摘 要

由于柴油机的苛刻工作条件，缸套-活塞环是发生故障较多的系统之一。另外，现在的柴油机越来越向重载、高速的方向发展，如何使缸套-活塞环系统在高温、高速、重载的情况下保持良好的摩擦润滑性能，对柴油机的发展起着很重要的作用。因此对这个系统进行摩擦学行为的分析研究无疑对柴油机的寿命、可靠性及运转经济性等有着至关重要的意义。不同的工况对柴油机工作影响重大，对缸套-活塞环的工作亦有较大影响，本论文利用同种表面纹理缸套在不同工况下进行试验来获取摩擦特性数据，通过对各工况下缸套摩擦特性的比较，从优选取最佳的工况。

本文以柴油机的缸套-活塞环摩擦副为研究对象，聚焦于柴油机缸套-活塞环摩擦副在不同工况下的摩擦性能研究。旨在为柴油机缸套-活塞环选择合理工作工况提供依据，实现柴油机缸套-活塞环系统的润滑、减磨以及降耗等。

论文主要研究了运行工况对同纹理结构缸套的摩擦学性能的影响。

研究结果表明：对于环方槽缸套，在低转速低载荷的工况下，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方槽缸套表面的摩擦学性能，对比摩擦系数的平均值、工作之后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方槽缸套-活塞环的摩擦学性能。

关键词：缸套-活塞环；表面纹理；运行工况；润滑减磨

Abstract

The cylinder liner-piston ring is one of the frequently breakdown system due to the harsh working condition of diesel engine. Moreover diesel engine is developed more efficient and has high load ability. It will play an important role in development of diesel to solve the problem that how to keep fine lubricity in case of high speed, high temperature and overloading. Therefore, it is important to improve service life, reliability and economy of the cylinder-piston ring system through discussing and analyzing their tribological properties. Different operation conditions have great significance on the running state of diesel engine and cylinder liner-piston ring. In this paper, the friction data was obtained under the different conditions for same surface texture. The friction characteristics of each cylinder liners were compared to preferentially select the optimal condition.

In this paper, take the cylinder piston ring friction pair of diesel engine as the research object. The friction performance of the cylinder liner-piston ring under different working conditions is studied. It aims to provide the basis for cylinder piston ring to select reasonable working conditions, and to achieve the lubrication, grinding and reducing consumption.

The effect of operating conditions on the tribological properties of the cylinder liner with the same texture is studied in this paper.

The research results show that the tribological performance of the cylinder liner is optimal under the condition of low speed and low load.

The feature of this paper: using the experimental method to explore the tribological properties in different work conditions of the cylinder liner with ring groove side surface. To contrast the friction coefficient of average value, the 3-D shape of inner surface of cylinder liner after working, and the contact resistance. And from these, the friction properties of the cylinder liner with ring groove side surface in different operation conditions can be compared.

Key word: cylinder liner-piston ring, surface texture, operation condition, lubrication and friction reduction

