缸套/活塞环摩擦学性能试验机的设计研究

　　缸套/活塞环是发动机中关键的摩擦副之一,其摩擦、磨损和润滑性能直接影响发动机的消耗功率、尾气排放等因素。在当今能源和环保问题非常严峻的形势下尤其突出[1]。此外,正常运转的缸套/活塞环,常发生灾变性的胶合失效,是多年来困扰设计师和研究者的一个难题。影响胶合失效的因素众多,包括润滑状态、表面形貌、应力水平、速度和温度等,这些量之间的耦合作用更增加了问题的复杂性。在高温和机械作用激发下,润滑油与缸套/活塞环表面发生剧烈的摩擦化学反应,使界面行为极其复杂[2]。大规模的胶合研究虽然进行了三十多年,但其失效机理仍不十分清楚。

　　目前胶合研究以批量试验结合表面分析为主。发动机台架试验能获得最接近实际工况下的压力、表面形貌、润滑、速度和温度等关键参数,但昂贵的成本制约了其进行批量试验。因此研究者都倾向于使用稳定可靠的商品化试验机,或改造或开发更适合研究对象要求的试验机,进行大量廉价高效的模拟试验,发现胶合失效的规律。Wang[3]、Tasbaz[4]、Galligan[5]等都使用Cameron PLINTTE77高频往复试验机进行胶合试验研究, Ting[6]、刘[7]、任[8]和徐[9]等各自开发了具有不同复杂程度和性能的试验机,进行摩擦学性能和胶合研究。商业化的SRV高温摩擦磨损试验机最大行程只有约3mm,不能很好地模拟缸套/活塞环的运动特点,此外SRV测量参数有限,也不适合研究胶合的复杂现象。因此,本文根据胶合研究的特点和功能需求,开发了一台试验机。

　　1　功能需求和测量参数

　　1·1　功能需求

　　试验机应能够模拟实际缸套/活塞环的材料、运动特点、温度等主要工况。温度是发动机胶合失效的主要因素,试验机应能够测量接触区的温度,特别是接触区闪温的变化;同时能够实时定性或定量地观察油膜厚度的变化规律,以确定润滑状态。试验机总体性能应稳定可靠,重复性好。不仅能进行胶合试验,而且能进行常规的摩擦磨损试验。

　　(1)试样:采用从实际缸套、活塞环上切割下来的试样,以获得接近真实的材料特性、表面形貌等。

　　(2)运动形式:考虑加载、加热和摩擦力测量等条件,试样采用上下布置的方式,活塞环试样在上,缸套试样在下。试验中上试样固定、下试样往复运动。

　　(3)往复运动机构:实际发动机中曲轴、连杆、活塞提供了由旋转运动到往复直线运动的转换。本试验机采用现成的曲轴,冲程选择在50mm左右。旋转运动的动力由电机提供。常用的调速方式有直流调速电机和变频器控制的交流电机。考虑到操作方便性等因素,选用变频器控制方式。往复直线运动部件选用导轨和滑块机构,购买韩国生产的双列滚珠直线导轨,承载能力强、精度高。滑块上可以安装试样台等附件。