CN108487999B - 一种可提升综合性能的气缸套表面织构及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可提升综合性能的气缸套表面织构，包括分布在缸套内表面的螺纹型凹槽，螺纹型凹槽的横截面为矩形，螺纹型凹槽的宽度为缸套内圆表面周长的0.33％～1.34％；螺纹型凹槽的深度为缸套厚度的0.67％～2.67％；螺纹型凹槽沿缸套轴向规则分布，且螺纹型凹槽在缸套内表面的占有率为1.96％～7.84％。本发明通过规则的螺纹型凹槽纹理设计，可采用精密机械加工技术，在缸套内表面加工连续的螺纹型凹槽用于储油、储屑，不仅具有简便的加工程序，还可通过润滑油液的流动将部分磨屑排出，螺纹型凹槽可实现部分油压密封代替机械密封，满足缸套‑活塞环减摩、耐磨条件的同时，在综合密封性能上给予更大的优化。

Description

一种可提升综合性能的气缸套表面织构及其设计方法

技术领域

本发明涉及船舶柴油机零部件领域，具体涉及一种可提升综合性能的气缸套表面织构及其设计方法。

背景技术

我国作为世界航运大国，航运业的发展与我国的经济发展紧密相关。但是，船舶的摩擦损耗一直限制着航运业的发展，据研究表明，我国摩擦磨损方面造成的损失约占国民经济总值的4.5％，其中船舶机械中70％左右的失效与其内部摩擦磨损有关，缸套-活塞环作为船舶柴油机中最重要的摩擦副之一，其摩擦功耗约占柴油机的25％-50％，即在船舶摩擦损耗中占据较大的比例，缸套-活塞环严重的摩擦磨损现象不仅会降低自身使用寿命和运行可靠性，造成经济方面的损失，对柴油机也会产生巨大的影响，一方面使柴油机机械效率下降，柴油机机体振动增加，另一方面对燃烧室密封性能造成损坏，燃烧室内气体泄漏，燃料燃烧不充分，积碳、复燃等现象使船舶柴油机的经济性进一步下降，严重影响航运业前景，因此，利用合理的方式优化缸套-活塞环的综合工作性能对航运业的发展具有重大的意义。

表面纹理技术的应用是减少缸套-活塞环摩擦磨损的有效方式之一，其原理是利用一些加工工艺(模电加工、平台衍磨、机械加工、蚀刻加工等)在缸套表面加工出一定的织构，从而提升缸套-活塞环的摩擦学性能。表面纹理的研究自上世纪80年代后期开始，Hamilton对微凸体表面织构进行理论和试验研究分析，微凸体的存在并不能有效优化摩擦表面摩擦磨损性能，后期学者深入研究表明，在缸套内表面加工规则凹坑对摩擦副的减磨效果较为明显。但是表面纹理的不同、缸套-活塞环的工况不同、表面纹理参数的不同，对优化缸套-活塞环的性能不尽相同。华南理工大学通过试验研究衍磨网纹、微凹槽相和原始缸套的摩擦磨损性能，结果表明微凹槽的综合减摩效果较优。武汉理工大学通过整缸试验机研究不同角度螺纹槽对缸套-活塞环摩擦磨损性能的影响，结果表明合理角度的螺纹槽结构不仅能有效提升缸套-活塞环的摩擦磨损性能，对燃烧室的密封性能也有显著提高，而不合理的表面纹理也会造成摩擦副气体的泄露，影响燃烧室的燃烧和气体排放。因此，一种合理的表面纹理结构能有效提高缸套-活塞环的综合表面性能。

目前，对于利用缸套表面纹理进行减少摩擦磨损的专利不多，而涉及到缸套-活塞环密封性能的专利更是少之又少。专利文献《一种低摩擦轴向不等角度平台珩磨气缸套》(公开号CN102278225A)介绍了一种不同角度的网纹沟槽设计机理，气缸套内壁的中间部位具有与缸套中心轴线方向夹角为160°～180°的沟槽型网纹，气缸套内壁两端部位具有与缸套中心轴线方向夹角为0°～20°的沟槽型网纹，能够有效减少缸套-活塞环摩擦系数。专利文献《一种新型低速发动机缸套》(公开号CN204627766U)介绍了一种缸套内表面布置多个正方形凹坑组，凹坑组储存润滑油液和杂质的能力，可有效减少缸套磨损量。专利文献《一种新型发动机缸套》(公开号CN204627768U)介绍了缸套内侧面布设多个略小于活塞环宽度的储油凹坑结构，实现缸套-活塞环减磨和增强气密性的目的。

