润滑剂改善柴油机缸盖与螺栓结合面接触性能的研究.pdf

试验研究andNo.7,2023MechanicalDevelopmentManagement2023年第7 期Total243机械管理开发总第2 4 3期D0I:10.16525/14-1134/th.2023.07.010润滑剂改善柴油机缸盖与螺栓结合面接触性能的研究刘志刚，冀树德，张兴刚，张科，贾伟，齐国栋，高巍，毛玉欣，陈卓群（中国北方发动机研究所（天津），关天津300400)摘要：针对缸盖与螺栓重复安装存在的结合面损伤问题，选用乐泰8 0 0 8 C5-A铜基高温抗咬合剂、道康宁G-Nplus paste和RP-4652D润滑油三种润滑剂，按照相同的缸盖螺栓安装工艺进行了安装，比较分析了三种润滑剂对于结合面性能情况的影响。结果表明，道康宁G-Nplus paste具有最好的抗接触损伤性能,二氧化钼能发挥减磨作用；乐泰8 0 0 8 C5-A铜基高温抗咬合剂的效果最差，运动黏度大、附着性差，不能很好地附着结合面，润滑剂起不到润滑作用;RP-4652D润滑油间于二者之间，在没有道康宁G-Nplus paste的情况下，也可作为一种选择。关键词：柴油机；润滑剂；缸盖；螺栓；结合面；接触性能中图分类号：U473.6文献标识码：A文章编号：10 0 3-7 7 3X(2023)07-0028-040弓引言螺栓紧固是柴油机缸盖与机体连接的主要方式，但研制过程中由于方案、结构、材料等的验证，需要重复试验并根据情况在试验结束后拆装发动机，多次拆装后发现，缸盖与螺栓结合面有明显的划痕损伤，已经严重影响到装配质量和配合效果。针对此问题，本研究选用三种不同的润滑剂，采用相同拧紧工艺进行了缸盖与螺栓结合面损伤分析和评价，从而合理选用结合面润滑剂，以减少重复拆装次数引起的结合面划伤问题，同时为后续装配方法改进提出指导意见。1测试对象特征分析测试对象为V型6 缸增压中冷柴油机，V形夹角90、四冲程、共轨喷射系统、干式油底壳。柴油机左、右两排分别分布3个独立的缸盖，缸盖与气缸密封构成燃烧室，缸盖装有进、排气门座，气门导筒孔、喷油器孔 1-2 。缸盖内部设有冷却水套，下端面与缸体构成冷却水腔。缸盖与机体之间采用长螺栓紧固连接，在每一气缸四个角的位置布置一条螺栓，见图1。缸盖采用合金铸铁材料，机体与缸盖的紧固连接采用六角钢制高强度螺栓。2缸盖螺栓安装工艺及测试方法2.1柴油机缸盖螺栓安装工艺柴油机缸盖螺栓的安装按134 2 的顺序安432图1缸盖表面布置螺栓孔装，安装的时候先对各个螺栓预压8 0 Nm的拧紧力，在此基础上分三个步骤进行，见图2。第一次按照安装顺序将各个螺栓旋转过相同的角度6 0，第二次同样按照安装顺序将螺栓旋转过相同的角度6 0 完成上述两步后，再次将螺栓按照安装顺序旋转过相同的角度30 预压位置3缸盖沉孔图2缸盖螺栓安装方法按照上述安装方法，依次将柴油机V形夹角两侧的缸盖顺序安装，最终实现柴油机缸盖的安装。2.2接触面性能测试方法选取三种润滑剂，以单个缸盖为单位，分别在6个缸使用不同的润滑剂，见表1，然后按照缸盖螺栓安装工艺进行安装 3。在缸盖螺栓安装过程，预压位置开始每一角度旋转工序实施时测量拧紧力矩。按照表1润滑剂使用位表1润滑剂使用情况润滑剂使用位置右1乐泰8 0 0 8 C5-A铜基高温抗咬合剂左2右2道康宁G-Npluspaste左3右3RP-4652D润滑油左1收稿日期：2 0 2 2-0 9-0 1第一作者简介：刘志刚（19 8 2 一），男，副研究员，主要研究方向为柴油机装配技术工艺。通信作者：冀树德（19 7 9 一），男，研究员，主要研究方向为柴油机试验测试技术。29刘志刚，等妾触性能的研究2023年第7 期置及缸盖螺栓安装工艺重复进行10 次后，检查缸盖与螺栓结合面的情况。3润滑剂性能特征分析三种润滑剂的主要性能特征见表2。由表2 可知，道康宁G-Nplus paste润滑剂的密度最大，乐泰8008C5-A铜基高温抗咬合剂的针人度、运动黏度、耐温范围都比较大，而RP-4652D润滑油在各方面的性能都是最低的。三种润滑剂基于耐温、耐磨、润滑等的需求，加入了不同的成分，道康宁G-Nplus paste添加了二硫化钼，乐泰8 0 0 8 C5-A铜基高温抗咬合剂添加了铜和石墨，而RP-4652D润滑油添加了改善性能的添加剂 4 。二硫化钼和石墨以固体微粒的形态存在于润滑剂中，使用时采用将润滑剂黏着在摩擦表面,形成固体润滑膜。摩擦时，材料表面形成转移膜，摩擦主要发生在润滑剂内部，从而减少摩擦。