摘 要

本文借助RTEC多功能摩擦磨损实验机，和激光打标机对灰铸铁，瓦锡兰材料和德国man公司材料，分析了以上三种不同材料的表面形貌、摩擦系数、位移磨损量各自的分布规律，对于以上三个不同的实验数据的采集，所得结果对于缸套活塞环的工作寿命延长，减小工作噪声等具有重要意义。

论文主要研究了船舶内燃机常用的三种材料：灰铸铁材料、瓦锡兰缸套-活塞环材料、德国Man缸套活塞环材料在三种表面织构化处理的情况下：缸套和活塞环都不作处理、缸套做沟槽表面织构化处理，活塞环不做任何处理、活塞环做凹坑表面织构化处理，缸套不做任何处理等情况下，通过RTEC多功能摩擦磨损实验机得出不同载荷下的平均摩擦系数和总位移磨损量。并将实验过后的材料分别用LI-3接触式表面轮廓测量仪测的其表面形貌，即三维滤波图和面粗糙度参数。

结果表明；瓦锡兰缸套-活塞环材料的平均摩擦系数和总位移磨损量在三种工况下都比其他的两种材料要优异，而德国Man缸套-活塞环材料在沟槽表面织构化的处理情况下，其摩擦磨损性能要比较好。灰铸铁在三种工况下的性能都不如前两者。

关键词：表面织构化，缸套-活塞环，平均摩擦系数，总位移磨损量

Abstract

In this paper, with the aid of RTEC multifunctional friction and wear testing machine, and laser marking machine for gray cast iron, Wartsila material and Germany man company, analyzed the surface morphology of the above three kinds of different materials, friction coefficient, displacement and their distribution, worn for more than three different experimental data collection, the results for the working life of the cylinder liner piston ring, reduce the working noise is of great significance.

Thesis mainly studied the ship engine commonly used three kinds of material: gray cast iron material, Wartsila cylinder liner - piston ring material, German Man in three kinds of cylinder liner piston ring material surface texture treatment: under the condition of cylinder liner and piston ring groove surface processing, cylinder liner do not texture, pits of piston ring does not do any processing, piston ring surface texture, cylinder liner does not do any processing cases, such as through RTEC multifunctional friction and wear testing machine under different load average friction coefficient and total displacement amount of wear and tear. After the experiment, the surface topography, namely the three-dimensional filter diagram and the surface roughness parameters, was measured by the li-3 contact surface profilometer.

The results show that; The average friction coefficient and total displacement wear of Wartsila cylinder bush-piston ring material are better than the other two materials in three working conditions, while the German Man cylinder bush-piston ring material has better friction and wear performance under the treatment of texture on the groove surface. The performance of gray cast iron under three working conditions is inferior to the former two.

Key Words：Surface texture, Cylinder liner piston ring, average friction coefficient, total displacement wear

目录

第1章 绪论....................................................................................................................................6

1.1研究背景............................................................................................................................6

1.2缸套活塞环的表面织构化处理........................................................................................6

1.3国内外研究现状................................................................................................................7

1.4本文的主要研究工作......................................................................................................10

第2章 实验技术方案..................................................................................................................10

2.1实验材料..........................................................................................................................10

2.2 实验的方法步骤............................................................................................................11

2.2.1光滑，凹坑，沟槽的织构获取方案...................................................................12

2.2.2实验方案...............................................................................................................13

2.3实验数据的采集..............................................................................................................13

2.4本章小结..........................................................................................................................14

第3章 实验数据分析..................................................................................................................14

3.1不同材料对缸套-活塞环摩擦副的性能影响.................................................................14

3.1.1摩擦系数和位移磨损量的分析...........................................................................14

3.1.2表面形貌的分析...................................................................................................15

3.2凹坑织构对不同材料缸套的性能影响..........................................................................17

3.2.1摩擦系数和位移磨损量的分析...........................................................................17

3.2.2表面形貌的分析...................................................................................................18

3.3沟槽织构对不同材料缸套的性能影响..........................................................................20

3.3.1摩擦系数和位移磨损量的分析...........................................................................20

3.3.2表面形貌的分析...................................................................................................22

3.4综合分析..........................................................................................................................23

3.5本章小结..........................................................................................................................24

第4章 实验的结论......................................................................................................................24

4.1结论.................................................................................................................................24

4.2展望.................................................................................................................................25

致谢..............................................................................................................................................26

