内燃机活塞环_缸套摩擦磨损过程性能研究

第三节活塞环与气缸套的摩擦磨损一、摩擦形式活塞环—气缸套是柴油机中一对重要的具有往复运动的运动副。

活塞环与气缸套受到高温、高压燃气的作用和冲刷，产生很大的机械应力与热应力。

工作表面受到腐蚀与严重的摩擦。

活塞往复运动速度在行程中点最大、止点位置为零。

所以，在恶劣的工作条件和低的运动速度下难于形成理想的液体动压润滑。

一般来说，活塞行程的中部工作表面易于实现液体摩擦，形成液体动压润滑，在上、下止点附近工作表面间形成极薄的边界油膜，实现边界润滑。

气缸中的高温不利于液体油膜建立。

因为高温，使润滑油粘度降低或氧化变质，使活塞头部变形影响正常配合间隙，使缸壁上已形成的油膜蒸发、氧化和烧损。

形成油膜的有利条件是：行程中点运动速度最大；己形成的油膜在下一个行程被更新之前暴露在高温中的时间极短，仅有几分之一秒；现代气缸油中的添加剂使润滑油的抗氧化安定性大大提高，增强了高温下保持油膜的能力。

二、气缸套的正常磨损柴油机的技术状态和使用寿命很大程度上取决于气缸套的磨损情况。

在正常工作条件下气缸套磨损是不可避免的。

一般只要气缸套的磨损量在允许范围之内(最大允许磨损量为0.4%～0.8%缸套内径)，气缸套就处于正常工作状态。

1．气缸套正常磨损的标志气缸套正常运转工况下正常磨损的特征是最大磨损部位在气缸套上部，即活塞位于上止点时第1、2道活塞环对应的缸壁处，并沿缸壁向下磨损量逐渐减小，气缸内孔呈喇叭状。

气缸套左右舷方向的磨损大于首尾方向的磨损。

图2-7为气缸套正常磨损后缸壁纵向形状和磨损量示意图。

正常磨损的参数:：圆度误差、圆柱度误差、内径增量(缸径最大增量)小于说明书或有关标准的规定值；缸套磨损率：铸铁缸套< 0.1mm/kh，镀铬缸套在0.01～0.03mm/kh之间；气缸工作表面清洁光滑，无明显划痕、擦伤等磨损痕迹。

2．正常磨损原因(1)处于边界润滑部位的局部金属直接接触引起的粘着磨损，或因过薄的油膜被工作表面的尖锋刺破，或因高温、速度低等使油膜未能形成或遭破坏。

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。

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。

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学位论文作者签名：十７将岛劲ｔ≥年‘只／ｚ－Ｈ指导教师签名：矽ｆ）年‘月ｆ加ＹＨ３１活塞环一缸套摩擦磨损试验研究擦产生磨损后，引起的润滑、密封及表面擦伤等影响着发动机的机械效率【３】ｏ活塞环与缸套摩擦副对发动机的动力性、可靠性、耐久性也有着较大的影响。

活塞环与缸套的磨损对内燃机的工作有一定影响，该摩擦副的磨损后，造成燃油不完全燃烧后排出，使内燃机排放污染物增加。

内燃机中活塞环与缸套磨损后，对活塞环及缸套的修复困，若直接对活塞环及缸套组件进行更换，更换过程复杂，且大大增加了附加费用，更换组件会降低内燃机性能，甚至造成内燃机报废【４１。

内燃机向低油耗、大升功率、低排放方向发展，这使得活塞环与缸套间摩擦磨损增大。

要求提高活塞环、缸套的耐磨性，降低它们由于摩擦而损失的功率，延长发动机耐久性、提高动力性，经济性，可靠性具有重要意义【５】。

如何降低活塞环一缸套的摩擦磨损所带来的问题是众多学者和工程技术人员一直以来致力研究的重要课题。

由于活塞环缸套系统工作环境恶劣，监测困难等因素，国内外关于活塞环．缸套摩擦磨损过程研究的方法、性能评价指标和试验设备很多【６１。

不同内燃机，所选用活塞环、缸套以及润滑油都不同，合适的活塞环缸套配合、润滑条件，能降低活塞环与缸套的摩擦磨损，提高内燃机的寿命。

而活塞环材质选择，从保证其强度出发，尽可能提高其耐磨损性、经济性、工艺性进行选择。

有关柴油机缸套活塞环磨损问题的相关研究发布时间：2021-08-16T09:09:21.784Z 来源：《科技新时代》2021年5期作者：曹兵[导读] 诊断其使用性能情况，并做好防范应对策略是延长柴油机工作寿命的有效途径。

