活塞环-气缸套抗拉缸性能的评价方法

《活塞环-气缸套抗拉缸性能的评价方法》编制说明

一、工作简况

1.1任务来源

《活塞环-气缸套抗拉缸性能的评价方法》团体标准是由中国内燃机学会批准

立项。文件号中内会函【2022】22号，任务号为2022-22。本标准由中国内燃机学

会标准管理部提出，大连海事大学、中国北方发动机研究所、中国船舶集团有限公

司第七一一研究所等单位起草。

1.2编制背景与目标

随着新设计内燃机的强化指标不断提高，尤其是动力缸的转速、爆发压力及结

构件承受的能量密度大幅度提髙，高强化内燃机出现摩擦功耗显著升高、磨损加剧、

拉缸倾向严重等问题，成为制约我国新一代先进动力发展的瓶颈问题之一。

在现阶段内燃动力高强化的发展趋势下，摩擦副润滑条件愈发苛刻，探究活塞

环-气缸套的抗拉缸性能变得尤为重要。合理确定模拟准则的试样级抗拉缸性能评价

方法，可以为活塞环或者气缸套批量投产、配机选型或者多批次产品性能稳定性提

供快速评价手段。在一定程度上能够达到替代零部件试验的效果，甚至试验所得到

的试验数据可以直接用于工程设计。相比于国内外现有的活塞环-气缸套的试验评价

标准，活塞环-气缸套抗拉缸性能评价标准更能满足柴油机高强化发展的需求，可以

为高强化柴油机选择活塞环-气缸套配对副提供试验参考结果。因此，活塞环-气缸套

抗拉缸性能评价是柴油机研发过程中活塞环和气缸套选取的重要一环，准确可靠的

方法和相关标准的制定可缩短研发周期，有利于柴油机可靠性的提升。

1.3主要工作过程

起草阶段：根据计划，2022年10月成立了由大连海事大学、中国北方发动机

研究所、中国船舶集团有限公司第七一一研究所等单位组成的标准编制工作组；通

过电话、邮件、会议等形式对标准名称、起草原则、制定依据、标准水平、适用范

围和主要技术内容进行了讨论，达成了初步共识。在此基础上，由大连海事大学负

责编写出本标准的工作组讨论稿。并分发至行业骨干企业，编制工作组根据反馈的

意见修改后形成了本标准的征求意见稿。

征求意见阶段：2023年7月31日编制小组将标准征求意见稿及编制说明

提交至中国内燃机学会标准管理部。

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二、标准编制原则和主要内容

2.1标准制定原则

目前活塞环-气缸套抗拉缸性能评价缺乏较好的试验方法，无法对活塞环-气缸

套的匹配性提供快速评价手段，不同产品性能缺乏对比性，在参考了GB/T1149.1-

2008《内燃机.活塞环.第1部分:通用规则》、JB/T13501.1-2018《内燃机大缸径

活塞环第1部分：通用规则》、JB/T5082.7-2011《内燃机.气缸套.第7部分：平台

珩磨网纹.技术规范及检测方法》基础之上，从高强化内燃动力的实际需要出发，在

