摘 要

缸套-活塞环作为柴油机的重要摩擦副，与活塞组成封闭燃烧室，长期处于高温、高负荷、化学腐蚀的工作条件下，同时还承受着活塞往复惯性力和高温气体冲击力的作用导致缸套-活塞环的摩擦行为是变化万千的，由摩擦引起的缸套与活塞环之间润滑不良，磨损加剧所产生的故障也是特别多的。因此，深入研究缸套-活塞环的摩擦磨损性能，从而改善其润滑性能对提高柴油机的燃油利用率，增大输出功率，延长使用寿命等都具有重大的现实意义。

本论文以船舶柴油机的缸套-活塞环摩擦副为研究对象，聚焦于柴油机环圆槽缸套在不同运行工况下的摩擦学性能研究。目的是为柴油机缸套-活塞环运行工况的选择提供依据，实现柴油机缸套-活塞环系统的润滑、减磨以及降耗等。

试验研究结果表明：对于环圆槽缸套，在低速低载荷的工况下，其摩擦学性能是最优的。

本文的特色：通过试验的方法探究了在不同的运行工况下环圆槽缸套表面的摩擦学性能，对比分析摩擦系数、缸套磨损表面的三维形貌以及接触电阻值从而比较不同工况下环圆槽缸套-活塞环的摩擦学能。

关键词：缸套-活塞环；表面纹理；运行工况；润滑减磨

Abstract

Cylinder liner-piston ring is an important friction of the diesel engine, and they composed the closed combustion chamber with the piston. The cylinder liner- piston ring is not only employed under the working conditions of long-term high temperature, high load and chemical corrosion, but also suffered the reciprocating inertia force of piston and the impact force of high temperature gas, which varied the friction of the cylinder liner-piston ring. The lubrication between the cylinder liner and the piston ring was poor caused by the friction. and the particularly large failures were caused by the wear of cylinder liner-piston ring. Therefore, it is of great practical significance to further study the friction and wear performances of the cylinder liner-piston ring, so as to improve its lubricating performance and fuel efficiency, increase the output power and prolong the service life of the diesel engine.

In this paper, the cylinder liner - piston ring friction pair of marine diesel engine was taken as the research object. It focused on the tribological properties of circular grooved cylinder liner on diesel engine under different running conditions. It proposed to provide the basis on selecting the reasonable working conditions for the cylinder liner-piston ring to implement the lubrication, wear and consumption reduction of the cylinder liner-piston ring system. The experimental results showed that the tribological properties of the cylinder liner-piston ring were optimal under the running conditions of low speed and low load. In this paper, the tribological properties of the cylinder liner-piston ring under different running conditions were investigated during the tests. the friction coefficients, three-dimensional worn morphologies of the cylinder liner surfaces and the contact resistance values were contrastively analyzed to compare the tribological properties of circular grooved cylinder liner-piston ring under different running conditions.

Keywords: Cylinder liner-piston ring；Surface texture；Operating conditions；Lubrication reduction

目录

第1章 绪论 1

1.1课题研究的目的及意义 1

1.1.1研究目的 1

1.1.2研究意义 1

1.2缸套-活塞环的国内外研究现状 2

1.2.1国外研究现状 2

1.2.2国内研究现状 2

1.3本次论文研究拟采用的技术方案及措施 3

1.4论文章节安排 3

第2章 摩擦磨损试验设备 4

2.1试验试件的选择与加工 4

2.2摩擦磨损试验设备 6

2.2.1 MWF-10摩擦磨损试验机 6

2.2.2试验所用夹具 7

2.3 本章小结 8

第3章 试验设计及摩擦磨损试验数据分析 9

3.1试验设计 9

3.2摩擦系数分析 10

3.2.1摩擦系数的定义 10

3.2.2摩擦系数的采集 10

3.2.3摩擦系数分析 12

3.3表面形貌分析 15

3.4 本章小结 17

第4章 接触电阻分析 19

4.1接触电阻测量系统 19

4.1.1 接触电阻测量原理 19

4.1.2 缸套-活塞环试件的接线及绝缘 20

4.2 润滑状态的判定 20

4.3 接触电阻与膜厚比数据分析 22

4.4 本章小结 24

第5章 总结与展望 25

5.1 总结 25

5.2 研究展望 25

参考文献 27

致谢 29

第1章 绪论

1.1课题研究的目的及意义

1.1.1研究目的

为了提高柴油机的可靠性和耐久性，稳定运行状态，优化工作性能，对作为船舶柴油机最重要的摩擦副之一的缸套-活塞环进行研究是至关重要的。有研究表明缸套-活塞环的摩擦消耗占内燃机摩擦功的25%-50%,而且缸套-活塞环的磨损引发的故障在所有船舶机械故障统计中也占有相当大的比例^[1-2]。因此，对改善缸套-活塞环之间的润滑性能的研究显得尤为重要。

