柴油机活塞环—气缸套摩擦学

柴油机活塞环与气缸套摩擦副的主要功能是在活塞往复运动过程中对高温、高压燃气进行密封，其摩擦表面不但承受高温、高压冲击作用，而且温度、载荷和速度呈周期性变化，工况条件非常恶劣，影响因素多且十分复杂。摩擦功耗、抗拉缸性能和磨损率是衡量其经济性、可靠性和寿命的关键参数。

摩擦学是一门涉及数学、物理学、化学、材料科学、力学等多学科交叉的学科。其中基于流体润滑理论的数学模拟方法基本上可用于活塞环-气缸套摩擦副的润滑设计；但随着柴油机强化程度的不断提高，作用在活塞环-气缸套摩擦副的热、机载荷急剧增加，润滑油膜减薄甚至被破坏，导致摩擦副处于混合润滑、边界润滑或者干摩擦状态，此时基于流体润滑理论的数学模拟结果偏差变大，甚至无法使用，越来越需要摩擦磨损试验数据的支撑。尽管相关试验研究众多，但处于“试验链”不同节点的试验方法之间参数关联性弱，试验模拟性低，试验结果对设计的指导作用不够。

《柴油机活塞环—气缸套摩擦学》是专门研究柴油机活塞环-气缸套摩擦副的摩擦学专著，主要有三个特点：

1

■ 一是突出活塞环与气缸套摩擦磨损试验的模拟性，建立摩擦磨损模拟试验方法，力图搭建摩擦学应用基础研究与工程设计的桥梁。

2

■ 二是采用试样模拟性试验方法研究了目前车、船用柴油机常用及有应用潜力的典型活塞环与气缸套配对副的摩擦、磨损和拉缸规律，并从金属学的角度，把活塞环和气缸套摩擦副看作由“相”或者“组织”构成的非均质材料，来讨论摩擦磨损机理，为活塞环和气缸套材料的耐磨减摩设计提供理论依据。

3

■ 三是把薄膜润滑概念融入流体动压润滑模型，丰富了非稳态和混合润滑状态的数学模拟方法。

本书共分7章。

第一章重点论述柴油机高强化发展对摩擦磨损和润滑技术研究的潜在需求。

第二章从内容的完整性出发，简要介绍摩擦、磨损和润滑的基本概念和理论，同时列举典型的柴油机活塞环-气缸套磨损故障案例，为非摩擦学领域的工程技术人员提供参考。

第三章重点参考契可斯提出的摩擦学系统观点、谢友柏有关摩擦学系统的分析方法、赵源关于摩擦学系统复杂性和磨损试验模拟性思想以及严立关于磨损试验和表面分析方法等相关著述思想，明确活塞环与气缸套摩擦磨损试验的模拟准则，提出活塞环-气缸套摩擦磨损试验方法。

第四章和第五章采用活塞环-气缸套试样模拟性试验方法，研究车船柴油机常用的和应用新材料及新表面处理技术的典型活塞环-气缸套配对副的摩擦磨损和拉缸规律，侧重从金属学角度分析其摩擦磨损机理，提出了控制摩擦磨损的思路。

第六章介绍了零部件试验、单缸和多缸柴油机台架试验的三个应用案例，说明了活塞环-气缸套零部件的磨损性能验证流程和方法，完整体现了实验室“试验链”的关键节点。

第七章针对活塞环-气缸套摩擦副在上止点附近运动过程中存在的局部薄膜润滑状态，将薄膜润滑概念融入流体动压润滑模型，丰富了非稳态和混合润滑状态的模拟方法。

责任编辑：吴凡洁

｜内容简介｜

■ 本书聚焦高强化柴油机中活塞环-气缸套摩擦副的摩擦学问题，围绕活塞环与气缸套摩擦学系统特性，重点阐述了活塞环与气缸套摩擦磨损试验方法和典型配对副的摩擦磨损规律与机制，提出了摩擦状态转化机制和试验评价方法；针对摩擦副运动过程中存在的局部薄膜润滑状态，将薄膜润滑概念融入流体动压润滑模型，丰富了非稳态和混合润滑状态的模拟方法。

