缸套-活塞环磨损失效分析及其表面织构强化研究.pdf

:./.缸套活塞环磨损失效分析及其表面织构强化研究罗仁军金 梅郭天扬吴 涛吕丑孝王少华孙健鹏(国网甘肃省甘南供电公司甘肃 合作)摘 要:缸套活塞环摩擦副表面磨损失效占到内燃机故障成因的三成以上 高温高压的极端条件下缸套活塞环之间的润滑油膜形成困难因而易用形成表面磨损 该文结合实际工况下的缸套表面磨损形貌分析了磨损的形式及其机理阐述了表面织构改性技术对降低缸套内表面磨损的作用并研究了织构形貌、分布、尺寸、面积占有率等影响因素对磨损性能的影响 研究发现:分区设计多种图案织构、选用合适的深径比和面积占有率是提升耐磨性、降低制造和维护成本的有效方式 以上研究对高性能内燃机缸套活塞环的设计制造提供参考关键词:缸套活塞环表面磨损表面织构中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.:引 言摩擦磨损是工业设备运转过程中不可避免的问题 设备及零件的磨损会导致能源、金属材料等大量消耗不利于生态环境保护 缸套活塞环是车辆发动机中重要的摩擦副 发动机工作时缸套活塞受到循环高压、高温的冲击此恶劣条件下的往复摩擦会使摩擦副的表面性能下降使发动机产生故障缸套活塞环的摩擦性能一定程度上影响着发动机的输出功率、燃油效率和使用寿命还影响着润滑油的损耗等 缸套活塞环的失效原因统计报告显示表面失效是导致缸套活塞发生失效的主要因素(占比高达 以上)表面失效形成又以表面磨损为主 随着科学技术进一步发展人们对发动机的性能要求提出了更高的要求 因此改善缸套活塞摩擦副的表面性能尤其是磨损性能对提高发动机的性能和使用寿命具有重要意义人们在改进发动机材料的同时也从以下三个方面来提高缸套活塞环摩擦副的耐磨性能:表面涂层处理工艺如镀铬、表面氮化、超音速喷涂等采用高性能的润滑油通过改变缸套活塞环的表面微观形貌来改善表面油膜分布例如表面织构强化等 笔者就缸套活塞环的工作环境和表面微观形貌进行分析分析其失效机理并阐述了表面织构技术应用在缸套活塞环摩擦副中的原理和影响因素 缸套活塞环失效表面形貌缸套是发动机内燃油气体发生压缩、燃烧和膨胀的地方因此发动机工作时缸套内外存在较大的压力差和温度差 实际工况表明柴油发动机的缸套内最高燃气温度超过 最高气压可达 以上增压发动机中甚至更高 在这种高温高压条件下润滑油易发生变质润滑油膜难以形成使缸套内表面磨损加剧 此外缸套内壁在活塞环的相对运动中受到强烈的摩擦和敲击且外表面直接与冷却水接触而易发生腐蚀 因此发动机工作过程中缸套受机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)车辆研究收稿日期:作者简介:罗仁军()男甘肃永靖人工程师主要从事输电、配电线路设计方面的科研工作到热应力、机械应力、摩擦磨损以及化学腐蚀等多种作用 缸 套 表 面 失 效 情 况 复 杂 但 以 磨 损 为主 图 所示为发动机中的珩磨网纹表面织构图 缸套珩磨网纹织构 图()为未使用的缸套的原始表面表面上有由于珩磨产生的网状栅格 这些栅格在工作时可储存润滑油它可以保证油膜厚度从而保证发动机的正常工作 图()()是大修发动机中失效缸套的表面形貌 图()显示了缸套上止点处的表面形貌从图中可以看出其表面上有明显由犁沟、表层落形成的凹坑和点蚀坑 这表明缸套上止点表面发生了显著的磨粒磨损、粘着磨损、腐蚀磨损和疲劳磨损图()为缸套中部的表面形貌该处没有发现大面积的脱落坑但与上止点一样具有明显的犁沟和点蚀坑这表明缸套中部的磨损特征与上止点相同 图()展现了缸套下止点附近的表面形貌其中有明显的由磨粒磨损造成的犁沟但犁沟的深度和宽度较小 由图 可以看出缸套的下止点和中部的点蚀坑的数量较少犁沟深度也较小而上止点磨损最为严重这是因为在一个行程中上止点处速度较低动压润滑油膜在此处最容易破裂图 缸套表面形貌 缸套活塞环失效分析通过对缸套的原始表面以及失效缸套的不同部位的形貌进行观察可以确定其失效形式及原因缸套表面发生各种形式磨损的主要原因如下.