Open Access
Issue
JNWPU
Volume 37, Number 5, October 2019
Page(s) 977 - 982
DOI https://doi.org/10.1051/jnwpu/20193750977
Published online 14 January 2020

© 2019 Journal of Northwestern Polytechnical University. All rights reserved.

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随着便携式设备的发展, 小型动力装置的需求越来越多[1-1]。由于功重比大、零件数少和运转平稳等优势, 小型转子发动机展现出了广泛的应用前景[3]。小型转子发动机燃烧效率低、面容比和机械损失大, 其输出功率较低[4-4]。受小型发动机固有特点限制, 通过提高燃烧效率和降低其面容比较困难。此时, 可通过降低机械损失功率以提高发动机输出功率[6]。小型转子发动机的机械损失功率是由多个部分组成的, 径向密封片与气缸之间的摩擦损失功率是其中重要的组成部分。一些小型转子发动机会省略单独的润滑系统而采用掺混润滑, 这会恶化径向密封片与气缸之间的润滑情况, 增大摩擦损失[7-7]。开展镀膜技术在小型转子机上的降摩研究, 有助于提高发动机的输出功率。

许多学者已经研究了类金刚石膜(diamond like carbon, DLC)在动力机械中的应用[9-9]。DLC膜具有较高的硬度和较强的化学惰性, 这会减少摩擦表面接触面积和微粒产生的黏着效应[11], 此外, 摩擦过程中DLC膜会石墨化, 石墨剪切应力小, 这导致DLC膜的摩擦因数较低[12]。将DLC膜应用于活塞销上, 王刚等人[13]发现DLC膜能够减少活塞销的磨损与摩擦损失, 提高活塞销寿命和改善发动机动力性。将DLC膜应用于气门挺柱上, 挺柱的摩擦因数降低为原来挺柱的67%[14]。上述研究证明DLC膜在活塞销和气门挺柱呈现良好降摩效果。小型转子发动机的工作温度高于活塞销和气门挺柱, 且径向密封片和气缸之间为混合润滑, 在这种情况下DLC膜在小型转子发动机上降摩效果需要进一步研究。本文采用过滤阴极真空电弧技术镀膜方法在球墨铸铁圆盘上沉积Ti掺杂DLC膜, 模拟径向密封片的工作工况, 测量该膜的摩擦学性能。研究在球墨铸铁上沉积Ti掺杂DLC膜后弹性模量、硬度和表面形貌的改变。在小型转子发动机气缸上沉积Ti掺杂DLC膜, 搭建小型转子发动机性能测试平台, 测量Ti掺杂DLC膜在倒拖工况和工作状态下对小型转子发动机摩擦损失功率和输出功率的影响。

1 Ti掺杂DLC膜制备

镀膜的基体材料为球墨铸铁, 圆盘试件尺寸为ϕ52 mm×6.7 mm。沉积前, 球墨铸铁经过铸造、淬火、回火、调质和研磨处理, 其工艺流程与小型转子发动机气缸的工艺流程一致。镀膜采用过滤阴极真空电弧技术镀膜沉积系统制备, 镀膜工艺参数如表 1所示, 镀膜前后试件如图 1所示。

表 1

镀膜工艺参数

thumbnail 图 1

镀膜工艺参数

2 Ti掺杂DLC膜性能测试

2.1 硬度与表面形貌

通过控制沉积时间以控制Ti掺杂DLC膜的厚度, 本研究制得的Ti掺杂DLC膜较薄, 其厚度约为十微米。采用安捷伦公司生产的G200纳米压痕仪对Ti掺杂DLC膜的硬度和弹性模量进行测量。测量选取了镀膜区域相邻的5个点, 其加载位移曲线如图 2所示。

图 2可知, 本研究制得Ti掺杂DLC膜具有良好的一致性。依据加载位移曲线得出Ti掺杂DLC膜硬度的平均值为10.7 GPa, 弹性模量的平均值为210 GPa。利用相同方法测量了基体材料球墨铸铁的硬度和弹性模量, 其硬度的平均值为3.5 GPa, 弹性模量的平均值为180 GPa。由此可知, Ti掺杂DLC膜增大了镀膜区域表面的硬度和弹性模量, 这会减少摩擦副接触引起的变形量, 进而减少相互作用的接触面积和降低摩擦力。