以上发明在减摩、耐磨或气密性方面均有涉猎，但均为斑点状凹坑结构，为保证其精密度和分布规律性，其加工方式较为复杂。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种可提升综合性能的气缸套表面织构及其设计方法，在满足缸套-活塞环减摩、耐磨的同时，增加其综合密封性能。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种可提升综合性能的气缸套表面织构，其特征在于：它包括分布在缸套内表面的螺纹型凹槽，螺纹型凹槽的横截面为矩形，螺纹型凹槽的宽度为缸套内圆表面周长的0.33％～1.34％；螺纹型凹槽的深度为缸套厚度的0.67％～2.67％；螺纹型凹槽沿缸套轴向规则分布，且螺纹型凹槽在缸套内表面的占有率为1.96％～7.84％。

按上述方案，所述的螺纹型凹槽的宽度为缸套内圆表面周长的1.34％。

按上述方案，所述的螺纹型凹槽的深度为缸套厚度的1.33％。

按上述方案，所述的螺纹型凹槽在缸套内表面的占有率为3.92％。

一种可提升综合性能的气缸套表面织构的设计方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、螺纹型凹槽的结构设计：设计沿缸套轴向规则分布的螺纹型凹槽，根据缸套内圆表面周长和缸套厚度，设计不同宽度和深度的螺纹型凹槽，调整螺纹型凹槽的占有率；

S2、材料表面处理：取原始缸套，按照S1设计的螺纹型凹槽的宽度和深度及占有率，利用精密机械加工技术对螺纹型凹槽进行加工，表面加工铁屑颗粒用汽油进行冲洗，待汽油挥发完全，采用柴油机润滑油再次清洗，彻底洗净缸套表面铁屑颗粒；针对每种宽度和深度的螺纹型凹槽对原始缸套进行加工，得到若干缸套样品；

S3、螺纹型凹槽纹理的试验测试：

采用表面轮廓仪、游标卡尺对缸套样品表面形貌进行观察测量，确定表面织构符合设计要求；利用台架试验机，结合接触电阻值和柴油机燃烧室压力测试，接触电阻值表征缸套-活塞环间润滑油膜厚度，柴油机燃烧室压力表征缸套-活塞环间气密性的大小，评定缸套-活塞环的摩擦磨损性能和综合密封性能；

S4、螺纹型凹槽纹理的尺寸确定：

根据试验结果，选择最佳的螺纹凹槽的深度、宽度和占有率。

本发明的有益效果为：通过规则的螺纹型凹槽纹理设计，可采用精密机械加工技术，在缸套内表面加工连续的螺纹型凹槽用于储油、储屑，不仅具有简便的加工程序，还可通过润滑油液的流动将部分磨屑排出，此外，螺纹型凹槽可实现部分油压密封代替机械密封，满足缸套-活塞环减摩、耐磨条件的同时，在综合密封性能上给予更大的优化，对提升船舶柴油机的经济性、动力性和使用寿命具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为本发明螺纹型凹槽深度示意图。

图3为本发明一实施例与原始缸套压力变化曲线对比图。

图中：1-缸套，2-螺纹型凹槽。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。

如图1和图2所示，本发明提供一种可提升综合性能的气缸套表面织构，它包括分布在缸套1内表面的螺纹型凹槽2，螺纹型凹槽2的横截面为矩形，螺纹型凹槽2的宽度C为缸套1内圆表面周长A0.33％～1.34％；螺纹型凹槽2的深度D为缸套1厚度B的0.67％～2.67％；螺纹型凹槽2沿缸套1轴向规则分布，且螺纹型凹槽2在缸套1内表面的占有率为1.96％～7.84％。

优选的，所述的螺纹型凹槽的宽度为缸套内圆表面周长的1.34％；所述的螺纹型凹槽的深度为缸套厚度的1.33％；所述的螺纹型凹槽在缸套内表面的占有率为3.92％。

一种可提升综合性能的气缸套表面织构的设计方法，包括以下步骤：

S1、螺纹型凹槽的结构设计：设计沿缸套轴向规则分布的螺纹型凹槽，根据缸套内圆表面周长和缸套厚度，设计不同宽度和深度的螺纹型凹槽，调整螺纹型凹槽的占有率；

S2、材料表面处理：取原始缸套，按照S1设计的螺纹型凹槽的宽度和深度及占有率，利用精密机械加工技术对螺纹型凹槽进行加工，表面加工铁屑颗粒用汽油进行冲洗，待汽油挥发完全，采用柴油机润滑油再次清洗，彻底洗净缸套表面铁屑颗粒；针对每种宽度和深度的螺纹型凹槽对原始缸套进行加工，得到若干缸套样品；

S3、螺纹型凹槽纹理的试验测试：

采用表面轮廓仪、游标卡尺对缸套样品表面形貌进行观察测量，确定表面织构符合设计要求；利用台架试验机，结合接触电阻值和柴油机燃烧室压力测试，接触电阻值表征缸套-活塞环间润滑油膜厚度，柴油机燃烧室压力表征缸套-活塞环间气密性的大小，评定缸套-活塞环的摩擦磨损性能和综合密封性能；

