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小型航空活塞发动机缸头内壁抗磨损设计方法的研究

小型航空活塞发动机缸头内壁抗磨损设计方法的研究

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作者：陈丙伟南京航空航天大学

学位级别：硕士

航空活塞发动机活塞/缸头内壁摩擦副、活塞环/缸头内壁摩擦副是发动机内部最重要、最关键的运动摩擦副。随着用户对发动机工作要求及燃料要求的提高,活塞/缸头内壁摩擦副、活塞环/缸头内壁摩擦副工作环境愈加恶劣,工作载荷条件更加严苛... 详细信息

航空活塞发动机活塞/缸头内壁摩擦副、活塞环/缸头内壁摩擦副是发动机内部最重要、最关键的运动摩擦副。随着用户对发动机工作要求及燃料要求的提高,活塞/缸头内壁摩擦副、活塞环/缸头内壁摩擦副工作环境愈加恶劣,工作载荷条件更加严苛,活塞、缸头内壁承受着较高的热负荷和机械负荷,同时在高温下摩擦副的润滑条件变差,引起摩擦副摩擦磨损加剧,甚至直接导致摩擦副失效。本文对小型航空活塞发动机缸头内壁抗磨损设计方法进行了研究。首先从发动机工作过程中缸头内壁的工作载荷条件入手,分析计算缸头工作过程中受到的热负荷,活塞裙部及活塞环对缸头内壁的作用力,获得缸头内壁的工作载荷条件,研究结果表明:活塞往复行程区域缸头内壁温度范围为[365K,455K],活塞裙部对缸壁的最大侧压强值为0.7MPa,活塞环对缸壁的接触压强值为0.33MPa。然后,根据活塞/缸头内壁摩擦副、活塞环/缸头内壁摩擦副的工作接触特点及材料特点,分别设计了模拟活塞/缸头内壁摩擦副的面接触摩擦副和模拟活塞环/缸头内壁摩擦副的线接触摩擦副,通过试验机模拟摩擦副往复运动的方式,研究载荷条件对摩擦副摩擦磨损性能的影响规律,研究结果表明:升高温度导致摩擦系数增加,增加滑动频率、法向载荷导致摩擦系数降低;不同载荷条件下,磨损量的规律不是很明显,但是在面接触摩擦副试验温度为225℃时,缸壁模拟件磨损量最大,磨损量最大值为1.7mg,对应的活塞模拟件磨损量为1.1mg;在线接触摩擦副法向载荷为22N时,缸壁模拟件磨损量最大,磨损量最大值为1.1mg,对应的活塞环模拟件磨损量不可测。最后,通过在模拟件表面设计抗磨损涂层,在最大磨损量载荷条件下,研究涂层的抗磨损性能,磨损试验结果表明:在225℃试验条件下,面接触摩擦副中硬质阳极氧化涂层缸壁模拟件磨损量为0.3mg,相比于未涂覆件磨损量降低了82%,活塞模拟件磨损量为0.7mg,相比于未涂覆件磨损量降低了36%,并且硬质阳极氧化涂层表面温度相比于未涂覆件下降了13℃;在法向载荷22N试验条件下,线接触摩擦副中硬质阳极氧化涂层缸壁模拟件磨损量为0.5mg,相比于未涂覆件磨损量下降了55%,但是活塞环磨损量增加,其磨损量为0.4mg。总体来说,硬质阳极氧化涂层具备优异的抗磨损性能,可以明显提高缸壁、活塞的抗磨损能力,可以作为活塞裙部、缸头内壁的抗磨损涂层。本文通过仿真分析和试验研究的方法,对缸头内壁的工作载荷条件进行了研究,开展了缸壁模拟件磨损试验,获得了载荷条件对摩擦磨损特性的影响规律,设计了抗磨损涂层并开展了涂层的抗磨损性能试验研究,得到了抗磨损性能优异的涂层,为下一步涂层在活塞裙部、缸头内壁的应用提供理论指导。

关键词：面接触摩擦副线接触摩擦副载荷条件摩擦磨损规律抗磨损涂层

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