内燃机缸套-活塞环摩擦学研究回顾与展望
综述
基于声发射技术在线监测缸套-活塞环润滑状态研究报告汇报人：史士伟1.课题背景及研究意义内燃机作为一种高效率的动力设备,自19世纪中期问世以来,经过了一个多世纪的发展,已广泛应用于交通运输、农业机械、工程机械、发电等各行各业。
据调查,轻型车辆行驶过程中的能量损耗有7. 5%来自发动机的机械损耗,而发动机的机械损耗中占最大比例的是活塞、活塞环及轴承的摩擦功耗。
在内燃机的发展过程中,摩擦、磨损与润滑性能一直是科研工作者的重要研究内容。
缸套一活塞环摩擦副是内燃机的典型摩擦副,该摩擦副的性能直接影响内燃机整机的工作性能。
己有的研究表明,内燃机工作过程中的机械损失,有一半左右来自缸套一活塞环摩擦副;实践证明,内燃机工作过程中产生的故障在很大程度上来自于摩擦副的失效,而缸套一活塞环摩擦副又是这些摩擦副中的典型。
由于缸套-活塞环工作环境复杂、载荷大,并且两表面之间的润滑是一个动态过程,难以实现润滑状态的在线直接测量，本文采用了声发射技术作为检测缸套-活塞环润滑状态的工具。
声发射(Acoustic Emission,简称AE)技术具有以下优势:(1)声发射技术是一种动态无损检测技术,能够检测到被测物体表面裂纹的形成和扩展、摩擦副表面微凸体的弹-塑性变形、材料的缺陷和断裂等。
(2)能够在设备运行期间进行在线故障诊断,降低因设备停产造成的损失。
(3)适用于高温高压等环境的检测。
因此,基于声发射技术缸套-活塞环润滑状态的研究具有十分重要的实际意义。
2.国内外研究现状2.1声发射技术原理及其发展现状声发射事件的产生机理：声发射信号产生的机理是固体受到力作用时,由于内部缺陷的存在,会产生应力集中(位错运动就会产生应力集中),使塑性变形加大或形成裂纹与扩展,这时均要释放弹性波。
这种现象称声发射(Acoustic Emission,以下简称AE),可见声发射信号的产生是由于塑性变形与裂纹的产生和扩展时所释放的弹性波所致,而轴承典型故障机理正好是这种声发射的信号源。
一种内燃机活塞-缸套摩擦副动力学与摩擦学耦合的建模方法
一种内燃机活塞-缸套摩擦副动力学与摩擦学耦合的建模方法摘要：内燃机的活塞和缸套之间是典型的摩擦副，其摩擦性能对于发动机的能效和使用寿命有着重要影响。
本文针对内燃机活塞-缸套摩擦副动力学特点，提出一种基于有限元分析和摩擦学原理的耦合建模方法，对摩擦副的摩擦力和接触应力进行计算和分析。
该方法首先利用ANSYS进行有限元分析，得到摩擦副的应力分布情况，然后通过摩擦学理论对摩擦力进行计算并建立摩擦副的动力学模型，最后对摩擦副的耗能特性和接触疲劳寿命进行分析。
通过实际试验验证，结果表明该方法能够较准确地预测摩擦副的摩擦力和应力分布情况，并对摩擦副的耗能性能和接触疲劳寿命进行较为精确的估算。
关键词：内燃机；活塞-缸套摩擦副；动力学模型；摩擦学；耦合建模1. 引言内燃机是一种重要的动力装置，其运转过程中活塞和缸套之间的摩擦副是重要的能量转换和传递部件。
摩擦副的性能对于发动机的功率输出、效率、噪音和寿命等方面有着重要影响。
因此，准确地研究活塞-缸套摩擦副的动力学特性和摩擦学性能，对于提高发动机的功率输出、降低油耗和减少环境污染等方面具有重要意义。
目前，针对活塞-缸套摩擦副的研究主要集中在以下几个方面：摩擦学理论及其在摩擦副设计中的应用、摩擦副的动力学模型建立、摩擦副的摩擦力和接触应力分析等[1]。
但是，由于摩擦副具有高度的非线性和非稳态特性，因此单独地进行动力学或摩擦学建模容易导致模型不准确或不完整。
基于此，一种耦合的建模方法被提出，该方法将有限元分析和摩擦学理论有机地结合起来，对摩擦副的动力学特性和摩擦学性能进行全面分析。
2. 活塞-缸套摩擦副的有限元模型在建立摩擦副的动力学模型之前，需要先进行有限元分析，得到摩擦副的应力分布情况。
在实际操作中，可以先将摩擦副的一段简化为一个二维平面应力问题，利用有限元软件ANSYS进行分析。
假设摩擦副内部有一个单向耦合的长方体物体，其长度方向与摩擦副轴向一致，宽度和高度方向分别与径向和周向一致。
对柴油机缸套活塞环磨损问题的研究
对柴油机缸套活塞环磨损问题的研究发布时间：2021-10-09T08:07:48.253Z 来源：《科技新时代》2021年7期作者：刘丹[导读] 这就需要专门的诊断方法以及相关研究来对缸套和活塞环的磨损进行诊断和监测。
