表面织构激光刻蚀织构对缸套-活塞环摩擦学性能的影响

表面织构激光刻蚀织构对缸套-活塞环摩擦学性能的影响活动环的工作条件非常恶劣它不仅承受着高温高压的气体压力和复杂速度，还受到激活横向振动的影响由于运动状态的非常复杂，活塞环摩擦副的滑动条件非常差，摩擦损失较大因此改善缸套-活塞环的摩擦性能有十分重要的意义近几年，表面织构技术在内燃机缸套的应用研究发展较快尹必峰等表面织构技术在活塞环方面也在迅速发展Aviram等综上所述，表面织构技术已经成为缸套-活塞环摩擦副减摩降磨方面的研究方向之一目前，国内在缸套表面织构技术的应用研究较多，而在活塞环方面研究较少，有且更多采用理论数值计算分析;在参数设计方面，大部分保持在较小的范围内（直径在300um左右及以下，深度在3011nl左右及以下），因此并没有考虑到实际柴油机长时间工作后，产生的磨屑可能会将表面织构堵塞或者将织构磨平，达不到表面织构技术应有的效果同时，研究微凹坑织构各种参数的关系较多，重研究不同形状的活塞环织构对摩擦副的摩擦性能影响的非常少有因此，本文利用激光刻蚀技术，从常见的典型的椭圆、圆形、方形这3种形状着手，保证强度的同时加大了相关尺寸，从摩擦系数、表面形貌、接触电阻方面着重研究分析不同形状活塞环织构对缸套-活塞环摩擦磨损性能的影响，进一步探究磨损控制机理1试验部分

1.1激光加工系统试验在MWF-10微机控制的往复式摩擦磨损试验机上进行，如图1所示，该试验机的缸套活塞环之间的单行程为100mm该试验机由控制部分、驱动部分、加载部分、试验机台架等几部分组成，采用电机倒拖，能够实现对转速、负载等的控制和对摩擦系数、接触电阻的数据采集本试验利用自主研制的活塞环表面加工专用夹具在大族牌激光打标机上进行活塞环织构的激光加工活塞环激光加工专用夹具如图2所示，主要由支座、松紧旋杆、旋转体、刻度盘、固定开关几部分组成，固定开关可以将自由状态下的活塞环紧固成正圆形，松开松紧旋杆，旋转体可以自由旋转并且通过刻度盘调节旋转的角度光纤激光打标机采用光纤输出激光，再经过高速扫描振镜系统实现打标功能光纤激光打标机打标速度快、精而准；电光转换效率高，风冷方式冷却，整机体积小巧，输出光束质量好，可靠性高光纤激光打标机的相关参数见表

11.2超镜深显微观察试验缸套为S195单缸柴油机缸套，已经过表面布磨处理，利用线切割方式切取120mmX80mm的切片所用活塞环为南京飞燕活塞环厂生产的S195单缸柴油机的未镀铭气环缸套活塞环基体的相关参数见表2o通过激光打标机对活塞环工作面加工椭圆凹坑、圆形凹坑、方形凹坑织构，调节专用夹具的旋转体，每转动4打一个纹理将完成织构化的活塞环通过线切割方式截取弦长为60mm的活塞环切片，如图3所示3种织构的相关设计参数见表3o超镜深显微镜下3种织构单列的2D、3D图，见图4打标20次的深度为115±10口唳

1.3机械载荷试验船用低速柴油机转速低扭矩大，在大型货船应用广泛本文设计转速为100r/min,设计载荷为200N、400N、600N,采用的是机械加载方式，根据活塞环与缸套的接触面积计算得到的各个载荷压强分别为L02MPa、

2.04MPa.

3.06MPa整个试验共设计了12组试验，探究在同一o转速下，不同形状的活塞环表面织构在不同载荷下的摩擦学行为，试验时间均为2ho本试验润滑剂采用70N中性基础油，40℃下运动黏度为14mm

1.4数据收集和处理

1.

4.1正压力和缸套-活塞环摩擦本试验机利用荷重传感器和摩擦力传感器进行正压力和缸套-活塞环摩擦力的采集，摩擦磨损试验机专业测控软件可以记录相应数据并计算摩擦系数，它可以反映摩擦副的摩擦状O

1.