活塞环-气缸套抗拉缸性能评价方法的试验原理、试验方法、试验设备、试样要求、

试验步骤、试验结果处理等方面做了较详细的规定，以指导活塞环-气缸套的抗拉缸

性能评价。

2.1.1通用性原则

本标准适用于道路车辆、农用拖拉机和林业机械、工程机械、机车、船舶等内

燃机动力装置的活塞环-气缸套抗拉缸性能评价。

2.1.2指导性原则

本标准提出的方法能够为活塞环或者气缸套批量投产、配机选型或者多批次产

品性能稳定性提供指导作用。

2.1.3协调性原则

本标准提出的方法与目前使用的国家标准中的方法协调统一、互不交叉。仅作

为一种更便捷、更高效的方法对目前使用的方法进行补充。

2.1.4兼容性原则

本标准提出的活塞环-气缸套抗拉缸性能评价方法充分考虑了内燃机行业里用

到的不同种类活塞环和气缸套，具有普遍适用性。

2.2标准主要技术内容

本文件共分为10章，规定了活塞环-气缸套抗拉缸性能评价方法的范围、规范

性引用文件、术语和定义、原理、试验方法、试验设备要求、试样要求、试验步骤、

试验结果处理、试验结果稳定性说明等。

2.3关键技术问题说明

在贫油试验中，以断油摩擦阶段突增前摩擦力与突增后摩擦力切线相交的时刻，

作为活塞环-气缸套摩擦副开始出现拉缸的判断，如图1所示。

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图1贫油试验的摩擦力变化示意图

抗拉缸时间计算方法

T=Tq-Th

式中：

T—抗拉缸时间；

Th—停止向活塞环-气缸套试样供油的时刻；

Tq—活塞环-气缸套试样发生拉缸时的时刻。

贫油试验包括磨合阶段、断油阶段。当在断油阶段发生较为严重的黏着磨损时，

摩擦力急剧升高，摩擦表面会出现肉眼可见的宏观损伤，甚至有刺耳声音发出。活

塞环-气缸套的抗拉缸性能就可以由断油至出现拉缸之间的持续时间来表征。为保证

结果的可靠性，每种配对副的抗拉缸时间评价参数至少重复三次试验以上。

2.4标准主要内容的论据

选择贫油试验模拟活塞环-气缸套的拉缸过程，主要是基于摩擦磨损试验的三条

模拟准则。

第一条是系统关联模拟准则。就是试验模拟系统应当在系统结构、运动形式和

工况条件等方面与实际系统相互关联，即应相同或者相似。

第二条准则为极限强化准则。强化活塞环与气缸套之间的磨损行为，充分反映

摩擦磨损特性，但强化条件需要控制一定限度，防止磨损机理转型。这样最大限度

强化磨损条件缩短试验时间。

第三条准则为机理相同准则。应选择适当的磨损试验条件，使某一种磨损机理

起支配性作用，并且要与实际零件的磨损机理应是相同的，保证试验结果有效性。

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在贫油试验过程中，从停止供油至摩擦副表面发生拉缸，所获得的抗拉缸时间