磨粒磨损磨粒磨损的外部因素是因为在质检时没有将一些细小沙砾和金属颗粒清理干净导致硬颗粒在滑动时剧烈磨削表面 内部因素是因为摩擦副表面不平整使缸套内壁的凸体在摩擦作用下从表面剥落成为磨粒当缸套与活塞环发生相对运动时磨粒沿着滑动的方向犁削摩擦副表面从而形成大量犁沟即发生磨粒磨损.粘着磨损在缸内的高温条件下润滑油膜难以形成缸套与活塞环之间属于边界润滑尤其在上止点较为显著 缸套与活塞环发生相对滑动时两表面的一部分微凸体直接接触产生较高的摩擦热局部高温使该接触点的金属熔化并粘着 缸套和活塞环的接触点会形成粘着剪切再粘着再剪切的循环并在表面留下凹坑导致了粘着磨损的发生 从上止点至下止点缸内温度随之降低最高温度出现在上止点附近 因此上止点附近发生黏附磨损的程度最大中部次之下止点附近受黏附磨损的程度最小这与表面形貌所展示的结果是一样的.腐蚀磨损随着运行年限增加缸壁和活塞环的缝隙中会渗入燃油燃油和润滑油的混合液在长时间的高温环境作用下会反应生成酸类强腐蚀性物质 这些变质的润滑油直接作用于缸套内表面的金属和被磨损暴露的金属内部并对其进行严重的腐蚀腐蚀产物随润滑油流动从表面脱落在金属表面形成细小孔洞例如图()中缸套上止点有明显的犁削、粘着脱落和点蚀坑这分别是典型的磨粒磨损、粘着磨损和腐蚀磨损的特征 图()()所示缸套中部主要是磨粒磨损和腐蚀磨损产生的犁沟和点蚀坑还存在少许的粘着磨损 缸内温度在下止点处最低摩擦力也最小因此下止点处通常润滑良好表面形貌主要是磨粒磨损产生的犁沟 表面织构强化表面织构是一种有效提高摩擦零件表面承载能力和耐磨性的表面改性方法 世纪 年代提出的摩擦副表面楔形间隙和流动承载压力是表面织构改善摩擦性能的重要基础 摩擦副表面的微孔隙可以被看成是微小的液体动压润滑轴承在施加流体动压后能够有效增加摩擦副表面承载能力 大量理论和实践已经证实了可以通过摩擦副表面的微织构承载润滑油膜实现流体润滑时的减磨效果 因此表面织构的形貌、分布、尺寸等参数极大影响着减摩耐磨的效果.表面织构形貌及其分布的影响常见的表面织构如图 所示主要是横向沟槽织车辆研究 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用构、纵向沟槽织构以及凹坑织构 目前沟槽织构在缸套活塞环摩擦副的应用最普遍相比于常规的平顶珩磨螺旋滑动珩磨在增加油膜厚度的同时降低了摩擦系数具有工艺简单、适合批量化生产的优点图 种织构图案 不同形状凹坑织构提升油膜承载能力的仿真分析结果如图 所示 结果表明当表面织构同为凹坑织构时凹坑形状呈椭圆或圆形时的摩擦系数更低油膜承载能力更高 这是因为圆形凹坑不仅能降低磨粒磨损还能使表面动压油膜更易形成图 不同形状织构油膜承载力提升百分比 凹坑的排列和分布也影响耐磨性能 对缸套而言均匀分布的凹坑比间距变化的凹坑织构具有更好的润滑能力如图 所示是四种表面织构常见的排布方式图 表面织构常见的排布方式 基于 方程及 分析四种排布方式的凹坑织构分析发现四种排布方式的凹坑织构的润滑性能显著不同其中交错排布的凹坑织构具有更优秀的摩擦性能 织构分布角度不同减摩效果的差别也很明显 有研究认为分布角为 时效果最佳分布角为 时会发生严重的磨粒磨损 固定分布密度的单一织构可以有效地提高缸套的减摩耐磨性能但是在一些特定摩擦副区域多种织构的复合可以达到更好的效果例如椭圆织构和圆形织构的复合或者网状织构和凹坑织构的复合都比单一织构表面的减摩效果更好 已有研究指出缸套内壁的织构分区不仅可以提升润滑性能还能明显降低油耗.织构尺寸及面积占比的影响凹坑织构因其可控性好且易于激光加工而使用广泛 凹坑的直径和深度两种参数共同影响润滑油膜厚度最佳的深径比与润滑油黏度、工作温度等因素有关 在经过大量研究后人们普遍认为织构表面凹坑的深径比选用.