摘 要

缸套-活塞环工作在高温高压环境下，它是柴油机的重要系统，直接影响着柴油机的可靠性和经济性，本实验旨在探究表面纹理对缸套-活塞环气密性及摩擦性能的影响。

论文在综合前期研究成果的基础上，利用精密数控加工技术制备了三种不同深度（50μm、150μm、250μm）螺纹槽纹理缸套，在TCLPR-1缸套-活塞环摩擦磨损试验机上完成三种不同的载荷（0.01Mpa、0.05Mpa、0.1Mpa）工况试验，试验过程中实时采集气缸压力等参数，试验后在表面轮廓测量仪上完成磨损表面形貌的测量，通过对比分析试验过程中以及试验后采集的数据，研究不同载荷下不同表面纹理缸套-活塞环气密性以及摩擦性能。

试验数据分析得出在250μm深度螺纹槽纹理条件下，润滑条件是最好的，能更加有效的改善缸套-活塞环的摩擦环境，可以达到三种纹理中最佳的摩擦学性能。在0.1Mpa载荷和250μm深度纹理条件下，润滑情况最好，气缸缸压最稳定，有效的增加了气密性。0.1Mpa载荷与250μm纹理表面为改善气密性和摩擦性能最佳组合。

关键词:表面纹理;缸套-活塞环;摩擦性能;气密性

Abstract

Cylinder liner-piston ring works in high temperature and high pressure environment, and it is an important system of diesel engine, which directly affects the reliability and economy of diesel engine. This experiment aims to explore the influence of surface texture on the air-impermeability and friction performance for the cylinder liner-piston ring.

Based on the previous research results, three kinds of thread groove texture cylinder liners with different depths (50μm, 150μm, 250μm) were prepared using precise numerical control processing technology. Three different applied loads (0.01Mpa, 0.05Mpa, 0.1Mpa) were tested on TCLPR-1 cylinder-piston ring friction and wear tester. The parameters such as cylinder pressure were collected in real time during the tests. The worn surface morphologies of cylinder liners were measured on a surface profiler after the tests. The air-impermeability and friction performance of cylinder liner-piston rings with different surface textures were studied by comparing and analyzing the data collected during and after the test,.

The analysis of test data shows that the lubrication condition is the best under the condition of 250μm deep thread groove texture, which effectively improve the friction environment of cylinder liner-piston ring more effectively and achieve the best tribological performance among the three different surface textures. Under the condition of 0.1MPa applied load and 250μm deep texture, the lubrication condition is the best, the cylinder pressure is the most stable, and the air-impermeability is effectively increased. The 250μm textured surface are the best combination of improving air-impermeability and friction performance under the running condition of 0.1Mpa applied load.

Key words: surface texture; cylinder liner-piston ring; frictional performance; air impermeability

目录

摘 要Ⅰ

AbstractⅡ

目 录Ⅲ

第1章 绪 论1

1.1问题的提出与研究意义1

1.1.1研究背景1

1.1.2研究的意义2

1.2国内外研究现状2

1.2.1柴油机缸套-活塞环表面纹理的研究进展2

1.2.2柴油机性能的表征4

1.3论文的主要研究内容与方法5

1.3.1研究内容5

1.3.2研究方法5

第2章 试验设备及实验介绍7

2.1 试验设备介绍7

2.1.1TCLPR-1缸套-活塞环摩擦磨损试验机7

2.1.2内燃机仿真测控管理系统V0.19

2.1.3表面轮廓测量仪11

2.2 试验介绍12

2.2.1试验步骤12

2.2.2试验过程12

2.3 设备维护13

2.3.1设备拆卸与装复13

2.3.2设备擦拭与存放13

2.4 本章小结14

第3章 试验数据15

3.1 不同表面纹理缸套-活塞环对气缸压力的影响15

3.1.1定速工况下纹理深度对气缸压力的影响15

3.1.2定速工况下载荷对气缸压力的影响20

3.2 表面形貌21

3.2.1工况0.1Mpa表面特征22

3.2.2工况0.05Mpa表面特征23

3.2.3不加压工况下的表面特征25

3.3 本章小结27

第4章 结论与展望28

4.1研究结论28

4.2研究展望28

参考文献29

致谢31

第1章 绪 论

1.1问题的提出与研究意义

1.1.1研究背景

伴随着国民经济的稳步增长，人民生活质量与水平的提升，机械化的工具也越来越普及。内燃机因其热能利用率高、与其他机器兼容性好、高可靠性等特点被广泛应用在汽车、船舶、农用机械等随处可见的动力设备中。因此内燃机的性能好坏，直接影响很多企业、个人及国家的根本利益。内燃机在运行过程中会因为气缸套与活塞环的摩擦而损失较多的能量或因气密性破坏而导致热能利用率不高，因此对缸套-活塞环的气密性的检测及摩擦性能研究具有重大意义。

