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        潤滑劑改善柴油機缸蓋與螺栓結(jié)合面接觸性能的研究

        2023-08-31 09:32:10劉志剛冀樹德張興剛齊國棟毛玉欣陳卓群
        機械管理開發(fā) 2023年7期
        關(guān)鍵詞:銅基缸蓋潤滑劑

        劉志剛, 冀樹德, 張興剛, 張 科, 賈 偉,齊國棟, 高 巍, 毛玉欣, 陳卓群

        (中國北方發(fā)動機研究所(天津), 天津 300400)

        0 引言

        螺栓緊固是柴油機缸蓋與機體連接的主要方式,但研制過程中由于方案、結(jié)構(gòu)、材料等的驗證,需要重復試驗并根據(jù)情況在試驗結(jié)束后拆裝發(fā)動機,多次拆裝后發(fā)現(xiàn),缸蓋與螺栓結(jié)合面有明顯的劃痕損傷,已經(jīng)嚴重影響到裝配質(zhì)量和配合效果。針對此問題,本研究選用三種不同的潤滑劑,采用相同擰緊工藝進行了缸蓋與螺栓結(jié)合面損傷分析和評價,從而合理選用結(jié)合面潤滑劑,以減少重復拆裝次數(shù)引起的結(jié)合面劃傷問題,同時為后續(xù)裝配方法改進提出指導意見。

        1 測試對象特征分析

        測試對象為V 型6 缸增壓中冷柴油機,V 形夾角90°、四沖程、共軌噴射系統(tǒng)、干式油底殼。

        柴油機左、右兩排分別分布3 個獨立的缸蓋,缸蓋與氣缸密封構(gòu)成燃燒室,缸蓋裝有進、排氣門座,氣門導筒孔、噴油器孔[1-2]。缸蓋內(nèi)部設有冷卻水套,下端面與缸體構(gòu)成冷卻水腔。缸蓋與機體之間采用長螺栓緊固連接,在每一氣缸四個角的位置布置一條螺栓,見圖1。

        圖1 缸蓋表面布置螺栓孔

        缸蓋采用合金鑄鐵材料,機體與缸蓋的緊固連接采用六角鋼制高強度螺栓。

        2 缸蓋螺栓安裝工藝及測試方法

        2.1 柴油機缸蓋螺栓安裝工藝

        柴油機缸蓋螺栓的安裝按1—3—4—2 的順序安裝,安裝的時候先對各個螺栓預壓80 N·m 的擰緊力,在此基礎上分三個步驟進行,見圖2。第一次按照安裝順序?qū)⒏鱾€螺栓旋轉(zhuǎn)過相同的角度60°,第二次同樣按照安裝順序?qū)⒙菟ㄐD(zhuǎn)過相同的角度60°。完成上述兩步后,再次將螺栓按照安裝順序旋轉(zhuǎn)過相同的角度30°。

        圖2 缸蓋螺栓安裝方法

        按照上述安裝方法,依次將柴油機V 形夾角兩側(cè)的缸蓋順序安裝,最終實現(xiàn)柴油機缸蓋的安裝。

        2.2 接觸面性能測試方法

        選取三種潤滑劑,以單個缸蓋為單位,分別在6個缸使用不同的潤滑劑,見表1,然后按照缸蓋螺栓安裝工藝進行安裝[3]。

        表1 潤滑劑使用情況

        在缸蓋螺栓安裝過程,預壓位置開始每一角度旋轉(zhuǎn)工序?qū)嵤r測量擰緊力矩。按照表1 潤滑劑使用位置及缸蓋螺栓安裝工藝重復進行10 次后,檢查缸蓋與螺栓結(jié)合面的情況。

        3 潤滑劑性能特征分析

        三種潤滑劑的主要性能特征見表2。由表2 可知,道康寧G-N plus paste 潤滑劑的密度最大,樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑的針入度、運動黏度、耐溫范圍都比較大,而RP-4652D 潤滑油在各方面的性能都是最低的。三種潤滑劑基于耐溫、耐磨、潤滑等的需求,加入了不同的成分,道康寧G-N plus paste 添加了二硫化鉬,樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑添加了銅和石墨,而RP-4652D 潤滑油添加了改善性能的添加劑[4]。

        表2 潤滑劑主要特征性能

        二硫化鉬和石墨以固體微粒的形態(tài)存在于潤滑劑中,使用時采用將潤滑劑黏著在摩擦表面,形成固體潤滑膜。摩擦時,材料表面形成轉(zhuǎn)移膜,摩擦主要發(fā)生在潤滑劑內(nèi)部,從而減少摩擦。對添加劑類的成分,主要是溶于潤滑劑中,從而使用潤滑劑在某些方面的性能得到強化[5]。

        為了進一步比較三種潤滑劑的性能特征,采用MOAII 光譜分析儀對其進行光譜分析,分析結(jié)果見表3。由表3 可知,三種潤滑劑的主要元素以鈣、鋅、磷為主,整體來看元素分布差異主要集中在銅元素,樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑的銅含量遠高于其他兩種潤滑劑。此外,樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑其他元素的含量也是相對較高的,道康寧G-N plus paste 與RP-4652D 潤滑油在各個方面是基本相當?shù)摹?/p>

