环状微织构气缸套摩擦磨损行为研究

)式中θ是接触角。公式（3.5）可写成： （3.7）当公式（3.7）中的其他变量保持不变，当r和θ越小（θ<90°）时，h越大。环状微织构中间凸台与基体表面之间建立的毛细管通道半径r较小（rcircular>rannular），测得的环状微织构的接触角（θ）较小，所以h较大（hcircular<hannular）(图4.9b和图4.10b)。当润滑油液滴在环状微织构表面铺展时，毛细效应使液体分子迅速进入微织构，加速了润滑油液滴在环状微织构表面的铺展速度。当润滑油液滴在圆形和环状微织构表面扩散时，钉扎效应使得三相接触线滞留在微坑边缘，进而引发接触角滞后现象（CAH）。在拉普拉斯压力（PL）与重力(G)的双重作用下，润滑油液滴表层持续延展，而粘滞阻力（Fv）则阻碍固液界面的推进，致使接触角（α）不断增大。由于圆形微织构的微坑半径（rcircular）相对较大，PL和G的累积耗时较长，只有当这两种作用力超过Fv时，才能突破钉扎效应束缚，推动三相接触线向前移动（见图4.9c）。而环状微织构，其微坑半径（rannular）更小，润滑油液滴前端与中间凸台接触更为迅速。同时，中间凸台扩大了微织构的表面面积，增加了亲脂活性点位，促进润滑油液滴与材料表面充分接触和延展，显著提升了润滑油液滴的传输效率（见图4.10c）。

图4.9润滑油液滴沿圆形微织构表面铺展示意图（a）、毛细效应（b）和钉扎效应（c）图4.10润滑油液滴沿环状微织构表面铺展示意图（a）、毛细效应（b）和钉扎效应（c）微织构形貌、润湿特性与摩擦磨损性能的关联机制如图4.11所示。环状微织构凭借其特殊几何构造，显著提升了毛细作用效果。在强大的毛细吸力驱动下，润滑油快速充盈微坑，并在坑内形成高效流动，大幅增加了润滑油与表面的浸润面积，进而加速其在往复接触界面的延展扩散。随着润滑膜分隔众多微凸体的直接接触，表面因塑性变形产生的损伤明显减轻。当润滑油持续供给时，环状微织构凭借优异的铺展性能，能够迅速构建连续的润滑膜层，显著优化了往复接触界面的润滑条件。

图4.11微织构形貌、润湿特性和摩擦磨损性能三者之间的关系4.4本章小结在50MPa试验载荷与180℃高温工况的往复接触试验中，搭载环状微织构的铸铁气缸套摩擦副，相比无织构及圆形微织构铸铁气缸套摩擦副，呈现出更为优异的摩擦磨损性能。具体数据显示，相较于圆形微织构铸铁气缸套摩擦副，环状微织构铸铁气缸套摩擦副的摩擦系数显著降低10.3%-17.5%；铸铁气缸套自身磨损量减少4.3%-8.6%，配套CKS活塞环的磨损量降幅更达10.7%-13.6%，充分体现其在减摩抗磨方面的突出优势。对往复接触试验后的各类微织构铸铁气缸套摩擦副磨损表面进行检测时发现，与无织构和圆形微织构铸铁气缸套摩擦副相比，搭载环状微织构的铸铁气缸套摩擦副展现出更好的表面状态。其气缸套磨损表面更为平滑，划痕明显减少，微织构边缘因良好的润滑条件，疲劳剥落现象得到有效抑制。同时，承载面和微坑中间凸台的塑性变形程度显著降低，珩磨纹也较好地保留下来。

结论与展望随着发动机工况要求的日益提高，针对发动机活塞环-气缸套摩擦副的摩擦磨损问题，本文采用往复式摩擦磨损试验机，分析了环状微织构气缸套表面湿润特性，研究了环状微织构气缸套表面摩擦磨损性能，揭示了环状微织构气缸套的减摩耐磨机制，主要研究工作如下：（1）与往复接触试验前相比，试验后无织构铸铁气缸套表面粗糙度下降最为明显，圆形微织构铸铁气缸套表面其次，四种环状微织构铸铁气缸套表面下降程度最小。这是因为环状微织构铸铁气缸套在往复接触界面处能保持相对理想的润滑状态，有效地缓解了表面塑性变形，所以表面粗糙度仅略有下降。在往复接触试验前，相比于无织构和圆形微织构铸铁气缸套表面，四种环状微织构铸铁气缸套表面润滑油液滴在1.4s、2.8s、4.2s和5.6s这4个时间点均具有更小的接触角和更大的铺展直径。往复接触试验后，与试验前相比，试验后不同微织构铸铁气缸套磨损表面的接触角均增大，铺展直径均减小，但与无织构和圆形微织构铸铁气缸套磨损表面相比，四种环状微织构铸铁气缸套在磨损后其磨损表面接触角和铺展直径的变化幅度均比较小。这是因为环状微织构在往复接触界面处可以更快地形成连续的润滑膜，增加润滑膜的厚度和润滑膜的承载面积，改善了往复接触界面的润滑状态，减少了磨损表面由于应力集中和微凸体接触而产生的塑性变形。（2）相比于具有圆形微织构铸铁气缸套摩擦副，具有环状微织构铸铁气缸套摩擦副的摩擦系数降低了10.3%-17.5%，铸铁气缸套的磨损量降低了4.3%-8.6%，CKS活塞环的磨损量降低了10.7%-13.6%。对往复接触试验后的不同微织构铸铁气缸套摩擦副的磨损表面检测发现，相较于具有无织构和圆形微织构铸铁气缸套摩擦副，具有环状微织构铸铁气缸套摩擦副的气缸套磨损表面更光滑，划痕更少，微织构边缘发生的疲劳剥落由于其处于良好的润滑状态而得到缓解，承载表面和微坑中间凸台的塑性变形均大幅减轻，珩磨纹也得到了很好的保存。（3）在探讨环状微织构对铸铁气缸套表面润湿特性机理的影响时发现，环状微织构表面由于具有微坑半径小的独特结构，增强了毛细效应，并减少了钉扎效应对润滑油铺展的影响。在毛细力作用下，润滑油液滴被迅速吸进微坑，促进了润滑油在微坑内的流动，进一步增加了润滑油与表面的接触面积，加速了润滑油在往复接触界面的铺展。当润滑油连续滴在环状微织构表面时，环状微织构的快速铺展特性可快速地形成连续的润滑油膜，从而改善往复接触界面的润滑状态。

