhì)的區(qū)別,它和反應(yīng)物濃度、溫度以及反應(yīng)膜的消耗速率等密切相關(guān)。而在反應(yīng)膜不同厚度處的基體材料原子的濃度并不相同,具體來看,在反應(yīng)膜與基體結(jié)合的位置濃度最高,并沿著反應(yīng)膜厚度向外依次減小,在反應(yīng)膜的自由表面的濃度最低。基體材料在反應(yīng)膜中的原子濃度可由下面的關(guān)系確定:

C(h)=e-C1h。

式中:C(h)為基體材料原子的濃度;C1為常數(shù),可由試驗(yàn)確定。因此基體材料的化學(xué)磨損可由下式計(jì)算:

因此,應(yīng)用Archard磨損模型以及輕微磨損模型可以分別計(jì)算出邊界潤(rùn)滑中基體材料的機(jī)械磨損和化學(xué)磨損,最終較為準(zhǔn)確地確定基體的總磨損。

2 邊界潤(rùn)滑模型參數(shù)標(biāo)定

前述建立的活塞環(huán)-氣缸套摩擦膜以及磨損性能模型中如邊界摩擦系數(shù)、磨損系數(shù)以及應(yīng)力激發(fā)模型中的一些關(guān)鍵參數(shù)均需通過試驗(yàn)確定或者進(jìn)行標(biāo)定。

2.1 邊界摩擦力計(jì)算標(biāo)定

在邊界潤(rùn)滑的接觸摩擦力(Ffriction)計(jì)算模型中,總的摩擦力包括基體接觸摩擦力和化學(xué)反應(yīng)膜接觸摩擦力。其中需要進(jìn)行標(biāo)定的參數(shù)為基體接觸摩擦系數(shù)μs和化學(xué)反應(yīng)膜的摩擦系數(shù)μr。

基體接觸摩擦系數(shù)μs通過干摩擦試驗(yàn)(無潤(rùn)滑油)確定,試驗(yàn)結(jié)果如圖2a所示,取穩(wěn)定情況下的摩擦系數(shù);化學(xué)反應(yīng)膜的摩擦系數(shù)μr通過邊界潤(rùn)滑試驗(yàn)標(biāo)定,即在給定工況下(載荷160 N、溫度90 ℃、頻率2 Hz)試驗(yàn)得到穩(wěn)定狀態(tài)下的摩擦系數(shù),通過與仿真的總摩擦系數(shù)對(duì)比(結(jié)果如圖2b)來標(biāo)定μr。在基體摩擦系數(shù)已知的情況下,給定反應(yīng)膜的摩擦系數(shù)μr,若總摩擦系數(shù)的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果接近,可以確定反應(yīng)膜的摩擦系數(shù)μr,反之則修正μr,重新計(jì)算。修正的標(biāo)準(zhǔn)是:若仿真結(jié)果較大,則減小μr,反之則增大μr。

圖2 摩擦系數(shù)標(biāo)定結(jié)果

2.2 磨損計(jì)算標(biāo)定

反應(yīng)磨損是指磨損膜消耗造成的基體材料損失,這部分磨損占比很小,相關(guān)參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[8]確定。機(jī)械磨損,也即Archard磨損模型中的磨損,屬于黏著磨損,是主要磨損形式,需要通過邊界潤(rùn)滑試驗(yàn)標(biāo)定。在給定工況下(載荷160 N、溫度90 ℃、頻率2 Hz),試驗(yàn)停止后,在多個(gè)位置分別測(cè)量活塞環(huán)和缸套試樣的磨損量(見圖3),以平均磨損深度來迭代確定活塞環(huán)和缸套的磨損系數(shù)。磨損系數(shù)可以根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果修改,磨損深度越大,磨損系數(shù)也就越大,而且基本上與磨損深度等比例相關(guān)。

