鐘賽君 王強(qiáng)勝 衛(wèi) 飛 張擎鳴 肖 陽(yáng)

（1-云南工商學(xué)院 云南 昆明 651701 2-河南工學(xué)院 3-浙江吉利動(dòng)力總成試驗(yàn)中心4-日本國(guó)立巖手大學(xué)工學(xué)研究科 5-中國(guó)石油運(yùn)輸有限公司云南分公司）

引言

二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)因輸出功率高，動(dòng)力性能較好等優(yōu)點(diǎn)在能源日益緊缺的今天重新獲得人們的青睞。針對(duì)二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的研究也日漸增多。

在發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦方面，目前針對(duì)四沖程發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦的研究已經(jīng)有很大的進(jìn)展，摩擦現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理在一定程度上已經(jīng)能夠充分解釋相應(yīng)的預(yù)防措施[1-3]。而專(zhuān)門(mén)針對(duì)小型二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的摩擦研究至今較為鮮見(jiàn)。因此本文通過(guò)模擬試驗(yàn)來(lái)研究小型二沖程發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)摩擦具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文試驗(yàn)通過(guò)對(duì)氣缸內(nèi)壁和活塞裙部用纖維素漆進(jìn)行噴涂處理，根據(jù)纖維素漆的磨損脫落情況來(lái)分析活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)與氣缸壁接觸面的磨損情況，以此來(lái)分析活塞在氣缸內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并依據(jù)所得運(yùn)動(dòng)規(guī)律，探索活塞slap現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理，進(jìn)而探尋降低活塞slap現(xiàn)象的措施，以此為出發(fā)點(diǎn)，探尋減少發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)摩擦的方法。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)，利用電動(dòng)伺服控制系統(tǒng)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速及驅(qū)動(dòng)時(shí)間等試驗(yàn)條件。電動(dòng)伺服控制系統(tǒng)包括了伺服電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器。試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)為日立公司提供的CS40EA發(fā)動(dòng)機(jī)，伺服電機(jī)及發(fā)動(dòng)機(jī)用H型鋼制作的固定夾具來(lái)固定。伺服電機(jī)側(cè)和發(fā)動(dòng)機(jī)側(cè)的中心軸要求保持一致，在上下左右4個(gè)方向固定。圖1為本試驗(yàn)所用試驗(yàn)臺(tái)的全景展示圖。表1為實(shí)驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)全景

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)指標(biāo)

本試驗(yàn)所用的伺服交流電機(jī)及伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是韓國(guó)Is-mecapion生產(chǎn)的中空軸APM-B系列伺服電機(jī)及型號(hào)為APD-VS10系列的驅(qū)動(dòng)器。表2及表3表示APD-VS10系列的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)指標(biāo)。

表2 本試驗(yàn)用伺服電機(jī)的參數(shù)指標(biāo)

本試驗(yàn)用型號(hào)為P-TG3500/3500的膜厚計(jì)來(lái)測(cè)量和控制纖維素漆涂層的厚度。表4所示為本試驗(yàn)用膜厚計(jì)的參數(shù)指標(biāo)。

本試驗(yàn)所用的攝影器材為黑田株式會(huì)社制造的BS-11A內(nèi)窺鏡，型號(hào)為EOS40D的Canon照相機(jī)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本試驗(yàn)使用有色的纖維素漆在氣缸壁內(nèi)表面及活塞外表面進(jìn)行噴涂，噴涂的纖維素漆的顏色有藍(lán)色、黃綠色、紅色3種。在運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間之后，用相機(jī)拍攝活塞裙部表面和氣缸內(nèi)表面，觀(guān)察纖維素漆的磨損脫落情況，以此模擬分析氣缸內(nèi)壁和活塞裙部磨損情況，并確定磨損最嚴(yán)重的部位。

表3 本試驗(yàn)用APD-VS10系列驅(qū)動(dòng)器的參數(shù)指標(biāo)

表4 本試驗(yàn)所用膜厚計(jì)的參數(shù)指標(biāo)

本試驗(yàn)設(shè)定的試驗(yàn)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，每30 s間斷，斷續(xù)運(yùn)動(dòng) 180 s內(nèi)，即在 30 s、60 s、90 s、120 s、180 s后發(fā)動(dòng)機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行觀(guān)察拍照。拍照方法為，利用三腳架固定的內(nèi)窺鏡和相機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)氣缸，在氣缸的內(nèi)表面進(jìn)行拍照采影。在活塞裙部磨損試驗(yàn)時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)一定時(shí)間之后，同樣的攝影裝置轉(zhuǎn)動(dòng)活塞進(jìn)行活塞裙部拍照采影。用膜厚計(jì)（P-TG3 500/3 500）來(lái)測(cè)量纖維素漆的涂抹厚度。

氣缸圓筒用如圖2所示的全景展開(kāi)圖來(lái)劃分，L1-第二活塞環(huán)的接口側(cè)、L2-排氣門(mén)側(cè)、L3-第一活塞環(huán)接口側(cè)、L4-L5-飛輪側(cè)、L6-進(jìn)氣側(cè)、L7-L8-電機(jī)側(cè)。

