温度对缸套-活塞环摩擦性能的影响_杜昌.pdf

2023 年 2 月第 48 卷 第 2 期润滑与密封LUBICATION ENGINEEINGFeb.2023Vol.48 No.2DOI:10.3969/j.issn.02540150.2023.02.006文献引用:杜昌，盛晨兴，饶响，等温度对缸套活塞环摩擦性能的影响 J 润滑与密封，2023，48(2):3943Cite as:DU Chang，SHENG Chenxing，AO Xiang，et alEffect of temperature on the friction performance of cylinder linerpiston ring J Lubrication Engineering，2023，48(2):3943*基金项目:NSFC浙江两化融合联合基金项目(U1709215)收稿日期:20211206;修回日期:20211227作者简介:杜昌(2000)，男，硕士研究生，研究方向为船舶动力机械摩擦学。Email:15512439717 。通信作者:盛晨兴(1969)，男，博士，教授，研究方向为船舶动力装置设计、监测与诊断。Email:scx01 。温度对缸套活塞环摩擦性能的影响*杜昌1，2盛晨兴1，2饶响1，2郭智威2，3(1.武汉理工大学船海与能源动力工程学院湖北武汉 430063;2.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;3.武汉理工大学交通与物流工程学院湖北武汉 430063)摘要:LNG 燃料柴油机与传统燃料柴油机相比缸内燃烧温度更高。为探究不同温度下缸套活塞环摩擦性能与温度的映射关系，设计室温和 60、90、120 4 种不同温度，在相同载荷和转速下在往复式摩擦磨损试验机上对缸套活塞环进行不同温度下的摩擦性能试验，通过测试摩擦过程中摩擦力的变化以及分析试验后缸套磨损表面形貌，探讨温度对缸套活塞环摩擦性能的影响规律。试验缸套试样材质为耐磨合金铸铁，活塞环切片与缸套切片大小对应，材质为球墨铸铁。试验结果表明:随着温度的升高摩擦力呈现先减小后增大的趋势，与室温相比，60 温度下摩擦力降幅为 13.45%，且表现出较好的稳定性，但在 120 下摩擦力增幅为 10.66%;试验工况下，60 时缸套表面形貌参数均处于较优水平。研究表明，适当的温度环境对于摩擦配副之间的润滑性能有一定的促进作用，但温度过高会导致摩擦副的摩擦性能不稳定，破坏摩擦副间氧化膜，这不仅可能破坏润滑油膜的形成，也会影响摩擦副的磨损表面形貌。因此存在合适的温度使得缸套活塞环的摩擦性能达到最优状态。关键词:LNG 柴油机;缸套活塞环;运行温度;摩擦特性;摩擦力中图分类号:TH117.1Effect of Temperature on the Friction Performance ofCylinder LinerPiston ingDU Chang1，2SHENG Chenxing1，2AO Xiang1，2GUO Zhiwei2，3(1.School of Naval Architecture，Ocean and Energy Power Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei430063，China;2.eliability Engineering Institute，National Engineering esearch Center for Water TransportationSafety，Wuhan Hubei 430063，China;3.School of Transportation and Logistics Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei 430063，China)Abstract:LNG fuel diesel engine has higher combustion temperature in the cylinder compared with traditional fueldiesel engineIn order to explore the mapping relationship between cylinder linerpiston ring tribological performance andtemperature，four different temperatures were designed，namely room temperature，60，90 and 120，the cylinderlinerpiston ring friction performance at different temperatures was tested on a reciprocating friction and wear tester underthe same load and speedThe effect of different temperatures on the friction performance of cylinder linerpiston ring wasanalyzed in terms of the friction force change in the friction process and the worn surface morphology of the cylinder linerafter the friction testThe material of cylinder liner specimen was wearresistant alloy cast iron，and the size of piston ringspecimen corresponds to that of cylinder