【摘 要】
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活塞环-气缸套作为柴油机的关键摩擦副,处于高温、高压,高冲击载荷的工作环境中,工作环境十分恶劣。随着近年来柴油机强化指标不断提升,活塞环-气缸套也面临摩擦功耗增大,磨损加剧,甚至发生拉缸等问题。为改善活塞环-气缸套配对副的摩擦学性能,以铬基陶瓷复合镀(CKS)活塞环与硼磷合金铸铁气缸套摩擦副为研究对象,采用Nd:YAG激光器在CKS活塞环表面制备圆形微织构,研究能量密度、脉冲次数等激光参数对微坑几
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活塞环-气缸套作为柴油机的关键摩擦副,处于高温、高压,高冲击载荷的工作环境中,工作环境十分恶劣。随着近年来柴油机强化指标不断提升,活塞环-气缸套也面临摩擦功耗增大,磨损加剧,甚至发生拉缸等问题。为改善活塞环-气缸套配对副的摩擦学性能,以铬基陶瓷复合镀(CKS)活塞环与硼磷合金铸铁气缸套摩擦副为研究对象,采用Nd:YAG激光器在CKS活塞环表面制备圆形微织构,研究能量密度、脉冲次数等激光参数对微坑几何形貌的影响;采用往复式摩擦磨损试验机在富油、贫油及不同工况条件研究活塞环-气缸套摩擦副的摩擦磨损性能,探究激光微织构对摩擦副摩擦磨损、抗拉缸性能的作用机理,为改善活塞环-气缸套摩擦副的摩擦学性能提供技术支持。(1)研究了能量密度、脉冲次数、焦点条件等激光参数对微坑几何形貌的影响规律:在频率和脉冲次数相同条件下,当能量密度从40 J/cm~2增加到80 J/cm~2时,微坑直径先变大后趋于平缓,当能量密度从80 J/cm~2升到160 J/cm~2时,微坑直径随着能量密度的增加平稳增大;频率和能量密度相同时,微坑的深度和脉冲次数基本呈现成线性关系,微坑直径的变化趋势是随着脉冲次数的增加而增大后趋于平缓;随着离焦量(试样远离激光焦点的距离)增加先增大后减小;微坑深度随着离焦量的增加而减小。激光加工还会对活塞环硬度产生影响,织构化活塞环的微坑附近的平均硬度比无织构的活塞环平均硬度高。(2)研究了激光微织构直径、深度、角度、面积占有率等参数在富油试验中对活塞环-气缸套摩擦副摩擦磨损性能的影响。微坑直径为130μm,深度为30μm,织构面积占有率为5%,织构排布角度为0°时织构化活塞环-气缸套的摩擦磨损性能最佳,相比未织构化的摩擦配对副(摩擦系数0.099),最优的织构参数的配对副摩擦系数降低约0.013,活塞环磨损率下降约41%;气缸套磨损率下降约46%。随后对最优参数的织构化活塞环-气缸套进行工况(载荷、温度)条件试验,实验发现,最优参数的织构化活塞环-气缸套摩擦副在不同的工况下的减磨效果不同,其中在载荷为50 MPa、温度为200℃的工况条件下减磨效果最好。试验得出,微织构具有储油功能,在摩擦试验过程中油膜承载力及分布是影响摩擦副摩擦学性能的重要因素。在摩擦副往复运动过程中,微坑中润滑油随摩擦副向坑壁流动,在微坑内部靠近微坑一侧形成收敛间隙,提高油膜承载能力,强化了动压效应,降低了微织构摩擦副的摩擦系数;不同微坑几何形貌包括直径、深度以及排布角度等会影响油膜承载能力,从而影响织构摩擦副摩擦学性能。(3)研究了激光微织构直径、深度、角度、面积占有率等参数在贫油试验中对活塞环-气缸套摩擦副抗拉缸性能的影响。试验发现,微坑直径为130μm,深度30μm,织构面积占有率为3%,织构排布角度为0°的织构化活塞环-气缸套抗拉缸性能最优,与无织构摩擦副相比,抗拉缸时间提高50%。试验得出,微织构具有储油和改变摩擦副接触面积的功能,在拉缸试验过程中能够在停止提供润滑油后,微织构内储存的润滑油继续为摩擦副保持润滑,此外微织构还能起到改变摩擦副的接触面面积、抑制磨痕犁沟的扩展作用,从而提高摩擦副的抗拉缸性能。
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