不同活塞销孔衬套-活塞销摩擦副匹配性能研究

刘旭康 张利敏 王延荣 刁占英 王根全 王浩宇 强 慧 袁晓帅 柯庆航

(中国北方发动机研究所 天津 300400)

随着高强化柴油机活塞最高燃烧压力的不断提高，活塞销座部位承受的热负荷和机械负荷也越来越高[1-2]，持续高温高压的工作环境使其面临着更大的考验。活塞销和销孔之间的润滑油膜厚度是0.5～15 μm，在活塞运动过程中，摩擦副实际存在的混合摩擦行为极易造成销孔表面干摩擦[2]，导致活塞销孔衬套黏着磨损失效。许多故障案例表明，活塞销轴承磨损是造成活塞连杆组件失效的主要原因之一[3-6]。

优化活塞销孔型线[7-9]和销座结构[10-14]设计是目前国内外学者的研究热点。研究人员利用有限元软件开展多方案结构对比分析，研究了不同型线下活塞销孔轴承润滑状态，依据润滑特征参数评价型线匹配的合理性。然而，单纯依靠型线优化和结构设计不能完全解决销座磨损失效的问题。研究表明，依照局部强化技术的思想，改善活塞销孔镶铜衬套制备工艺是降低活塞销轴承磨损失效的另一种有效的工程技术手段。本文作者在摆动摩擦副摩擦磨损试验台上，开展挤压、旋压工艺制备的镶铜衬套以及进口同类衬套的承载、抗咬合和耐磨损性能试验，对比摩擦副的匹配性能差异，优选匹配方案，为国内活塞销孔衬套选配提供参考。

1 活塞销孔衬套-活塞销匹配性能试验

1.1 试验装置

活塞销孔衬套-活塞销匹配性能试验在摆动摩擦副摩擦磨损试验台上进行，模拟柴油机工作中活塞销孔衬套绕活塞销摆动的运动形式和承载状况。图1和图2分别为试验装置原理图及测试机构实物图，装置由计算机控制系统、电液伺服加载系统、衬套-活塞销摆杆机构、润滑系统、冷却系统等组成。试验载荷由液压作动器提供，垂直向上作用于测试轴承座底端。由电机经皮带传递到摆臂后驱动活塞销往复转动，模拟衬套-活塞销之间的摆动运动。润滑油通过循环过滤系统喷淋到摩擦副接触区，模拟飞溅润滑。试验过程中，通过计算机控制系统控制液压伺服加载和主机系统的启动和停止，以及摆动频率、施加载荷的调节。转速、压力、扭矩和温度传感器采集的信号，经工控机处理后在显示屏上以数字和曲线形式显示，实现人机对话。

图1 摩擦磨损试验台原理

图2 试验台测试系统

1.2 试验对象

试验所用的活塞销陪试件为某型号柴油机装机使用的活塞销，两端开有V形槽用于安装定位。活塞销孔衬套为高强度铜合金，通过液氮冷却过盈安装在连接套。试验的活塞销孔衬套包括旋压衬套和挤压衬套，其中旋压衬套的制备采用无切削等体积塑性成形工艺，挤压衬套的制备是将被加热的坯料和一定温度的模具在挤压力的作用下挤压成形。同时，还以某进口活塞销孔衬套为对比件进行试验。衬套和连接套上分别开有直径为5 mm的油孔，提供牌号RP-4652D装甲车辆润滑油。在与油孔间隔180°处的连接套上安装K1热电偶，用于测试衬套摩擦中心外壁温度，监测试验轴承承载中心的摩擦温度[15]。在衬套基座端面壁厚中心处安装K2热电偶，监测试验轴承承载区域外壁的摩擦温度，与K2安装孔相隔90°的位置处安装K3热电偶，监测试验轴承非承载区域外壁的摩擦温度。衬套轴承座截面示意见图3，活塞销-衬套轴承安装座截面见图4。

图3 活塞销及轴承安装座

图4 轴承安装座截面示意

1.3 试验方案

试验方案如表1所示。表中,循环载荷是指施加载荷按照摆动频率周期性变化;恒定载荷是指施加载荷不随摆动频率变化，即载荷恒定不变;单一载荷是指在同一摆动频率下，施加载荷(10/30/80 kN)恒定不变;逐级加载是指在同一摆动频率下，载荷从10 kN开始，按照每5 min 3 kN载荷步逐级递增;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;乏油润滑是指停止向摩擦副接触区飞溅润滑(但在磨合结束后摩擦副接触区仍残留部分润滑油)。

表1 试验方案

2 试验结果及分析

装配完成后，3种衬套在正式考核前均经过30 min的磨合。结果如图5、6和7所示，可以看出，3种衬套磨合阶段的驱动扭矩与初始值相比变化不大，摩擦温度略微升高(3种试验温度差异是试验开始时的基础油温不一致造成的)，说明在磨合阶段，摩擦副未出现较严重的粗糙接触，衬套表面的微凸体被快速磨平，处于持续稳定的润滑状态。

