本文關鍵詞：高速重載柴油機配氣機構氣門導筒材料的摩擦磨損特性研究

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【摘要】：配氣機構是柴油機的重要組成部分,它可以根據(jù)柴油機各氣缸內進行的工作循環(huán)和發(fā)火順序的要求,按一定規(guī)律開啟和關閉各氣缸的進氣門和排氣門,控制換氣品質、促進燃燒做功。導筒零件是配氣機構的關鍵部件之一,它將凸輪的推力傳遞給氣門,并用來調節(jié)氣門間隙,使配氣機構能夠正常運行。但由于其承受周期性變化的較大接觸應力,使現(xiàn)用的30CrMoVM滲碳鋼導筒工作表面出現(xiàn)了異常磨損,影響了整機的穩(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筒及耐磨滲氮鋼導筒替代現(xiàn)用的滲碳鋼導筒,并通過對選用的兩種材料耐磨性能試驗和接觸疲勞性能試驗以及滲氮鋼導筒零件的臺架試驗研究,驗證了滲氮鋼導筒能解決現(xiàn)用滲碳鋼導筒易過早磨損失效的問題,具有重要的學術價值和實際意義。采用AVL EXCITE Timing Drive軟件建立了該配氣機構的動力學計算模型,經(jīng)動力學分析表明在模擬周期內配氣機構中凸輪導筒摩擦副之間出現(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)。各閥系中導筒的運動規(guī)律、所受接觸應力、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)原機導筒使用的滲碳鋼脫碳傾向嚴重,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)轉變?yōu)檫吔鐫櫥瑺顟B(tài),導致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化膜阻礙了中心區(qū)域裂紋的早期萌生、擴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為WC。含鈷滲碳鎢合金的滑動磨損失效機制是WC顆粒在多孔處的剝落和表面摩擦反應膜的破壞引起表層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,它嚴重影響了材料組織間的連續(xù)性,而且WC與WC間的結合力很弱,非常容易剝落或脫落,從而嚴重制約了其耐磨、接觸疲勞性能,同時堅硬的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1060 HV0.2。與導筒用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,而是被反復碾壓、滾壓、研磨,使磨屑出現(xiàn)非晶結構。在交變應力作用下,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滲氮鋼的對應壽命分別提高了157.9%、57.9%、54.0%,是現(xiàn)用30CrSiMo VM滲碳鋼對應壽命的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使用的30CrSiMoVM滲碳鋼對應的性能好。搭建了柴油機配氣機構臺架試驗臺,對各不同材料制造的導筒零件進行了耐久性考核,發(fā)現(xiàn)在有沖擊載荷的周期性較大接觸應力作用下30CrMnSiVM滲碳鋼導筒零件中心區(qū)域磨損明顯并伴有輕微變形,12CrNi3A滲碳鋼導筒零件中心區(qū)域發(fā)生嚴重的變形,有白亮層38CrMoAl滲氮鋼導筒零件表面發(fā)生嚴重的剝落,無白亮層38CrMoAl滲氮鋼導筒零件試驗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配氣機構導筒零件材料的一種新選擇。
【關鍵詞】：配氣機構 滲碳 滲氮 磨損 接觸疲勞
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：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 導筒零件的失效形式16-17
• 1.4 凸輪導筒機構的研究現(xiàn)狀17-19
• 1.4.1 凸輪導筒機構的理論及模擬計算17-18
• 1.4.2 凸輪導筒機構的臺架試驗研究18-19
• 1.5 導筒材料的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢19-25
• 1.5.1 導筒常用材料的研究現(xiàn)狀19-20
• 1.5.2 擬選導筒耐磨墊片用滲碳鎢合金的研究現(xiàn)狀20-22
