高速重载柴油机配气机构气门导筒材料的摩擦磨损特性研究

发布时间：2017-09-26 13:17

  本文关键词：高速重载柴油机配气机构气门导筒材料的摩擦磨损特性研究

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【摘要】：配气机构是柴油机的重要组成部分,它可以根据柴油机各气缸内进行的工作循环和发火顺序的要求,按一定规律开启和关闭各气缸的进气门和排气门,控制换气品质、促进燃烧做功。导筒零件是配气机构的关键部件之一,它将凸轮的推力传递给气门,并用来调节气门间隙,使配气机构能够正常运行。但由于其承受周期性变化的较大接触应力,使现用的30CrMoVM渗碳钢导筒工作表面出现了异常磨损,影响了整机的稳定性。因此,本文拟采用渗碳钨合金作耐磨垫片制造分离式导筒及耐磨渗氮钢导筒替代现用的渗碳钢导筒,并通过对选用的两种材料耐磨性能试验和接触疲劳性能试验以及渗氮钢导筒零件的台架试验研究,验证了渗氮钢导筒能解决现用渗碳钢导筒易过早磨损失效的问题,具有重要的学术价值和实际意义。采用AVL EXCITE Timing Drive软件建立了该配气机构的动力学计算模型,经动力学分析表明在模拟周期内配气机构中凸轮导筒摩擦副之间出现了相互脱离的现象,在飞脱阶段产生了较大的冲击力。凸轮导筒摩擦副间在飞脱阶段处于瞬时弹流润滑状态,在升程的开始和结束的部分阶段处于混合润滑状态,而长期工作于边界润滑状态。各阀系中导筒的运动规律、所受接触应力、润滑条件等情况及其变化规律差别不大。通过对线接触条件下原机使用的30CrMoVM渗碳钢滑动磨损性能的研究,得到了其在不同载荷条件下的摩擦系数和磨损量,为后期评价新材料的摩擦磨损性能提供参照。通过对30CrMoVM渗碳钢接触疲劳性能的研究,发现原机导筒使用的渗碳钢脱碳倾向严重,是造成其过早失效的原因。高温条件使摩擦界面间的润滑状态由低温时的混合润滑状态转变为边界润滑状态,导致30CrMoVM渗碳钢的接触疲劳寿命下降。高温时渗碳钢磨痕中心区域生成的边界摩擦反应化膜阻碍了中心区域裂纹的早期萌生、扩展以及与边缘裂纹的相互连接,因此渗碳钢在高温条件下发生点蚀失效比层离失效的概率高。钨合金的渗碳层随渗碳时间的增长而增加,含钴/无钴钨合金渗碳层均由一层多孔的碳化钨表面层和一层外围被壳状物质包裹的钨颗粒次表层组成。但二者的渗碳层又有较大区别,含钴钨合金的多孔碳化钨层深度大于为50μm,而无钴钨合金的碳化钨层深度却不足10μm。对于渗碳层的次表层而言,含钴钨合金渗碳层次表层的壳状物质为M6W6C(M为Fe和Co)三元碳化物,而无钴钨合金渗碳层次表层的壳状物质为WC。含钴渗碳钨合金的滑动磨损失效机制是WC颗粒在多孔处的剥落和表面摩擦反应膜的破坏引起表层WC的层离脱落;无钴渗碳钨合金的疲劳损伤机制是WC颗粒的剥落及剥落的WC颗粒在摩擦界面间造成的三体磨损。钨合金经渗碳处理后,表面生成的WC层均为多孔组织,它严重影响了材料组织间的连续性,而且WC与WC间的结合力很弱,非常容易剥落或脱落,从而严重制约了其耐磨、接触疲劳性能,同时坚硬的WC层会急剧加快对摩材料的磨损。因此,拟用渗碳钨合金作导筒耐磨垫片材料的方案是不可行的。38CrMoAl钢经过渗氮处理后表面生成了一层由较薄白亮层和较厚扩散层组成的渗氮层。渗氮层的厚度约为230μm,其中白亮层的厚度为4~8μm。渗氮钢表面硬度最高达1060 HV0.2。与导筒用30CrSiMo VM渗碳钢相比,相同工况条件下38CrMoAl渗氮钢的摩擦系数比其减小了7.1%~11.5%,比其磨损体积减少了11.3%~23.1%。38CrMo Al渗氮钢的磨损机理为氧化磨损、磨粒磨损和固体氧化膜的疲劳剥落。干摩擦条件下线接触方式产生的磨屑是由Fe2O3、Fe3O4和Cr2O3组成的混合物。由于磨屑不能及时从摩擦界面逃逸出来,而是被反复碾压、滚压、研磨,使磨屑出现非晶结构。