S4、螺纹型凹槽纹理的尺寸确定：

根据试验结果，选择最佳的螺纹凹槽的深度、宽度和占有率。

本发明提供具备耐磨、减摩和增强缸套-活塞环摩擦副的综合密封性能表面纹理织构的制备方法。根据相关文献研究，柴油机的有效输出功率和其经济性能与缸套的摩擦学性能、缸套-活塞环间的密封性能密切相关，通过设计螺纹槽结构的角度、宽度和深度，采用精密机械加工技术，在缸套内表面加工出上述表面织构。通过试验测试并分析得出该表面织构能有效改善缸套-活塞环的摩擦磨损性能，同时提升缸套-活塞环的综合密封性能。

本发明设计规则螺纹型凹槽纹理，采用精密机械加工技术，在缸套内表面加工连续的储油、储屑的凹槽纹理，不仅具有简便的加工程序，还可通过润滑油液的流动将部分磨屑排出，此外，螺纹型凹槽可实现部分油压密封代替机械密封，满足缸套-活塞环减摩、耐磨条件的同时，在综合密封性能上给予更大的优化，对提升船舶柴油机的经济性、动力性和使用寿命具有重要的意义。

与传统缸套相比，本发明具有以下的主要优点：

1.螺纹型凹槽结构具备储存润滑油液的作用。缸套-活塞环摩擦副在实际工作过程中处于边界润滑状态，在润滑不良的情况下为干摩擦状态，磨损较为严重。螺纹型凹槽能够将储存的润滑油液在缸套、活塞环相互作用力以及润滑油液与气体压力的作用下，补给至缸套摩擦表面，并形成润滑油膜，减少缸套-活塞环的摩擦系数。

2.螺纹型凹槽结构具备储存磨屑和杂质的作用。缸套-活塞环在相互运动过程中，缸套、活塞环表面的微凸体经过摩擦和撞击，脱落至缸套摩擦表面；另外，在实际柴油机中，燃料的不充分燃烧形成的含碳颗粒等也会掺杂在缸套内表面，这些细小颗粒在缸套表面经挤压变形黏着在摩擦表面或掺杂在润滑油液中，进一步加剧磨屑的生成使得摩擦副的磨损更加严重。当磨损过于严重时，导致缸套-活塞环间隙变大，使燃烧室的密封性能下降。凹槽的存在，使磨屑和杂质存储在凹槽内，减少了加剧磨损情况的发生，从而保证缸套-活塞环的性能。

3.螺纹型凹槽结构具备密封的作用。柴油机在压缩和膨胀冲程，气缸内压差变化较大，导致气缸内真空度/压强过大，达到一定值便会从缸套-活塞环间隙吸气/排气，从而影响缸内的燃烧状态和柴油机的功率。若缸套内表面分布有螺纹型凹槽，润滑油液在凹槽内储存和供给，有利于润滑油膜的迅速生成，在缸套-活塞环间隙形成良好的油压密封，能够承受更大的气体冲击，减少气缸内气体的泄漏，从而提高柴油机的动力性和经济性。

本发明提供具备耐磨、减摩和增强缸套-活塞环综合密封性能缸套内表面织构的制备方法，包括以下步骤：

1.缸套摩擦磨损、缸套-活塞环密封性能调查

前期通过资料查阅与实船考察得出缸套内表面承受高温高压高冲击燃气的作用以及缸套、活塞、活塞环的物理接触，造成缸套内表面出现三种常规磨损，即磨料磨损、熔着磨损和腐蚀磨损。具体来说，由于吸入空气的尘埃、燃油脏污、机油积炭结焦和金属磨屑等机械杂质所造成的磨损称为磨料磨损；由于燃油中的硫及其它燃烧生成物构成的酸性成分造成的磨损叫做腐蚀磨损；熔着磨损则是因为活塞环与气缸套在高温和临界润滑条件下相互滑动，由于滑动面积微小，部分金属直接接触、磨擦形成的局部高温，可使部分金属熔融粘着。缸套磨损不仅影响缸套-活塞环的使用寿命，对缸套-活塞环的密封性能也产生较大的影响，从而降低了柴油机的有效输出功率，污染物的排放也随之增加，与当今绿色船舶的意义相驳。

2.缸套表面螺纹槽纹理结构的设计

缸套表面螺纹槽结构的存在可改善缸套-活塞环耐磨、减摩性能，一定的表面螺纹槽结构也可增强其气密性，但是综合考虑缸套-活塞环摩擦磨损性能和气密性，需要一个合理的表面螺纹型凹槽结构。若以缸套本体内径为95mm，缸套本体厚度为15mm为例，可在缸套内表面加工不同深度螺纹槽100μm、150μm、200μm、250μm,不同宽度螺纹槽1mm、2mm、3mm、4mm。