(1)汽车的普及

随着人均小康水平的到来，家家户户都有了自己的机动车，然而油耗却难到了开车的人，运动副之间摩擦消耗能量，同样的油耗不能达到相同效果，更多的人追求更高效率的运动副搭配，希望损失的能量少也就是省钱了，更能提高国民经济。

(2)船舶的发展

随着各国交易的频繁，因船舶的运载量大，安全可靠，所以它是一个必不可少的运输工具，它有着一个国家进出口商品不可替代的位置，为保证船舶的正常航行，按时到港，让其动力设备安全是首要条件，其动力来源就是大型的内燃机通过封闭腔室压燃燃油推动连杆，带动螺旋桨转动前行，每次航行因船舶需航行很久所以需要存放大量的燃油以应对，基数大了能用到的能量也就自然多了，如果可以降低燃油能量的损耗，将会增加很大的部分来载运货物。

(3)农用机械的使用

农村饲养帮农牲畜的减少，很多时候农忙都会用到机械运动副的机械农具，然后由于摩擦能量损失一直存在，这将会大大的提高了工作的成本，如果我们可以降低这部分能量的损失，将会为内燃机覆盖领域划上重要的一笔。

(4)工程机械

无论是什么工程机械，总会有运动副有连接处，这就一定会有摩擦的存在，这势必会降低机械的使用寿命影响质量，为了机械安全也为了增加机械使用寿命，摩擦问题的解决势在必行。

随着科技的发展进步以及人思想的升级，大家都在追求更高效率、节能低排放。而摩擦磨损现象是在运转中的机械链接设备会一直存在并发生的。缸套-活塞环工作环境非常恶劣，不仅在应力状态下承受高温、高压气体的冲击，而且在气缸中作高速往复运动，具有复杂的摩擦行为，缸套-活塞环磨损会导致气密性下降，漏气增加，磨损加剧还会使得燃烧不充分，研究表明该摩擦副的摩擦损失可以达到内燃机全部机械损失的一半乃至以上^[1,2]，为了减少摩擦磨损损失的能量以及提升运动副的性能，那么针对缸套-活塞环系统的抗磨性能的相关试验研究就显得尤为重要。

1.1.2研究的意义

迎难而上是科学研究应具备的基础素养，摩擦磨损的存在一直在影响着我们前行的步伐，摩擦的改善将是科学的一小步社会的一大步，致力于此项研究具有鲜明的时代性。

首先，摩擦力的改善一直是界内研究的目标，此番研究将为未来的探索方向提供一个思路，也是一次证明前辈理论知识的一次尝试，一次缩小改善摩擦力参数范围的研究。其次，众所周知缸套-活塞环的摩擦磨损很大程度上与着柴油机的性能和可靠性挂钩，现代柴油机的制造都会考虑节能、低排放和高可靠性等方面，再缸套-活塞环系统的工作条件尤为苛刻，机车故障引起的事故比比皆是，其中不乏因活塞环磨损失效引起的案例。缸套活塞环的磨损研究，对于延缓柴油机活塞环磨损失效的发生和提高柴油机整机寿命和使用效益都有着不可替代的地位^[3]。进而柴油机耗能将会减少，还有更多的人愿意接受，有更加广泛的用途。摩擦力的改善，耗能的减少，适应性能好，放能多等突出的优点将把柴油机推向时代的前沿，它会是社会发展前行的一个里程碑。

表面纹理对与零件的摩擦特性、润滑特性、密封性能、使用寿命有着直接的影响，表面纹理能在一定的条件下有着改善缸套-活塞环表面润滑状态和摩擦学行为的能力，因此广泛应用到轴承、密封等领域^[23]

