摩擦学原理 活塞环磨损情况分析.docx

研究生课程（论文类）试卷
2 011 /2 012 学年第 1 学期
课程名称：摩擦学原理
课程代码：14000323
论文题目：活塞环在活塞往复运动时的摩擦磨损情况
学生姓名： 李选
专业﹑学号： 机械设计及理论/112231087
学院： 机械工程学院
课程（论文）成绩：
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日期： 年 月 日
课程（论文）题目：试运用摩擦学理论，分析内燃机中的关键零件之一——活塞环在活塞中往复运动时的摩擦磨损情况。并以此依据，探讨一种比较理想的磨损规律。
内容：
活塞环在活塞往复运动时的摩擦磨损情况

摘 要：利用摩擦学理论知识，对活塞环在气缸内做往复运动时的摩擦磨损情况进行一个简单分析，并根据分析情况阐述一种比较理想的磨损规律。

关键词：活塞环 正常 异常 摩擦磨损 规律

1.前言
活塞环作为内燃机内部的核心部件之一，它和汽缸，活塞，汽缸壁等一起完成燃油气体的密封作用，并且在内燃机中缸套-活塞环摩擦副对内燃机工作性能(动力性、经济性以及稳定性等)和使用寿命有着举足轻重的影响。因此研究活塞环在活塞中往复运动过程中的摩擦磨损情况具有十分重要的意义。
2.活塞环正常摩擦磨损情况
一般机械零件的正常磨损情况可大致分为三个阶段：1）磨合（跑合）阶段；2）稳定磨损阶段；3）“急剧”磨损阶段。因此作为机械零件的活塞环也可按照正常磨损情况进行此三个阶段的分类，以下就据此三个阶段进行简要分析。
2.1 磨合阶段
磨合磨损阶段对于活塞环是一个非常重要的阶段。新装配的发动机的活塞环与气缸体的摩擦面，虽然经过精加工，但在微观上仍是凹凸不平的。在磨合过程初期，活塞环表面同气缸壁表面微凸体发生相互剧烈碰撞，实际接触面积小，接触应力大，使表面粗糙微凸体发生剧烈破坏、压碎和塑性变形，同时表面发生冷作硬化。活塞环表面通过自适应过程逐渐向弹性状态过渡，表面逐渐磨平，实际接触面积逐渐增大，磨损速度减缓而进入稳定磨损阶段。
2.2稳定磨损阶段
进入正常磨损阶段后，活塞环和气缸体的磨损主要形式有磨料磨损、微动磨损和腐蚀磨损等。
1） 微动磨损：即在润滑不足时，二个摩擦面半干摩擦引起的磨损；
2 ）腐蚀磨损：它主要是由燃气中有害气体冷凝成硫酸或碳酸后腐蚀那些润滑不足的表面所致，一般在冷起动状态时较为严重；
3） 磨料磨损：这种磨损是由于在摩擦表面间进入了硬的杂质微粒（如尘埃、积碳、金属磨屑等）而引起的。其结果或是二者磨伤，或是这些微粒磨料嵌入一方摩擦面（例如活塞环槽或缸套）而磨削另一方，导致更急剧的磨损。
微动磨损时，新鲜的摩擦面易致腐蚀，同时磨损后的金属磨屑立即构成磨料。所以，这种磨损实际上只是某些腐蚀磨损和磨料磨损的前驱。腐蚀磨损的腐蚀生成物也是磨料，所以腐蚀磨损构成了磨料磨损的原因之一。由此看来，活塞环的磨损归根结底是磨料磨损。
2.3“急剧”磨损阶段
在长时间的稳定磨损阶段以后，当活塞环材料的磨损总量达到一定数值时，活塞环—气缸壁摩擦副系统可能会发生质的变化，随之摩擦现象也发生重大变化。这一阶段发生的磨损主要是由于空气中灰尘较多的被吸入和燃烧时严重积碳所引起的磨损。此时发动机的性能大大降低，以致不能继续工作。