3.材料表面处理

取原始气缸套，利用精密机械加工技术进行加工，表面加工铁屑颗粒用汽油进行冲洗，待汽油挥发完全，采用柴油机润滑油再次清洗，彻底洗净缸套表面铁屑颗粒，最后应用于试验机，本试验机采用台架式整缸试验机，其试验工况贴近实际工况，相比于切片式试验机，能更好的反映出螺纹槽织构对应用于实际船舶柴油机缸套的综合性能。

4.螺纹槽纹理的试验测试

采用表面轮廓仪、游标卡尺对样品表面形貌进行观察测量，确定表面织构符合设计要求。利用台架试验机，进行本发明专利性能测试，结合接触电阻值和柴油机燃烧室压力测试，接触电阻值表征缸套-活塞环间润滑油膜厚度，柴油机燃烧室压力表征缸套-活塞环间气密性的大小，两者可综合评定缸套-活塞环的摩擦磨损性能和综合密封性能。

5.螺纹槽纹理优势分析

活塞在往复运动过程中，活塞环将螺纹槽中润滑油液挤出，使润滑油液分布在缸套摩擦表面，迅速形成润滑油膜。一方面有带走缸套内表面磨屑和杂质的作用，磨屑和杂质进入螺纹槽，使更多的润滑油液进入缸套摩擦表面；另一方面有润滑缸套-活塞环的作用，缸套与活塞环金属接触面减少，缸套-活塞环的摩擦磨损减少，使柴油机运行过程中油耗降低；螺纹槽中的润滑油液，可承载燃烧室内混合气体压力，相对与机械密封而言，部分油压密封具有更好的密封效果，使柴油机运行更加高效。

6.螺纹槽纹理尺寸的确定

从表1可以看出，相比于原始缸套，带有螺纹槽结构的缸套具有更大的接触电阻值，随螺纹槽宽度的增加，缸套-活塞环平均接触电阻值逐渐增加，在一定范围内增加螺纹槽宽度，可增加缸套活塞环间润滑条件；对比不同深度螺纹槽，在螺纹槽深度为200μm时具有最大接触电阻值。

表1

试验过程中，缸内吸气量和排气量达到动态平衡，当活塞处于压缩冲程，缸内压力不断增加，部分气体通过缸套-活塞环间隙泄露，其泄露量的大小可由缸内最大压力表示，当活塞处于吸气冲程时，可由真空度表示，考虑到试验的误差，以平均压力和平均真空度表示缸套-活塞环气密性的优劣，从表2可以看出，相比于原始缸套，部分螺纹槽并不能改善其气密性，但是当螺纹槽深度为200μm时，缸内平均压力和平均真空度相对其他组最大，相比于原始缸套，其气密性增加了8.06％。

表2

从图3可以看出，原始缸套在试验机运行过程中，其压力波动较为明显，表明在活塞压缩冲程中，缸套-活塞环间气密性不稳定，在较大压力下气体泄漏量较大，并且从整体上看，原始缸套压力数值偏小于表面加工200μm深度螺纹槽的缸套，因此，加工有200μm螺纹槽缸套具备更好的气密性能，可提高缸套-活塞环的综合密封性能。综合考虑，在缸套加工有螺纹槽深度为200μm，螺纹槽宽度为4mm具有更大的研究价值。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种可提升综合性能的气缸套表面织构的设计方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、螺纹型凹槽的结构设计：设计沿缸套轴向规则分布的螺纹型凹槽，根据缸套内圆表面周长和缸套厚度，设计不同宽度和深度的螺纹型凹槽，调整螺纹型凹槽的占有率；

S2、材料表面处理：取原始缸套，按照S1设计的螺纹型凹槽的宽度和深度及占有率，利用精密机械加工技术对螺纹型凹槽进行加工，表面加工铁屑颗粒用汽油进行冲洗，待汽油挥发完全，采用柴油机润滑油再次清洗，彻底洗净缸套表面铁屑颗粒；针对每种宽度和深度的螺纹型凹槽对原始缸套进行加工，得到若干缸套样品；

S3、螺纹型凹槽纹理的试验测试：

采用表面轮廓仪、游标卡尺对缸套样品表面形貌进行观察测量，确定表面织构符合设计要求；利用台架试验机，结合接触电阻值和柴油机燃烧室压力测试，接触电阻值表征缸套-活塞环间润滑油膜厚度，柴油机燃烧室压力表征缸套-活塞环间气密性的大小，评定缸套-活塞环的摩擦磨损性能和综合密封性能；

S4、螺纹型凹槽纹理的尺寸确定：

根据试验结果，选择最佳的螺纹凹槽的深度、宽度和占有率。

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