对添加剂类的成分，主要是溶于润滑剂中,从而使用润滑剂在某些方面的性能得到强化 5 O表2润滑剂主要特征性能道康宁G-Nplus乐泰8 0 0 8 C5-A铜RP-4652D润参数paste基高温抗咬合剂滑油颜色黑色铜红色棕色二硫化钼、白色固化主要组分润滑剂、矿物油、增铜和石墨硫酸盐稠剂3%二硫化钼，7.5%成分含量40%铜和石墨1.48%硫酸盐稠花剂未工作针人度280310320380220270(1/i0mm)20时密度/1.351.270.93(g/mL)100运动黏度18.246.614.75/(mm/s)耐温范围/-25+45029+982-35+200为了进一步比较三种润滑剂的性能特征，采用MOAII光谱分析仪对其进行光谱分析，分析结果见表3。由表3可知，三种润滑剂的主要元素以钙、锌、磷为主，整体来看元素分布差异主要集中在铜元素，乐泰8008C5-A铜基高温抗咬合剂的铜含量远高于其他两种润滑剂。此外，乐泰8 0 0 8 C5-A铜基高温抗咬合剂其他元素的含量也是相对较高的，道康宁G-Nplus paste与RP-4652D润滑油在各个方面是基本相当的。表3润滑剂光谱分析结果道康宁G-NplusRP-4652D润乐泰8 0 0 8 C5-A铜元素名称paste滑油基高温抗咬合剂Ca1857.71928.51.996.7Zn472.7484.6532.1P52.3107.194.8Cu0.30.814.3Mg7.88.710.7Na8.65.87.5Pb4.14.53.4A12.51.42.5Ni2.42.82.4B1.52.22.1H2.01.92.0Si2.01.11.7Fe0.80.91.0Ag0.91.10.94缸盖螺栓安装测试分析4.1不同润滑剂拧紧力矩分析在三次不同角度旋转工序操作，每一步每个螺栓记录的结果见表4。为了减少润滑剂涂抹厚度不一致或人为操作差异引人的不确定因素，选取测试结果较表4每个螺栓旋转工序的紧力矩拧紧力矩/(Nm）润滑剂第一次6 0 第二次6 0 最后30 螺栓1螺栓2螺栓3 螺栓4螺栓1螺栓2螺栓3螺栓4螺栓1螺栓2螺栓3螺栓4乐泰8 0 0 8右1193193193167293302308274347348373326C5-A铜基高温抗咬谷剂左2199191198202306298306318361351392373道康宁C-N右2179164176180267245275274320287320322plus paste左3180170162172286265258268333316308314RP-4652D润右3192175200187292276310294343315382351滑油左1177176186181273281290285316327341324为均匀的力矩值，以缸为单位计算平均值进行比较。乐泰8 0 0 8 C5-A铜基高温抗咬合剂、道康宁G-Nplus paste 和RP-4652D润滑油简记为C5-A、G-N和4 6 5 2 D。采用标准偏差进行均匀度分析，在第一次6 0 操作中,相同润滑剂组选取一组,选取对象为左2、右2、左1,计算平均值，比较结果见图3；在第二次6 0 操作中，相同润滑剂组同样选取一组，选取对象为左2、左3、左1，计算平均值，比较结果见图4；在最后30 操作中，相同润滑剂组仍然选取一组，选取对象仍为左2、左3、左1,计算平均值，比较结果见图5。从三次拧紧效果来看，第一次旋转角度工序每单30第3 8 卷机械管理开发205200195190185180175170165C5-AG-N4652D润滑剂类型图3第一次6 0 工序下不同润滑剂拧紧力矩比较115110(.N)联105100959085C5-AG-N4652D润滑剂类型图4第二次6 0 工序下不同润滑剂拧紧力矩比较7060(.N)/联50403020100C5-AG-N4652D润滑剂类型图5最后30 工序下不同润滑剂拧紧力矩比较位角度施加的力矩最大，第二次和第三次基本相同。相比，乐泰8 0 0 8 C5-A铜基高温抗咬合剂每次旋转工序操作施加的拧紧力矩都比较大，道康宁G-Npluspaste和RP-4652D润滑油从整体来看，每次旋转角度工序操作施加的力矩基本是一致的。在所有工序操作完成后，三种润滑剂对应缸盖螺栓的拧紧力矩都超过了30 0 Nm，道康宁G-Npluspaste整体拧紧力矩最小，乐泰8 0 0 8 C5-A铜基高温抗咬合剂和RP-4652D润滑油最终施加的紧力矩差不多，乐泰8008C5-A铜基高温抗咬合剂稍大 6 更换其他类似机体和缸盖，分别三步旋转和一步旋转操作进行缸盖螺栓拧紧操作，比较缸盖螺栓施加的紧力矩，结果见图6。由图6 可知，一步旋转操作施加的拧紧力矩整体大于三步旋转操作施加的紧力矩，但二者的差别不是很大。