        表3 潤滑劑光譜分析結(jié)果

        4 缸蓋螺栓安裝測試分析

        4.1 不同潤滑劑擰緊力矩分析

        在三次不同角度旋轉(zhuǎn)工序操作,每一步每個螺栓記錄的結(jié)果見表4。為了減少潤滑劑涂抹厚度不一致或人為操作差異引入的不確定因素,選取測試結(jié)果較為均勻的力矩值,以缸為單位計算平均值進行比較。

        表4 每個螺栓旋轉(zhuǎn)工序的擰緊力矩

        樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑、道康寧G-N plus paste 和RP-4652D 潤滑油簡記為C5-A、G-N 和4652D。采用標準偏差進行均勻度分析,在第一次60°操作中,相同潤滑劑組選取一組,選取對象為左2、右2、左1,計算平均值,比較結(jié)果見圖3;在第二次60°操作中,相同潤滑劑組同樣選取一組,選取對象為左2、左3、左1,計算平均值,比較結(jié)果見圖4;在最后30°操作中,相同潤滑劑組仍然選取一組,選取對象仍為左2、左3、左1,計算平均值,比較結(jié)果見圖5。

        圖3 第一次60°工序下不同潤滑劑擰緊力矩比較

        圖4 第二次60°工序下不同潤滑劑擰緊力矩比較

        圖5 最后30°工序下不同潤滑劑擰緊力矩比較

        從三次擰緊效果來看,第一次旋轉(zhuǎn)角度工序每單位角度施加的力矩最大,第二次和第三次基本相同。相比,樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑每次旋轉(zhuǎn)工序操作施加的擰緊力矩都比較大,道康寧G-N plus paste 和RP-4652D 潤滑油從整體來看,每次旋轉(zhuǎn)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,三種潤滑劑對應缸蓋螺栓的擰緊力矩都超過了300 N·m,道康寧G-N plus paste 整體擰緊力矩最小,樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑和RP-4652D 潤滑油最終施加的擰緊力矩差不多,樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑稍大[6]。

        更換其他類似機體和缸蓋,分別三步旋轉(zhuǎn)和一步旋轉(zhuǎn)操作進行缸蓋螺栓擰緊操作,比較缸蓋螺栓施加的擰緊力矩,結(jié)果見圖6。由圖6 可知,一步旋轉(zhuǎn)操作施加的擰緊力矩整體大于三步旋轉(zhuǎn)操作施加的擰緊力矩,但二者的差別不是很大。

        圖6 不同工藝步驟擰緊力矩比較

        基于上述分析,不同潤滑劑使用下,缸蓋螺栓擰緊力矩的差異性主要來自于潤滑劑本身。

        4.2 結(jié)合面特征分析

        按照安裝工藝多次完成缸蓋螺栓安裝后,檢查缸蓋與螺栓結(jié)合面的情況,結(jié)果見圖7 和圖8。

        圖7 4652D 和C5-A潤滑劑擰緊使用后比較

        圖8 C5-A 和G-N 潤滑劑擰緊使用后比較

        根據(jù)圖7 和圖8 可知,涂抹樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑的結(jié)合面,潤滑劑被明顯擠出,形成光亮的環(huán)形帶,部分結(jié)合部位潤滑劑幾乎消失,潤滑作用減弱。相比之下,道康寧G-N plus paste 和RP-4652D 潤滑油在結(jié)合部位仍有留存,盡管呈現(xiàn)摩擦黑色,但仍能起到一定的潤滑作用。

        為了進一步檢查結(jié)合面的損傷情況,擦拭結(jié)合面的潤滑劑,觀察擰緊操作后形成的劃痕,其結(jié)果見圖9、圖10 和圖11。

        圖9 C5-A 潤滑劑使用后結(jié)合面特征

        圖10 G-N 潤滑劑使用后結(jié)合面特征

        圖11 4652D 潤滑劑使用后結(jié)合面特征

        根據(jù)圖9—圖11,涂抹樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑的結(jié)合面出現(xiàn)明顯坑狀損傷,涂抹RP-4652D 潤滑油的結(jié)合面出現(xiàn)少許劃痕,而涂抹道康寧G-N plus paste 基本完好無損。結(jié)合三種潤滑劑的特征性能,運動黏度和主要成分對摩擦性能有較大的影響,二硫化鉬和石墨對結(jié)合面有很好的潤滑效果,但是樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑運動黏度很大,擰緊過程潤滑劑不能保留在結(jié)合面,以致螺栓與缸蓋幾乎干摩擦。相比之下,道康寧G-N plus paste潤滑劑中二硫化鉬起到了很好的潤滑作用。

        5 結(jié)論

        三種潤滑油用于缸蓋與螺栓結(jié)合面的潤滑,潤滑效果依次為道康寧G-N plus paste、RP-4652D 潤滑油、樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑,樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑運動黏度較大、附著性差,在螺栓擰緊實施操作過程中不能很好地附著在結(jié)合面,以致螺栓與缸蓋之前幾乎干摩擦,潤滑效果最差。道康寧G-N plus paste 和RP-4652D 潤滑油都能起到減磨作用,但道康寧G-N plus paste 添加了二硫化鉬減磨材料,對結(jié)合面減少摩擦有更好的作用。

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