在交变应力作用下,渗氮钢表面的白亮层容易从材料表面剥落,造成环状裂纹过早地在这些浅层剥落处萌生并扩展,从而降低了38CrMoAl渗氮钢的接触疲劳性能。无白亮层38CrMoAl渗氮钢的额定寿命(L10)、中值寿命(L50)、特征寿命(L63.2)比有白亮层38CrMoAl渗氮钢的对应寿命分别提高了157.9%、57.9%、54.0%,是现用30CrSiMo VM渗碳钢对应寿命的105.2倍、24.8倍、20.1倍。因此,无白亮层38CrMoAl渗氮钢的的滑动磨损性能和接触疲劳性能均比原机使用的30CrSiMoVM渗碳钢对应的性能好。搭建了柴油机配气机构台架试验台,对各不同材料制造的导筒零件进行了耐久性考核,发现在有冲击载荷的周期性较大接触应力作用下30CrMnSiVM渗碳钢导筒零件中心区域磨损明显并伴有轻微变形,12CrNi3A渗碳钢导筒零件中心区域发生严重的变形,有白亮层38CrMoAl渗氮钢导筒零件表面发生严重的剥落,无白亮层38CrMoAl渗氮钢导筒零件试验前后表面轮廓基本相同、磨损轻微,表明其耐磨损耐疲劳抗冲击性能最好,因此无白亮层38CrMoAl渗氮钢是高速重载柴油机配气机构导筒零件材料的一种新选择。
【关键词】：配气机构 渗碳 渗氮 磨损 接触疲劳
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TK425
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 绪论13-27
• 1.1 引言13-14
• 1.2 摩擦和磨损基础理论14-16
• 1.2.1 摩擦14-15
• 1.2.2 磨损及其分类15-16
• 1.3 导筒零件的失效形式16-17
• 1.4 凸轮导筒机构的研究现状17-19
• 1.4.1 凸轮导筒机构的理论及模拟计算17-18
• 1.4.2 凸轮导筒机构的台架试验研究18-19
• 1.5 导筒材料的研究现状及发展趋势19-25
• 1.5.1 导筒常用材料的研究现状19-20
• 1.5.2 拟选导筒耐磨垫片用渗碳钨合金的研究现状20-22
• 1.5.3 拟选导筒用高级渗氮钢的研究现状22-25
• 1.6 本文主要研究内容25-27
• 第二章 高速重载柴油机凸轮导筒机构动力学分析27-43
• 2.1 顶置凸轮轴配气机构的动力学建模27-36
• 2.1.1 顶置凸轮轴配气机构动力学计算理论27-32
• 2.1.2 顶置凸轮轴配气机构的阀系组成及特点32-33
• 2.1.3 顶置凸轮轴配气机构整体动力学建模33-34
• 2.1.4 顶置凸轮轴配气机构动力学模型参数设置34-36
• 2.2 顶置凸轮轴配气机构动力学计算结果与分析36-42
• 2.2.1 导筒的升程曲线37-38
• 2.2.2 凸轮导筒界面间的润滑状态38-40
• 2.2.3 凸轮导筒界面间的接触应力40-42
• 2.3 本章小结42-43
• 第三章 导筒现用渗碳钢的滑动磨损及接触疲劳特性研究43-71
• 3.1 导筒现用渗碳钢的滑动磨损特性43-53
• 3.1.1 试验设备与材料制备43-44
• 3.1.2 滑动磨损试验方法44-46
• 3.1.3 导筒现用渗碳钢的物理力学性能和XRD分析46-48
• 3.1.4 导筒现用渗碳钢的摩擦磨损性能48-50
• 3.1.5 导筒现用渗碳钢的滑动磨损机理50-53
• 3.2 导筒现用渗碳钢的接触疲劳特性53-69
• 3.2.1 试验设备、材料制备和试验方法53-54
• 3.2.2 应力分布计算方法54-55
• 3.2.3 导筒现用渗碳钢的接触疲劳试验加速度曲线及应力分布计算结果55-56
• 3.2.4 导筒现用渗碳钢的接触疲劳寿命56-60
• 3.2.5 导筒现用渗碳钢的接触疲劳失效机理60-69
• 3.3 本章小结69-71
• 第四章 渗碳钨合金的滑动磨损及接触疲劳特性研究71-97
