活塞环评价技术

活塞环评价技术1.评价基础1.1溶着磨损（拉缸）特性 熔着磨损特性是与材料相关评价中的重要指标，它采用熔着磨损试验机测定，用接触面压慢慢增高、最终发生熔着磨损的接触面压值来衡量耐熔着磨损的性能。图8.1为熔着磨损试验机的动作机构。润滑油在30-120之间以一定温度，一定流量供给环材料以一定转速运转，油压逐步升高，接触面压逐步加大。每CM试验接触面压2-35Mpa，相对运动速度速度1.7-15m/s。图8.1熔着磨损试验机的动作机构1.2磨损特性（1）一般的磨损特性主要说明： 周运动速度范围；0.06-12.5m/S载重：4900N 负重特性曲线；（1） 步行增压（2） 变动负荷指令波动；矩形波振幅4900N频率：DC1HZ图8.2试验机的概要及主要说明 活塞往复运动，环与缸壁相对运动，环在环槽中回转运动、环承受高温压等使环的实际运动较难在磨损实验中重复再现。图8.2为试验机的概要及主要说明，该机可以加载变化，运转速度变化等进行模拟变化处理。（2）高温磨损特性图8.3高温磨损实验机的动作原理简图。采用PID方法使环表面升温。施加荷重进行转动，活塞环表面温度可升到250。图8.3高温磨损实验机的动作原理试验机低速滑动可进行比较各种材料，材料同表面处理的配合，材料优劣的快速评论，不同接触比压等多种试验。（由气液传动）给环材料加压力，环材料先和旋转的缸套材料外圆面R处接触，产生应力按下式计算：赫兹 应力=0.418上式中E：弹性模量（Mpa） W:荷重（n） L线接触长度（mm）R=1/R1+1/R2R1环材料最先接触缸套处离旋转中心距离（mm）R2：缸套材料与环材料接触处离旋转中心距离（mm）（3）耐蚀磨损特性 试验机运转时制造腐蚀气氛，与高温磨损试验机相同，环材料加上载荷，由图8.4所示，腐蚀液加在旋转的缸套材料的滑动面上，腐蚀液选用硫酸，含铅盐酸，蚁酸等。图8.4耐蚀磨损试验机的动作原理1.3筒内摩擦力（1）整体摩擦力1汽缸套 2汽缸3环形摇动终止器（上部）圆环 4环形摇动终止器（下部）圆环。5 O 型气体密封圈6压电式压电元件 7 O型环座 8压电元件 9缸盖衬垫 10 活塞 11圆环固定用圆图8.5耐蚀磨损试验机的动作原理 图8.6工作摩擦力测量装置 模拟活塞环在缸套中的往复运动，对整体摩擦力做出评价。参见图8.5，包括环与缸套的表面处理影响也包含在评价内。（2）实际运行（工作）摩擦力。 实际有试验机测定环-缸套之间的摩擦力，图8.6表示了该装置的特征。 该装置缸套壁温度的影响、发动机转速影响、环的片数，环的表面处理，环尺寸的影响。试验机的实际运转状态可能影响测定结果。1.4疲劳强度 用专用的活塞环疲劳试验机测定环的疲劳应力。图8.7为环疲劳试验机动作原理图。偏心轮转动使环自由开口不断张开、闭合直至环折断时的往返次数，用它作为疲劳强度测定值；如环不断则改变负荷应力用同样操作方法按疲劳特性要求做成S-N线图，一般测定环的疲劳强度为：（S-N线图在往返次数达到10次环没有折断的最大应力）（试验包含了环表面处理的影响）（译者建议读者采用柯茨公司活塞环的“内在”疲劳强度）1.5铝结胶发动机的高速运转，高功率化导致活塞的环槽，活塞环工作温度升高，容易发生环槽和环侧面的边界摩擦状态，由于疲劳磨损大，高温使活塞的环槽材料强度下降，当温度达到铝合金熔点发生铝结胶。 铝结胶应考虑活塞环侧面材料，侧面表面处理。图8.8为铝结胶试验机简图。图8.8铝结胶试验机简图1.6热稳定性（温度对切向弹力消失的影响） 环在热负荷高的环境下工作，对材料有耐热性要求，其评价为热稳定性，通过弹力消失率来测定：测定原始弹力。将环压缩到基本直径后加热到一定温度保温一定时间。冷却到常温测定弹力。计算弹力消失率。弹力消失率=按ISO要求参见下表环的标准编号材料级别弹力消失率试验条件ISO 6622.662310.20.3012%以下300x3hISO6624.662540.50.608%以下 300x3hISO662610.20.30.40.5025%以下250x5hWF10.20.30.40.5012%以下250x5h整体钢带组合油环6030%以下220x5hWF15%以下220x5h环的标准编号 ISO 6222：矩形环 6623：刮环 6624：梯形环 6625： 油环 6626：环体为铸铁的油环WF：采用耐热钢材料 （材料级别）10灰铸铁（ISO级别10）20灰铸铁（ISO级别20）30碳化物铸铁40可锻铸铁50球墨铸铁60钢1.7表面处理的评价（1）热疲劳试验 图8.9水冷式热疲劳试验机简图 图8.10 ASTM粘结力试验用试样25.4 图8.11油位测定法实际上发动机进行着燃烧与吸气冷却的反复工作，对环进行热冲击的耐久性评价。 图8.9为水冷式热疲劳试验机简图，环在电炉内加热到300再到水槽里急冷，这样几百次后观察环侧面损伤剥情况进行耐疲劳评价。