冷却强度、配对副以及润滑介质对活塞环槽温度限值的影响

韩晓光， 杜凤鸣， 吴迪， 金梅， 袁晓帅， 胡定云， 庞铭， 徐久军

(1. 大连海事大学船机修造工程交通行业重点试验室， 辽宁 大连 116026；2. 大连海事大学轮机工程学院， 辽宁 大连 116026；3. 南京航空航天大学材料科学与技术学院， 江苏 南京 210016； 4. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)

冷却强度、配对副以及润滑介质对活塞环槽温度限值的影响

韩晓光1， 杜凤鸣2， 吴迪3， 金梅2， 袁晓帅4， 胡定云4， 庞铭4， 徐久军1

(1. 大连海事大学船机修造工程交通行业重点试验室， 辽宁 大连 116026；2. 大连海事大学轮机工程学院， 辽宁 大连 116026；3. 南京航空航天大学材料科学与技术学院， 江苏 南京 210016； 4. 中国北方发动机研究所(天津)， 天津 300400)

在自制的基于摩擦力的活塞环槽温度限值测试装置上，采用火焰加热活塞模拟内燃机燃烧室的燃烧过程，在加热强度一定的条件下，分别研究不同冷却强度、配对副以及润滑介质时缸套-活塞环间的摩擦力随活塞环槽温度的变化。结果发现：活塞环槽温度限值随冷却强度的增大而逐渐提高；CKS环与镀铬缸套配副时比镀铬环以及喷钼环与镀铬缸套配副时活塞环槽温度限值高；SAE15W/40润滑油作为润滑介质时比SAE40，SAE10W/30润滑油作为润滑介质时活塞环槽温度限值高。

活塞环； 气缸套； 润滑剂； 冷却强度； 活塞环槽； 温度限值

近年来，随着动力机械向着高速化和大型化的方向发展，润滑问题受到广泛关注。据统计，由于润滑失效导致的事故占总量的60%左右[1]。通常认为，润滑条件下的磨损是由于零件运转过程中产生的机械作用、热作用以及摩擦副与润滑介质间的化学作用造成的，导致润滑失效的主要因素包括润滑剂非牛顿性、表面粗糙度和界面温度三个方面[2-3]。

内燃机温度过高会使吸进内燃机的混合气数量减少，导致发动机功率下降。活塞温度过高会使机油在高温下氧化变质、失效、黏度降低，润滑性能下降，导致运动件间油膜变薄甚至破坏，从而加剧机件的磨损。杨睿[4-5]等搭建了一套油品高温氧化结焦行为的实验室评价装置，并测定了两种润滑油高温氧化后的极性和非极性结焦前驱物及结焦的组成，研究了其热氧化结焦行为，证明润滑油在高温环境长期工作时会产生结焦现象。

燃油燃烧过程中产生的高温高压气体作用在活塞表面，使活塞表面温度升高，不同部位之间的温度分布不均，温度梯度增大，易造成活塞的热变形和热应力增加[6]，导致活塞和气缸磨损，活塞-活塞环、活塞-缸套、活塞环-缸套因过热膨胀而破坏其原有正常的配合间隙，造成摩擦阻力增加，零件的磨损加剧，强度降低，使零件变形和损坏[7]。活塞环，特别是第一道气环，在高温高压和燃烧生成物所产生的化学作用下，润滑油热解、结焦，环槽区积炭、粘附磨粒加剧磨损，进而使活塞环卡滞、扭断，引起活塞环槽异常磨损产生密封失效，造成窜气、烧机油甚至烧活塞故障[8-9]。因此，在活塞设计中，环槽区域的温度必须处于某一限值以下，避免功能性热损伤。

长期以来，国内柴油机研发大多仿制国外成型产品，活塞环槽临界温度还采用经验值，对活塞环槽温度研究相对较少。王建平等[8]以铝活塞镶嵌高镍合金铸铁圈-球墨铸铁活塞环为研究对象，采用CD10W40润滑油摩擦副，以润滑介质结焦、摩擦副过度磨损为评价依据，通过开展不同温度下的高温端面磨损试验确定活塞环区润滑油结焦温度及异常磨损温度分别为200 ℃和220 ℃。但该试验仅仅分析了给定温度下试样表面形貌及摩擦因数的变化，不能实时反映环槽温度的变化对润滑介质工作状态的影响。

本研究采用自制的非发火单缸卧式试验机模拟火焰加热，以在线测量缸套活塞环间摩擦力信号来表征润滑油性能随活塞环槽温度的变化，从而确定活塞环槽温度限值，为活塞设计及抑制活塞功能性热损伤提供依据。

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

采用自制的基于摩擦力的缸套活塞环槽温度限值测试装置(专利申请号：CN201610427400)进行试验，图1示出了缸套与活塞组件摩擦力在线测试装置示意。该装置采用电机倒拖方式拖动活塞环组在缸套内作往复运动，电机额定功率5.5 kW；通过在活塞第二和第三道活塞环间打孔，通入压缩空气实现活塞环背压加载，实际工作背压为3 MPa; 环槽温度通过在环槽附近内置热电偶进行测量；冷却水采用可控流量的水泵通过缸套冷却腔对缸套活塞环进行冷却，通过在缸套与挡板间设置压力传感器对缸套活塞环间的摩擦力进行测量；活塞为表面喷磷处理的铝活塞。