圖3 磨損量標(biāo)定結(jié)果

2.3 摩擦膜計(jì)算標(biāo)定

摩擦膜生成模型中,潤(rùn)滑油添加劑的激活能(ΔUact)和激活體積(ΔVact)這兩個(gè)參數(shù)決定摩擦膜的生成速率,而摩擦膜去除系數(shù)(α)決定了摩擦膜去除的速率。以上參數(shù)的標(biāo)定是以文獻(xiàn)[8]中的參數(shù)為基礎(chǔ),并考慮到所用潤(rùn)滑油添加劑的成分更為復(fù)雜,需要再根據(jù)邊界潤(rùn)滑試驗(yàn)做進(jìn)一步的修正,即通過測(cè)量在給定工況下(載荷160 N、溫度 70,90,110 ℃、頻率2 Hz)摩擦膜的厚度進(jìn)行修正。由于有3個(gè)參數(shù)需要標(biāo)定,因此標(biāo)定試驗(yàn)也需要做3組。但考慮到整機(jī)使用的潤(rùn)滑油和往復(fù)式邊界潤(rùn)滑試驗(yàn)中的一致,對(duì)于同一款潤(rùn)滑油,其添加劑的激活能(ΔUact)和激活體積(ΔVact)應(yīng)相等,因此,如實(shí)際測(cè)量的摩擦膜厚度與仿真結(jié)果有差距,則修正摩擦膜去除系數(shù)(α),即測(cè)量結(jié)果較小應(yīng)增大α,反之則減小α,最終獲得如圖4所示的仿真與試驗(yàn)對(duì)比圖。

圖4 摩擦膜生成模型參數(shù)標(biāo)定結(jié)果

3 邊界潤(rùn)滑模型試驗(yàn)驗(yàn)證

采用往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),開展邊界潤(rùn)滑試樣級(jí)試驗(yàn)驗(yàn)證。缸套試樣安裝于加熱塊的試樣槽,由曲柄連桿機(jī)構(gòu)帶動(dòng)做往復(fù)運(yùn)動(dòng);活塞環(huán)試樣固定在壓塊內(nèi)的夾具上,其接觸狀態(tài)如圖5所示。試驗(yàn)載荷通過加載系統(tǒng)施加到缸套與活塞環(huán)的接觸界面,由試驗(yàn)機(jī)通過旋緊加載螺桿對(duì)板簧施加正壓力。

圖5 往復(fù)式缸套-活塞環(huán)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

試驗(yàn)缸套選用鍍鉻缸套,厚度7 mm,將缸套按照9°沿圓周方向均勻等分,再切成約45 mm等長(zhǎng)小段作為試驗(yàn)試樣;活塞環(huán)選用噴鉬活塞環(huán),與實(shí)際使用的開口活塞環(huán)相同,按照12°沿圓周方向均分切割。試樣安裝前用汽油、酒精進(jìn)行超聲波清洗15 min。潤(rùn)滑油為RP-4652D潤(rùn)滑油。

摩擦磨損性能評(píng)價(jià)的試驗(yàn)條件見表1。共進(jìn)行5次重復(fù)性試驗(yàn),去掉最大值和最小值,其余的3次結(jié)果取平均值作為最終試驗(yàn)結(jié)果。

表1 摩擦磨損性能試驗(yàn)參數(shù)

按照前述的邊界潤(rùn)滑模型參數(shù)標(biāo)定方法開展試驗(yàn)標(biāo)定,標(biāo)定后的邊界潤(rùn)滑模型關(guān)鍵參數(shù)見表2。

表2 模型參數(shù)標(biāo)定結(jié)果

借助正向設(shè)計(jì)的思想,采用本研究建立的模型在新工況下進(jìn)行結(jié)果預(yù)測(cè),其中工況載荷為66 MPa,速度為200 r/min,往復(fù)行程為30 mm,溫度為100 ℃,130 ℃,160 ℃,190 ℃,仿真模擬時(shí)長(zhǎng)為24 h。采用鍍鉻缸套和噴鉬活塞環(huán),在邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下其表面生成高黏度的流體摩擦膜,主要是ZDDP自身摩擦化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物[12]。通過與同工況試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比,試驗(yàn)與仿真結(jié)果偏差在10%以內(nèi)(見圖6),驗(yàn)證了邊界潤(rùn)滑模型的有效性。

圖6 修正的邊界潤(rùn)滑模型仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比

4 結(jié)束語

建立了摩擦膜的生長(zhǎng)與消耗模型、多層粗糙接觸統(tǒng)計(jì)學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上建立了考慮摩擦膜影響的活塞環(huán)-氣缸套邊界潤(rùn)滑模型,并給出了模型關(guān)于摩擦系數(shù)、磨損率以及摩擦膜生成相關(guān)的關(guān)鍵系數(shù)標(biāo)定方法。選取全新工況對(duì)活塞環(huán)-氣缸套邊界潤(rùn)滑模型計(jì)算結(jié)果和模擬同工況邊界潤(rùn)滑的往復(fù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,摩擦系數(shù)和磨損量結(jié)果具有很好的吻合性,驗(yàn)證了該模型的有效性。