参考文献AliAKM,XianjunH,TurksonFR,etal.Ananalyticalstudyoftribologicalparametersbetweenpistonringandcylinderlinerininternalcombustionengines[J].ProceedingsoftheInstitutionofMechanicalEngineers,PartK:JournalofMulti-bodyDynamics,2016,230(4):329-349.EduardA,HaochengQ,M.RM,etal.Functionalsurfacemicrostructuresinspiredbynature–Fromadhesionandwettingprinciplestosustainablenewdevices[J].ProgressinMaterialsScience,2021,119.MaKai,GuoZhiwei,MiaoChenwei,YuanChengqing.InfluenceofSurfaceTexturedPistonRingonTribologicalPerformanceofCylinderLiner-PistonRing[J].MechanicalScienceandTechnologyforAerospaceEngineering,2019,38(7):1109-1117.WangL,ZhaoX,HeM,etal.Effectofmicrogroovesonlubricationperformanceoffrictionpairs[J].Meccanica,2021,56(2):1-14.王星龙,陶宗杰,杨泊莘,等.表面织构对高速插针机构导轨的表面摩擦性能影响[J].郑州大学学报(工学版),2024,45(1)：40-46.王洪涛，朱华。圆环形微凹坑织构表面的摩擦性能[J].润滑与密封，2015,40(1):1-5.PhilippDrescher,PaulOldorf,TimDreier,etal.Ring-ShapedSurfaceMicrostructuresforImprovedLubricationPerformanceofJointProstheses[J].Lubricants,2020,8(4):45.佟金,陈俊英,杨卓,王少纯,李国发.仿生非光滑表面润湿性调控及其减阻应用研究进展[J].摩擦学学报,2020,40(1):104-116.张利敏,袁晓帅,强慧,等.基于活塞环-缸套边界润滑模型的表面织构摩擦学性能评估[J].车用发动机,2024,(05):12-17.王增全，徐久军.(2021).《柴油机活塞环-气缸套摩擦学》.科学出版社.Mobarak,H.M.,Masjuki,H.H.,Mohamad,E.N.,Rahman,S.M.A.F.,Mahmud,K.A.H.A.,Habibullah,M.,&Salauddin,S.(2014).《EffectofDLCCoatingonTribologicalBehaviorofCylinderLiner-pistonRingMaterialCombinationWhenLubricatedwithJatrophaOil》.ProcediaEngineering,90,733-739.石良萍，魏巍，王涛，等。织构化表面优化设计及应用的研究进展[J].中国表面工程，2021,34(6):1-11.Pawlus,P.,Koszela,W.,&Reizer,R.(2022).SurfaceTexturingofCylinderLiners:AReview.

Materials(Basel),15(23),8629.Li,X.,Wang,X.,&Lieber,C.M.(2010).Laser-AssistedElectrochemicalEtchingofSiliconNanowires.JournalofPhysicalChemistryC,114(31),13600-13604.赵昌龙,王旭旭,吕起印,马晨,马振荣.电火花加工表面微织构仿真与实验研究[J].制造技术与机床,2021,(07):21-26.姚燕生,袁根福,钱德才,梁华琪.基于摩擦磨损特性的激光表面造型试验研究[J].润滑与密封,2009,34(04):21-23+27.李斌.圆形微织构对缸套抗拉缸性能影响规律研究[D].大连海事大学,2018.徐波.动力总成关键摩擦副多重润滑模式表面织构影响和设计研究[D].江苏大学,2023.ZhangH,LiuX,GongJ,etal.ThermohydrodynamicLubricationCharacteristicsofPistonRingsinDieselEngineConsideringTransientHeatTransferundertheParameterizedSurfaceTextureofCylinderLiners[J].Energies