liner specimen，and the material of piston ring specimen was ductile ironThe testresults show that the friction force shows a first decreasing and then increasing trend with the increase of temperatureCom-pared with room temperature，the friction force decreases by 13.45%at the temperature of 60，and shows good stabilityHowever，the friction force increases by 10.66%at the temperature of 120 The surface morphology parameters of thecylinder liner surface are at a superior level under the test conditions at 60 The results prove that an appropriatetemperature environment has a certain promotion effect on the lubrication performance between the friction mating pairsHowever，too high temperature will lead to unstable friction performance of friction pairs and damage the oxide film betweenfriction pairs，which may not only damage the formation of lubricating oil film，but also affect the wear surface morphologyof the cylinder linerTherefore，there is a suitable temperature to make the friction performance between cylinder liner andpiston ring reach the optimal stateKeywords:LNG diesel engine;cylinder linerpiston ring;operating temperature;friction performance;friction force随着相关排放法规日益严格，为了应对持续恶化的环境问题，可持续发展战略深入到能源结构的各个方面，绿色的发展方式已经成为主流1。柴油机作为船舶动力系统的“心脏”，其工作效率直接影响船舶动力系统的能源转换效率，而缸套活塞环摩擦副摩擦性能的好坏决定着柴油机的能源转换效率的优劣24。同时，LNG 作为船舶的代用燃料在极大程度上能解决一次燃料枯竭的问题，并以其优秀的环保性能成为未来船舶能源主要发展方向之一5。研究表明，LNG 燃料柴油机与传统石油燃料柴油机相比，缸内燃烧温度更高，爆发压力更大，缸套活塞环摩擦副也面临着更为复杂的工作环境67。而摩擦学三公理揭示了摩擦是复杂的各个学科耦合作用的结果，其中温度作为重要的影响因素，对于摩擦表面的组织结构、润滑液的性质以及表面湿润性等都有较大影响89。温度作为影响柴油机缸套活塞环摩擦副工作过程的重要因素之一，不仅对缸套活塞环的工作性能有较大影响，也关系到柴油机的可靠性与经济性。因此，探究高温下缸套活塞环摩擦副摩擦性能的变化规律对于柴油机向着更高的缸内温度发展具有重要的推动意义。近年来，许多学者研究了温度对材料摩擦性能的影响。刘义和胡晏明10 研究了温度对 H13 钢材摩擦磨损性能的影响，发现在 50200 温度下，H13 的摩擦因数随温度升高先增大后减小。XU 等11 研究了Ti3SiC2/TiAl 复合材料(TTC)与 Si3N4之间的摩擦特性在 25 800 温度区间的变化规律，试验结果表明，在 25400 温度区间内摩擦因数随着温度的升高而升高，在 400 800 温度区间内摩擦因数随着温度的升高而降低。宗辉祖12 研究了轮轨材料摩擦副摩擦因数与温度的关系，研究结果表明，摩擦因数随温度的变化分为 3 个阶段:在低温阶段(25 300)摩擦因数上升，在中高温阶段(300 700)摩擦因数急速下降，在高温阶段(700 925)摩擦因数缓慢下降。而柴油机缸内温度作为衡量柴油机工作性能的关键指标以及影响缸套活塞环摩擦副摩擦性能的重要因素，研究人员也进行了大量研究。李玉杰等13 研究了缸套温度对活塞环润滑的影响，发现合适的缸内温度分布有利于润滑油达到更好的润滑效果，从而提高柴油机的热效率。ALSAKHI 等14 研究认为工作流体的温度对柴油机效率有较大的影响，摩擦等不可逆损失随温度的变化而改变。周龙15 通过建立内燃机耦合传热全仿真模型，分析了活塞组气缸套传热润滑摩擦耦合机制。朱信16 通过建立仿真模型，研究了冷启动状态下内燃机缸套活塞环的摩擦特性，分析了随着环境温度的变化，活塞环缸套摩擦性能及润滑状态的变化规律。目前已研究证实温度变化对材料摩擦性能有较大的影响，但涉及温度环境对缸套活塞环摩擦性能影响的研究多数通过模拟分析的方式展开。为了进一步试验探究环境温度对于缸套活塞环摩擦性能的影响，本文作者选用 S195 单缸柴油机缸套切片进行试验，通过往复式摩擦磨损试验机研究温度对其摩擦性能的影响。1试验部分1.1试验装置试验在 MWF10 往复式摩擦磨损试验机上进行，整体结构如图 1 所示。包括驱动装置、传动装置、特制夹具以及信号采集装置。电机通过曲柄连杆机构带动夹具在导轨上做往复运动，通过调节电机转速以及压力承载