柴油机连杆小头衬套摩擦磨损试验研究

刘旭康,张利敏,王浩宇,李一帆,李满,周润天

(中国北方发动机研究所(天津),天津 300400)

连杆小头衬套是柴油机中连接连杆小头和活塞销的关键零件,它不仅交替承受气缸的燃烧压力和连杆自身的惯性力,还受到活塞热负荷的作用[1-3]。连杆小头衬套-活塞销摩擦副的飞溅润滑方式和摆动特点导致润滑油膜不易建立,极易出现混合润滑甚至干摩擦情况,而其摩擦磨损性能的优劣直接影响柴油机使用寿命和动力特性。

国内外研究学者综合考虑各种非线性因素对连杆小头衬套的润滑性能的影响,建立了关于连杆小头衬套多种形式的计算模型,指出粗糙度、间隙等因素的影响规律,并提出结构参数的优化设计方法[4-8]。仿真手段在一定程度上对连杆小头衬套摩擦磨损特性的评价和结构设计提供了理论支撑以及优化思路,但实际工程应用性较差。通过试验手段研究衬套不同材料、不同结构的性能差异[9-11],存在以试样级作为研究对象、摩擦副运动状态模拟难度较大、各工况因素选取较为简单等问题,与工程实际磨损状态差异较大。

本研究以某型号柴油机实际装机使用的零件为试验对象,依照局部强化技术的工程思路,在摆动摩擦副摩擦磨损试验台上,模拟柴油机工作中连杆小头衬套绕活塞销摆动的运动形式和承载状况,开展挤压工艺、旋压工艺和进口产品工艺3种制备工艺的连杆小头衬套摩擦磨损试验,对比不同衬套与活塞销匹配性能差异,力求为提高连杆小头衬套的可靠性提供参考依据。

1 摩擦磨损试验

1.1 试验装置

图1a和图1b分别示出试验装置原理和衬套-活塞销安装实物图。试验装置由控制系统、加载系统、测试系统、润滑系统、冷却系统等组成。试验所用的连杆小头衬套和活塞销均满足某型号柴油机装机的使用要求,其中活塞销两端开有V型槽用于安装定位。轴承试样和轴承盖上分别开有直径为5 mm的油孔,提供牌号为RP-4652D的装甲车辆润滑油。K1热电偶用于监测衬套承载中心温度,K2热电偶用于监测衬套承载外侧温度,与K2安装孔相隔90°的位置处安装K3热电偶,用于监测衬套非承载区域温度。

图1 摆动摩擦副摩擦磨损试验台

1.2 试验对象及方案

试验对象如表1所示,以进口衬套作为对比件开展试验。试验方案如表2所示。表2中循环载荷是指施加载荷按照摆动频率周期性变化;飞溅润滑是指润滑油通过循环过滤系统喷淋到摩擦副接触区;终止条件是指试验过程中摩擦扭矩超过200 N·m或者摩擦温度超过220 ℃,则立即停止试验,如未超限则持续考核120 min。

表1 试验对象

表2 试验方案

2 试验结果及分析

针对3种工艺衬套,每种衬套均进行3次摩擦磨损性能的对比试验,经过前期的试验验证发现,试验结果一致性良好,本研究选取其中一次试验结果进行分析。

2.1 摩擦扭矩

图2示出试验过程中3种工艺衬套摩擦扭矩的变化情况。由图2b可以看出,旋压工艺衬套和进口工艺衬套磨合阶段的驱动扭矩与初始值基本一致,分别约52 N·m和49 N·m,而挤压衬套磨合阶段呈现“下降—平稳”的趋势,扭矩相对较小。整体来看,3种工艺衬套表面粗糙度基本一致,磨合阶段衬套表面的微凸体被快速磨平,摩擦副处于良好的润滑状态。改变工况,进入磨损考核阶段,由于载荷的增加,摩擦扭矩瞬间变大,挤压工艺衬套摩擦扭矩基本稳定在150 N·m,且整个过程都比较稳定。进口工艺衬套考核前1 h,摩擦扭矩基本稳定在120 N·m,之后逐渐变大,最后超过挤压工艺衬套。旋压工艺衬套的摩擦扭矩在考核前期一直增加,在考核后期陡增、陡降,且幅度较大,在考核100 min时触发试验终止条件,摩擦扭矩曲线波动明显,反映出润滑效果差,难以形成稳定的油膜。

图2 3种工艺衬套摩擦扭矩的变化情况

2.2 摩擦温度

图3示出试验过程中3种工艺衬套摩擦温度的变化情况。由图3b可以看出,3种工艺衬套磨合阶段的摩擦温度呈现略微升高的趋势,这是摩擦热在摩擦界面不断累积的结果,同一位置温度差异主要是配副类型和基础油温不同造成的。进入考核阶段后,3种工艺衬套的摩擦温度均上升,在同一监测点下,挤压工艺衬套和进口工艺衬套摩擦温度基本相当,均表现为缓慢上升的趋势,而旋压工艺衬套的摩擦温度明显高于另外2种工艺衬套,且存在波动。这与摩擦扭矩变化情况一致,较高的摩擦扭矩有利于摩擦力做功,进而转化为更多的摩擦热量,同时由于摩擦热在摩擦界面的不断积累,使得衬套材料表现出黏弹性程度增大;且随着温度的不断升高,衬套表层材料发生软化和塑性变形,抵抗剪切变形的能力降低,从而影响摩擦扭矩,摩擦温度和摩擦扭矩相互影响,存在一定的相关性[12]。另外不同测点均表现出承载中心温度最高,直接反映出轴承摩擦生热的分布差异。衬套材料的强度和腐蚀性能都与使用温度有很大的关系,若使用温度较高,无论是否在正常的润滑状态下,轴承的性能都会降低,这就要求产品选择时要重点关注其摩擦温度。摩擦温度一定程度上能够反映连杆小头衬套工作变化情况,有利于预测运行故障,尤其对衬套烧伤的诊断比较可靠。