安庆帝伯格茨活塞有限公司?安徽省安庆市?246000摘要：柴油发动机中缸套与活塞是柴油机非常重要的零配件，在发动机运行的过程中往往会有着一些问题出现，而缸套活塞环磨损就是一种最为常见的问题，如果发动机内缸套与活塞环发生了磨损不及时修理还任其运行下去，对于发动机的损害是非常巨大的。
为此，有必要了解一些诊断缸套活塞环磨损的方法，从而采取有效措施来预防或减少柴油缸套活塞环磨损问题发生。
关键词：柴油机、缸套、活塞环；1.引言柴油发动机自发明以来距今已有120多年，经过么多年还在使用的柴油发动机诸多优点，如输出扭矩大、热效率高、燃油经济性好等。
柴油发动机与汽油发动机一样每个工作循环经历进气、压缩、做功、排气四个冲程。
在柴油机的四个冲程工作循环中缸套与活塞环发挥着重要的作用。
而其在惯性力以及气体压力的双重作用下往往会出现磨损的问题，当磨损问题出现，若不及时检修，不仅影响柴油机的正常工作，还会减少柴油机的使用寿命。
这就需要专门的诊断方法以及相关研究来对缸套和活塞环的磨损进行诊断和监测。
常用的检测方法可以分为两种，一种是在线监测；另一种是离线检测。
第一，在线监测，是指在相关的设备上直接安装一个数据传感器，使用专门的软件对所采集的实时设备数据进行在线监测，主要是通过缸套与活塞之间的相对运动情况以及气缸的密封性来判断是否发生了磨损。
在线监测优点就是能够及时掌握设备的运行状况，减少成本，提高可靠性。
第二，离线检测，是指称重法或者是缸径增量法，必须在停机以后拆卸气缸盖对缸套的直径进行测量或对气缸重量减少量进行称重从而判断缸套活塞环的磨损状况。
但是离线检测方法需要将柴油机进行拆卸才能来检测，不仅所需要时间较长工作量也非常大。
内燃机活塞裙部-缸套摩擦副润滑研究的现状、讨论与展望
性 的要求不断提高 ，保证 良好的活塞裙部一 缸套摩 滑分析的研究工作 。 擦副润滑状况更加重要 。为了深入全面地掌握活塞 １ ． 析模型 和基 本方 法 １分 裙部一 缸套 间的润 滑 状态 ，为 进行 合 理 的设 计提 供 １１１基本 润滑模 型 ．． 参考 ，国内外专家学者进行 了大量的研究工作 ，发 Ｋ ｏｌ Ｐ ｅｅ 针对 先 前 学 者在 研 究 活塞 运 ｎｌ和 ｅｋｎ 表 了许 多这 个专 题 的研 究成 果 。 动 中没 有考 虑活塞 裙 部润滑 的 实际 ． 门独立 开展 ，专 了活塞 裙部 润滑 问题 的研究 。认 为 活塞裙 部润 滑 问
２Ａ ｈ ｉ ｕ ｍ ｂｌ Ｉｄ ｓ Ｃ ｌ ｇ ，Ｈ ｆ ３０ １Ｃ ｉａ ． ｎ ｕ Ａ ｔ ｏｉ ｕｔ ｏｅｅ ｅ ｉ ０ ４ ， ｈｎ ） ｏ ｅｎ ￣ ｌ ｅ２
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｉ ｈ ｓｐ ｐ ｒ ｔ ｅ ｓａ ｕ ｎ ｅ ｅ ｏ ｍｅ ｔ ｏ ａ ｃ ｌｔ ｎ ａ ｄ ｅ ｐ ｒ ｎ ｅ ｅ ｒ ｈ ｏ ｕ ｒ ａ ｉｎ ｂ ｈ ｖ ｏ ｆｐ ｓｏ ｋ ｒ ｉ ｓ ｒ ｃ ： ｎ ｔ ｉ ａ ｅ ， ｈ ｔ ｔ ｓａ ｄ ｄ ｖ ｌ ｐ ｎ ｓ ｆ ｌ ｕ ａｉ ｎ ｘ ｅ ｉ ｃ ｏ ｍｅ ｔｒ ｓ ａ ｃ ｎ ｌｂ ｉ ｔ ｅ ａ ｉ ｒｏ ｉｔｎ ｓ ｉｔ ｎ ｃ ｏ ｉ ｔｒ ａ ｏ ｕ ｔ ｎ ｅ ｇ ｎ ｅ ｅ ｐ ｅ ｅ ｔｄ Ｓ ｍｅｐ ｏ ｌｍｓ ｅ ｄｔ ｅｓ ｌｅ ｎｔ ｅｆ ｒｈ ｒ ｅ ｅ ｒｈ ｗ ｒ ｌｏｄ ｓ ｕ ｓ ｄ ｎｅ ｎ ｌ ｍｂ ｓｉ ｎ ｉ ｅｗ ｒ ｒ ｓ ｎ ｅ ． ｏ ｒｂ ｅ ｅ ｂ ｏ ｖ ｄｉ ｔ ｅ ｓ ａｃ ｅ ｅ ａｓ ｉｃ ｓ ｅ ． ｃ ｏ ｎ ｏ ｈ ｕ ｒ Ｋｅ ｒ ｓ ｉ ｔｒ ａ ｏ ｕ ｔ ｎ ｅ ｇ ｎ ； ｉｔｎ ｓ ｉ ； ｙ ｉｄ ｒ ｉ ｅ ｌ ｂ ｉａ ｉｎ ｙ ｗｏ ｄ ： ｎ ｅｎ ｌ ｍｂ ｓｉ ｎ ｉ ｅ ｐ ｓｏ ｋ ｒ ｃ ｌ ｅ ｎ ； ｕ ｒｃ ｔ ｃ ｏ ｔ ｎ ｌ ｏ
影响内燃机活塞环—缸套擦伤的因素及防擦伤的摩擦学设计(1)