■ 本书内容取材于作者团队长期从事该领域的研究成果，目的是促使摩擦学基础研究成果更好地应用于工程设计。本书可作为柴油机及气缸套和活塞环零部件设计、制造及摩擦磨损性能研究领域工程技术人员，相关学科专业研究人员和研究生的参考书。

READING

本书目录

前言

第1章 绪论 1
1.1 柴油机高强化发展对摩擦磨损控制技术的潜在需求 1
1.2 高强化柴油机的发展现状与趋势 2
1.3 高强化柴油机活塞环-气缸套的摩擦磨损问题 9
参考文献 12
第2章 柴油机活塞环与气缸套摩擦学基础 13
2.1 摩擦学概述 13
2.2 摩擦 13
2.2.1 摩擦的定义和分类 13
2.2.2 摩擦原理 14
2.3 磨损 16
2.3.1 磨损的定义和评价指标 16
2.3.2 磨损规律 16
2.3.3 磨损机理 17
2.4 润滑 26
2.4.1 润滑理论发展简史 26
2.4.2 润滑状态分类 27
2.4.3 油膜厚度测试方法 32
参考文献 34
第3章 活塞环-气缸套摩擦磨损试验技术 37
3.1 活塞环-气缸套摩擦磨损试验的分类 37
3.2 活塞环-气缸套摩擦磨损试验的模拟问题 47
3.2.1 摩擦磨损过程的复杂性 48
3.2.2 活塞环-气缸套摩擦磨损试验的模拟准则 54
3.3 活塞环-气缸套摩擦磨损试验方法 60
3.3.1 系统结构关联方法 60
3.3.2 工况条件关联方法——稳态磨损控制及极限强化方法 61
3.3.3 运动形式关联方法 64
3.3.4 磨损机理转型效应的模拟方法 65
3.3.5 磨合与供油 70
3.3.6 单缸柴油机台架试验验证 71
3.4 活塞环-气缸套摩擦磨损试验中的测试及表面分析 73
3.4.1 磨损试验参数测试 73
3.4.2 磨损表面微观分析方法 76
参考文献 77
第4章 气缸套材料与摩擦磨损 79
4.1 硼磷铸铁气缸套的摩擦磨损 80
4.1.1 试验材料与试样 80
4.1.2 试验方案 85
4.1.3 硼磷铸铁气缸套的摩擦磨损性能 86
4.1.4 硼磷铸铁气缸套的抗拉缸性能 90
4.1.5 硼磷铸铁气缸套的磨损机理 92
4.1.6 硼磷铸铁气缸套的拉缸机理 99
4.2 珠光体及贝氏体灰口铸铁气缸套的磨损 106
4.2.1 气缸套成分、组织和性能 106
4.2.2 摩擦磨损及拉缸试验方法 126
4.2.3 气缸套和活塞环的磨损性能 128
4.2.4 磨损表面宏观形貌 130
4.2.5 磨损表面微观形貌 132
4.2.6 铸铁气缸套的抗拉缸性能 138
4.2.7 气缸套磨损机制 140
4.3 含铌及含硼铌贝氏体灰口铸铁气缸套的磨损 145
4.3.1 气缸套成分、组织和性能 145
4.3.2 气缸套和活塞环的磨损性能 152
4.3.3 磨损表面宏观形貌 153
4.3.4 磨损表面微观形貌 155
4.4 含铜多元合金灰口铸铁的摩擦磨损 156
4.4.1 气缸套成分和组织 156
4.4.2 气缸套的磨损性能 163
4.4.3 气缸套的抗拉缸性能 166
4.5 球墨铸铁气缸套的摩擦磨损 168
4.5.1 气缸套的组织和性能 168
4.5.2 活塞环的组织和性能 171
4.5.3 活塞环及气缸套的摩擦磨损性能 176
4.5.4 活塞环与气缸套的抗拉缸性能 181
参考文献 185
第5章 气缸套表面处理与摩擦磨损 187
5.1 镀铬气缸套的摩擦磨损 187
5.1.1 试验材料与试验方法 187
5.1.2 镀铬气缸套的摩擦磨损性能 188
5.1.3 镀铬气缸套的抗拉缸性能 192
5.1.4 磨损表面形貌及成分 192
5.1.5 镀铬气缸套的摩擦行为 196
5.1.6 镀铬气缸套的磨损机理 198
