汽车发动机缸套-活塞环摩擦副磨损及对策

本文分析了汽车发动机缸套-活塞环摩擦副的磨损特点，探讨其磨损的机理，提出了减少摩擦、控制磨损的具体措施。     

影响端面密封摩擦副工作的各种因素

动密封环和静密封环组成的摩擦副,是端面密封最重要的组成部分。当动环和静环安装绝对垂直,也不受各种因素的影响时,就能保证完全无泄漏密封,这就是理想的摩擦副。但事实上摩擦副受到了各种因素的影响,使其密封性能变差,寿命缩短。润滑是同摩擦——磨损作斗争的一种手段,能改善端面密封的性能,提高使用寿命。本文对各种有利因素和不利因素,分别进行讨论,供从事端面密封研究和设计工作者参考。 1 接触面间隙内液体压力的分布对摩擦副的影响 多数实验者进行端面密封的实验后得知,摩擦副内摩擦的最良好工况是半液体摩擦。发生半液体摩擦时,作用在密封接触面上的一部分力由粗糙不平的接触面承受,另一部分力由充满间隙内的液体介质所承受,如图1所示。这时,位于间隙内的液体,是处于密封接触面所承受的压力降P作用之下,沿半径r呈线性分布,其压力降分布是近似于三角形(见图1a)。     

机械密封的摩擦副材料

机械密封广泛用于流体机械中,对一般的工况其研究现主要体现在正确选择摩擦副材料上.本文介绍了常用的机械密封摩擦副材料以及一些新材料,对进一步研究和选择摩擦副材料有一定的指导的意义.     

表面形貌对活塞环密封及摩擦性能的影响

综合考虑活塞环表面形貌、弹性变形、运动面型线影响,建立柴油机活塞环-缸套摩擦副的弹性流体动压润滑计算模型,分析活塞环表面纹理方向及粗糙度大小对活塞环窜气及摩擦功耗的影响。研究发现,随着转速的提升,活塞的窜气量及摩擦功耗会加剧,导致发动机效率降低;活塞环-缸套摩擦副的表面纹理方向影响窜气量和摩擦功耗,采用活塞环横向纹理和缸套纵向纹理配合时,对活塞环窜气量及摩擦功耗的改善效果较好;活塞环和缸套的表面粗糙度对密封和润滑特性有较大影响,当缸套表面粗糙度增大时,窜气量先减小后增大,摩擦功耗先增大后减小,而在一定范围内,当活塞环表面粗糙度增大时,窜气量和摩擦功耗都减小。     

斯特林发动机活塞杆密封装置设计

针对斯特林发动机活塞杆的密封问题,以几种典型活塞杆密封装置为对象,分析了其优缺点。结合帽式密封的密封特点,设计了一种新型斯特林发动机活塞杆密封装置并搭建了试验台。通过在试验台上进行密封测试实验,结果表明,该新型斯特林机活塞杆密封试验台结构设计合理,密封效果显著。     

摩擦副的设计探讨

摩擦副是端面密封最重要的组成部份。动、静密封环相对滑动时的摩擦作用,使密封接触面上产生磨损、产生热,出现液体泄漏及其它现象,影响了密封性能和摩擦副的寿命。因此,端面密封的性能和寿命都与摩擦副的特性有关,必须正确地设计摩擦副。设计时要考虑许多因素,现分述如下,供有     

密封的三要素和第三种泄漏的产生及其在转动型摩擦—密封副的防止

本文详细论述了决定密封副密封性的是比压、不平度和压差三大要素。分析了三大要素的相互关系，探讨了摩擦－密封副的第三种泄漏及其有害作用，阐述了传动型摩擦－密封副（如金属－金属密封的球阀和旋塞）的设计要点，从而对上述三个问题作出了连贯的统一的解释。     

深水艉轴密封装置摩擦副试验研究

端面摩擦副是潜艇艉轴密封装置中最重要的元件,在很大程度上决定了艉轴密封装置的使用性能和寿命。选用几种目前使用较普遍的摩擦副材料,如2Cr13不锈钢、不锈钢C钢、08Cr17N i6T不锈钢、硬质合金等与碳精环进行了匹配试验。通过对试验结果进行综合分析和比较,结果表明,硬质合金为最佳的匹配材料,且密封性能良好,在试验条件下其最大泄漏量不大于2 L/h。     