利用白光干涉仪测量球墨铸铁和镀膜圆盘的表面形貌, 测量结果如图 3所示。

球墨铸铁圆盘表面的最大深度和最大高度分别为7 364和2 967 nm, 镀膜圆盘表面的最大深度和最大高度为4 457 nm和1 688 nm。结果表明, Ti掺杂DLC膜能够改善镀膜区域的表面形貌, 其表面粗糙度(Ra)由0.6 μm降为0.3 μm, 这是因为Ti掺杂DLC膜沉积过程中, 薄膜生长表面附近的等离子体密度较高, 离子在鞘层电压降的作用下轰击薄膜表面, 这种轰击效应能够改善薄膜的微观结构, 使薄膜致密光滑[15]。良好的表面形貌能够减少微凸体相互嵌合深度, 这也是Ti掺杂DLC膜具有较低摩擦因数的重要原因之一。

thumbnail 图 2

Ti掺杂DLC膜加载位移曲线

thumbnail 图 3

球墨铸铁和镀膜圆盘的表面形貌

2.2 摩擦因数测试

本研究采用球盘试验测量Ti掺杂DLC膜的摩擦因数。为了模拟径向密封片和气缸之间的摩擦工况, 本测量依据径向密封片的工作特点设定。小型转子发动机所用的燃料中掺混有蓖麻油, 故本测试的润滑剂选为蓖麻油。测量小型转子发动机节气门全开, 转速为11 000 r/min时的温度场, 如图 4所示。小型转子发动机气缸外表面最高温度约为200℃。小型转子发动机气缸内壁面温度要高于外表面, 由于气缸较薄, 本研究认为内壁温度与外表面温度相差不大, 因此设定200℃为球盘试验的环境温度。径向密封片和气缸之间的最大压强为数十兆帕[7]。本测试所用载荷为3.8 N, 这种情况下, 球盘之间的接触压强可达数百兆帕, 大于工作状态下径向密封片和气缸之间的压强。在上述条件下测量Ti掺杂DLC膜与氮化硅球之间的摩擦因数, 测试设备和原理如图 5所示。

图 6可得, 干摩擦时, 球墨铸铁的摩擦因数在5分钟后趋于稳定, 在摩擦因数稳定后的15分钟内, 摩擦因数的平均值为0.52。Ti掺杂DLC膜摩擦因数在稳定后15分钟内的平均值为0.22。由此可见, 在干摩擦情况下, Ti掺杂DLC膜与氮化硅球之间的摩擦因数几乎是球墨铸铁的一半。测量稳定后, 摩擦因数没有发生明显变化, 这也说明Ti掺杂DLC膜未脱落, Ti掺杂DLC膜具有良好的膜基结合性能。

为了模拟混合润滑下径向密封片和气缸之间的摩擦因数, 在测量过程中加入少量(约1 ml)蓖麻油, 测量结果如图 7所示。

图 7可得, 油润滑条件下, 球墨铸铁摩擦因数稳定后的平均值为0.25。Ti掺杂DLC膜摩擦因数稳定后的平均值为0.06。由此可见, 油润滑时Ti掺杂DLC膜也具有较低的摩擦因数, 其值约为球墨铸铁摩擦因数的24%。祝闻等[15]发现在干摩擦时, Ti掺杂DLC膜具有较大的降摩优势, 但是在油润滑时, Ti掺杂DLC膜的降摩优势不明显, 这是因为其测试Ti掺杂DLC膜时摩擦副之间的油膜较厚, 避免了摩擦副之间的微凸体接触, 形成了流体润滑, Ti掺杂DLC膜的降摩优势没有得以发挥。工作状态下, 小型转子发动机中径向密封片和气缸之间的摩擦状态是混合润滑[8], 这是一种介于流体润滑和干摩擦之间的润滑状态。在这种状态下, Ti掺杂DLC膜的降摩特性能够得到有效发挥。