（2）粘结力试验 膜（环的表面处理层）基（环的基材）结合强度是评价膜和基粘结牢固的程度。参见图8.10，试样直径为25.4mm。用粘结剂粘住环的材料和环的表面处理层,逐步加力2-3Mpa/sec于试样两端，直到将试样拉断。计算出拉断时的强度并观察断面宏观状态作出评价。2.实际评价2.1发动机性能试验（1）油耗 油耗测定主要有以下三种方法。(a)测定油箱内的油在使用前后的体积变化。（b）测定油箱内的油在使用前后的重量变化。(C)排气的瓦斯成分含量分析。图8.12连续重量法（a）的方法参见图8.11油箱位测定，采用标尺测量油位变化，计算油耗量（b）的方法参见图8.12采用连续重量法测定油耗，发动机运转时间H，对油进行运转前后测定重量为a、b油耗=（c）的方法对不含硫磺和含硫磺的燃料，排放气体进行SO2浓度测定，对氢燃料发动机测定排放气体中CO2浓度。上述方法长时间过度运转测定困难，短时间可以。（2）窜气量图2.1为漏气的原因。窜气的测量方法采用图8.14该装置连接发动机外壳，漏出气体经一定时间通过漏气流量计算窜气量。图8.14窜气量测定方法（3）熔着磨损（拉缸）表8.15主要的发动机抬架试验拉缸举例评价条件内容1低温启动拉缸试验-30-20启动发动机在规定条件下运转.北海道、北欧和加拿大的等使用的评价发动机油黏度偏大，局部处在临界润滑状态评价从严。2发动机用油、水持续高温造成拉缸发动机热负荷最严格条件为连续评价试验试验在油温从130到145区间上升时发生拉缸3运转-停止反复进行造成拉缸发动机从室温下启动到最高转速、最大输出功率，保持5分钟，减速至停止到室温。如此反复操作。发动机运转后检查环表面损伤程度，对熔着磨损进行评价。表8.15所示熔着磨损的三个主要因素：很低的温度启动；发动机持续高温运转；运转-停止反复进行 。观察滑动面是否发生拉缸。图8.16活塞环外圆拉缸的等级及拉缸实例。图8.16为活塞环外圆拉缸的等级及拉缸实例。最坏的情况是外圆面整个发生拉缸，漏气量增大，达到2的等级判定为不合格。当滑动温度较低，局部面压较低时耐熔着磨损性较好。耐溶着磨损性是高功率、高转速活塞环的重要评价指标。（4）试验条件（市场行驶模拟方法，译者注指装车试验） 发动机的开发、生产、出厂性能检查，耐久性试验，特种环试验，油耗，窜气量，耐磨性等评价不可缺少。 实际评价方法，实际运载的时间费用消耗太大，试验台上进行试验较为容易，能缩短开发期。 试验台上的试验与实际运载有差别，所以按市场行驶模拟方法进行实际评价是必要的。加减速试验法（油耗，漏气量的确认）加减速试验法：发动机转速加速，减速按一定的运转条件反复操作。定旋转试验法（油耗，漏气量的确认）定旋转试验法：发动机转速在满载、空载、公路-重载条件下运行。大型发动机试验法（油耗、漏气量的确认）略2.2耐久试验 一般市场的耐久试验指没有恶劣的运转的条件，是在通常的使用条件下进行实地评价。其内容为油耗，漏气量的增加，环各部分的磨损量，弹力减退值，活塞尺寸变化，缸套磨耗等多项数值。（1）装车行驶及其相关因素 船舶用发动机，发电用发动机，其使用寿命都较保守，汽车用发动机用行驶距离（Km）打表计算，在测定环的磨损值。 现代汽车（新车）要求：大型长途汽车20万公里，出租汽车40万公里(略),耐久试验使用寿命与环的表面处理种类及其镀层厚度关系大。 图8.20为装车试验回收环的磨损与行驶距离 关系（磨损量与折算成台架运转时间的比较）略图8.20从市场回收环外圆磨损与行驶距离的关系（磨损量与折算成台架运转时间的比较）（2）特殊方法试验 特殊方法试验用发动机排放废气分析，日、美、欧洲评价条件各不相同，限制基准不一。环耐久性评价方法为：废气再循环方法； 冷水温热方法；转速步进方法；开-停反复方法略（3）特殊环境试验的运转条件发动机在特殊条件下使用特殊燃料试验（含Pb汽油，高S轻油）粉尘试验（沙漠、火山地区等）高温进气试验 上述环境使磨损恶化，改进环材质与表面处理能改善使用效果。中近东、东南压地区汽油含Pb量达0.5-3g/美加仑，运转产生含Pb化合物造成酸性腐蚀，加速磨耗，使磨损量增加3-5倍。用3g/美加仑的高含Pb量汽油，全速全负荷经100-200h的运转，其耐磨试验结果参见图8.22。图8.22有铅汽油的耐磨试验结果实例 粉尘试验，高温进气试验评价，因具体使用环境不同而有所差异。3.技术分析例3.1活塞环运动测量图8.24测量活塞的断面图 图8.25汽油机活塞环运动测量结果举例环受到惯性力，燃气压力，各式各样力的作用（略）。采用静电容量法测定，参见图8.24，图8.25。3.2实际摩擦力的测量 图8.27中1 密封圈；2 O型密封圈架； 3环形摇动终止器（上部）；4汽缸体 5缸套；6环形摇动终止器（下部）； 7压电式压电元件（略）图8.27 为古浜等测量摩擦力的装置与摩擦力测定的记载。图8.28为测量装置简要； 图8.28为测量装置简要；图8.29为测定结果。图8.27活塞系统摩擦力测量事例 8.3.3油膜厚度的