基于摩擦热效应的刷式密封摩擦副匹配性实验研究

刷丝与转子涂层相互作用产生的摩擦热效应直接影响刷式密封的密封性能和使用寿命。分析了刷式密封摩擦副之间的摩擦热效应理论,设计搭建了刷式密封摩擦副摩擦热效应实验装置,设计加工了6种不同结构参数与刷丝材料的刷式密封实验件和4种不同涂层材料的摩擦转盘,实验研究了工况参数、结构参数以及不同摩擦副材料对刷式密封摩擦热效应的影响,通过对比分析刷式密封最高温度以及磨损前后摩擦副的磨损形貌及磨损量,获取了刷丝与转子涂层材料的匹配性关系。研究结果表明：刷式密封最高温度会随着摩擦时长的增加先迅速升高后趋于稳定,随着干涉量的增大而升高,干涉量由0.3 mm增大至0.4 mm,刷丝平均最高温升达39.96℃;最高温度随着刷丝束厚度的增加而升高,随着后挡板保护高度的增大而降低;当刷丝材料为钴基高温合金GH605时,最佳转子涂层材料为WC,当刷丝材料为镍基高温合金GH4169时,最佳转子涂层材料为ZrO₂,此两种匹配材料能够在相同工况下产生较低的摩擦热量,且耐磨性能高于其他匹配材料。     

发动机缸套-活塞环摩擦磨损特性试验研究

利用缸套-活塞环摩擦磨损试验台研究了速度，温度，载荷，供油等因素对缸套-活塞环系统摩擦磨损特性的影响。试验结果表明，缸套-活塞环摩擦副在发动机工作循环中润滑状态不断发生变化。在试验条件下，温度对摩擦磨损有显著影响，载荷和速度对摩擦力的影响较小。     

弹力环对活塞环密封及寿命影响的研究

对全无油压缩机中弹力环对活塞环的密封及寿命的影响进行了研究。在非金属活塞环内侧设置弹力环以增加预弹力,达到预期密封效果。按照给定的设计公式,针对SW-2．5／7型全无油压缩机设计出了由厚度为0．5mm和0．35mm的瑞典钢带片制成的搭接口形式的弹力环。通过对比试验说明全无油压缩机中设置弹力环可减少泄漏量10％以上,在保证密封效果的前提下,选用较薄的弹力片作为弹力环可提高活塞环的使用寿命。据此设计出的弹力环应用在SW-2．5／7型全无油压缩机上已安全运行8000h以上。     

内燃机活塞环-缸套润滑状态分析

基于平均流量模型和微凸体接触模型，对活塞环-缸套的润滑状态进行了分析。探讨了表面粗糙度、活塞环桶面高度和活塞环轴向厚度对活塞环-缸套润滑状态的影响。     

中低压大流量海（淡）水球塞泵的摩擦副研究

分别介绍了新型中低压大流量容积式海（淡）水球塞泵的三对关键摩擦副对偶材料的配对效果,以及一对高速旋转密封副的密封件选型,为该泵进一步的产品化奠定了基础。     

润滑油中加入纳米氧化铝对缸套-活塞环摩擦副摩擦磨损特性的影响

在普通CD40润滑油中加入纳米氧化铝,研究了在不同载荷条件下对缸套活塞环摩擦副摩擦磨损特性的影响;用铁谱仪对试验油样进行了磨粒分析;用原子力显微镜对缸套试样表面的微观形貌进行了测试;用LAS-3000型表面分析系统对磨损表面进行了成分分析。结果表明：缸套活塞环摩擦副在含纳米氧化铝的润滑油作用下,表现出优越的抗摩减磨性能,其效果随栽荷的增大而增强;在高载荷作用下缸套试样表面形貌有了明显的改观,减小了摩擦阻力,降低了摩擦因数。     