时效果最佳 表面织构面积在摩擦副接触总面积的占比也显著影响着表面耐磨性能且研究认为面积占有率对油膜承载能力的影响超过深径比在一些实验研究和仿真模拟中发现当织构面积占有率过高时反而降低了摩擦副的耐磨性能 通常情况下在实验研究中的面积占有率通常小于 已有的研究认为面积占有率为 是比较经济且有效的 如图、所示图 面积占有率对摩擦因数的影响图 面积占有率对摩擦轮廓的影响 有实验发现面积占比为 时摩擦系数减小机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)车辆研究更明显磨痕轮廓的宽度和深度都比未织构试样更小 也有报道发现当凹坑面积占比达到 时产生的流体动压最大减摩耐磨性能达到最佳摩擦系数减小 磨损量减小超过.表面织构在干摩擦时的作用缸套内表面处于干摩擦工况时活塞环直接与缸套表面接触发生剧烈磨损而磨损产生的颗粒将进一步加剧表面的切削产生明显犁沟 关于表面织构在干摩擦时的作用效果的相关研究较少但是已有的研究显示表面织构在一定程度上可以改善粘着磨损 其原理在于表面织构一方面可以减小应力集中和摩擦系数另一方面沟槽和凹坑作为磨损颗粒物的存储器在一定程度上避免了磨屑磨损的加剧此外凹坑还具有一定的储油能力在边界润滑状态时它可以补充润滑油形成完整的润滑油膜降低磨损 激光加工等技术制造表面织构时如果发生织构局部重熔还可以实现表层晶粒细化从而提高摩擦副局部硬度和耐磨性 一般来说发生磨损的起因是因为滑动触点入口处油膜破裂 在出现干摩擦状态以及流体压力稳定状态时表面织构可能无法保证摩擦系数减小的特性 结 语缸套活塞环是内燃发动机内一对至关重要的摩擦副其磨损性能直接影响了发动机的功率、耗油量和排气量等性能 缸套活塞环失效的形式以磨损为主为降低缸套表面磨损量提高油膜承载能力采用表面织构强化技术捕捉磨屑、改善润滑条件、增加油膜厚度提高缸套内表面的耐磨性及耐腐蚀性等 笔者讨论了多个表面织构参数对耐磨性能的影响认为采用多种图案的织构并分区设计、选用合适的深径比和面积占有率是提升耐磨性、降低制造和维护成本的关键参考文献:任诗福金其炳李玉森.柴油机气门表面处理技术的改进.上海铁道科技():.徐传民吴义民.一种典型缸套活塞失效模式的诊断研究.内燃机配件():.郭俊平李芳波.气缸套平台珩磨网纹参数 的解析及评定.柴油机设计与制造():.赵益弘林慧晶潘继民.柴油机气缸套碎裂失效分析.热加工工艺():.李全帅扈钰涛许志强等.某大功率柴油机气缸套拉缸故障分析.柴油机():.马小明高 立陈宁璋.柴油发电机组活塞及缸套断裂失效分析.机械制造():.何 星王宪成李 奇等.车辆发动机缸套活塞环磨损失效分析.润滑与密封():.王煜强.内燃机车柴油机气缸套磨损故障分析及对策探讨.科技风():.李 奇王宪成何 星等.高功率密度柴油机缸套活塞环摩擦副磨损失效机理.中国表面工程():.靳 强.内燃机车柴油机气缸套磨损故障分析及处理.机械管理开发():.王文安刘志奇谢志鸣.激光加工表面织构对配流盘重载摩擦副摩擦磨损特性的影响.热加工工艺():.:.():.():.崔增霸.表面织构对活塞环缸套系统摩擦性能的影响.太原:太原理工大学.王劲孚钱炜熊磊等.表面织构排布形式对其润滑特性的影响.润滑与密封():.():.唐 令何鹏飞马国政等.缸套活塞环摩擦副表面性能强化研究进展.表面技术():.徐阳阳韩晓光徐久军等.激光表面织构微坑形貌及面积占有率对氮化气缸套摩擦学性能的影响.中国表面工程():.牛一旭逄显娟赵若凡等.利用激光表面织构改善钛锆合金乏油润滑摩擦学性能.河南科技大学学报(自然科学版)():.():.胡天昌胡丽天丁奇.钢表面激光织构化及其干摩擦特性研究.摩擦学学报():.江仁埔郭智威饶 响等.表面织构对缸套活塞环摩擦学性能的影响.内燃机学报():.车辆研究 年第 期(第 卷总第 期)机械研究与应用