劉志剛， 冀樹德， 張興剛， 張 科， 賈 偉，齊國(guó)棟， 高 巍， 毛玉欣， 陳卓群

（中國(guó)北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所（天津）， 天津 300400）

0 引言

螺栓緊固是柴油機(jī)缸蓋與機(jī)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(yàn)證，需要重復(fù)試驗(yàn)并根據(jù)情況在試驗(yàn)結(jié)束后拆裝發(fā)動(dòng)機(jī)，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(yán)重影響到裝配質(zhì)量和配合效果。針對(duì)此問題，本研究選用三種不同的潤(rùn)滑劑，采用相同擰緊工藝進(jìn)行了缸蓋與螺栓結(jié)合面損傷分析和評(píng)價(jià)，從而合理選用結(jié)合面潤(rùn)滑劑，以減少重復(fù)拆裝次數(shù)引起的結(jié)合面劃傷問題，同時(shí)為后續(xù)裝配方法改進(jìn)提出指導(dǎo)意見。

1 測(cè)試對(duì)象特征分析

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

柴油機(jī)左、右兩排分別分布3 個(gè)獨(dú)立的缸蓋，缸蓋與氣缸密封構(gòu)成燃燒室，缸蓋裝有進(jìn)、排氣門座，氣門導(dǎo)筒孔、噴油器孔[1-2]。缸蓋內(nèi)部設(shè)有冷卻水套，下端面與缸體構(gòu)成冷卻水腔。缸蓋與機(jī)體之間采用長(zhǎng)螺栓緊固連接，在每一氣缸四個(gè)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(jī)體與缸蓋的緊固連接采用六角鋼制高強(qiáng)度螺栓。

2 缸蓋螺栓安裝工藝及測(cè)試方法

2.1 柴油機(jī)缸蓋螺栓安裝工藝

柴油機(jī)缸蓋螺栓的安裝按1—3—4—2 的順序安裝，安裝的時(shí)候先對(duì)各個(gè)螺栓預(yù)壓80 N·m 的擰緊力，在此基礎(chǔ)上分三個(gè)步驟進(jìn)行，見圖2。第一次按照安裝順序?qū)⒏鱾€(gè)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(jī)V 形夾角兩側(cè)的缸蓋順序安裝，最終實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)缸蓋的安裝。

2.2 接觸面性能測(cè)試方法

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

表1 潤(rùn)滑劑使用情況

在缸蓋螺栓安裝過程，預(yù)壓位置開始每一角度旋轉(zhuǎn)工序?qū)嵤r(shí)測(cè)量擰緊力矩。按照表1 潤(rùn)滑劑使用位置及缸蓋螺栓安裝工藝重復(fù)進(jìn)行10 次后，檢查缸蓋與螺栓結(jié)合面的情況。

3 潤(rùn)滑劑性能特征分析

三種潤(rùn)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(rùn)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(yùn)動(dòng)黏度、耐溫范圍都比較大，而RP-4652D 潤(rùn)滑油在各方面的性能都是最低的。三種潤(rùn)滑劑基于耐溫、耐磨、潤(rùn)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(rùn)滑油添加了改善性能的添加劑[4]。

表2 潤(rùn)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(rùn)滑劑中，使用時(shí)采用將潤(rùn)滑劑黏著在摩擦表面，形成固體潤(rùn)滑膜。摩擦?xí)r，材料表面形成轉(zhuǎn)移膜，摩擦主要發(fā)生在潤(rùn)滑劑內(nèi)部，從而減少摩擦。對(duì)添加劑類的成分，主要是溶于潤(rùn)滑劑中，從而使用潤(rùn)滑劑在某些方面的性能得到強(qiáng)化[5]。

為了進(jìn)一步比較三種潤(rùn)滑劑的性能特征，采用MOAII 光譜分析儀對(duì)其進(jìn)行光譜分析，分析結(jié)果見表3。由表3 可知，三種潤(rùn)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(yuǎn)高于其他兩種潤(rùn)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(duì)較高的，道康寧G-N plus paste 與RP-4652D 潤(rùn)滑油在各個(gè)方面是基本相當(dāng)?shù)摹?/p>

表3 潤(rùn)滑劑光譜分析結(jié)果

4 缸蓋螺栓安裝測(cè)試分析

4.1 不同潤(rùn)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(gè)螺栓記錄的結(jié)果見表4。為了減少潤(rùn)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(cè)試結(jié)果較為均勻的力矩值，以缸為單位計(jì)算平均值進(jìn)行比較。

表4 每個(gè)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(rùn)滑油簡(jiǎn)記為C5-A、G-N 和4652D。采用標(biāo)準(zhǔn)偏差進(jìn)行均勻度分析，在第一次60°操作中，相同潤(rùn)滑劑組選取一組，選取對(duì)象為左2、右2、左1，計(jì)算平均值，比較結(jié)果見圖3；在第二次60°操作中，相同潤(rùn)滑劑組同樣選取一組，選取對(duì)象為左2、左3、左1，計(jì)算平均值，比較結(jié)果見圖4；在最后30°操作中，相同潤(rùn)滑劑組仍然選取一組，選取對(duì)象仍為左2、左3、左1，計(jì)算平均值，比較結(jié)果見圖5。

圖3 第一次60°工序下不同潤(rùn)滑劑擰緊力矩比較

圖4 第二次60°工序下不同潤(rùn)滑劑擰緊力矩比較

圖5 最后30°工序下不同潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑劑對(duì)應(yīng)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(rùn)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(jī)體和缸蓋，分別三步旋轉(zhuǎn)和一步旋轉(zhuǎn)操作進(jìn)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(rùn)滑劑使用下，缸蓋螺栓擰緊力矩的差異性主要來自于潤(rùn)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(rùn)滑劑擰緊使用后比較

圖8 C5-A 和G-N 潤(rùn)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(rùn)滑劑被明顯擠出，形成光亮的環(huán)形帶，部分結(jié)合部位潤(rùn)滑劑幾乎消失，潤(rùn)滑作用減弱。相比之下，道康寧G-N plus paste 和RP-4652D 潤(rùn)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(rùn)滑作用。

為了進(jìn)一步檢查結(jié)合面的損傷情況，擦拭結(jié)合面的潤(rùn)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(rùn)滑劑使用后結(jié)合面特征

圖10 G-N 潤(rùn)滑劑使用后結(jié)合面特征

圖11 4652D 潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑劑的特征性能，運(yùn)動(dòng)黏度和主要成分對(duì)摩擦性能有較大的影響，二硫化鉬和石墨對(duì)結(jié)合面有很好的潤(rùn)滑效果，但是樂泰8008 C5-A 銅基高溫抗咬合劑運(yùn)動(dòng)黏度很大，擰緊過程潤(rùn)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(rùn)滑劑中二硫化鉬起到了很好的潤(rùn)滑作用。

5 結(jié)論

三種潤(rùn)滑油用于缸蓋與螺栓結(jié)合面的潤(rùn)滑，潤(rùn)滑效果依次為道康寧G-N plus paste、RP-4652D 潤(rùn)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(yùn)動(dòng)黏度較大、附著性差，在螺栓擰緊實(shí)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(rùn)滑效果最差。道康寧G-N plus paste 和RP-4652D 潤(rùn)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(duì)結(jié)合面減少摩擦有更好的作用。