第18卷 第3期摩擦学学报V o l18, N o3 1998年9月TR I BOLO GY Sep,1998评述与进展(283～288)影响内燃机活塞环2缸套擦伤的因素及防擦伤的摩擦学设计桂长林(合肥工业大学机械系 合肥 230009)摘要 阐述了内燃机活塞环2缸套擦伤的机理.分析了磨合,缸套表面形貌,活塞环外形,活塞组件的热变形与机械变形,润滑油,材料和表面覆层等因素对活塞环擦伤的影响.指出可以采用内燃机强化系数p e v m作为活塞环防擦伤摩擦学设计的判别特征值,从而为从设计上防止活塞环擦伤提供了思路.关键词 内燃机 活塞环 擦伤 摩擦学设计分类号 T K423.33关于内燃机活塞环2缸套擦伤(Scuffing)的研究始于70年代[1].目前人们对于解决活塞环2缸套擦伤(拉缸)已积累了不少经验,然而,这一问题还远未得到圆满解决.直接或间接影响活塞环2缸套擦伤行为的因素很多,除活塞环本身之外,还包括缸套、活塞、机体、发动机总体设计、润滑、冷却、燃烧、制造工艺和工况等多方面的因素.本文从摩擦学设计角度出发分析了活塞环2缸套的擦伤机理,指出从设计上解决问题的思路.1 擦伤机理擦伤是由于润滑油膜破坏,摩擦副与金属直接接触,滑动表面形成以局部粘着为特征的、肉眼可见的损伤[2].不同的摩擦副可能具有明显不同的擦伤行为及机理.比如轴承与活塞环虽然均为滑动摩擦副,但由于工况、结构和润滑状况等方面的差异,其擦伤特性有很大区别.轴承在擦伤之后通常迅速发生烧瓦,而活塞环在擦伤之后仍可继续运转.齿轮在发生擦伤之后不仅可继续运行,甚至还可加载运行[3].研究表明[4],活塞环2缸套的擦伤是多种因素综合作用的结果.A ue指出[5]:当物体B在边界润滑下在物体A上滑动时,因摩擦产生的热Q=p vΛ[见图1(a)].如果在某一特定点,因瞬时润滑不足或硬微粒存在而发生较严重的摩擦[如图1(b)所示],摩擦系数由Λ增大为Λ′,则该点将产生更多的热并因温度升高而膨胀,产生“热力凸起(T her m al bum p)”现象,从而导致物体间的直接接触.如果磨损率适当高,足以消除“凸起”,那么仍可保持运转稳定;或者因硬颗粒去除与润滑情况改善,使凸起面恢复正常,使“热力凸起”冷却并收缩,瞬间擦伤伤痕可被磨平.如果磨损率不够高,难以消除“热力凸起”,则将发生恶性循环.研究显示,“热力凸起”点由于瞬时迅速加热和冷却,先形成3机械部技术发展基金资助项目 1997208220收到初稿,1998206218收到修改稿 本文通讯联系人桂长林.桂长林 男,62岁,教授,主要研究机械的摩擦学设计理论与方法,发表论文80余篇.“亮点”脱落,形成肉眼可见的擦伤痕迹.此时,如恶性循环发展下去则导致严重的擦伤.由图2可见,环表面的亮点(白色层)处在轻微擦伤和严重擦伤之间的转变区(p 1～p 2)内.显然,F ig 1 Scuffing m echanis m图1 擦伤机理白色层是在稍低于转变压力(p 2)之下形成的.显微分析表明,白色层的作用在于形成一层氧F ig 2 Fo r m ati on p rocess of scuffing 图2 擦伤形成过程化硬膜起防护作用.总之,活塞环的擦伤机理可认为在高温环境下,当活塞环面上某特定点的接触压力高于瞬间、局部润滑状态下所能承受的最大压力时,则发生擦伤.当初始擦伤不能被消除并进一步发展时,则将影响内燃机正常工作.2 影响活塞环擦伤的因素及擦伤的早期征兆2.1 磨合活塞环擦伤多发生于发动机磨合期.通常未磨合表面上的实际接触压力高于磨合后表面的接触压力.另外,磨合可以避免活塞环的边缘接触.如图3所示,活塞在工作过程中的偏转引起活塞环的边缘接触,从而使接触压力显著增高并进而导致擦伤.桶形活塞环的发明减轻了边缘接触引起的擦伤危险.但是各种内燃机的活塞偏摆大小不同,因此不能将一种磨合程序用于所有内燃机.为了实现活塞环与缸套的最佳配合,在磨合初期应采用轻负荷和高速度,随后逐步增加磨合负荷,直至达到完全磨合.2.2 缸套的表面形貌缸套表面形貌对活塞环擦伤具有一定的影响.业已发现,金刚石珩磨油与石珩磨缸套表面生产效率较高,但易发生擦伤;而经过正常磨合且运转正常的发动机易发生所谓的“老化擦伤(O ld 2age scuffing )”.研究表明:前者是由于经金刚石珩磨的表面存在尖峰,容易引起金属直接接触和磨粒脱落;后者是由于表面过于光滑,缸壁面的存油容易被刮除.因此,为了避免擦伤,缸套表面应具有适当的表面形貌.通常在设计与加工中应注意使缸套表面具有一定的峰与谷,且各个谷之间不能连通.这样以来,峰支承压力,谷贮存残存的润滑油和小磨粒,而不连通的谷有助于润滑油的贮存和向峰部浸润.但表面并不是越粗糙越好,因为过大482摩 擦 学 学 报第18卷的粗糙度导致机油损耗增加.2.3 活塞环外形为了减小活塞的惯性,在设计中应尽量控制活塞的尺寸.