1.2国内玩研究现状

1.2.1柴油机缸套-活塞环表面纹理的研究进展

表面纹理化或形貌设计是控制摩擦接触表面摩擦磨损性能的主要技术之一，李见等人定量的分析了三维表面形貌参数与摩擦学特性的关系,给出了改善摩擦学特性参数最佳纹理范围,为表面形貌优化设计提供了重要依据。因此我们有了明确的研究方向，田通过表面沟槽进行实验证明，从停止供油时刻到发生黏着磨损,自相关函数幅值增大,摩擦表面的取向特征也会逐渐增强^[4,5]。在相同载荷的条件下,缸套表面织构化对降低磨损有积极作用;在低载荷下,微坑的槽纹表面具有更低的摩擦因数和较好的抗磨损能力,珩磨网纹表面次之;在高载荷下,微坑槽纹及网纹织构能起到一定减小摩擦的作用,摩擦磨损特性与无织构表面趋近^[6]。

胡勇等人指出常温状态下，微坑－槽纹复合织构能够起到一定的减小摩擦降低磨损作用，效果优于珩磨网纹织构及光滑无织构形貌，摩擦系数稳定且波动小；在高温状态下，微坑-槽纹复合织构的摩擦特性表现不如珩磨网纹织构，与光滑无织构形貌摩擦性能相近，且摩擦系数波动较大^[7]。陈建宏等人证明了在极限载荷下,活塞环的磨损量随着载荷的增大而加剧;若转速较低,难以形成润滑油膜,磨损加剧;必须使摩擦副处于一种弹性流体动力润滑状态,才能降低磨损量^[8]。金梅等人研究结果表明唯有微坑分布在止点的复合润滑结构缸套相比未处理缸套,表现出良好的减摩耐磨性能,摩擦因数降低了4.97%6.26%,对磨环磨损量减少了58.3%,拉缸时间延长了10倍^[9]。

马晨波证明合适范围下的变面积比织构表面在重载高速的场合能够有效改善往复运动摩擦副的摩擦性能;在富油、乏油和不同试验载荷条件下,双织构表面与无织构表面下的摩擦系数相比差别不大,其并不能有效提高摩擦副的减摩性能^[10]。于海武认为只有当微凹坑面积率大于10%时，部分织构才可能体现出比全织构更好的润滑性能。当试验在200N、转速为400r/min条件时，最优部分织构率为70%的入口边界部分织构，相比全织构可进一步提高减摩率18.8%^[11]。陈平等人的实验证明油膜附加承载力达到最大时,最优织构深度与油膜厚度相关,其比值约为1.0,最优面积率约为45%。考虑表面张力时,使油膜总承载力达到最大时的最优织构深度和面积率分别为2.5~7.5达到和45%。从织构深度和面积率的优化结果发现,不同承载力作用下选择不同织构参数,可取得较小的摩擦因数^[12]。王劲孚等人建立了不同排不形式的表面织构的几何模型证明不同排布形式的表面织构对润滑特性有很大的影响。交错排布的微凹坑织构最优面积率比均匀排布的微凹坑织构有了很大的提高^[13]。

目前, C Gu ， X Meng ， Y Xie ， Y Yang等人设计良好的表面纹理可以减少环/衬摩擦^[14]。Liu P, Yuan C, Guo Z在缸套大工艺结构对缸套活塞环摩擦的影响试验结果表明，在发动机高转速下，在缸套-活塞环内表面实施适当的大凹坑和沟槽加工工艺，可以提高缸套-活塞环的摩擦性能^[15]。Usman A, Park C W指出表面织构的深度和直径比对PRL界面性能有很大影响。浅表面织构能减小摩擦力，而深表面织构则具有不利影响。垂直于滑动方向凹槽(横向凹槽)为表面改性的最佳选择，可使每个发动机循环的摩擦损失达到最小化。横向凹槽的存在在90 %以上的发动机循环中比其它纹理的图案表现得更好。对于不同程度的活塞环-缸套一致性，采用单一优化几何参数是无法比较活塞环织构的性能的。横向凹槽的性能在环一致性的敏感度上低于其它纹理图案^[16]。