缸套-活塞环与活塞组成封闭燃烧室，在柴油机运行过程中长时间处在高温、高负荷的工作环境中，同时还承受着活塞的往复惯性力和高温气体的冲击力，如此苛刻的工作条件造就了其摩擦的多变性、润滑性能差的情况。通常缸套与活塞环之间是通过形成润滑油膜而达到尽量避免严重磨损造成故障的目的，但是缸套表面形貌不同，注入表面的润滑油分布也是不同的，进而影响缸套-活塞环的润滑性能。本文将通过机械加工方式加工缸套表面成环圆槽结构，在摩擦磨损试验机上以转速、载荷为变量进行试验研究，对试验过程中和试验后期所采集的数据（摩擦系数，接触电阻，表面形貌）进行分析，并讨论这些参数之间的对应关系，分析出缸套磨损的主要原因，并得到应对缸套磨损的具体措施。使磨合完的柴油机缸套-活塞环与活塞组成的燃烧室密封性提高，耗油率下降至稳定的范围，润滑性能得到改善，从而使由缸套-活塞环之间的摩擦损失引发的船舶机械故障减少。在获得准确的实验研究成果的基础上，能对缸套与活塞环的的设计，生产和精密配合提供理论依据。

1.1.2研究意义

活塞环和气缸套的磨损过程可分为三个阶段:第一阶段是磨合磨损阶段：持续时间较短但磨损严重；第二个阶段是正常磨损阶段：摩擦系数基本保持不变，磨损率相对较低；第三阶段是异常磨损阶段：摩擦系数会由于磨损加剧越来越大，磨损的速率也会越来越高。根据日本船级社所做的统计，由缸套-活塞环的磨损出现故障的船舶所占由主副柴油机损坏出现故障的船舶的比例是最大的，在1981-1986年间所出现的船机故障中大概占到18%^[3-4]。活塞组的摩擦严重影响柴油机功率，降低动力性是柴油机在转速为1600r/min时，占机械摩擦大概是58%^[5-6]。缸套-活塞环摩擦副磨损严重的原因大部分是由于缸套表面没有制备合理的织构形貌，对注入表面的润滑油不能合理分布，形成不了理想的润滑油膜。因此通过制备合理的缸套表面形貌减轻摩擦副的磨损量，对减少由缸套-活塞环摩擦副引起的故障具有十分重要的意义。

1.2缸套-活塞环的国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

从上世纪80年代开始，就开始有人对表面纹理有了研究，随着科技的发展，对表面纹理的研究也达到了新的高度。国外最早对缸套摩擦磨损的研究是Stanton^[7]于 1925发表的对缸套摩擦力的研究结果，之后关于缸套-活塞环的摩擦磨损方面的研究就雨后春笋般出现，其中有人认为柴油机损失掉的大部分功是由缸套-活塞环的摩擦损失的。Wenzel 和 Cassie 通过对表面粗糙度的研究，发现了表面粗糙度对浸润性的影响，表面粗糙越严重，浸润性能越差^[8-9]；Hamilton^[10]对微凸体纹理结构的润滑性能的理论和实验研究，并且发现摩擦副表面适当制备微凸体纹理结构有利于改善润滑性能；然后Siripuram^[11]等人对缸套表面添加随机凹坑，并且观察这些随机凹坑对摩擦副的润滑性能的影响。Etsion等^[12]对凹坑和微凸体润滑的研究，得到二者对摩擦副的摩擦系数没有影响但是却加大了润滑油的承载能力，但是凹坑深度必须在一定范围内，如果超出这个范围，承载能力就会变小；再到后来Yu^[13]等人指出表面纹理几何形状的改变对摩擦副也会有影响；Demas^[14]通过缸套活塞环的切片试验研究了活塞环表面涂层的不同处理对润滑油膜建立的影响，发现非晶态氢化碳涂层处理对润滑油膜的建立效果最好，铝合金活塞锻表面未处理对润滑油膜的建立效果最差。

1.2.2国内研究现状

我国对缸套的摩擦磨损问题研究起步虽然比较晚，但是也是丝毫不亚于国外学者对缸套-活塞环的研究。合肥工业大学的桂长林^[15]用改进的Acrhard模型分析讨论了缸套-活塞环的磨损问题，总结出有关内燃机缸套－活塞环润滑分析的方法。西安交通大学的刘琨^[16]则是对缸套与活塞环经过磨损之后的磨粒浓度进行了研究来反映出磨损的情况.谢友柏^[17]等人则是通过对缸套与活塞环气密性的研究反映出缸套的摩擦磨损性能。现阶段，对摩擦磨损问题的研究越来越深入，汪家道等^[18]对表面上有规则的凹坑做了大量的试验研究，发现影响摩擦学性能的主要因素是摩擦副接触表面面积的变化，造成其变化的原因是表面规则的凹坑；赵文杰和王立平等^[19]对不同表面纹理结构进行了研究，其研究结果表明对摩擦副表面的润滑性能影响很大的参数有表面粗糙度，表面织构形貌的高度和深度等；武汉理工大学郭智威等^[20]通过对不同缸套表面处理研究了对缸套震动的影响，张平^[21]等人则研究缸套高温情况下的摩擦磨损的性能。