1—加热系统； 2—测力系统； 3—活塞环； 4—热电偶； 5—连杆； 6—缸套； 7—加压系统； 8—密封端盖； 9—冷却系统图1 试验机原理

1.2 材料及试验方法

采用镀铬活塞环、喷钼环和CKS环分别与镀铬缸套配对，SAE40，SAE10W/30，SAE15W/40润滑油作为润滑介质，冷却水流量为20～60 L/min，电机转速为200 r/min，活塞环背压加载至3 MPa条件下，研究不同配副材料对活塞环槽温度限值的影响，具体试验流程如下：

1) 开动电机，达到设定转速后，逐步加载活塞环背压，在加压的过程中，要充分润滑缸套-活塞组，使缸套-活塞组接触面尽快进入磨合稳定期；

2) 在进入磨合稳定期后，对活塞顶面以一定的加热速率进行点火加热，冷却水流量为20 L/min，镀铬环与缸套配对，SAE15W/40润滑油作为润滑介质进行试验，采集该试验条件下的摩擦力数据，获得摩擦力与活塞环槽温度之间的对应关系；

3) 分别提高冷却水流量为40 L/min和60 L/min，重复上述试验步骤1～3，记录摩擦力数据；

4) 更换润滑介质，采用SAE40，SAE10W/30作润滑介质，在冷却水流量为20 L/min条件下，进行上述试验，记录试验数据；

5) 更换活塞环，采用CKS环和喷钼环分别与镀铬缸套匹配，在冷却水流量为20 L/min条件下，进行上述试验，记录试验数据。

2 结果与讨论

2.1 冷却强度的影响

为了研究冷却强度对活塞环槽温度限值的影响，在充气压力为3 MPa，电机转速为200 r/min条件下，采用镀铬环与镀铬缸套配对，SAE 15W/40作润滑介质，在冷却水流量为20～60 L/min时，进行缸套活塞环摩擦力随活塞环槽温度变化的试验研究。图2示出了采用火焰加热活塞模拟内燃机燃烧室的燃烧过程，活塞环槽温度随加热时间变化曲线。由图可知，活塞环槽的升温过程明显分成两个阶段，在加热初期，温度上升速率较快，大约持续60 s，随后温度上升速率逐渐减慢；加热初期，冷却水流量为20 L/min时活塞环槽温度上升速率较冷却水流量为40 L/min和60 L/min更快，随加热时间延长到120 s，温度上升速率基本保持不变。

图2 活塞环槽温度随加热时间变化

图3示出了缸套活塞环摩擦力随活塞环槽温度变化曲线。由图可知：随着活塞环槽温度上升，初期摩擦力逐渐增大，但变化幅度不大，在0～20 N之间缓慢增加；但当温度增加到200 ℃以上时，3种冷却水流量条件下，缸套活塞环间的摩擦力均发生突变，只是突变点的温度不同，分别为203 ℃，217 ℃和228 ℃，由此可知，随冷却强度增加，缸套活塞环摩擦力突变时的活塞环槽温度逐渐增大。

图3 缸套活塞环摩擦力随活塞环槽温度变化

2.2 配副材料的影响

为了研究配副材料对活塞环槽温度限值的影响，选取镀铬环、CKS环与喷钼环分别和镀铬缸套组成配对副，在冷却水流量为20 L/min条件下进行了缸套活塞环摩擦力试验研究。图4示出了不同配副材料下缸套活塞环摩擦力随环槽温度变化曲线，由图可知，随着活塞环槽温度增加，摩擦力逐渐增大，变化幅度在20 N左右；当温度增加到203 ℃时，镀铬环和喷钼环与镀铬缸套配对副的摩擦力值首先发生突变，随着温度进一步上升到210 ℃，CKS环与镀铬缸套配副间摩擦力值也发生突变。

图4 不同配副材料下缸套活塞环摩擦力随环槽温度变化曲线

2.3 润滑介质的影响

为了进一步研究不同润滑介质对活塞环槽温度限值的影响，选取SAE40，SAE10W/30，SAE15W/40作为润滑介质，采用镀铬环与镀铬缸套配对，在冷却水流量为20 L/min条件下进行缸套活塞环摩擦力检测。图5示出了不同润滑介质条件下缸套活塞环摩擦力随环槽温度变化曲线。由图可知，随着活塞环槽温度增加，摩擦力逐渐增大，变化幅度在20 N左右；当温度增加到200 ℃时，使用SAE10W/30润滑油的配对副摩擦力首先发生突变，随活塞环槽温度的升高，使用SAE40及SAE15W/40润滑油的摩擦副摩擦力相继发生突变。

