發(fā)布時間：2017-09-26 13:17

  本文關(guān)鍵詞：高速重載柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)氣門導(dǎo)筒材料的摩擦磨損特性研究

  更多相關(guān)文章： 配氣機(jī)構(gòu) 滲碳 滲氮 磨損 接觸疲勞

【摘要】：配氣機(jī)構(gòu)是柴油機(jī)的重要組成部分,它可以根據(jù)柴油機(jī)各氣缸內(nèi)進(jìn)行的工作循環(huán)和發(fā)火順序的要求,按一定規(guī)律開啟和關(guān)閉各氣缸的進(jìn)氣門和排氣門,控制換氣品質(zhì)、促進(jìn)燃燒做功。導(dǎo)筒零件是配氣機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件之一,它將凸輪的推力傳遞給氣門,并用來調(diào)節(jié)氣門間隙,使配氣機(jī)構(gòu)能夠正常運(yùn)行。但由于其承受周期性變化的較大接觸應(yīng)力,使現(xiàn)用的30CrMoVM滲碳鋼導(dǎo)筒工作表面出現(xiàn)了異常磨損,影響了整機(jī)的穩(wěn)定性。因此,本文擬采用滲碳鎢合金作耐磨墊片制造分離式導(dǎo)筒及耐磨滲氮鋼導(dǎo)筒替代現(xiàn)用的滲碳鋼導(dǎo)筒,并通過對選用的兩種材料耐磨性能試驗(yàn)和接觸疲勞性能試驗(yàn)以及滲氮鋼導(dǎo)筒零件的臺架試驗(yàn)研究,驗(yàn)證了滲氮鋼導(dǎo)筒能解決現(xiàn)用滲碳鋼導(dǎo)筒易過早磨損失效的問題,具有重要的學(xué)術(shù)價值和實(shí)際意義。采用AVL EXCITE Timing Drive軟件建立了該配氣機(jī)構(gòu)的動力學(xué)計(jì)算模型,經(jīng)動力學(xué)分析表明在模擬周期內(nèi)配氣機(jī)構(gòu)中凸輪導(dǎo)筒摩擦副之間出現(xiàn)了相互脫離的現(xiàn)象,在飛脫階段產(chǎn)生了較大的沖擊力。凸輪導(dǎo)筒摩擦副間在飛脫階段處于瞬時彈流潤滑狀態(tài),在升程的開始和結(jié)束的部分階段處于混合潤滑狀態(tài),而長期工作于邊界潤滑狀態(tài)。各閥系中導(dǎo)筒的運(yùn)動規(guī)律、所受接觸應(yīng)力、潤滑條件等情況及其變化規(guī)律差別不大。通過對線接觸條件下原機(jī)使用的30CrMoVM滲碳鋼滑動磨損性能的研究,得到了其在不同載荷條件下的摩擦系數(shù)和磨損量,為后期評價新材料的摩擦磨損性能提供參照。通過對30CrMoVM滲碳鋼接觸疲勞性能的研究,發(fā)現(xiàn)原機(jī)導(dǎo)筒使用的滲碳鋼脫碳傾向嚴(yán)重,是造成其過早失效的原因。高溫條件使摩擦界面間的潤滑狀態(tài)由低溫時的混合潤滑狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)檫吔鐫櫥瑺顟B(tài),導(dǎo)致30CrMoVM滲碳鋼的接觸疲勞壽命下降。高溫時滲碳鋼磨痕中心區(qū)域生成的邊界摩擦反應(yīng)化膜阻礙了中心區(qū)域裂紋的早期萌生、擴(kuò)展以及與邊緣裂紋的相互連接,因此滲碳鋼在高溫條件下發(fā)生點(diǎn)蝕失效比層離失效的概率高。鎢合金的滲碳層隨滲碳時間的增長而增加,含鈷/無鈷鎢合金滲碳層均由一層多孔的碳化鎢表面層和一層外圍被殼狀物質(zhì)包裹的鎢顆粒次表層組成。但二者的滲碳層又有較大區(qū)別,含鈷鎢合金的多孔碳化鎢層深度大于為50μm,而無鈷鎢合金的碳化鎢層深度卻不足10μm。對于滲碳層的次表層而言,含鈷鎢合金滲碳層次表層的殼狀物質(zhì)為M6W6C(M為Fe和Co)三元碳化物,而無鈷鎢合金滲碳層次表層的殼狀物質(zhì)為WC。含鈷滲碳鎢合金的滑動磨損失效機(jī)制是WC顆粒在多孔處的剝落和表面摩擦反應(yīng)膜的破壞引起表層WC的層離脫落;無鈷滲碳鎢合金的疲勞損傷機(jī)制是WC顆粒的剝落及剝落的WC顆粒在摩擦界面間造成的三體磨損。