汽油机活塞组件的摩擦损失研究

基于一台三缸涡轮增压汽油机,分析了曲轴位置、连杆比以及发动机运行工况对活塞组件摩擦损失的影响。研究结果表明,在连杆比一定时,随着曲轴偏置量从0mm增加到15mm,活塞组件的摩擦损失量减小,在曲轴偏置为15mm时,活塞组件的摩擦损失量减少达到最优。然而,当曲轴偏置量增加到20mm后,活塞组件的摩擦损失量有所增加。当曲轴偏置量一定时(15mm),随着连杆比从0.29减小到0.25,活塞组件的摩擦损失逐渐减少;随着连杆比从0.29增加到0.31,摩擦损失有所增加。当转速从1000r/min增加到2000r/min时,活塞组件的摩擦损失有所增加,而随着转速一直增大,摩擦损失量有所降低。当转速在1000r/min时,随着负荷的增大,摩擦损失有所改善。而在3000r/min时,负荷对摩擦损失的影响并不明显。最后,对连杆比为0.25和0.31时,发动机不同运行工况下的摩擦损失进行了综合协同优化分析。     

水液压柱塞泵摩擦副材料极限pv值

针对水润滑摩擦副材料极限比功(pv值)不明导致水液压柱塞泵的设计缺乏依据的问题,对1Cr17Ni2与碳纤维增强聚醚醚酮(CFRPEEK)配对副材料开展了极限pv值研究。首先对泵内三大摩擦副进行了运动和受力分析,获得了各摩擦副的接触比压和比功;基于此,采用销-盘接触形式,研究了不同接触比压和滑动速度下1Cr17Ni2与CFRPEEK的摩擦系数和磨损率的变化规律,提出了以摩擦性能显著恶化为判据的极限pv值评价方法,得到了CFRPEEK的极限pv值为20~30 MPa·m/s;最后,经过200 h耐久性考核,泵的总效率为90.2%,各摩擦副摩擦表面光滑,磨损极小。结果表明,基于极限pv值的泵摩擦副材料选用合理,泵可长期高效运行。     

内燃机活塞环-缸套摩擦热力学系统的分析

活塞环与缸套相互接触并发生相对滑动，则出现摩擦，导致两摩擦表面的材料不断损失。即磨损，同时也使材料表面的温度升高。因此，摩擦、磨损和温升往往是同时出现的。研究三者的关系，对于减少活塞环与缸套的摩擦、控制其磨损、降低接触部位的温升是十分有用的。从热力学第一定律出发，建立了上述三者的定量关系，并分析了不同摩擦状态下各个量的相互影响。     

自由活塞斯特林发动机运行频率

自由活塞斯特林发动机运行频率是发动机的关键参数。区别于传统的曲柄连杆斯特林发动机,自由活塞斯特林发动机的运行频率由系统充气压力、动质量、弹簧刚度、阻力系数等热动力学参数耦合确定,因此确定自由活塞斯特林发动机的运行频率较为复杂。为了能够定量计算自由活塞斯特林发动机的运行频率,笔者建立了耦合发动机热动力学参数的数值模型。首先,在模型中对压力波进行线性化处理,得到了自由活塞斯特林发动机运行频率的计算公式;然后,运用模型分析了主要参数对发动机运行频率的影响规律,并与实验结果相对比,发现模型计算结果较为准确;最后,分析了当板弹簧刚度大幅度增加时,发动机的运行频率却变化较小,主要原因在于原有板弹簧的最高自然频率较低。结果表明：优化设计了新的板弹簧,使发动机运行频率大幅度升高,在采用新的板弹簧之后发动机的运行频率从原来的35 Hz提高到60 Hz。     

参数化机械密封中静环摩擦副相容性设计方法*

高温、高压、高速等极端工况对机械密封的设计提出了更高的要求,在对高参数机械密封结构、使用工况及受损件分析的基础之上提出静环摩擦副的相容性设计方法。该方法的核心是在设计过程中考虑机械密封静环摩擦副石墨和不锈钢的相容性问题,相容性的判断依据是石墨环所受热应力是否超过其机械强度许用值。建立静环摩擦副的有限元仿真模型,通过实例对静环摩擦副的相容性问题进行了说明。研究结果表明：通过相容性设计可以调整机械密封静环摩擦副石墨环所受的热应力,减少高参数工况下机械密封失效问题的发生。