摩擦磨损试验机模拟活塞环-缸套摩擦行为的功能开发

王云霞，阎逢元，严 洁，李冬梅，寇冠涛，王 博

(1.中国科学院 兰州化学物理研究所 公共技术服务中心，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院 兰州化学物理研究所 固体润滑国家重点实验室，甘肃 兰州 730000)

随着汽车工业的发展，有关汽车运动部件的摩擦磨损性能研究越来越受到各国研究人员和工业界的高度关注[1-3].

活塞环-缸套是发动机中服役工况最为苛刻的关键零部件，其耐磨性和润滑性直接影响着内燃机的燃油能耗、功率和服役寿命[4-8].研究活塞环-缸套摩擦副的配磨性须将其作为一个摩擦系统来考虑，为了寻求和生产可靠性与耐磨性好的活塞环-缸套配副，常利用摩擦试验机模拟该摩擦副的实际工作状态和在强化条件下进行加速磨损试验.

德国Optimol公司生产的SRV-4微动摩擦试验机是一款具有优良稳定性和重复性的通用机型，可做各种油脂、金属及非金属材料在往复运动状态下的摩擦性能试验.SRV-4摩擦磨损试验机除可以进行油脂、涂层等材料的基础研究外，还能够模拟一些工况条件，在摩擦学基础研究和摩擦材料应用研究中发挥了重要作用.

参考活塞环-缸套的实际运行服役工况条件,同时结合SRV-4摩擦磨损试验机自身的性能指标和工作原理，开发增加硬件及软件测试条件，设计合理的试验条件及试样尺寸,快速、直观地评价活塞环-缸套的摩擦磨损性能，在较短时间内获得活塞环-缸套摩擦副性能优劣的试验数据，对提高相关企业的生产效益和推进其技术创新具有重要的借鉴意义.

1 设备组成及工作原理

SRV-4摩擦磨损试验机的结构如图1所示，其由硬件和软件两部分组成.硬件部分包括加载单元、驱动单元、测试模块、环境控制系统及其它外围设备等，该设备的主要技术指标为：载荷10～2 000 N，频率1～511 Hz，温度-35～+900 ℃，行程0～5 mm.软件部分可对摩擦测试过程(载荷、频率、行程、温度、时间)进行控制和监测，同时采集、处理、记录测试结果，以及通过数据库的方式存贮和管理数据.

SRV-4摩擦磨损试验机的工作原理是：电动马达驱动弹簧传输加载至上试样，电子式设定行程或频率，驱动电机带动上试样按照设定的行程和频率条件进行往复运动.摩擦力传感器将摩擦过程中产生的摩擦力实时传输到数据处理系统，经数据的转换处理得到摩擦过程的摩擦系数结果.

图1 SRV-4摩擦磨损试验机的结构Fig.1 Image and schematic of SRV-4 friction and wear tester

2 活塞环-缸套模拟条件设计

SRV试验机评价活塞环-缸套配副的耐磨性着眼点主要在于试验结果具有相关性的试验条件的设定.摩擦系数和磨损量是衡量发动机活塞环-缸套部件耐磨性能优劣的重要考察参数.通过与汽车行业相关企业沟通了解发动机活塞环-缸套部件的实际运行工况，摩擦模拟评价如图2所示，依据实际工况条件下的温度和速度，确定活塞环-缸套摩擦测试试验温度为150 ℃，往复摩擦运动的频率为20～50 Hz，试验冲程为1～2 mm.摩擦测试的起始负荷为50 N，磨合后，将载荷增加到200 N并保持恒定，摩擦测试时间不低于120 min.

图2 活塞环-缸套摩擦模拟示意图Fig.2 Simulated schematic of friction between piston ring and cylinder

拉缸是在特定接触压力、摩擦润滑状态及运动速度共同作用下产生的严重黏着磨损的复杂现象，常伴随有界面润滑膜失效、界面化学物质解析、氧化物损伤及高度塑性变形，并且存在接触连接点不稳定、磨屑堆积及大片亚表面失效等问题.拉缸常认为是润滑膜失效，造成界面温度骤升所致.在此温度下，接触界面磨损膜发生局部熔焊或黏着，使得摩擦和界面温度增加.拉缸现象特征是表面元素的物质转移，从而在两个相对运动表面上形成线性擦伤和局部熔焊.影响拉缸开始时间的关键因素有：材料性能(强度、微观组织、硬度及其与温度的关系)、表面粗糙度、化学介质、施加载荷和润滑剂.活塞环-缸套配副开始拉缸的显著特征是：滑动界面噪声显著变化或摩擦系数突然增大，依此特征记录下活塞环-缸套配副发生拉缸的时间、临界载荷或温度.