4.2缸套磨损情况的测量为进一步分析活塞环表面织构对缸套-活塞环摩擦磨损性能的影响，试验结束后，利用接触式表面轮廓测量仪对磨损后的缸套进行表面形貌的测量，可以直观地看出摩擦副表面的磨损情况缸套的止点区域为磨损的主要区域，选择该区域进行形貌测量，每种缸套在区域内测量4个位置，每个测量位置的尺寸均是

0.8mmXO.8mm,采样间隔为16umX16um,数据点数为50X50选取3个特征参数假设表面各点高度为zX最小二乘基准平面方程为各点轮廓偏距为三维轮廓均方根偏差s表面峰顶密度S式中N为评定区域内峰的总数目谷区液体滞留指数S式中V

1.

4.3油膜厚度大小的判断接触电阻法利用润滑油和金属导电性能相差悬殊的原理，在缸套活塞环摩擦副之间加上恒压源组成电路回路，当油膜较厚时，接触电阻较大，当油膜较薄时，接触电阻阻值较小，接触电阻的大小可以定性地判断出油膜的厚度大小2试验结果与分析

2.1表面织构尺寸对摩擦系数的影响忽略试验开始阶段机械加力调整载荷时期和磨合时期的摩擦系数变化，整个试验时间内3种织构活塞环和原始环在不同载荷下的平均摩擦系数见图6整体看来，尤其是在中载荷400N、高载荷600N工况下，活塞环表面织构能够降低摩擦副的摩擦系数，对缸套-活塞环摩擦副具有一定的减摩作用，提高摩擦副摩擦性能原因分析当缸套-活塞环在做往复运动时一凹坑与缸套之间形成收敛的润滑油膜，并且每一个凹坑都可以看作是一个微动力轴承，形成流体动压力，增加了油膜的承载能力，降低了摩擦系数同时，织构纹理可以储存润滑油，起着“二次润滑”的作用在轻载荷200N工况条件下，椭圆、圆形凹坑织构的摩擦系数大于原始活塞环对应的摩擦系数，而方形织构的摩擦系数略小于原始环摩擦系数结果表明方形织构在轻载工况下作用效果更优一些，但是效果不太明显因此，表面织构并不是在所有工况下都可以起到减摩的目的，只有合适的工况才能发挥表面织构的作用，如果工况与所设计纹理不相匹配,会不利于油膜的建立，使得摩擦系数变大在中载荷400N工况下，活塞环椭圆、圆形、方形表面织构的摩擦系数相对于原始环的摩擦系数分别减少了L1%、

18.3%

14.1%;在高载荷600N工况下，分别减少了

35.3队

35.3%,

19.1%,可见不同形状织构的减摩程度也大不相同中高载荷工况下，圆形织构的摩擦系数最小，相对于同种载荷下的原始环，摩擦系数也降低得最多说明了中高载荷下,3种织构均能降低摩擦系数，并且圆形织构在止点位置附近的“二次润滑”作用，在行程中段作微动力轴承增加油膜承载力方面优于同载荷组的方形织构结合图4超镜深显微镜下织构图形来看，对于单列织构来讲，圆形织构在平行于相对运动方向的长度比其它两种形状的织构长，且在垂直于摩擦副相对运动方向的宽度比其它两种织构窄，这样可能就使得在缸套活塞环相对运动时，润滑油在流经圆形织构时，更易于形成收敛的润滑油膜，且在相对运动方向形成的油膜的压力分布范围更长，承压效果明显一般情况下，随着载荷的增加，摩擦系数会相应变大因为载荷的增加使得缸套-活塞环摩擦副之间的微凸体接触区域增大且更紧密，被润滑油膜隔离的区域变少且油膜厚度减小,导致摩擦系数增大由图可知，随着载荷增加，原始环的摩擦系数符合这种情况，但是3种织构环的摩擦系数基本呈现先增加后减小的趋势，600N载荷的椭圆、圆形、方形活塞环织构摩擦系数小于400N的摩擦系数原因分析由于在400N载荷时，储存在此设计深度U5±10um的润滑油，在处于边界或者混合润滑的止点位置没有被完全有效地提供出来，只是挤压出部分进行润滑，而存在于在织构深度底端的润滑油在往复运动的过程中,可能形成涡流或者湍流，对建立的油膜有一定的影响；随着载荷的增加，在600N载荷时，此深度的润滑油能够完全有效地提供出来，达到了比400N载荷更好的润滑效果，在这一过程中，活塞环圆形织构所表现出来的性能优于活塞环椭圆、方形织构

2.