激光表面纹理化( LST )，由激光束在表面上产生规则的凹坑阵列，已经被证明能有效减小共形润滑接触中的摩擦^[17]。电火花线切割加工的织构化表面对降低摩擦系数是有效的，不同的润滑条件下有最佳的织构面积比, 机械加工表面磨损随着载荷的增加而加剧，化学刻蚀的加工表面磨损则先增后减；在低载荷时，机械加工的缸套表面摩擦学性能较优于化学刻蚀加工,在高载荷时化学刻蚀加工的缸套表面摩擦学性能又会优于机械加工的缸套表面^[18]。韩翔的研究结果表明,在一个振动载荷周期的不同时刻,织构化摩擦副表面间油膜的弹流润滑作用相同;当受外部振动载荷时,织构直径、深度和密度等参数均存在一个较优值,使得弹流润滑作用下的织构化摩擦副表面的平均摩擦因数均存在一个最小值,使润滑摩擦效果最优^[19]。其中常铁等利用化学刻蚀技术在缸套表面加工出三种倾斜角的凹槽织构，在400 N载荷下,倾角α=60°的凹槽织构摩擦系数降低最为明显;在200N、600 N的载荷下,倾角α=30°凹槽织构的摩擦系数小^[20]。

苗嘉智等人设计了一种微凹坑表面织构，得证表面摩擦系数与工况条件密切相关，转速的大小是影响摩擦系数和油膜厚度的最关键因素，摩擦系数随着转速的增大均体现出了明显降低的趋势 ^[21]。马明明等人的摩擦实验显示,将织构和化学组分相结合的双疏表面可显著地提高摩擦学性能。圆台形凹坑表面的摩擦学性能优于棱柱形凹坑表面,与计算结果相符。凹坑形貌对表面摩擦学性能的影响大于对表面润湿性的影响^[22]。

1.2.2柴油机性能的表征

1.2.2.1气密性

燃烧室的燃烧为柴油机的运动提供动力，其密封性将是一个至关重要的点，密封性能好，燃烧的化学能能更多的转化为动力，这将直接影响柴油机的性能好坏，密封性能将影响柴油机的动力性和经济性^[23]。可以使滑油使得密封性能更好，也可以是载荷使得缸套-活塞环接触更紧密减少了漏气。都可以提高气密性。

1.2.2.2润滑油

润滑油在柴油机中各个运动副之间都有存在，它的好坏直接影响着柴油机的可靠性与寿命。良好的润滑可以增加机械运动副的效率。润滑油在使用过程中因氧化、热分解、和杂志污染等导致其理化性质变差。

1.2.2.3缸套-活塞环摩擦

缸套-活塞环是柴油机中使用条件最为恶劣的摩擦副，摩擦磨损最为严重，自然也就是发生故障最多的系统之一，缸套-活塞环的运行好坏对于一个柴油机来说至关重要。

缸套-活塞环摩擦磨损是受载荷、速度、温度、材料及工况等多重因素共同影响的，这些数据的好坏将决定一个系统的好坏，决定一台柴油机的使用寿命，对可靠性与经济性有着不可替代的地位。

（1）温度对缸套-活塞环摩擦磨损的影响

高温下润滑油会蒸发碳化，缸套-活塞环接触的供油会不足，此时缸套与活塞环表面发生接触，产生局部粘着，而使得摩擦系数迅速上升，故而摩擦加重。

（2）运动速度

速度对缸套-活塞环摩擦力的影响相对较小^[24]。

1.3论文的主要研究内容与方法

1.3.1研究内容

随着科技的发展，大家对内燃机的综合性能要求也随之增加。只要不是密闭的空间漏气现象一定也是存在的，对于内燃机燃烧室内压燃情况，密封性就显得尤为重要，密封性能好将提升内燃机的动力性以及经济性。载荷和纹理都会对密封性能有影响，对此，本次试验将对不同纹理表面缸套-活塞环的密封性能进行比较，找出最科学的表面纹理以及工况。

减少摩擦磨损和增大润滑能力是缸套-活塞环不变的话题，通过不同的表面纹理来达到目的是现在最直接有效的办法，比较三种不同深度的纹理对于缸套-活塞环的抗磨能力亦是润滑能力的影响，选出最优的纹理处理办法。

第一章：简单的介绍了此次研究的背景及意义。