第1章 绪论

1.1研究背景

摩擦的形式影响着人类文明的进步和发展。在远古时代，祖先们学会钻木取火；在科技越来越发达的今天，人们开始慢慢注意到这个生活中随处可见的性质，也对如何减小它和利用它为人们工作产生了浓厚的兴趣。直到1966年2月，摩擦这个在自然界中处处都存在着摩擦。在人类的历史长河中，摩擦总是以各种各样词才正式被英国教育学科关于摩擦学研究的著名jost在论文中提出，才有了今天的种种发展。

在滑动的过程中，摩擦会引起机械能的消耗，摩擦的产生，不仅会使表面磨损，还会使材料的寿命加速减小。据统计，在世界范围内，因摩擦而损失的能量大约占有消耗总能量的三分之一到二分之一，除此之外，大部分的机械设备在工作的过程中放生故障都与摩擦产生的磨损有关，大约80%的零件故障都是由这个原因引起的。据资料统计，截止于2016年，中国每年由于摩擦而造成的经济损失达到每年600亿元，占我国GDP的4.5%-5.5%。同时，据各国有关部门的整合计算，而摩擦所造成的经济损失已经在发达国家如美国等，占了全民生产总值的百分之二到百分之八。美国能源部也曾经指出，如果美国的车辆发动机和它的传动系统可以将耗费在摩擦磨损工作上的能量降低，那么每年将会节约一千多亿美元。 ^[1]

1.2缸套活塞环表面织构化原理

在最近几年的缸套-活塞环的摩擦磨损性能的改善过程中，运用表面织构和缸套-活塞环的摩擦副相结合来提高摩擦副的抗摩擦磨损性能已经饱受国内外学者的关注，在各学者研究的过程中，提出了运用经典方程来计算得

出各种情况下的表面织构化摩擦性能数值解，最终将表面织构运用到实际之中。在不同领域的应用中，其中发展最快、进步最快的是缸套-活塞环。缸套-活塞环滑动副作为内燃机曲柄连杆机构的重要部件之一，是一种典型的摩擦副结构。据现有的全部数据表示，内燃机在工作时要克服自身摩擦力所带来的损失占燃烧所产生的总能量的49%，在这49%中，缸套—活塞环所带来的磨擦损失占总摩擦损失的40%。在人们对能源的需求越来越大的今天，改善缸套-活塞环摩擦所带来的磨损来提高工作效率将是不可以避免的研究方向，本文正是从缸套-活塞的织构化表面摩擦性能为方向进行研究。

所谓表面织构，其定义是物体表面上的规律形貌。传统摩擦学认为，摩擦表面越是光滑则其摩擦磨损量就会越低。在缸套-活塞环的滑动摩擦副中，其实不然。近几年的各学者研究表明：有一些按照特定规律排列的微结构有着优于纯粹的光滑摩擦表面摩擦性能。这种特殊的微排列方式即表面织构化。表面织构化的具体操作即借助一定的加工设备和手段，人为的在缸套-活塞环的磨擦副上生成一系列有规律的微组织。本文是以激光打标机进行表面加工，对三种材料分别进行沟槽加工，凹坑加工以及光滑表面为比较，研究。

1.3国内外研究现状

早在一八八三年，德国工程师Tower B.就在对火车轮轴进行试验的过程中发现了流动物体的Hydrodynamic lubrication现象，之后又在1886年英国科学家Reynolds O.对Tower B.的实验结果用流体力学方程进行了科学的解释，得到了描述流动物体的运动压力的Partial differential equation。并得出了解析式，这就是之后再各个学科的范围中都得到了大多数来自各国的不同学者使用的Renault方程。之后，1936年，由Castleman R.A最早利用了Renault方程计算了活塞环的摩擦学性能。表明了如果在冲程的过程中，其内燃机的缸套-活塞环摩擦副有一定大小的速度和一定大小的载荷时，就无法在分析和求解油膜厚度时得到准确的数值。据研究结果表明，活塞环曲率半径是整个求解过程中得出油膜厚度的关键性因素。在冲程进行到中部的过程中为保证动压效应，需活塞环的曲率半径尽量小，而为保证在上下止点的挤压效应，需活塞环的曲率半径足够大，由此看来，在设计缸套-活塞环的曲率半径时应根据以上两点综合判断，得出最佳结论。

作为最关键的的一对摩擦副，缸套活塞环摩擦副的存在决定这内燃机的寿命和工作效率，将表面织构的技术应用于活塞环的表面，此表面织构是通过在活塞环表面加工出一些排列规则的微小凹坑来改善升级活塞环的摩擦副，最终达到提高内燃机的使用寿命和工作效率，减小活塞环摩擦副的摩擦量和摩擦力的目的^[2]。