鎢合金經(jīng)滲碳處理后,表面生成的WC層均為多孔組織,它嚴(yán)重影響了材料組織間的連續(xù)性,而且WC與WC間的結(jié)合力很弱,非常容易剝落或脫落,從而嚴(yán)重制約了其耐磨、接觸疲勞性能,同時堅(jiān)硬的WC層會急劇加快對摩材料的磨損。因此,擬用滲碳鎢合金作導(dǎo)筒耐磨墊片材料的方案是不可行的。38CrMoAl鋼經(jīng)過滲氮處理后表面生成了一層由較薄白亮層和較厚擴(kuò)散層組成的滲氮層。滲氮層的厚度約為230μm,其中白亮層的厚度為4~8μm。滲氮鋼表面硬度最高達(dá)1060 HV0.2。與導(dǎo)筒用30CrSiMo VM滲碳鋼相比,相同工況條件下38CrMoAl滲氮鋼的摩擦系數(shù)比其減小了7.1%~11.5%,比其磨損體積減少了11.3%~23.1%。38CrMo Al滲氮鋼的磨損機(jī)理為氧化磨損、磨粒磨損和固體氧化膜的疲勞剝落。干摩擦條件下線接觸方式產(chǎn)生的磨屑是由Fe2O3、Fe3O4和Cr2O3組成的混合物。由于磨屑不能及時從摩擦界面逃逸出來,而是被反復(fù)碾壓、滾壓、研磨,使磨屑出現(xiàn)非晶結(jié)構(gòu)。在交變應(yīng)力作用下,滲氮鋼表面的白亮層容易從材料表面剝落,造成環(huán)狀裂紋過早地在這些淺層剝落處萌生并擴(kuò)展,從而降低了38CrMoAl滲氮鋼的接觸疲勞性能。無白亮層38CrMoAl滲氮鋼的額定壽命(L10)、中值壽命(L50)、特征壽命(L63.2)比有白亮層38CrMoAl滲氮鋼的對應(yīng)壽命分別提高了157.9%、57.9%、54.0%,是現(xiàn)用30CrSiMo VM滲碳鋼對應(yīng)壽命的105.2倍、24.8倍、20.1倍。因此,無白亮層38CrMoAl滲氮鋼的的滑動磨損性能和接觸疲勞性能均比原機(jī)使用的30CrSiMoVM滲碳鋼對應(yīng)的性能好。搭建了柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)臺架試驗(yàn)臺,對各不同材料制造的導(dǎo)筒零件進(jìn)行了耐久性考核,發(fā)現(xiàn)在有沖擊載荷的周期性較大接觸應(yīng)力作用下30CrMnSiVM滲碳鋼導(dǎo)筒零件中心區(qū)域磨損明顯并伴有輕微變形,12CrNi3A滲碳鋼導(dǎo)筒零件中心區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重的變形,有白亮層38CrMoAl滲氮鋼導(dǎo)筒零件表面發(fā)生嚴(yán)重的剝落,無白亮層38CrMoAl滲氮鋼導(dǎo)筒零件試驗(yàn)前后表面輪廓基本相同、磨損輕微,表明其耐磨損耐疲勞抗沖擊性能最好,因此無白亮層38CrMoAl滲氮鋼是高速重載柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)導(dǎo)筒零件材料的一種新選擇。
【關(guān)鍵詞】：配氣機(jī)構(gòu) 滲碳 滲氮 磨損 接觸疲勞
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TK425
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 緒論13-27
• 1.1 引言13-14
• 1.2 摩擦和磨損基礎(chǔ)理論14-16
• 1.2.1 摩擦14-15
• 1.2.2 磨損及其分類15-16
• 1.3 導(dǎo)筒零件的失效形式16-17
• 1.4 凸輪導(dǎo)筒機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀17-19
• 1.4.1 凸輪導(dǎo)筒機(jī)構(gòu)的理論及模擬計(jì)算17-18