5.1.7 镀铬气缸套的拉缸机理 200
5.2 铁镍合金镀铁气缸套的摩擦磨损 203
5.2.1 试验材料与试验方法 203
5.2.2 铁镍合金镀铁气缸套的摩擦磨损性能 206
5.2.3 铁镍合金镀铁气缸套的抗拉缸性能 206
5.2.4 铁镍合金镀铁气缸套的摩擦磨损机理 208
5.3 氮化气缸套的摩擦磨损 211
5.3.1 试验材料与试验方法 211
5.3.2 氮化气缸套的摩擦性能 215
5.3.3 摩擦副表面形貌及成分 217
5.3.4 氮化气缸套的磨损性能 220
5.3.5 氮化气缸套的抗拉缸性能 223
5.4 复合镀气缸套的摩擦磨损 224
5.4.1 试验材料及方法 224
5.4.2 复合镀气缸套的摩擦磨损性能 226
5.4.3 复合镀气缸套的抗拉缸性能 230
5.4.4 摩擦、磨损和拉缸的一致性 236
5.4.5 摩擦磨损控制方法 237
5.4.6 磨损控制方法的应用 239
5.5 激光淬火铸铁气缸套的磨损 241
5.5.1 试验材料 242
5.5.2 激光淬火气缸套的磨损性能 244
5.5.3 激光淬火气缸套的磨损表面形貌 245
5.5.4 激光淬火气缸套的磨损机制 247
5.6 珩研合金铸铁气缸套的摩擦磨损 251
5.6.1 试验材料与试验方法 252
5.6.2 珩研气缸套的摩擦磨损和抗拉缸性能 254
5.7 圆形微织构铸铁气缸套的抗拉缸性能 256
5.7.1 试验材料及微织构加工 256
5.7.2 试验方案设计 257
5.7.3 圆形微织构气缸套的摩擦系数和抗拉缸性能 258
5.8 摩擦缓释固体润滑剂对气缸套摩擦磨损的影响 263
5.8.1 气缸套表面微坑织构复合MoS2固体润滑剂的方法 263
5.8.2 微坑织构参数对气缸套摩擦性能的影响 268
5.8.3 工况条件对气缸套摩擦性能的影响 279
5.8.4 润滑油供给量对气缸套磨损的影响 282
5.8.5 微坑织构复合MoS2的气缸套磨损表面元素分析 292
参考文献 294
第6章 活塞环-气缸套零部件的磨损性能验证 295
6.1　零部件试验机模拟试验 295
6.1.1 试验材料与试验方法 295
6.1.2 活塞环-气缸套-零部件试验结果 298
6.2 单缸柴油机台架考核试验 299
6.2.1 试验件与试验方法 299
6.2.2 单缸柴油机台架试验结果 302
6.3 多缸柴油机台架抗拉缸性能试验 303
6.3.1 试验件与试验方法 304
6.3.2 台架试验结果 305
第7章 活塞环与气缸套的薄膜润滑 309
7.1 薄膜润滑油膜厚度测试技术 310
7.1.1 基于光干涉法的油膜厚度测试技术 310
7.1.2 基于接触电阻法的油膜厚度测试技术 319
7.2 薄膜润滑特征的试验研究 329
7.2.1 点接触摩擦副在稳态条件下的薄膜润滑特征 329
7.2.2 点接触摩擦副在非稳态条件下的薄膜润滑特征 339
7.2.3 线接触摩擦副在非稳态条件下的薄膜润滑特征 346
7.2.4 基于球-盘摩擦副接触电阻的润滑特征 355
7.3 薄膜润滑数学模型的建立 363
7.3.1 等温线接触弹流模型的建立及验证 363
7.3.2 点接触弹性流体模型的建立 367
7.3.3 点接触薄膜润滑模型 371
7.3.4 表面粗糙度修正的点接触润滑数学模型 375
7.4 活塞环-气缸套摩擦副润滑数值模拟 378
7.4.1 三维流体动压润滑模型 379
7.4.2 润滑模型的数值求解方法 384
7.4.3 模拟结果 387
参考文献 395

（本期编辑：王芳 ）

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