的长短，是活塞环-气缸套摩擦副表面储油及边界润滑能力和材料抗黏着能力的综

合反映，它体现了拉缸过程的实质，是合理表征活塞环-气缸套摩擦副在不同工况

下抗拉缸性能的指标。

2.5标准工作基础

编写组主要起草单位大连海事大学具备完整的活塞环-气缸套抗拉缸性能评价

能力。积累了大量的不同活塞环和气缸套抗拉缸性能试验数据，其评价过程及结果

得到了众多专家的认可。自项目开展以来，在活塞环-气缸套摩擦磨损性能评价技

术研究上也投入了大量的精力，并取得了阶段性的成果。经过大量的对比试验结

果，本标准提出的抗拉缸性能评价方法的试验结果准确度高、重复性好，具有一定

的先进性、通用性、科学性和可操作性。

三、主要试验（或验证）情况分析

通过开展载荷级、温度级、速度级试验，与贫油试验方法进行对比，获得各种

抗拉缸试验方法的分辨度，以便于选择出合适的活塞环-气缸套抗拉缸性能评价方法。

表1为载荷级试验方法的试验条件。图2为载荷级试验中摩擦力随时间变化规律。

可以看出，随着载荷升高，很难获得摩擦状态转化至拉缸的过程。

表1载荷级试验方法的试验条件

试验阶段试验参数

磨合阶段200r/min190℃44MPa

转速/r·min-1200

变载摩擦阶段温度/℃190

（每隔一段时间加载

至目标载荷）载荷/MPa22，44，66，88

润滑油量/ml·min-10.1

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图2载荷级试验方法中摩擦力随时间变化规律

表2为温度级试验方法的试验条件。图3为温度级试验中摩擦力随时间变化规

律。可以看出，随着温度升高，摩擦力略微降低，同样很难获得摩擦状态转化至拉

缸的过程。

表2温度级试验方法的试验条件

试验阶段试验参数

磨合阶段200r/min190℃44MPa

转速/r·min-1200

变温摩擦阶段温度/℃120，150，190，220

（每隔一段时间加载

至目标温度）载荷/MPa44

润滑油量/ml·min-10.1

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图3温度级试验方法中摩擦力随时间变化规律

表3为速度级试验方法的试验条件。图4为速度级试验中摩擦力随时间变化规

律。可以看出，随着速度升高，摩擦力略微降低，同样很难获得摩擦状态转化至拉

缸的过程。

表4速度级试验方法的试验条件

试验阶段试验参数

磨合阶段200r/min190℃44MPa0.1ml·min-1

转速/r·min-1100，200，300

变速摩擦阶段温度/℃190

（每隔一段时间加载

至目标速度）载荷/MPa44

润滑油量/ml·min-10.1

图4速度级试验方法中摩擦力随时间变化规律

从上述试验结果可以看出，很难通过单纯增加载荷、温度和速度来模拟出缸套

-活塞环摩擦副的拉缸过程。

表5为采用基于油膜耗散机制的贫油试验方法来评价活塞环-气缸套摩擦副的

抗拉缸性能的试验条件。

表5贫油试验方法的试验条件

试验阶段试验参数

转速/r·min-1200

磨合阶段温度/℃205

载荷/MPa30

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时间/min240

润滑油量/ml·min-10.1

断油摩擦阶段

转速、温度、载荷与磨合阶段相同，但是停止供油磨至拉缸

拉缸试验分为两个连续的阶段，即磨合阶段和断油摩擦阶段。其中磨合阶段的

法向载荷可采用阶梯加载至目标载荷，此阶段应连续定量供油（严格控制供油量）；

磨合阶段结束后停止供油，进入断油摩擦阶段，在转速、温度、载荷等试验参数不

变的条件下，持续运行至活塞环-气缸套摩擦副发生拉缸，停机结束试验。

图5为活塞环-气缸套在6次重复贫油试验中的摩擦力随时间变化趋势。可以看

出，摩擦力变化趋势基本一致，均是停油以后，摩擦力先升高，然后稍有降低，进

而迅速升高。按照2.3中图1的方法获得贫油试验的抗拉缸时间，去除重复贫油试

验中抗拉缸时间最大值37分钟及最小值30分钟后的4次有效值（30分钟，31分

钟，32分钟，35分钟）与其算数平均值（32分钟）相比，最大偏差为9.4%，偏差

小于10%。

图5贫油试验方法中摩擦力随时间变化规律（6次重复试验）

通过以上分析可以看出，贫油试验方法在活塞环-气缸套抗拉缸性能的评价方

法中具有以下特点：

1）试验过程简单，按照步骤操作即可获得一次贫油试验的抗拉缸时间；

2）试验时间短，提高了活塞环-气缸套抗拉缸性能的评价效率；

3）整个试验过程安全可控，不涉及有毒有害物质，充分保证了检验员及所处

环境的安全；

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4）本标准提出的方法可以实现对抗拉缸时间的测量，呈现出了摩擦副的抗拉

缸能力；

5）经过验证，重复试验相对误差范围小于10%，极大地提高了试验结果的可

用性。

综上所述，本标准提出的方法对于活塞环-气缸套抗拉缸性能评价具有良好的

适用性，不失为一种活塞环-气缸套抗拉缸性能评价方法的新选择。

四、标准中涉及专利的情况

本标准不涉及专利等知识产权问题。

五、预期达到的社会效益、对产业发展的作用的情况

本标准的制定将促进国内相关的柴油机制造商、活塞环和缸套零部件制造厂家、

润滑油生产商等相关企业摩擦学测试技术领域的发展，提升相关制造领域的研发能

力。在改进柴油机活塞环-气缸套匹配性，改进和优化活塞环镀层成分提升抗拉缸性

能，调配润滑油抗磨添加剂的组分和含量等方面发挥作用。

六、采用国际标准和国外先进标准情况，与国际、国外同类标准水平的对比情况，

国内外关键指标对比分析或与测试的国外样品、样机的相关数据对比情况

本标准没有采用国际标准。

本标准在制订过程中未查到同类国际、国外标准。