图5 3种衬套逐级加载过程中扭矩、温度的变化

2.1 承载性能试验

图5给出了3种衬套逐级加载阶段扭矩与温度的变化。磨合阶段结束后，按照每5 min 3 kN载荷步逐级递增，3种衬套的摩擦扭矩和摩擦温度随之增加，这是因为载荷的增加，接触面积就越大，即微凸体发生塑性变形和磨损的概率就增加，相应地摩擦副接触表面的摩擦阻力增大，表现为摩擦功耗上升。对比3种衬套在相同载荷下的扭矩值(见图5(a))，旋压衬套最大，进口衬套次之，挤压衬套最小，旋压衬套首先触发摩擦扭矩超过200 N·m的试验终止条件。这是因为旋压工艺参数多而复杂，导致各工艺参数之间相互耦合，可能出现裂纹、鼓包等缺陷，影响旋压成形件的质量。3种衬套承载极限：挤压衬套为52 kN，旋压衬套为43 kN，进口衬套为49 kN，即承载极限挤压衬套>进口衬套>旋压衬套。观察3种衬套在相同载荷下的温度曲线(见图5(b))，对比同一位置温度得出，挤压衬套温度最低；对比不同位置温度来看，K1、K2温度相差较小，说明试验过程中未出现严重的偏载现象，K1温度略高于K2，这是因为承载面中心区域较承载面外侧温度高造成的，非承载区域外壁的摩擦温度K3始终低于K1和K2，直接反映出轴承摩擦生热的分布差异。

2.2 抗咬合性能试验

图6给出了3种衬套在乏油过程中的扭矩和温度的变化情况。从图6(a)可以看出，停止向摩擦副接触区飞溅润滑后，3种衬套的摩擦扭矩迅速增加至某一值。旋压衬套摩擦扭矩数值最大且波动明显，最小扭矩约为150 N·m，最大扭矩接近200 N·m，说明试验过程中工作状况恶劣。进口衬套摩擦扭矩大约为165 N·m，同时存在波动。而挤压衬套摩擦扭矩大约为125 N·m，且波动较小，说明工作稳定性较好。驱动扭矩的变化直接反映出摩擦副表面的工作状况。观察图6(b)所示的摩擦温度变化曲线发现，旋压衬套温升最大，并且对润滑油的敏感度最高，乏油初期温度迅速增高，说明乏油初期油膜已被破坏，该摩擦副已发生严重的粗糙接触，在某些接触部位已形成干摩擦，造成摩擦副之间的摩擦功耗增加，温度一直升高，最高达到170 ℃。对比挤压衬套和进口衬套，与活塞销表面发生持续但并不严重的粗糙接触，产生的摩擦热量不断累积使试样温度不断升高。同一测点位置，挤压衬套温度低于进口衬套，这是因为挤压工艺采用多道冷拔+退火组合工艺，晶粒细化完整且均匀性较好，表现出产品稳定性好。

图6 3种衬套乏油过程中扭矩、温度的变化

2.3 耐磨损性能试验

图7给出了3种衬套耐磨损试验中的扭矩和温度的变化情况。可以看出，挤压衬套摩擦温度缓慢上升，摩擦扭矩基本稳定，大约为150 N·m，反映出衬套的工作稳定性良好；进口衬套试验初期，摩擦扭矩稳定在120 N·m左右，试验运行1 h之后，摩擦扭矩呈现上升的趋势，试验后期超过挤压衬套，同一监测点摩擦温度与挤压衬套相当，但稳定性不如挤压衬套；旋压衬套整个磨损试验过程中，摩擦温度基本呈增长的趋势，K1和K2温度明显高于其他测点温度，同时存在波动，摩擦扭矩陡增陡降，波动范围非常大，稳定性最差，并且试验70 min时超过200 N·m，试验终止。

图7 3种衬套磨损过程中扭矩、温度的变化

2.4 耐磨损性能评价

图8示出了3种衬套磨损试验结束后的宏观形貌。可以看出，3种衬套非磨损区域摩擦表面机械加工痕迹被磨平，形成比较光滑的表面，而磨损区域表面上存在与滑动方向一致的磨痕；进口衬套磨损表面虽有黑色细微划痕，但手感相对光滑；挤压衬套接触表面，均有高温变色痕迹，存在多处划痕，而旋压衬套表面划痕最为明显。

图8 3种衬套试验后的宏观形貌

采用表面轮廓法来评价不同衬套的磨损量，评价方式是轮廓最大深度圆半径与基准圆半径的差值。根据多次测量经验，测量触针下行过程中较为晃动，得到的基准圆不太准确，所以选取上行末端区域为未磨损区域，同时为了减小人为因素导致的测量误差，选取衬套承载区域3条线作为评价对象。图9所示为衬套表面轮廓测量仪，图10所示为测试区域示意图，图11示出了不同衬套轮廓测量的差值。

图9 轮廓测量仪

图10 测试区域示意

图11 衬套磨损量对比

从图11可以看出，旋压衬套中心位置最大深度圆半径与基准圆差值最大，挤压衬套次之，进口衬套最小。结合左、右侧轮廓测量差值，进口衬套磨损量最小。可见，进口衬套稳定性不及挤压衬套，但其耐磨性更优。这可能因为进口衬套采用了优良的合金材料和更优的加工工艺，后期可进一步从这两个方面对挤压衬套进行优化改进。

3 结论及建议

(1)3种衬套承载极限依次是挤压衬套、进口衬套、旋压衬套，承载中心区域摩擦温度最高，不同测点温度直接反映出轴承摩擦生热的分布差异。

(2)3种衬套乏油初期动态润滑油膜就遭到破坏，但挤压衬套对乏油耐受性最佳，即抗咬合性能最优。

(3)进口衬套制备工艺对国内严格封锁，具体细节和参数不得而知，但从磨损试验结果来看，进口衬套稳定性不及挤压衬套，而耐磨性优良，这可能因为具有优良的合金材料和机加工艺。但从磨损试验结果来看，进口衬套稳定性不及挤压衬套，但耐磨性更优。

(4)活塞销孔衬套-活塞销摩擦副匹配性能试验建议优选挤压制备工艺的衬套，能够提高活塞销座承载能力和热负荷、机械负荷的承受能力，缓解因温度过高导致的活塞材料性能的下降以及因应力集中活塞销座产生的裂纹的问题，具备对标进口衬套的能力，可为国内活塞销孔衬套的选配提供参考。