圖2 氣缸壁和活塞相對(duì)應(yīng)的分區(qū)示意圖

活塞裙部的纖維素漆的涂抹方式包括：一個(gè)涂層時(shí)選用藍(lán)色的纖維素漆。2個(gè)涂層時(shí)選用藍(lán)色和紅色的纖維素漆，噴涂順序?yàn)榧t色-藍(lán)色。三層涂層時(shí)，選用藍(lán)色、紅色和黃綠色，噴涂順序?yàn)榧t色——黃綠色——藍(lán)色。同樣地選用膜厚計(jì)（P-TG3500/3500）來(lái)測(cè)量和控制纖維素漆膜的厚度，如圖3所示。具體厚度分布如表5所示。

圖3 活塞裙部涂層示意圖

試驗(yàn)在電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)4 min之后，轉(zhuǎn)動(dòng)活塞，利用前述設(shè)備在活塞裙部進(jìn)行拍照。按照與氣缸壁的展開(kāi)圖同樣的位置L1～L8的順序照片排布觀(guān)察比較。

表5 活塞裙部纖維漆涂層噴涂方案

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 氣缸壁磨損試驗(yàn)結(jié)果分析

圖4所示為室溫（實(shí)時(shí)測(cè)量室溫為17℃）時(shí)，氣缸內(nèi)壓力為101 kPa的條件，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)150 s后對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)壁面各個(gè)位點(diǎn)磨損情況進(jìn)行采影照片的排布圖。圖5為加熱槍加熱的狀態(tài)下，溫度范圍大約是80～90℃氣缸內(nèi)壓力為0 kPa的條件下，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)150 s后采集的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)壁面的各個(gè)位點(diǎn)的磨損情況的影像。圖6為加熱槍加熱的狀態(tài)下，溫度范圍大約是80～90℃時(shí)缸內(nèi)氣壓101 kPa的條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)斷續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間間隔 30 s、60 s、90 s、120 s、150 s、180 s時(shí)，分別拍攝的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)壁面的各個(gè)位點(diǎn)的磨損情況的采影。

圖4 室溫17℃、101 kPa電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)150 s后氣缸內(nèi)壁采影

由圖4可看出，L6處TDC附近的進(jìn)氣孔上側(cè)纖維素漆膜脫落情況嚴(yán)重。并且有排氣側(cè)的排氣孔附近位置的氣缸內(nèi)壁上纖維素漆膜脫落面的形狀接近于菱形。TDC和排氣門(mén)中間朝向中心的方向纖維素漆的脫落情況逐漸減小。這是因?yàn)榛钊诶@活塞銷(xiāo)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候也受到了氣缸壁的主推力和次推力作用的影響。L1和L3處呈現(xiàn)豎直線(xiàn)性的纖維素漆膜脫落的跡象，這要?dú)w結(jié)于L1、L3所對(duì)應(yīng)的是活塞環(huán)端口間隙處。并且氣缸內(nèi)壓力最高的時(shí)候，TDC附近的L5、L6、L7的位置均有豎直線(xiàn)性油漆脫落現(xiàn)象。

明顯顯示在進(jìn)氣孔的上部，L6相比L5的油漆脫落面積較大。并且，L6所對(duì)應(yīng)的氣缸內(nèi)壁部位是氣缸進(jìn)氣孔所在的位置，進(jìn)氣孔上部油漆脫落形成中心兩側(cè)對(duì)稱(chēng)的狀況。這是因?yàn)闅飧變?nèi)部的溫度分布不均帶來(lái)大的影響，進(jìn)氣門(mén)處，由于有外界新鮮空氣不斷進(jìn)入，氣缸壁的溫度較氣缸的其他部位較低，燃燒堆積物的產(chǎn)生和堆積的可能性增大，所以相對(duì)來(lái)說(shuō)磨損的情況會(huì)比較嚴(yán)重。類(lèi)似的氣缸壁低溫氣缸磨損增加傾向的研究也有報(bào)告，從這點(diǎn)也能論證本試驗(yàn)的合理性。

另外，氣缸飛輪側(cè)的溫度，相對(duì)電機(jī)側(cè)的溫度來(lái)說(shuō)比較低，所以在活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中向飛輪側(cè)傾斜，故有氣缸壁的漆膜在飛輪側(cè)脫落情況比較嚴(yán)重即在飛輪側(cè)氣缸壁的磨損比較嚴(yán)重。

圖5 加熱槍加熱至80～90℃、0 kPa電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)150 s后氣缸內(nèi)壁采影

圖6 加熱槍加熱至80～90℃、101 kPa電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)150 s后氣缸內(nèi)壁采影