西部钻探吐哈钻井公司新疆维吾尔自治区吐鲁番地区 838200摘要：柴油机中的汽缸套是影响设备整体运行的关键部件之一，汽缸套的性能和质量优劣不仅影响到柴油机的使用寿命，而且还会影响到设备的使用安全性。

汽缸的活塞形成往复运动，在高温高压的条件下要实现部件间的良好匹配，实现柴油机的良好稳定运行必须要确保汽缸的润滑情况良好。

如果汽缸的润滑情况不良，那么油膜就会失效，这样就很容易导致活塞磨损的问题。

对汽缸活塞磨损原因进行分析，提出应对建议，以更好地保证柴油机稳定经济运行。

关键词：柴油机；活塞环磨损；原因1引言由于柴油机在运行的过程中受到气体或其他因素的影响而发生磨损，长时间磨损使零部件性能失效，给柴油机运行安全和稳定性造成不利影响。

因此，以提前预防的理念对汽缸套活塞环的磨损进行监测，查找原因，诊断其使用性能情况，并做好防范应对策略是延长柴油机工作寿命的有效途径。

2柴油机缸套磨损的影响因素环境条件因素对柴油机缸套磨损的影响较大，包括对柴油机的进气、燃烧、润滑和冷却等状况都会造成影响。

活塞环磨损的边界条件会受到外界环境因素的影响而发生改变，引起柴油机汽缸套活塞环磨损程度不同。

当外界大气环境温度上升时，汽缸套的轴向磨损深度通常会增大，在外界大气环境温度较低时，汽缸套的轴向磨损深度较小。

党外界大气环境压力降低时，汽缸套轴向磨损的深度通常会增大。

此外，柴油机的转速对汽缸套活塞环的磨损也有影响，包括对活塞环的滑动速度、汽缸内燃烧状况等都会有影响。

党柴油机转速升高时，汽缸套轴向磨损深度通常会增加。

柴油机负荷增加时，汽缸套轴向磨损深度会增加。

3活塞环磨损的检测方法对柴油机汽缸套活塞环磨损的检测可以是在线检测，还可以是离线检测。

表面技术第52卷 第11期收稿日期：2022-09-11；修订日期：2022-11-11 Received ：2022-09-11；Revised ：2022-11-11 基金项目：国家自然科学基金（51865053）；国家外专局外国专家项目（G2021039004）；云南省农业联合专项项目（202101BD070001-051） Fund ：National Natural Science Foundation of China (51865053); Foreign Experts Program of the State Administration of Foreign Affairs (G2021039004); Joint Special Project for Agriculture in Yunnan Province (202101BD070001-051)引文格式：程家豪, 陈文刚, 王泽霄, 等. 活塞-缸套表面纹理摩擦磨损特性研究进展[J]. 表面技术, 2023, 52(11): 128-138.CHENG Jia-hao, CHEN Wen-gang, WANG Ze-xiao, et al. Progress of Research on Frictional Wear Characteristics of Piston-cylinder Liner Surface Texture[J]. Surface Technology, 2023, 52(11): 128-138. *通信作者（Corresponding author ）活塞-缸套表面纹理摩擦磨损特性研究进展程家豪，陈文刚*，王泽霄，郭思良，魏北朝，王海军，袁浩恩，罗海（西南林业大学 机械与交通学院，昆明 650224）摘要：减少摩擦损失是高性能发动机效率的一个重要方面。

活塞作为发动机组成的一个重要部件，在机械损失上损耗了发动机产生的总能量的40%，近乎于占据了发动机摩擦损失能量的一半，因此在发动机活塞-缸套上制备表面织构以改善活塞摩擦副的摩擦学性能，保持发动机在实际运行中拥有良好的性能是现在发动机发展不可或缺的。