磨料磨损使活塞环开口间隙增大，也使气缸内径锥度和椭圆度超差，是发动机失效的重要原因。因此尽量地提高活塞环—气缸体摩擦副抗磨料磨损的能力，是提高发动机使用寿命的关键。
3.活塞环的异常磨损情况
为了减少活塞环的正常磨损，长期以来进行了广泛的多方面的研究，由于采用了这一系列措施，根据相关文献叙述，现在腐蚀磨损和磨料磨损的问题已不是很大。
但是由于近年来，特别是对于强化发动机，活塞环最多最有害的磨损是粘着磨损和早期磨损。
3.1粘着磨损
粘着磨损是由于两摩擦物体在法向力合切向力的联合作用下，产生金属与金属的直接接触和塑性变形，从而经历粘着（冷焊）、剪切撕脱和再粘着的循环过程。
具体对于活塞环与缸套之间的摩擦副而言，就是由于油膜中断产生干摩擦，炽热的摩擦热引起显微熔化粘着，并与其周围质点扯断。在轻微情况下，很难与磨料磨损区别，只是磨损量多一点而已。再严重一点，由于熔着磨损常常露出新的金属表面，因此，磨损面特别光亮，也比较平滑；在磨损大的情况下，滑动表面可以看到伤痕，开始是几条细纹，以后伤痕沟纹越多越大，最后摩擦面熔粘成粗糙表面，发动机停止工作。在活塞环上下端面也常常出现熔着磨损的情况，但它与前述情况略有不同，它总是伴随着氧化膜脱落的磨料磨损，因此，其明显的特征是在活塞环上下端面并列有规则的伤痕。
产生熔着磨损的原因是比较复杂的。最根本的一点是油膜中断。而油膜中断的原因不外乎二个方面：一是供油状况不良，难于形成油膜；一是窜气或过大的接触应力等破坏了油膜。
3.2早期磨损
谓早期磨损就是发生在发动机磨合阶段的不正常磨损，它包括了两个方面：
1）粘着磨损。亦即“拉缸”，因此磨合中断；
2）异常磨损。这是一种十分急剧的磨损。磨损量每1000小时达到几毫米乃至几十毫米，而且一旦出现这一现象，几百几千小时也达不到磨合的要求。这种异常磨损，在缸套是上部最大，在活塞环却常常是下面几道环。

4、活塞环理想磨损规律讨论
根据以上分析可知，活塞环磨损规律应尽量做到满足正常磨损情况，避免异常磨损情况。活塞环的一种理想磨损规律可描述如下：
首先是刚开始同气缸壁装配磨合时期，进行快速的磨合阶段完成，体现在发动机上就是润滑油消耗量趋向正常，窜气量趋向稳定和不发生拉伤和拉缸，之后在进入稳定磨合阶段应对活塞环的结构及形状进行相应的设计，例如采用桶面环结构设计，可以保证在稳定磨合阶段，活塞环能够获得较好的油膜而不至于产生微动摩擦，并由此引发一系列的粘着磨损和腐蚀磨损，并且尽量通过对材料的研究及配对副的材料相关上进行分析，延长稳定磨损阶段，然而最终不可避免会进入急剧磨损阶段。在该阶段活塞环的磨损失效形式最好表现为正常的疲劳磨损。及材料在超过其弹性极限的周期性应力作用下的破坏现象，称为低循环疲劳。
5.结论
通过对活塞环正常磨损情况及异常磨损情况的分析综合，根据其磨损机理采取相应的减摩措施，可以延长活塞环的可靠性和使用寿命，最后提出较理想的磨损规律有利于对活塞环的磨损研究寻找一种方向，能够更好的对活塞环进行设计制造，从而满足工程需要。

6.参考文献
[1] 刘正林. 摩擦学原理.北京：高等教育出版社.2009.
[2] 温诗铸.黄平.摩擦学原理.北京：清华大学出版社.2002.

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