但是,太短的活塞在工作中容易摆动,从而导致活塞环边缘接触而拉缸.此外,为了减轻内燃机的重量,通常采用薄壁缸套,这样缸套的热变形可能增大,也会导致活塞环拉缸.因此,为了防止发生拉缸,第1道气F ig 3 Edge contact betw een p iston ring and cylinder liner caused by p iston tilt图3 由于活塞偏摆引起的活塞环边缘接触环外表面一般采用桶面外形(包括梯形).如果采用矩形环,经过一段时间的磨合与运行后,也会最终转变为桶形环.因此,内燃机第1道环采用桶形环是客观规律作用的必然结果.对运行后的活塞环面进行检测发现[6],第1道环上侧比下侧磨损严重,磨损表面为不对称桶面,第2道环磨损表面的不对称性没有第1道环那样明显(图4).焦明华等[7]研究表明,第1道桶面环的非对称性有利于降低机油损耗.2.4 变形变形对活塞环的擦伤有重大影响.变形包括因温度引起的活塞、活塞环和缸套的热变形及因机械作用引起的缸套变形两类.在气缸体内,由于温度分布不均,活塞、活塞环和缸套都会发生热变形.热变形的严重后果是活塞环的缸套圆周上失去紧密贴合,个别位置产生间隙,使F ig 4 Contour of p iston ring after 400h running (T he figures 1to 4rep resent the finst ring to fourth ring )图4 运转400h 后活塞环的外形(图中1～4为环的道数)炽热气体从环与套的滑动面上通过,从而破坏间隙处及其周围的润滑油膜,并使活塞环进一步变形.同时,在环背气体压力的作用下,环与套将因干摩擦而擦伤.气缸体内各零件的温度高低及分布不仅取决于燃烧室和各零件的设计,同时还与冷却系统的设计有关系.控制活塞环的温度,改善缸套顶部的冷却水循环,保持活塞环在有冷却水套的区域工作,控制头道环槽的热流强度等对于活塞环的热变形具有重要的意义[4].另一方面,内燃机运转时活塞对缸壁的侧推力,缸盖底面对缸套的压紧力,缸盖螺栓通过机体顶板间接作用于缸套的力等是引起缸套机械变形的主要因素.研究表明[8]:在上述诸多因素中,缸盖螺栓通过机体顶板间接作用于缸套的力常常是引起缸套机械变形和失圆的首要原因.为此,在设计机体时应使缸盖螺栓的作用力,包括装配时的预紧力和工作中的拉力尽可能地直接通过与缸体缸筒分开的那些框架结构传递给主轴承座,使缸体缸筒少受传力结构的影响并使缸盖螺栓尽可能均匀分布.通过对复杂的机体刚性进行有限元分析,可了解所设计的机体、缸盖和缸套等在内燃机工作时机械变形的情况.2.5 润滑油通常情况下,润滑油粘度越高,其抗擦伤能力越强;油的品质愈高,抗擦伤能力愈强[6].因此,对于高速内燃机(活塞平均速度>9m s ),不能仅从节能角度考虑选用低粘度的润滑582第3期桂长林: 内燃机活塞环2缸套擦伤的影响因素及防擦伤摩擦学设计油.另外,活塞环的粘着和积炭是导致擦伤的主要原因[4].这是由于积炭减少了活塞环侧向间隙,妨碍了活塞环在环槽内的正常相对运动.在这种情况下,活塞的侧向推力将集中在活塞环的某一区段上而引发擦伤.因此,选用高品质的内燃机油对防止擦伤具有重要的意义.2.6 材料和表面覆层研究与生产实际表明:对于汽油机和非增压柴油机来说,第1道活塞环采用镀铬覆层,配高磷或硼铸铁缸套具有良好的摩擦磨损综合性能.由于钼的熔点(2640℃)高于铬的熔点(1770℃),因而喷钼活塞环的抗擦伤能力优于镀铬活塞环.因此,对于高强化柴油机(p e v m ≥14M Pa m s)[9],应采用喷钼活塞环匹配高磷铸铁缸套或镀铬铸铁缸套[10].从防止擦伤的角度来说,通常不主张选用高硬度的耐磨材料和表面覆层.2.7 活塞环擦伤的早期征兆内燃机活塞环发生初期轻微擦伤时,振动与噪声均无明显增大,因而不易被发现,但此时机油消耗量与漏气均会迅速增加.如果忽视了这些征兆而未能及时采取对策,当擦伤加剧时就可能导致活塞环与活塞的损坏,进而引发活塞完全卡死(咬缸)[4].3 防活塞环2缸套擦伤的摩擦学设计3.1 判别擦伤可能性的指标及指标值的确定设计和研制新型内燃机时应当判断该内燃机是否需要进行防擦伤设计以及确定防擦伤设计的等级.A ue[5]提出用数值“D”代表擦伤的可能性,并用下式表示:D=S v S c.