基于上述分析，不同润滑剂使用下，缸盖螺栓拧紧力矩的差异性主要来自于润滑剂本身4.2结合面特征分析按照安装工艺多次完成缸盖螺栓安装后，检查缸46520CA图74652D和C5-A润滑剂拧紧使用后比较500450三步一步400(U.N)/联3503002502001501005001号2号3号4号螺栓编号图6不同工艺步骤拧紧力矩比较盖与螺栓结合面的情况，结果见图7 和图8。CA图8C5-A和G-N润滑剂拧紧使用后比较根据图7 和图8 可知，涂抹乐泰8 0 0 8 C5-A铜基高温抗咬合剂的结合面，润滑剂被明显挤出，形成光亮的环形带，部分结合部位润滑剂几乎消失，润滑作用减弱。相比之下，道康宁G-Nplus paste和RP-4652D润滑油在结合部位仍有留存，尽管呈现摩擦黑色，但仍能起到一定的润滑作用。为了进一步检查结合面的损伤情况，擦拭结合面的润滑剂，观察拧紧操作后形成的划痕,其结果见图9、图10 和图11。根据图9 图11,涂抹乐泰8 0 0 8 C5-A铜基高温抗咬合剂的结合面出现明显坑状损伤，涂抹图9C5-A润滑剂图10G-N润滑剂使用后结合面特征使用后结合面特征图114652D润滑剂使用后结合面特征A编辑：王婧）上接第2 7 页（编辑：王慧芳）312023年第7 期刘志刚，等：润滑剂改善柴油机缸盖与螺栓结合面接触性能的研究RP-4652D润滑油的结合面出现少许划痕，而涂抹道康宁 G-N plus paste基本完好无损。结合三种润滑剂的特征性能，运动黏度和主要成分对摩擦性能有较大的影响，二硫化钼和石墨对结合面有很好的润滑效果，但是乐泰8 0 0 8 C5-A铜基高温抗咬合剂运动黏度很大，拧紧过程润滑剂不能保留在结合面，以致螺栓与缸盖几乎干摩擦。相比之下,道康宁G-Nplus paste润滑剂中二硫化钼起到了很好的润滑作用。5结论三种润滑油用于缸盖与螺栓结合面的润滑，润滑效果依次为道康宁G-Npluspaste、R P-4 6 5 2 D 润滑油、乐泰8 0 0 8 C5-A铜基高温抗咬合剂，乐泰8 0 0 8C5-A铜基高温抗咬合剂运动黏度较大、附着性差，在螺栓紧实施操作过程中不能很好地附着在结合面，以致螺栓与缸盖之前几乎干摩擦，润滑效果最差。道康宁G-Nplus paste和RP-4652D润滑油都能起到减磨作用，但道康宁G-Npluspaste添加了二硫化钼减磨材料，对结合面减少摩擦有更好的作用。参考文献1何联格，左正兴，向建华.螺栓装配连接工艺对气缸密封的影响J.内燃机学报，2 0 14,32 6)：5 6 2-5 6 8.2祖炳锋，付光琦，徐玉梁，等.车用柴油机缸孔在缸盖螺栓预紧力下变形的数值模拟与试验研究 J.内燃机工程，2 0 10,31（2)：99-104.3郑劲松.发动机缸盖螺栓紧工艺与试验研究 D.上海：上海交通大学,2 0 0 8.4Jan babak,Mlada Boleslav.Connection Bolt For Repreated Teighen-ing Beyond Yield Point:US06402447B1P.2002-06-11.5A.Nassar-Ali Alkelani.Effect of Tightening Speed on Clamp LoadDistribution in Gasketed Joints JJ.SAE Technical Papers,2006(1):1250.6Marshall M B,Lewis R,Dwyer-joyce R S.Characterisation of contactpressure distribution in bolted joints J.Strain,2006,42(1):31-43.Improvement of Contact Performance between Cylinder Head and Bolt of Diesel Enginethrough LubricantLiu Zhigang,Ji Shude,Zhang Xinggang,Zhang Ke,Jia Wei,Qi Guodong,Gao Wei,Mao Yuxin,Chen Zhuoqun(China North Engine Research Institute(Tianjin),Tianjin 300400,China)Abstract:In view of the joint surface damage existing in the repeated installation of cylinder head and bolts,Loctite 8008 C5-A copperbased high-temperature anti-seize agent,DowCorning G-N plus paste and RP-4652D lubricants were selected to install according