目 录

第一章 绪论 1

1.1 课题背景及研究意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 本文主要研究内容及目标 2

1.3.1 主要研究内容 2

1.3.2 不同加工方式的介绍 3

1.3.3研究目标 4

第二章 试验设备及分析方法 5

2.1 摩擦磨损试验设备 5

2.2缸套试样制备 6

2.3缸套-活塞环夹具介绍 7

2.4 试验润滑手段 8

2.5 缸套表面分析手段 8

2.5.1接触式表面轮廓仪介绍 9

2.5.2 接触式轮廓仪工作原理 10

2.6 本章小结 10

第三章 基于试验的缸套表面摩擦磨损特性研究 11

3.1 试验 11

3.1.1试验准备 11

3.1.2 摩擦试验 11

3.2 摩擦系数分析 12

3.2.1 转速为100r/min下不同试验力的摩擦系数分析 12

3.2.2 转速为300r/min下不同试验力的摩擦系数分析 13

3.2.3转速为500r/min下不同试验力的摩擦系数分析 14

3.2.4不同试验力下摩擦系数分析 15

3.2.5摩擦系数分析总结 16

3.3活塞环切片磨损量分析 17

3.4本章小结 17

第四章 基于形貌测量的缸套摩擦磨损性能研究 18

4.1 形貌特征表征方法 18

4.2 测量控制软件介绍 19

4.3 形貌测量数据分析 19

4.4 本章小结 21

第五章 基于接触电阻的缸套摩擦磨损性能研究 22

5.1接触电阻法测油膜 22

5.2 接触电阻测量系统 22

5.2.1 测量设备及电路 22

5.2.2 基于LabVIEW的接触电阻测试程序 23

5.2.3 试件的接触与绝缘 23

5.3 环方槽接触电阻数据分析 24

5.3.1 100r/min不同载荷下接触电阻分析 24

5.3.2 300r/min不同载荷下接触电阻分析 25

5.3.3 500r/min不同载荷下接触电阻分析 25

5.4 本章小结 26

第六章 总结与展望 27

6.1 主要结论 27

6.2 研究展望 27

参考文献 29

致 谢 31

第1章 绪论

柴油机是船舶动力的核心，而缸套-活塞环组件又是柴油机的重要构成部分，其工作性能的好坏直接影响到气缸输出功率的大小。相关研究表明，影响缸套-活塞环工作性能的主要是其接触部分的摩擦，而这一部分摩擦耗功也占到了整个柴油机摩擦耗功的30%到50%左右。在密封的燃烧室内，缸套-活塞环摩擦副之间形成的润滑油膜的厚度关系到缸套-活塞环组件的磨损以及使用寿命，而缸套-活塞环之间的摩擦学性能对柴油机的输出功率甚至整个船舶动力都有着极大的影响。因此，对缸套-活塞环组件的研究在减少摩擦耗功、提高船舶动力和节约石油燃料等方面有着十分重大的意义。

• 1. 课题背景及研究意义

从缸套-活塞环的研究历史来看，通常都是围绕着缸套—活塞环摩擦副的润滑以及其摩擦性能展开研究。而对于这些研究主要是集中在三个方面：一是采用新材料或者是新工艺，如缸套表面氮化，镀铬，火焰喷涂，超音速喷涂等工艺，使其表面性能加强得到优化^[1]；二是改进或者采用性能更优的润滑油，通过滑油这一方面来达到优化摩擦的目的^[2]；三是通过优化改造缸套内表面的微观几何形貌，加强储油能力，确保能形成一定厚度的油膜并改善油膜分布。Furuhama^[3]通过对研发的柴油机在不同运行工况下摩擦力变化的测量，发现在柴油机运行时主要的载荷都由润滑油膜承担，并且缸套-活塞环摩擦副摩擦力的变化情况主要集中在润滑混合区域，该摩擦副对柴油机运行有很大的影响。因此研究缸套-活塞环的摩擦性能对提高柴油机的性能等方面都具有重要的意义。

表面纹理技术是指对缸套-活塞环摩擦副表面进行加工处理，对表面的几何形状加以改变使之有一定的形貌，从而使摩擦副表面储油能力有一定的改善^[4]。表面纹理技术经过多年的发展，在改善摩擦副表面性能方面得到广泛的应用，例如现在采用激光技术制造的表面纹理可以在端面密封和活塞环结构处使其摩擦降低40% ^[5]。1988年格林公司提出激光珩磨缸套技术，并对相关发动机进行了测试，发现该技术能够有效的降低缸套-活塞环的摩擦以及发动机的颗粒排放^[6]。目前日益严格的排放法规推动着发动机的发展，而发动机的发展则促进了对发动机各个零件的研究，尤其是其各主要摩擦副的摩擦性能研究，其中缸套-活塞环作为发动机的主要摩擦副之一，已成为当今的一大研究热点。