(1)S v=p v Λl.(2)S c=E Εc Θ.(3)式中:S v表征摩擦副工作的苛刻程度,p为接触压力,v为滑动速度,Λ为摩擦系数,l表征材料的弹性变形能力;S c表征材料的物性系数,E为弹性模量,Ε为热膨胀系数,c为比热,Θ为密度.D值具有一定的普遍意义.就内燃机活塞环2缸套摩擦副来说,该判别式可以进一步简化.首先,活塞环与缸套常用材料铸铁在所有金属中具有最佳S c值,因而S c值的影响可以忽略;与此相似,l的影响也可忽略.其次,摩擦系数Λ与环境、工况、结构、润滑和材质等多方面因素有关,因此不宜将摩擦系数作为判断擦伤可能性的指标.本文建议采用接触压力p 与滑动速度v的乘积IS r,作为内燃机活塞环擦伤可能性的判别指标。
发动机缸套活塞环摩擦磨损特性试验研究
活塞内设计三个通孔安装弹簧 , 通过换装不同刚度的
弹簧来改变缸套2活塞环之间的载荷[2] ; 用以测量摩
擦力信号的力传感器安装在发兰盘和机架之间 ; 用以
测量速度信号的速度传感器安装在活塞顶部中央位
置。
(5) 测试和数据采集系统 : 力传感器和速度传感
器将测量信号传输到终端 , 通过编制程序实现对信号
提出了考虑双电层作用的电化学边界润滑模型 。 此模型可用于分析许多机电结合领域中的摩擦学问 题 , 并用于指导实践 。
参考文献 1 石庚辰 1 微机电系统技术 1 国防工业出版社 , 20021 2 温诗铸 1 纳米摩擦学 1 清华大学出版社 , 19981 3 P A Rehbinder , E K Venstrem1Electrocapillary Effects in the Re2
duction of the Rigidity and Hardness of Metal1Acta1 Physicochim , URSS , 1944 (19) : 36～501 4 F P Bowden , L Young1Influence of Interfacial Potential on Friction and Surface Damage1 Research , 1950 , 3 : 2351 5 J O’M Bockris , S D Argade1Dependence of Friction at Wet Con2 tacts upon Interfacial Potential J1 of Chem1 Phys1 , Vol150 , (4) : 1622～16231 6 Y Y Zhu , G H Kelsall , H A Spikes1The Influence of Electrochemi2
内燃机缸套-活塞环微织构设计与研究进展
内燃机缸套-活塞环微织构设计与研究进展苗嘉智;郭智威;袁成清【摘要】The application of micro-texture is a favourable technology of surface modification to improve the tribological performances of cylinder liner-piston ring rubbing pairs.The functional mechanism on improving lubrication and friction performances of cylinder liner-piston ring by micro-textures was analyzed.The research states and progress of multiple texture,combination texture and bionic texture were summarized.The future emphases of further studies on surface textures were prospected.%微织构作为一种良好的表面改性技术已经被广泛应用于改善发动机缸套-活塞环摩擦副的摩擦性能.以微织构的研究方向为依据,分析微织构改善缸套-活塞环表面润滑摩擦性能的作用机制,总结和阐述织构复合化、组合织构以及织构仿生化等方面的研究现状和进展,最后,指出表面织构研究中存在的不足和对下一步研究重点的展望.【期刊名称】《润滑与密封》【年(卷),期】2017(042)002【总页数】9页(P124-131,140)【关键词】微织构;缸套-活塞环;摩擦;仿生摩擦;部分表面织构【作者】苗嘉智;郭智威;袁成清【作者单位】武汉理工大学能源与动力工程学院湖北武汉430063;武汉理工大学能源与动力工程学院湖北武汉430063;国家水运安全工程技术研究中心可靠性工程研究所湖北武汉430063;武汉理工大学能源与动力工程学院湖北武汉430063;国家水运安全工程技术研究中心可靠性工程研究所湖北武汉430063【正文语种】中文【中图分类】TH117.1缸套-活塞环系统的工作性能对内燃机的使用寿命、稳定性、噪声和振动等方面有较大影响。