to thesame cylinder head bolt installation process,and the performance of three lubricants on the joint surface was compared and analyzed.Theresults show that DowCorning G-N plus paste has the best contact performance and molybdenum dioxide can play an anti-wear role.Loctite 8008 C5-A copper based high-temperature anti-seize agent has the worst effect.It cannot adhere to the joint surface well and thelubricant cannot play the role of lubrication due to high kinematic viscosity and poor adhesion.RP-4652D lubricating oil is better thanLoctite 8008 C5-A copper based high-temperature anti-seize agent,but worse than DowCorning G-N plus paste,which can also be usedas an option of lubrication.Key words:diesel engine;lubricant;cylinder head;bolt;contact surface;contact performance护梁和底座连接销孔位置。基于此，为增强液压支架整体结构性能，提出针对性优化方案，并将优化方案运用于工程实践，确认此优化方案切实有效，可作为后续液压支架优化改进以及结构设计中的重要理论参考方案。参考文献1孙烽尧，李建威，刘现文，等.极近夹研煤层条件下液压支架关键部件的设计研究 J.煤矿机械，2 0 2 0,4 1（5）：15-18.2种阳，杨建辉，朱兴攀，等.浅埋煤层超长距离工作面液压支架结构研究 J.煤矿机械，2 0 2 1,4 2(9：111-113.3万丽荣，李哲，杨扬，等.结构参数和外载荷形式对液压支架的综合影响分析 J.矿山机械，2 0 2 0，4 8（9）：13-17.nalysis of the Overall Structural Performance of the Hydraulic Support in Coal Mines in UseHao Liguang(Shanxi Dongjiang Coal Group Co.,Ltd.,Lyuliang Shanxi 033299,China)Abstract:In order to grasp the structural performance of the hydraulic support in the process of use and ensure the structural safety of thehydraulic support.The structural composition of the hydraulic support is analysed,the hydraulic support model is constructed by ACDsoftware UG,and based on this,the finite element analysis of the hydraulic support under the bias load condition of the base withconcentrated load on both ends of the top beam is implemented by OptiStruct solver,and the optimisation scheme is proposed according tothe analysis results,and finally the optimisation scheme is applied to engineering practice to verify the effectiveness and practicality of theoptimisation scheme.Key words:coal mine;hydraulic support;finite element analysis