内燃机缸套活塞环摩擦副在工作过程中承受来自气缸内的高温高压气体和燃烧生成物所产生的化学作用，缸套活塞环产生热变形，间隙变小，润滑油膜难于形成，同时润滑油在高温作用下可能产生热解、结焦、环槽区积炭、粘附磨粒加剧磨损，造成缸套活塞环润滑异常，摩擦力显著增大。因此，对缸套活塞环进行冷却处理是非常必要的。活塞环是缸内重要的导热原件，活塞的大部分热量经活塞环-润滑油膜-气缸套系统传给冷却介质，因此，冷却系统对缸套活塞环的润滑性能有较大影响。在外加热源作用下活塞环槽处的温度显著增大，但产生的热量大部分经活塞环-润滑油膜-气缸套系统传递给冷却水系统，使润滑油温度降低，随着冷却水流量增大，活塞环-润滑油膜-气缸套系统经冷却系统带走的热量也显著增大，使得润滑油与活塞环槽之间温差也相应增大，也是环槽温度限值随冷却水流量的增大显著提高的原因。在同一冷却水流量条件下，不同配对副的影响主要是由于活塞环表面不同成分及不同的表面处理工艺造成的。镀铬环和喷钼环表面分别做了电镀铬和喷钼处理，均有效地改善了摩擦副的摩擦磨损性能，但与CKS环相比，金属涂层的导热性能比陶瓷涂层的导热性能更好，使来自活塞的热量很快传导到润滑油，导致润滑油温升高更快，在同样的冷却强度下，电镀铬和喷钼处理活塞环与缸套配副时润滑油更容易达到结焦温度，造成摩擦力值发生突变。当采用不同的润滑介质进行润滑时，润滑油本身的性质决定了活塞环槽温度限值的变化，SAE40及SAE15W/40润滑油在高温使用时的黏稠性好，生成的油膜强度更高，在高温下不容易结焦，因而活塞环槽具有更高的温度限值。

图5 不同润滑介质条件下缸套活塞环摩擦力随环槽温度变化曲线

3 结论

a) 活塞环槽温度限值随冷却水流量的增大而逐渐提高，冷却水流量由20 L/min 增加到60 L/min时，环槽温度限值由203 ℃增加到228 ℃；

b) 采用CKS活塞环、喷钼活塞环与镀铬环与镀铬缸套配副时，CKS环与镀铬缸套配副时活塞环槽温度限值较高；

c) 采用不同的润滑介质进行试验时，SAE15W/40润滑油作为润滑介质时活塞环槽温度限值较高，这与该润滑油具有更好的高温性能有关。

[1] 黄平,温诗铸.温度的非牛顿效应及其润滑失效机理分析[J].润滑与密封,1996(2):14-19.

[2] 黄平.润滑失效分析[J].华南理工大学学报(自然科学版),2002,30(11):95-100.

[3] 张广军,黄平,温诗铸,等.考虑温度非牛顿效应的流体润滑计算及油膜失效分析[C]//第三届全国青年摩擦学学术会议论文集.洛阳：中国机械工程学会,1995.

[4] 杨睿,杜斌,张志凌,等.润滑油结焦行为的实验室评价[J].石油学报(石油加工),2013,29(5):813-817.

[5] 张丙伍,李静,吕丙琴,等.航空发动机润滑油抗结焦性能研究[J].润滑油,2013,28(3):1-3.

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[编辑： 潘丽丽]

Influences of Cooling Intensity, Mating Material and Lubricant Medium on Temperature Limit of Piston Ring Groove

HAN Xiaoguang1, DU Fengming2, WU Di3， JIN Mei2, YUAN Xiaoshuai4, HU Dingyun4, PANG Ming4, XU Jiujun1

(1. Key Lab of Ship-Maintenance & Manufacture, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 2. College of marine engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China; 3. School of Materials Science and Technology， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China； 4. China North Engine Research Institute(Tianjin), Tianjin 300400, China)

The friction force changes of different mating materials, cooling intensities and lubricant mediums with the temperature of piston ring groove were studied through simulating the combustion process inside combustion chamber with the flame heating piston on a self-made temperature limit apparatus of piston ring groove based on the friction force. It was found that the temperature limit of piston ring groove increased gradually with the increase of cooling intensity and the temperature limit at the friction pair of chrome plated cylinder liner with CKS ring was higher than that at the pair of the same cylinder liner with chrome plated ring or spraying molybdenum ring. Besides, the temperature limit of piston ring groove of SAE15W/40 was also higher than that of SAE40 and SAE10W/30.

piston ring； cylinder liner； lubricant； cooling intensity； piston ring groove； temperature limit

2016-12-15；

2017-03-02

辽宁省自然科学基金资助项目(201602065)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(3132017009)

韩晓光(1974—)，男，副教授，博士，研究方向为内燃机摩擦学，材料表面改性；xghandl@163.com。

徐久军(1967—)，男，教授，博士生导师，研究方向为内燃机摩擦学；jjxu@dlmu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.02.007

TK417.12

B

1001-2222(2017)02-0041-04