车辆发动机缸套一活塞环磨损试验研究
度 的 试 样 磨 损 试 验 。依 据 磨 损 试 验 数 据 ， 分 析 了缸 套 试 样 的 磨 损 质 量 和 磨 损 率 的 变 化 过 程 ； 通 过 试 样 表 面 电镜 扫 描， 分析 了缸 套 试 样 不 同磨 损 阶段 的 表 面形 貌 特 征 ； 采用响应面拟合 方法 ， 建 立 了不 同工 况 下 Ａｒ ｃ ｈ ａ ｒ ｄ黏 着磨 损 模
感 器及 其测 试部 件等 。
动机 的寿命 密 切相 关 ， 不 少 研 究 工作 一 直致 力 于 开
展 缸 套一 活塞 环 的润滑 、 磨损 状况 的计算 ， 并 借此 研 究 发 动机 的 寿命 口 ］ 。 目前 普遍 采 用 滑 动 摩 擦 副 黏 着磨 损 的经典 模 型— — Ａｒ ｃ ｈ ａ ｒ ｄ模 型 对 缸 套磨 损 量 进 行 计算 ［ ４ ］ 。受 车辆 发动 机实 际使 用状 况 的影 响 ，
度为 １ ． ５ ｍ， 维 式硬 度 ＨＶ 为 ６ ５ ０ 。
磨 损 试 验 在 ＭＭ１ ０ Ｗ 万 能摩 擦 磨 损试 验机 上
进行（ 见图１ ） 。
试验 过程 中 ， 上试 样 为旋 转 件 ， 下 试样 固定 件 ，
接触 形式 为 面接触 ， 接触 面积 为 ９ ８ ． １ ｍｍ。 。 １ ． ３ 试 验方 案设计
拟 合方 法 建 立 Ａｒ ｃ ｈ ａ ｒ ｄ模 型 中磨 损 系 数 Ｋ 关 于 工
坯经车床 、 铣床 、 磨床加工至基本 尺寸后 ， 修钝锐边 ， 后 去毛刺 ， 退磁 ； 表 面镀铬 ， 使 用高 精度平 面 磨床精 磨表
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内燃机缸套-活塞环摩擦学研究回顾与展望西安交通大学张家玺高群钦朱均摘要:内燃机缸套-活塞环摩擦副是一个典型的摩擦学系统，其中含有多种类型的摩擦和磨损，润滑、摩擦、磨损的相互作用十分显著。
其摩擦学性能对提高内燃机的可靠性和耐久性，保证内燃机经济、可靠地工作具有决定性的作用。
其摩擦学问题的研究一直是人们关注的热点之一。
关键词：内燃机缸套活塞环摩擦学研究内燃机中缸套-活塞环摩擦副对内燃机工作性能(动力性、经济性以及稳定性等)和使用寿命有着举足轻重的影响。
如何控制好这对摩擦副的摩擦学行为是人们魂系梦牵的事情。
由于缸套-活塞环摩擦副的工作条件十分苛刻，经常处于高温、高压和高冲击负荷工作状态。
为了解决好这对摩擦副的润滑和抗磨问题，国内外许多汽车工程技术人员，长期以来孜孜以求地投入了大量的研究工作，至今仍在探索。
1 缸套-活塞环摩擦学理论研究概述从缸套-活塞环研究的历史上看，早期对缸套-活塞环的摩擦学研究主要是求内燃机的摩擦功耗，自Stanton,T.E.1925年发表第一个摩擦力研究结果以来，人们围绕着缸套-活塞环的摩擦及润滑问题做了许多工作，Rogowki,A.R.指出活塞连杆系统的摩擦功耗可占到整个内燃机机械损失的75％，而缸套-活塞环的摩擦功耗又占活塞连杆系统的75％，Ricardo,H.的研究表明当内燃机以1600r/min转速运转时，活塞连杆系统的损失占机械损失的58％，并指出“对所有内燃机来说，活塞连杆系统的摩擦功耗是机械损耗的最大组成部分，但又是最难准确地定量描述的部分。
”最早在点火内燃机上进行摩擦力测量的是美国麻省理工学院的学者们，他们通过研究得出了摩擦力随气体压力升高略有增加的结论。
Farobarros,A.T Dyson,A.研究了不同粘度润滑油对摩擦力的影响以及在混合润滑区内减摩添加剂的作用。
Wakuri,Y.等人通过对摩擦力的测量和分析，指出贫油对摩擦力有巨大的影响，同时还探讨了环组中活塞环的数目对摩擦力的影响以及缸套-活塞环间油膜厚度随润滑油粘度的变化。