• 4.1 渗碳 95W-3.5NI-1.0FE-0.5CO合金的滑动磨损特性71-83
• 4.1.1 试验设备与材料制备71-72
• 4.1.2 渗碳 95W-3.5Ni-1.0Fe-0.5Co合金滑动磨损试验方法72-73
• 4.1.3 渗碳 95W-3.5Ni-1.0Fe-0.5Co合金的微观组织与轮廓73-77
• 4.1.4 渗碳 95W-3.5Ni-1.0Fe-0.5Co合金的摩擦磨损性能77-79
• 4.1.5 渗碳 95W-3.5Ni-1.0Fe-0.5Co合金的滑动磨损机理79-83
• 4.2 渗碳 95W-3.4NI-1.6FE钨合金的接触疲劳特性83-96
• 4.2.1 试验设备与材料制备83-84
• 4.2.2 渗碳 95W-3.4Ni-1.6Fe合金接触疲劳试验方法及应力分布计算84-86
• 4.2.3 渗碳 95W-3.4Ni-1.6Fe合金的微观组织86-88
• 4.2.4 渗碳 95W-3.4Ni-1.6Fe合金的接触疲劳寿命88-90
• 4.2.5 渗碳 95W-3.4Ni-1.6Fe合金的接触疲劳失效机理90-96
• 4.3 本章小结96-97
• 第五章 高级渗氮钢的滑动磨损及接触疲劳特性研究97-115
• 5.1 38CRMOAL高级渗氮钢的滑动磨损特性97-106
• 5.1.1 试验设备及方法与材料制备97
• 5.1.2 38CrMoAl渗氮钢微观组织97-99
• 5.1.3 38CrMoAl渗氮钢的摩擦磨损性能99-101
• 5.1.4 38CrMoAl渗氮钢的滑动磨损机理101-106
• 5.2 38CRMOAL渗氮钢的接触疲劳特性106-113
• 5.2.1 试验设备及方法与材料制备106
• 5.2.2 38CrMoAl渗氮钢接触疲劳寿命106-108
• 5.2.3 38CrMoAl渗氮钢接触疲劳失效机理108-113
• 5.3 本章小结113-115
• 第六章 高速重载柴油机导筒零件的台架试验研究115-131
• 6.1 高速重载柴油机配气机构试验台架的设计与搭建115-122
• 6.1.1 台架试验台冷却系统设计116-118
• 6.1.2 台架试验台润滑系统设计118-119
• 6.1.3 台架试验台控制系统设计119-121
• 6.1.4 台架试验台的安装及调试121-122
• 6.2 高速重载柴油机不同材料制导筒零件的台架试验122-130
• 6.2.1 导筒零件台架试验方法122-123
• 6.2.2 配气机构关键部位的温度123-124
• 6.2.3 导筒零件的磨损机理124-126
• 6.2.4 导筒零件的磨损轮廓126-128
• 6.2.5 各对摩凸轮的磨损状况128-130
• 6.3 本章小结130-131
• 结论131-135
• 一、论文主要结论131-133
• 二、主要创新点133
• 三、展望133-135
• 参考文献135-149
• 攻读博士学位期间取得的研究成果149-151
• 致谢151-152
• 附件152

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

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2 石岩,张宏,徐春鹰;12CrNi3A钢渗碳激光强化复合处理技术研究[J];应用激光;2003年01期

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4 李宝良,江亲瑜,葛宰林;平底从动件盘型凸轮机构系统磨损的数值仿真[J];机械传动;2000年03期

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本文编号：923726