• 1.5.3 擬選導筒用高級滲氮鋼的研究現(xiàn)狀22-25
• 1.6 本文主要研究內容25-27
• 第二章 高速重載柴油機凸輪導筒機構動力學分析27-43
• 2.1 頂置凸輪軸配氣機構的動力學建模27-36
• 2.1.1 頂置凸輪軸配氣機構動力學計算理論27-32
• 2.1.2 頂置凸輪軸配氣機構的閥系組成及特點32-33
• 2.1.3 頂置凸輪軸配氣機構整體動力學建模33-34
• 2.1.4 頂置凸輪軸配氣機構動力學模型參數(shù)設置34-36
• 2.2 頂置凸輪軸配氣機構動力學計算結果與分析36-42
• 2.2.1 導筒的升程曲線37-38
• 2.2.2 凸輪導筒界面間的潤滑狀態(tài)38-40
• 2.2.3 凸輪導筒界面間的接觸應力40-42
• 2.3 本章小結42-43
• 第三章 導筒現(xiàn)用滲碳鋼的滑動磨損及接觸疲勞特性研究43-71
• 3.1 導筒現(xiàn)用滲碳鋼的滑動磨損特性43-53
• 3.1.1 試驗設備與材料制備43-44
• 3.1.2 滑動磨損試驗方法44-46
• 3.1.3 導筒現(xiàn)用滲碳鋼的物理力學性能和XRD分析46-48
• 3.1.4 導筒現(xiàn)用滲碳鋼的摩擦磨損性能48-50
• 3.1.5 導筒現(xiàn)用滲碳鋼的滑動磨損機理50-53
• 3.2 導筒現(xiàn)用滲碳鋼的接觸疲勞特性53-69
• 3.2.1 試驗設備、材料制備和試驗方法53-54
• 3.2.2 應力分布計算方法54-55
• 3.2.3 導筒現(xiàn)用滲碳鋼的接觸疲勞試驗加速度曲線及應力分布計算結果55-56
• 3.2.4 導筒現(xiàn)用滲碳鋼的接觸疲勞壽命56-60
• 3.2.5 導筒現(xiàn)用滲碳鋼的接觸疲勞失效機理60-69
• 3.3 本章小結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 試驗設備與材料制備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 試驗設備與材料制備83-84
• 4.2.2 滲碳 95W-3.4Ni-1.6Fe合金接觸疲勞試驗方法及應力分布計算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理90-96
• 4.3 本章小結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 試驗設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理101-106
• 5.2 38CRMOAL滲氮鋼的接觸疲勞特性106-113
• 5.2.1 試驗設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理108-113
• 5.3 本章小結113-115
• 第六章 高速重載柴油機導筒零件的臺架試驗研究115-131
• 6.1 高速重載柴油機配氣機構試驗臺架的設計與搭建115-122
• 6.1.1 臺架試驗臺冷卻系統(tǒng)設計116-118
• 6.1.2 臺架試驗臺潤滑系統(tǒng)設計118-119
• 6.1.3 臺架試驗臺控制系統(tǒng)設計119-121
• 6.1.4 臺架試驗臺的安裝及調試121-122
• 6.2 高速重載柴油機不同材料制導筒零件的臺架試驗122-130
• 6.2.1 導筒零件臺架試驗方法122-123
• 6.2.2 配氣機構關鍵部位的溫度123-124
• 6.2.3 導筒零件的磨損機理124-126
• 6.2.4 導筒零件的磨損輪廓126-128
• 6.2.5 各對摩凸輪的磨損狀況128-130
• 6.3 本章小結130-131
• 結論131-135
• 一、論文主要結論131-133
• 二、主要創(chuàng)新點133
• 三、展望133-135
• 參考文獻135-149
• 攻讀博士學位期間取得的研究成果149-151
• 致謝151-152
• 附件152

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前4條

1 李玉琴;李應紅;何衛(wèi)鋒;李靖;張峰;周留成;;激光沖擊滲碳12CrNi3A鋼的磨損性能[J];中國激光;2013年09期

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4 李寶良,江親瑜,葛宰林;平底從動件盤型凸輪機構系統(tǒng)磨損的數(shù)值仿真[J];機械傳動;2000年03期

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本文編號：923726