Furuhama,s.等人在缸套-活塞环摩擦学特性研究作出了巨大的贡献，他们于70年代末期研制的可动缸测量摩擦力装置，有效地克服了惯性力、气体压力等因素的影响，测得了在整个内燃机工作循环中的摩擦力变化过程，提出了内燃机载荷主要由流体润滑膜承担，而摩擦力主要受混合润滑区域影响的论断，这一点已被后来进一步的理论研究所证实。
Riches,M.F.等人侧重于混合润滑效应，从理论和实验两方面对缸套-活塞环间的摩擦力进行了研究，指出在低速及低粘条件下充分考虑混合润滑作用的重要性。
活塞环的摩擦影响着内燃机的效率，而缸套-活塞环的磨损则影响着它们的使用寿命，近年来，对高性能内燃机提出要求之一就是延长不解体检测的运行时间。
为此，减少缸套-活塞环的磨损就成了首要的任务。
缸套-活塞环的磨损是非常复杂的，它受到许多因素的影响，同时其磨损又包含粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损等多种磨损形式。
针对这种情况,Nealc,M.J.经过广泛调查，于1970年发表文章阐述了缸套-活塞环一般的磨损机理，提出了一些改善措施，指出了需要加强研究的问题。
基于Archard,J.F.磨损定律，Ting,L.L.等人提出了一种分析缸套-活塞环磨损的模型，分别计算了缸套上推力面和次推力面的磨损，得出了缸套磨损曲线。
国内的桂长林教授也提出了一种将Archard,J.F.模型用于机械零件磨损设计的算法，并重点分析了缸套-活塞环的磨损问题。
该文指出了缸套-活塞环的磨损问题的研究成效不显著的原因，主要是在设计上没有建立起一个可以预测缸套-活塞环耐磨寿命的计算模型和计算方法。
Baker,A.J.S.等人探讨了影响活塞环擦伤的动力学因素，提出了一种用无量纲临界功能法分析内燃机活塞环工况的方法，此外还探讨了载荷因素对缸套磨损的影响，并对磨损进行了测量。
此外，孔凌嘉较全面地讨论了缸套-活塞环的磨损问题，并第一次把磨损和润滑放在一个模型中加以研究，并考察了它们之间的偶合关系，建立了一个同时考虑边界润滑条件下的磨损与三体磨粒磨损的综合分析模型，对磨粒尺寸、磨粒浓度对磨损的影响做了定量的计算。
刘琨以内燃机活塞系统为研究对象，较系统地研究了缸套-活塞环、缸套-活塞裙部的摩擦学特性，为进行高性能的内燃机活塞系统设计提供了理论基础。
桂长林等人从缸套的磨合、耐磨性、摩擦功耗和机油消耗诸方面对设计上需要确定的表面形貌进行了探讨，给出一些参数组合。
缸套-活塞环间的磨损在上、下止(死)点处最大，尽管在冲程中部是流体润滑，但也是磨损存在，这就为磨损提出了新课题，促进人们进一步的研究。
润滑是降低摩擦、减少磨损的重要途径，因此缸套-活塞环的润滑也是长期以来人们所致力研究的领域。
Castleman,R.A.假定在冲程中部具有典型的载荷和速度，最先对缸套-活塞环流体润滑进行了计算，证实了表面外凸的活塞环可以与缸套间产生足够厚的油膜。
后来人们又发现，在分析和求解油膜厚度时，必须考虑挤压效应，这样才能在整个循环中求解。
分析表明，活塞环的曲率半径是影响油膜形成的关键因素。
在上、下止点处为了保证挤压效应，则活塞环应有较大的曲率半径，而在冲程中部为了保证动压效应，则希望曲率半径小。
因此，设计时应综合考虑。
在这个阶段，缸套-活塞环的润滑分析是采用简化了的Reynolds方程］。
这样就可完成缸套-活塞环在整个工作周期上的润滑计算。
利用此方程除了可以获得油膜厚度和流体压力之外，还可进一步求出由于润滑剂的剪切引起的摩擦力。
Dowson,D.等人于1979年把缸套-活塞环的研究推广到了环组，使研究进了一大步。
这从理论上就导致了要考虑活塞环间的相互作用。
很显然，前一个环会减少后一个环的供油，出现贫油现象。
因此，在前后两环之间必须加一个流量连续条件，使得求出的油膜厚度也得到了修正。
截止到七十年代末，人们在求解缸套-活塞环润滑时，都是在假定缸套-活塞环表面绝对光滑的前提下进行的，它揭示了活塞环表面轮廓对活塞环特性的重要影响，这是人们早期试图解释活塞环实际工作特性的一个重要方面。
但是在研究中发现的一个显著问题就是解释不了由实验所观测到的上、下止点处出现的较大摩擦力，这就使得人们开始探讨表面粗糙的影响。
进入八十年代以后，缸套-活塞环的润滑研究扩展到了混合润滑区域。