4.表面形貌测试为了减少误差，每组缸套测量4个位置数据并且求平均值分析，表4为3种参数平均值表5为试验后利用表面轮廓仪所测磨损后缸套内表面形貌图S在中高载荷下，尤其是高载荷，活塞环圆形织构对应的缸套S表面峰顶密度SS在低载荷时，除了圆形织构外，椭圆、方形活塞环织构对应的缸套s

2.

5.接触电阻随时间的变化结合摩擦系数和表面形貌的分析，活塞环方形织构在轻载状况下，而圆形织构在中高载荷下能够有效降低缸套-活塞环摩擦副之间的摩擦系数，降低磨损，改善粗糙度为了进一步分析摩擦副之间的润滑状态，同时确定最优活塞环织构，以适应活塞环承受的气体压力、活塞环往复惯性力和气缸套间产生的摩擦力、活塞横向振动和气口刮碰的复杂、恶劣的运动状态本文对活塞环圆形织构、方形织构所处的摩擦副进行接触电阻的分析，进一步确定摩擦副之间的油膜状态、摩擦磨损情况图10为两种织构在不同载荷下的接触电阻随时间变化关系图由图可知，在低载荷200N工况条件下，圆形织构所在试验组的接触电阻均大于原始接触电阻，且在摩擦试验后期呈上升趋势;方形织构的接触电阻在后期小于原始接触电阻说明了活塞环圆形织构在低载荷下更有利于油膜的建立，能够形成一定厚度的油膜，形成了更好的润滑油膜和润滑状态在中载荷400N工况下，两种织构纹理的活塞环接触电阻阻值与原始的大小相差不大，但是圆形织构活塞环的接触电阻在后期有升高的趋势，方形织构活塞环的接触电阻基本稳定，如果在更长时间，圆形织构活塞环接触电阻阻值会略高于方形织构活塞环，形成的油膜厚度比方形织构大在高载荷600N工况下，原始与方形织构活塞环接触电阻均表现出了不稳定性，分析是因为高载荷工况下，磨粒对摩擦副间油膜厚度的破坏影响更大，油膜会被挤压破碎但是圆形织构活塞环接触电阻波动最小且最稳定，处于一种良好的润滑状态，圆形织构有利于油膜的形成，即使在高载荷下被挤压破裂也能及时将油膜修复总之，圆形织构活塞环所处的摩擦副在中低载荷下油膜的厚度相对较大且有上升趋势，能起到很好的储存磨屑和“二次润滑”作用；在高载荷下，圆形织构的油膜状态波动小且更加稳定活塞环圆形织构在增加油膜厚度、改善油膜稳定性方面比其它纹理的作用更明显3表面织构优化1）在合适的工况下，利用激光加工的活塞环表面织构能够降低摩擦副的摩擦系数，对缸套-活塞环摩擦副具有一定的减摩作用，提高摩擦副摩擦性能，降低摩擦系数，同时能够改善油膜状态，提高缸套表面的储油能力2）在中载荷400N工况下，活塞环椭圆、圆形、方形表面织构的摩擦系数相对于原始环的摩擦系数分别减少了

1.遥、

18.3%、

14.1%;在高载荷600N工况下，分别减少了

35.3%

35.3%、

19.l%o3）结合接触电阻的分析和实际低速船舶柴油机活塞环所处的复杂、交变中高载荷的实际工况，圆形织构的活塞环所建立的油膜状态最优，同时其在中高载荷下，摩擦学性能也是最优的，所以，船舶柴油机可以使用圆形织构的活塞环达到减摩的目的。