綜合來(lái)看，氣缸在活塞運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，其表面在活塞環(huán)運(yùn)動(dòng)的區(qū)域內(nèi)形成不均勻的磨損。沿氣缸軸線(xiàn)方向磨成上大下小的錐形，磨損最大部位是當(dāng)活塞在上止點(diǎn)位置時(shí)第一道活塞環(huán)相對(duì)應(yīng)的缸壁?；钊h(huán)不接觸的氣缸壁，幾乎沒(méi)有磨損而形成臺(tái)階。氣缸沿圓周方向磨損也不均勻，形成不規(guī)則的橢圓形，最大徑向磨損區(qū)通常接近于進(jìn)氣孔的對(duì)面。但與未加熱的情況下相比較，纖維素漆脫落的情況前者更為厲害。究其原因，是由于加熱的情況下，活塞環(huán)受熱膨脹之后，活塞由于軸向不規(guī)則運(yùn)動(dòng)引起的浮懸和軸向振動(dòng)、徑向不規(guī)則運(yùn)動(dòng)和振動(dòng)、扭曲運(yùn)動(dòng)減小造成的。

2.2 活塞裙部磨損試驗(yàn)分析

試驗(yàn)條件為：轉(zhuǎn)速1 000 r/min、氣缸內(nèi)壓力為101 kPa、溫度為80～90℃。

圖7為三層纖維素漆噴涂后的活塞在運(yùn)轉(zhuǎn)240 s之后，活塞裙部漆膜脫落情況展示圖，由圖可見(jiàn)L3位置有明顯的漆膜脫落現(xiàn)象。從排氣側(cè)看，L2中心偏向L3位置存在活塞燒結(jié)現(xiàn)象，3層纖維素漆膜運(yùn)轉(zhuǎn)240 s的試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火工況運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候很接近。這說(shuō)明，本模擬試驗(yàn)可以達(dá)到試驗(yàn)的預(yù)期目標(biāo)，具有可行性。

氣缸加熱之后，氣缸內(nèi)壁溫度分布不均，氣缸飛輪側(cè)的溫度相對(duì)比較低，進(jìn)氣門(mén)側(cè)與排氣門(mén)側(cè)相比溫度較低。與此前的結(jié)論相同，即溫度偏低的氣缸內(nèi)壁位置磨損情況會(huì)比較嚴(yán)重，如圖8所示。

圖7 發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)240 s之后活塞裙部采影

圖8 磨損最嚴(yán)重部位說(shuō)明圖

L5處的纖維素漆有同樣的嚴(yán)重脫落現(xiàn)象是由于活塞銷(xiāo)座孔的位置的特殊結(jié)構(gòu)所導(dǎo)致。另外，L6沒(méi)有明顯的纖維素漆膜脫落情況的原因是，在這個(gè)位置，活塞和氣缸之間處于斯托貝克潤(rùn)滑曲線(xiàn)的流體潤(rùn)滑領(lǐng)域，活塞和氣缸之間有著充分的潤(rùn)滑。

3 結(jié)論

本文利用電機(jī)倒拖法進(jìn)行試驗(yàn)，通過(guò)研究氣缸slap現(xiàn)象對(duì)氣缸內(nèi)摩擦的現(xiàn)象及摩擦機(jī)理進(jìn)行詳細(xì)的試驗(yàn)研究。主要研究成果和結(jié)論如下：

1）本文基于氣缸內(nèi)壓力變化、溫度分布、接觸面的潤(rùn)滑狀態(tài)等在點(diǎn)火運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的差異影響活塞拍擊（slap現(xiàn)象）的考慮，模擬與實(shí)際點(diǎn)火運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)相接近的狀態(tài)，來(lái)構(gòu)建模擬試驗(yàn)裝置。通過(guò)試驗(yàn)證明，本文所構(gòu)建的試驗(yàn)裝置，能達(dá)到試驗(yàn)預(yù)期目標(biāo)，研究氣缸摩擦具有可行性。

2）活塞對(duì)氣缸壁面的拍擊在排氣側(cè)和進(jìn)氣側(cè)比較嚴(yán)重，已經(jīng)通過(guò)試驗(yàn)得出的排氣側(cè)和進(jìn)氣側(cè)的氣缸內(nèi)壁的磨損比較嚴(yán)重的結(jié)論得到驗(yàn)證。且在活塞上升行程的上止點(diǎn)附近的排氣側(cè)，活塞對(duì)氣缸壁的拍擊最為嚴(yán)重，也由氣缸壁在這個(gè)位置的磨損現(xiàn)象最為嚴(yán)重而得以驗(yàn)證。另外，考慮活塞與氣缸間的磨損及燒結(jié)的主要原因時(shí)，除了活塞環(huán)部分帶來(lái)的影響外，活塞裙部的影響也不可忽視。

3）在運(yùn)動(dòng)及潤(rùn)滑條件比較苛刻的活塞上止點(diǎn)處的活塞環(huán)受熱膨脹度，由活塞端口間隙為中心點(diǎn)延展逐漸減小，由此會(huì)在氣缸壁造成長(zhǎng)條拉痕磨損。