图3 3种工艺衬套摩擦温度的变化情况

2.3 宏观/微观形貌

图4示出试验结束后衬套和活塞销的宏观形貌。从图4可以看出,3种工艺衬套非磨损区域表面的机械加工痕迹被磨平,形成比较光滑的表面,而磨损区域表面存在与滑动方向一致的磨痕;进口工艺衬套表面存在细微划痕,挤压工艺衬套表面存在少量划痕,而旋压工艺衬套表面划痕最为明显,且存在高温变色现象,活塞销摩擦区域被与之匹配衬套转移来的铜屑附着。

图4 试验后试样的宏观形貌

图5示出3种工艺衬套摩擦区域的SEM图。由图5可见,旋压工艺衬套表面存在较多犁沟和鳞状剥落坑,挤压工艺衬套表面犁沟和鳞状剥落坑较少,而进口工艺衬套形貌保持良好,与宏观形貌观测的磨痕现象一致,这是磨粒磨损机制产生的结果。衬套表面剥落的铜屑嵌入两摩擦面之间形成硬质磨粒,引起类似于锉刀锉东西的磨损行为;同时存在鳞状剥落坑,结合局部铜屑熔融附着现象,说明摩擦副之间发生了黏着磨损。黏着磨损是衬套与活塞销金属表面局部发生直接接触,两者之间润滑油膜破裂造成局部高温,使其熔融黏着、脱落[13-14],逐步扩大发生的一种表面损伤行为。因此,该摩擦副磨损过程是以黏着磨损为主,同时伴随着磨粒磨损的混合磨损类型。

图5 3种衬套摩擦区域的SEM图

2.4 磨损量

借助轮廓仪测量衬套的轮廓半径,测量区域包含衬套表面未磨损区域(开始段和结束段)和磨损区域。以衬套轮廓最大深度圆半径R与结束段未磨损区域的基准圆半径R0的径向差值ΔR衡量衬套的磨损量。图6示出轮廓测量仪所测轮廓放大500倍的结果,图7示出不同衬套表面轮廓测量的差值结果。从图7可以看出,旋压工艺衬套中心位置最大深度圆半径与基准圆差值最大,挤压工艺衬套次之,进口工艺衬套最小,但后两者相差不大。

图6 轮廓测量仪测量示意

图7 衬套轮廓测量差值

2.5 制备工艺剖析

进口衬套在前期的装机考核过程中表现出良好的摩擦磨损性能和使用稳定性,但其具体制备工艺和特殊加工细节对国内严格封锁。旋压工艺技术在国内相对成熟[15],它是一种无切削的等体积塑性成形制备工艺,但由于其多而复杂的加工过程,再加上各参数之间的影响,很容易产生裂纹、鼓包等缺陷,从而影响产品质量。强力旋压本质上是对材料加工硬化而强行提高材料的力学性能,使得经过旋压后的衬套处于亚稳状态,在高温甚至中低温环境下长期服役,极易出现变形、软化的现象,最终影响柴油机的正常运行。而挤压工艺技术是被加热的坯料在具有一定温度的模具内在挤压力的作用下挤压成形,坯料与模具之间的热传递小,使得坯料具有良好的塑性和流动性,后经过机加、磨外圆等工序制备出合格的衬套产品。在此过程中,采用以温挤—冷拔—机加等工艺过程为主的近净成形技术,不断细化晶粒,使得产品表现出良好的摩擦磨损性能。

利用奥林巴斯显微镜对腐蚀后的样品进行显微组织观察,获得其金相照片,如图8所示。

图8 3种工艺衬套组织金相图

旋压工艺衬套经过机加工艺,其晶内出现大量滑移带,且晶粒沿加工方向有轻微拉长迹象,其平均晶粒直径为47 μm。挤压工艺衬套高倍照片显示合金是由两种相组成,衬度较亮的相为α固溶体,晶粒内部形成了明显的孪晶片层,黑色相为γ-(CuNi)3Sn相,其平均晶粒直径为29 μm。进口工艺衬套微观组织相对均匀和细小,其平均晶粒直径为21 μm,晶粒内部可见到明显的孪晶片层,结晶晶粒完整,呈α单相组织,其间嵌有少量含铅颗粒。晶粒细化可以提高材料的强度性能,也会提高材料的韧性和塑性,相应地提升耐磨性。

3 结论

a) 从摩擦扭矩、摩擦温度、宏观/微观形貌和磨损量4个方面进行对比,相同工况下挤压工艺衬套摩擦磨损性能均优于旋压工艺衬套,表现出对标进口工艺衬套的能力;

b) 结合制备工艺剖析和试验结果,说明挤压制备工艺成形的零件整体晶粒均匀性良好,该工艺对提高连杆衬套的生产质量具有重要的意义。