• 1.4.2 凸輪導(dǎo)筒機(jī)構(gòu)的臺架試驗(yàn)研究18-19
• 1.5 導(dǎo)筒材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢19-25
• 1.5.1 導(dǎo)筒常用材料的研究現(xiàn)狀19-20
• 1.5.2 擬選導(dǎo)筒耐磨墊片用滲碳鎢合金的研究現(xiàn)狀20-22
• 1.5.3 擬選導(dǎo)筒用高級滲氮鋼的研究現(xiàn)狀22-25
• 1.6 本文主要研究內(nèi)容25-27
• 第二章 高速重載柴油機(jī)凸輪導(dǎo)筒機(jī)構(gòu)動力學(xué)分析27-43
• 2.1 頂置凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)的動力學(xué)建模27-36
• 2.1.1 頂置凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)計(jì)算理論27-32
• 2.1.2 頂置凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)的閥系組成及特點(diǎn)32-33
• 2.1.3 頂置凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)整體動力學(xué)建模33-34
• 2.1.4 頂置凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)模型參數(shù)設(shè)置34-36
• 2.2 頂置凸輪軸配氣機(jī)構(gòu)動力學(xué)計(jì)算結(jié)果與分析36-42
• 2.2.1 導(dǎo)筒的升程曲線37-38
• 2.2.2 凸輪導(dǎo)筒界面間的潤滑狀態(tài)38-40
• 2.2.3 凸輪導(dǎo)筒界面間的接觸應(yīng)力40-42
• 2.3 本章小結(jié)42-43
• 第三章 導(dǎo)筒現(xiàn)用滲碳鋼的滑動磨損及接觸疲勞特性研究43-71
• 3.1 導(dǎo)筒現(xiàn)用滲碳鋼的滑動磨損特性43-53
• 3.1.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料制備43-44
• 3.1.2 滑動磨損試驗(yàn)方法44-46
• 3.1.3 導(dǎo)筒現(xiàn)用滲碳鋼的物理力學(xué)性能和XRD分析46-48
• 3.1.4 導(dǎo)筒現(xiàn)用滲碳鋼的摩擦磨損性能48-50
• 3.1.5 導(dǎo)筒現(xiàn)用滲碳鋼的滑動磨損機(jī)理50-53
• 3.2 導(dǎo)筒現(xiàn)用滲碳鋼的接觸疲勞特性53-69
• 3.2.1 試驗(yàn)設(shè)備、材料制備和試驗(yàn)方法53-54
• 3.2.2 應(yīng)力分布計(jì)算方法54-55
• 3.2.3 導(dǎo)筒現(xiàn)用滲碳鋼的接觸疲勞試驗(yàn)加速度曲線及應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果55-56
• 3.2.4 導(dǎo)筒現(xiàn)用滲碳鋼的接觸疲勞壽命56-60
• 3.2.5 導(dǎo)筒現(xiàn)用滲碳鋼的接觸疲勞失效機(jī)理60-69
• 3.3 本章小結(jié)69-71
• 第四章 滲碳鎢合金的滑動磨損及接觸疲勞特性研究71-97
• 4.1 滲碳 95W-3.5NI-1.0FE-0.5CO合金的滑動磨損特性71-83
• 4.1.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料制備71-72
• 4.1.2 滲碳 95W-3.5Ni-1.0Fe-0.5Co合金滑動磨損試驗(yàn)方法72-73