Rohde,S.M.通过把Patir,N.和Cheng,H.S.提出的平均Reynolds方程与Greenwood,J.A.和Tripp,J.H.的微凸体接触模型结合起来，建立了关于缸套-活塞环的混合润滑模型。
通过该模型，可以更好地分析缸套-活塞环的润滑问题，考查表面粗糙度对缸套-活塞环的影响，解释了一些用光滑面流体润滑理论解释不了的问题，从理论上证明了上、下死点处的摩擦力最大。
随后围绕混合润滑问题人们又做了许多工作，进一步确认了缸套-活塞环间的混合润滑区域的存在。
Hn,Y.Z.和Cheng,H.S.等人考虑了活塞环弹性变形的影响，提出了一个描述油膜特性不对称性的模型。
在对缸套-活塞环润滑特性理论分析的同时，实验研究也取得了很大进展，反过来对理论研究又起到了一定的推动作用。
实验研究缸套-活塞环润滑特性主要包含两个方面的工作：一是通过实验观察油膜厚度的存在；二是测定油膜厚度的循环变化律。
观察油膜厚度存在上要采用电阻法，Poppinga,R.最先使用这种方法测量了油膜厚度，此后又有许多学者采用此方法在不同的内燃机上测量了油膜厚度。
这种方法主要的发现是在上止点和下止点处油膜出现破裂，发生了固体接触。
电阻法的主要原理是当缸套-活塞环间有油膜存在时，电阻值大，当发生金属间直接接触时，电阻值小。
但这种方法反映不出油膜厚度在量值上随运转周期的循环变化。
这样人们便提出了用电容法和电感法测量油膜厚度循环变化。
Parker,D.A.等人分别把传感器安装在缸套上和活塞环上测量了油膜厚度。
此外，Wing,R.D.和Saunder,O.A.二人也作了类似测量实验，他们所得的测量结果基本一致，油膜厚度在5～12μm之间。
日本学者新启一郎采用一个缸套浮动的实验装置测量了油膜厚度，并探讨了温度的影响。
Furuhma,S.等人，于1983年发表了在实际发动机上对顶环油膜厚度的测量结果，其实测值和理论值取得了一致。
Moore,S.L.和Hamilton,G.M.二人在一台实际运行的发动机上同时测量了缸套-活塞间的油膜厚度和油膜压力，指出缸套-活塞环工作在贫油润滑状态。
2 摩擦副材料的合理选配正确选择摩擦副的材料是提高缸套-活塞环耐磨性的关键。
根据不同的磨损类型来具体考虑不同的配合副材料，一般选用互溶性小的材料，以防止粘着磨损；选用高硬度材料以防止其磨料磨损。
就缸套来说，出于缸壁承受高压气体和活塞的侧推力引起的应力，以及由于高温气体引起的热应力，要求缸套材料必须具有很高的结构强度和疲劳强度，否则会造成缸套变形或材料过早疲劳破坏。
此外，还必须具有良好的摩擦学性能，例如，耐磨性和抗咬合性，但是在单一的材料中往往不具备所需上述各种性能。
因此，在根据使用要求，选择合适的缸套材料时必须考虑力学性能与摩擦学性能之间的协调。
缸套大多数用灰铸铁或奥氏体铸铁制成。
为了提高缸套的力学强度，需要添加镍、铬、铜和钼等元素，以形成多相金属。
为了改善耐磨性，相当普通的做法是至少添加0.39％(按重量计)的铬，而一般认为同时要加0.65％的钼。
就活塞环来讲，国外通常选灰铸铁为母体，表层镀铬、钼或镍。
随着燃烧室最高燃气压力、压力递升率和发动机转速的不断提高，需要用抗拉强度和疲劳强度高的材料。
特别是顶环，因为它处于极为残酷的工况下工作。
目前已研制了如球墨铸铁和碳化可锻铸铁之类的材料，一般认为碳化可锻铸铁是近期生产的车用内燃机中顶环的最合适材料。
因为其强度足以经受内燃机各种工况，而且比球墨铸铁不易发生咬合，此外，球墨铸铁虽有很高的抗拉强度和疲劳强度，但其成本较高且耐磨性较差。
国内车用内燃机的缸套-活塞环常用的材料，一般为合金铸铁材料，如解放CA6102型发动机和东风EQ6105型发动机的缸套材料分别为铌合金铸铁和球墨铸铁；活塞环材料则分别为可锻铸铁镀铬处理和球墨铸铁镀铬处理。
3 引入流体动压润滑理论缸套-活塞环工作条件恶劣，润滑条件差。
为了减小磨损，国外一些内燃机设计制造厂家早在本世纪六十年代初期就有意识地引入流体动压润滑理论到内燃机的零部件设计中去。
应用流体动压效应来改善发动机缸套-活塞环润滑条件，英国里卡多公司(Recardo)率先进行这方面的研究，六十年代末，该公司曾为美国福特汽车公司和日本丰田汽车公司，设计桶形环和活塞裙部纵向基线是鼓形的新型活塞环组结构。
1975年该公司又为我国第二汽车制造厂生产的EQ6105型汽油机所作修改设计时，采用了这一结构，随后第一汽车制造厂生产的CA6102型汽油机也采用这一结构。