抗拉缸性能主要是衡量活塞环-缸套配副在规定的润滑条件下抵抗粘着及拉毛的能力.活塞环-缸套配副的抗拉缸性能常采用两种方式进行评价：负荷递加和梯度升温，评价过程如图3所示.结合实际运行工况确定活塞环-缸套拉缸载荷和温度测试的试验条件：温度130～170 ℃，试验机往复摩擦运动的频率为20～40 Hz，试验冲程为1～2 mm，摩擦测试的起始负荷为50 N，磨合后，将载荷增加到300 N并保持恒定，保持一定时间后递加50 N，直至卡咬.试验机往复摩擦运动的频率为20～40 Hz，试验冲程为1～2 mm，温度130～170 ℃，摩擦测试的起始负荷为50 N，磨合后，将载荷增加到300 N并保持恒定，每间隔一段时间递加20 ℃，直至卡咬.

3 活塞环-缸套模拟夹具设计

由于SRV-4摩擦磨损试验机摩擦副运动区域可操作空间小，没有成熟的工艺、尺寸供参考，所以在模拟夹具的加工过程中存在一定的难题.模拟夹具安装难易的关键在于允许装配公差的大小.允许装配公差越小，加工与装配就越困难.测试系统要求各部件间必须保证配合良好，否则不但直接影响测试系统的性能，还会对仪器设备造成损害，合理的设计是保证系统最终精度的前提条件之一.

经过与试验机生产厂家进行技术咨询，相关加工单位进行技术协作，结合活塞环-缸套的运动原理和影响因素，形成设计方案，确定模拟夹具的尺寸、材料和实际使用方便性等问题，结构如图4所示.

图4 活塞环-缸套模拟夹具示意图的(a)和实物图(b)Fig.4 Schematic (a)and actual (b)images of the simulating grippers of piston ring and cylinder

活塞环夹具需满足以下条件：(1)活塞环的尺寸可调，适用于不同厚度和侧面梯度.(2)选用硬质材料避免拉缸评价损伤夹具.缸套夹具需满足以下条件：不易变形，更换样品方便，导热性好.

试验样品尺寸设计：为更真实模拟评价活塞环-缸套配副，缸套、活塞环样品均从真实部件上截取、加工.缸套由曲面改为平面，保证了测试的重复性和测试效率，如图5所示.

图5 活塞环-缸套摩擦副的示意图(a)和实物图(b)Fig.5 Schematic (a)and actual (b)images of the friction pairs of piston ring and cylinder

4 系统测试

理想的活塞环材料必须具有低的摩擦和磨损、良好的磨合性、长期的稳定性和免维护性.目前，许多单位和机构对活塞环进行表面处理来进一步改进和提高其性能.为了验证设计方案或材料选择的合理性，需要对它们进行筛选评价试验.活塞环评价筛选：(1)活塞环-缸套配副，在给定系统条件下优选配副，为设计部门和主机制造厂进行摩擦学系统设计提供依据.(2)在给定系统条件下，研究活塞环(或缸套)表面处理对活塞环-缸套配副摩擦学特性影响，为零件部门提供配副应用和改进措施.

利用功能开发后的SRV-4摩擦磨损试验机，通过强化载荷、速度、温度或减少界面润滑剂用量，可在较短的时间内，花费较少的成本对改性活塞环的性能进行比较，评价结果如图6所示.评价结果与实际结果对比发现，模拟试验结果和相应台架试验有很好的对应性.

图6 不同条件下不同活塞环材料的摩擦系数测试Fig.6 Tests of friction coefficients under different conditions and materials

正常磨损的磨损率和高载高温抗胶合则是衡量活塞环-缸套配副摩擦性能优劣的两个重要指标.为了更有效模拟实际工况下活塞环-缸套摩擦副的配磨性，利用功能开发后的SRV-4摩擦磨损试验机对某生产企业提供的活塞环涂层，在油润滑和贫油润滑服役工况下的摩擦磨损性能及其抗高温抗承载效果，进行活塞环-缸套摩擦副的配磨性评价(如图7所示)，获取了准确、有意义的结果，对某些材料的研究使用提供指导依据.

图7 变载荷(a)和变温度(b)条件下活塞环-缸套拉缸性能测试Fig.7 Piston ring-cylinders scraping tests under varying load (a)and temperature (b)

5 结论

参考汽车部件的实际运行服役工况条件，结合SRV-4摩擦磨损试验机自身的性能指标和工作原理，设计合理的试验条件及试样尺寸，能够较快和较直观地评价相关部件摩擦磨损性能.如通过强化载荷、速度、温度或减少界面润滑剂用量，在节约大量人力、物力成本的情况下可以快速验证设计方案或工艺选择的合理性.可在较短时间内获得对改性活塞环摩擦学性能优劣的试验数据，进而对活塞环-缸套材料的实用化提供准确的指导依据.模拟活塞环-缸套配副的抗拉缸性，检测活塞环-缸套配副对避免拉缸的产生具有重要的指导作用.