• 4.1.3 滲碳 95W-3.5Ni-1.0Fe-0.5Co合金的微觀組織與輪廓73-77
• 4.1.4 滲碳 95W-3.5Ni-1.0Fe-0.5Co合金的摩擦磨損性能77-79
• 4.1.5 滲碳 95W-3.5Ni-1.0Fe-0.5Co合金的滑動磨損機(jī)理79-83
• 4.2 滲碳 95W-3.4NI-1.6FE鎢合金的接觸疲勞特性83-96
• 4.2.1 試驗(yàn)設(shè)備與材料制備83-84
• 4.2.2 滲碳 95W-3.4Ni-1.6Fe合金接觸疲勞試驗(yàn)方法及應(yīng)力分布計(jì)算84-86
• 4.2.3 滲碳 95W-3.4Ni-1.6Fe合金的微觀組織86-88
• 4.2.4 滲碳 95W-3.4Ni-1.6Fe合金的接觸疲勞壽命88-90
• 4.2.5 滲碳 95W-3.4Ni-1.6Fe合金的接觸疲勞失效機(jī)理90-96
• 4.3 本章小結(jié)96-97
• 第五章 高級滲氮鋼的滑動磨損及接觸疲勞特性研究97-115
• 5.1 38CRMOAL高級滲氮鋼的滑動磨損特性97-106
• 5.1.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法與材料制備97
• 5.1.2 38CrMoAl滲氮鋼微觀組織97-99
• 5.1.3 38CrMoAl滲氮鋼的摩擦磨損性能99-101
• 5.1.4 38CrMoAl滲氮鋼的滑動磨損機(jī)理101-106
• 5.2 38CRMOAL滲氮鋼的接觸疲勞特性106-113
• 5.2.1 試驗(yàn)設(shè)備及方法與材料制備106
• 5.2.2 38CrMoAl滲氮鋼接觸疲勞壽命106-108
• 5.2.3 38CrMoAl滲氮鋼接觸疲勞失效機(jī)理108-113
• 5.3 本章小結(jié)113-115
• 第六章 高速重載柴油機(jī)導(dǎo)筒零件的臺架試驗(yàn)研究115-131
• 6.1 高速重載柴油機(jī)配氣機(jī)構(gòu)試驗(yàn)臺架的設(shè)計(jì)與搭建115-122
• 6.1.1 臺架試驗(yàn)臺冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)116-118
• 6.1.2 臺架試驗(yàn)臺潤滑系統(tǒng)設(shè)計(jì)118-119
• 6.1.3 臺架試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)119-121
• 6.1.4 臺架試驗(yàn)臺的安裝及調(diào)試121-122
• 6.2 高速重載柴油機(jī)不同材料制導(dǎo)筒零件的臺架試驗(yàn)122-130
• 6.2.1 導(dǎo)筒零件臺架試驗(yàn)方法122-123
• 6.2.2 配氣機(jī)構(gòu)關(guān)鍵部位的溫度123-124
• 6.2.3 導(dǎo)筒零件的磨損機(jī)理124-126
• 6.2.4 導(dǎo)筒零件的磨損輪廓126-128
• 6.2.5 各對摩凸輪的磨損狀況128-130
• 6.3 本章小結(jié)130-131
• 結(jié)論131-135
• 一、論文主要結(jié)論131-133
• 二、主要創(chuàng)新點(diǎn)133
• 三、展望133-135
• 參考文獻(xiàn)135-149
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果149-151
• 致謝151-152
• 附件152

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

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本文編號：923726