到现在为止，因为大多数由理论计算建立的模型是千变万化的，其可以以任意形状获状态组合和多种空间几何的排列方式，所以其数量庞大，模拟实验还是无法完全重复并进一步检验理论分析的合理性和正确性。在具体进行实验研究时，实验成本、加工条件和各种实验周期等条件的不同，这种理论研究可以说是只存在于理想之中无法达成的。随着计算机技术的不断发展进步，电子设备的计算能力以惊人的速度增长，对于大规模的表面织构化理论计算似乎已经不存在问题，这使得在过去的十几年的时间里，关于缸套活塞环的表面织构化理论层出不穷。

作为在内燃机工作中至关重要的摩擦磨损量大小，在一开始研究缸套活塞环的摩擦磨损性能时，学者们都是基于缸套活塞环之间没有摩擦力的情况下进行研究的。直到1970年左右Patir.N和Cheng H.S.建立了一个用于计算表面流体压力分布的平均雷诺方程。之后Rohde.S.M.利用平均雷诺方程建立了关于缸套-活塞环滑动摩擦副的润滑模型，通过该模型可以更直观，更快速，更精准的分析有关缸套-活塞环的摩擦学问题，解释了更多关于缸套-活塞环的一些以前模型无法解释的问题。也正是通过这个模型，解释了内燃机中上下止点的摩擦力最大。

在国内，有许多学者和国外学者一样，对缸顶活塞环滑动摩擦副的摩擦磨损问题充满热情。镀的影响例如,关于铜-镀/铬活塞环的摩擦磨损性能球墨铸铁缸套在高强度的工作状态下，使用往复式摩擦磨损试验机在高强度的工作状态来测量镀单层活塞环的摩擦系数和多层镀铜-镀/铬活塞环和缸套的磨损量，并分析摩擦磨损后表面形态和组成。之后我们发现：单层铬制造的活塞环的摩擦系数和磨损量相较之前下降了百分之二点六，多层铜-镀/铬活塞环的摩擦系数和磨损降低百分之五十一点八。磨损后的缸套表面形成一种比较平整的台面结构，形貌表现为凸峰。在摩擦磨损过程中，活塞环的铜-镀/铬涂层将嵌入在缸套的表面，这是有助于在摩擦表面自然形成一种化学保护膜，改善缸套和活塞环之间的摩擦磨损量和面粗糙度参数，并改善摩擦磨损性能的球墨铸铁缸套。缸套镀铬，选择PVD喷涂钼活塞环材料和氮化铬活塞环，坚持使用科学的磨损试验样品形式——条件模拟，发明了采用RTEC往复式摩擦磨损试验机，进行负载，磨耗测试水平试验，弱测试和研究不同的载荷、温度、缸套-活塞环摩擦系数、磨损油摩擦时间的影响分布规律，通过分析实验后缸套-活塞环试样表面形貌及化学成分对缸套-活塞环摩擦磨损机理的影响。结果表明：(1) 载荷对摩擦副磨损量的影响明显大于温度对摩擦副磨损量的影响。在相同的负荷、温度和转速下，PVD氮化铬活塞环镀铬缸套的磨损量要大于喷钼活塞环镀铬缸套，但磨损量很小。镀铬缸套的磨损机理主要是剥落形式的疲劳磨损。 (2) 当负载小于60 mpa，温度低于200℃，活塞环缸套- PVD的镀铬氮化铬胶凝的阻力比镀铬活塞环缸套喷涂钼，随着负载的增加，温度、摩擦副间的抗粘附性能。(3) 当温度大于七十摄氏度时，镀铬活塞环缸套-喷钼摩擦副随着温度的升高，摩擦系数下降；氮化铬活塞环的摩擦系数先减小后增大。镀铬缸-PVD氮化铬活塞环异常粘着磨损的主要作用机理是摩擦副在高温下的局部软化变形。镀铬缸套与喷钼活塞环异常粘着磨损的主要机理是由于喷铝层材料对镀铬层[4]的粘着而引起的局部粘着。和等离子喷涂涂层磨损、磨料磨损性能研究，共晶的百分之二十铝硅合金组织和性能的影响,表面纹理混合动力发动机缸套摩擦性能的影响，火山口纹理的二硫化钼复合合金电镀铁缸套摩擦行为研究，陶瓷涂层在缸套上的应用研究及组织耐磨铸铁合金缸套磨损作用原理的分析，演算再通过具体实验等等。^[5-10]

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