thumbnail 图 4

小型转子发动机温度场

thumbnail 图 5

气氛高温摩擦试验机和测试原理图

thumbnail 图 6

干摩擦时Ti掺杂DLC膜和球墨铸铁的摩擦因数

thumbnail 图 7

蓖麻油润滑下Ti掺杂DLC膜和球墨铸铁的摩擦因数

3 Ti掺杂DLC膜降摩效果

制作小型转子发动机的球墨铸铁气缸和Ti掺杂DLC镀膜气缸, 如图 8所示。

搭建小型转子发动机性能测试平台, 如图 9所示。测量发动机在倒拖工况下的摩擦损失功率和工作时的输出功率。测量过程中发动机摄入的燃料中掺混有蓖麻油。测量发动机摩擦损失功率时, 介于电机与测功机之间离合器保持闭合, 电机拖动发动机运转, 测功机测得功率即为摩擦损失功率。测量发动机的输出功率时, 电机拖动发动机启动后, 断开上述离合器, 调节负载使发动机转速稳定, 测功机测得功率即为输出功率。

为了测量径向密封片与球墨铸铁气缸和Ti掺杂DLC镀膜气缸之间的摩擦损失功率。本测试设计了将径向密封片拆去的发动机装配体, 称为A1。安装球墨铸铁气缸和Ti掺杂DLC镀膜气缸的小型转子发动机分别称为A2和A3。倒拖测量装配体A1, 发动机A2和A3的摩擦损失功率, 发动机A2与装配体A1的摩擦损失功率之差即为径向密封片与球墨铸铁气缸和Ti掺杂DLC镀膜气缸的摩擦损失功率, 测量结果如图 10所示。

图 10可知, 倒拖测量装配体A1的摩擦损失功率时, 转速从7 000增大至17 000 r/min, 摩擦损失功率从99增加到252 W。倒拖发动机A2时, 整机摩擦损失功率从121增加到307 W。由此可见, 径向密封片和球墨铸铁气缸之间的摩擦损失功率从22增加到55 W。倒拖发动机A3时, 发动机A3摩擦损失功率从114增大至290 W。由此可得, 径向密封片和气缸之间的摩擦损失功率是小型转子发动机摩擦损失功率的18%~22%。径向密封片和Ti掺杂DLC镀膜气缸之间摩擦损失从15增大至38 W, 安装Ti掺杂DLC气缸时径向密封片引起的摩擦损失功率是球墨铸铁气缸的68%。

测量工作状态下, 转子发动机A2和A3的输出功率, 测量结果如图 11所示。

图 11可知, 安装球墨铸铁气缸时, 转速从7 000增大到17 000 r/min, 小型转子发动机的输出功率从53增加到了302 W, 其扭矩从0.1增加到0.21 Nm, 扭矩增加了2.1倍。在安装Ti掺杂DLC镀膜气缸时, 其输出功率从76增大到378 W, 扭矩从0.07增加至0.17 Nm, 扭矩增加了1.7倍。与球墨铸铁相比, 在7 000 r/min时, Ti掺杂DLC膜能够提高发动机23 W和0.03 Nm的输出功率和扭矩, 功率提高43%。在17 000 r/min时, Ti掺杂DLC膜能够提高发动机73 W和0.05 Nm的输出功率和扭矩, 功率提高了24%。由此可得, Ti掺杂的DLC膜能够大幅度提高小型转子发动机的输出功率, 其原因可归咎于以下两方面:1)Ti掺杂DLC膜摩擦过程中会发生石墨化, 石墨化表面在干摩擦和油润滑情况下均具有较低的摩擦因数; 2)DLC膜具有较高的硬度和良好的表面形貌, 混合润滑情况下, 较高的硬度会减少接触面之间的接触变形进而减少接触面积。良好的表面形貌会降低接触面内微凸体相互嵌合深度。因此, Ti掺杂DLC膜能够降低径向密封片和气缸之间的摩擦力。

thumbnail 图 8

小型转子发动机球墨铸铁气缸和Ti掺杂DLC膜气缸

thumbnail 图 9

1.基座; 2.小型转子发动机; 3.扭矩传感器; 4.测功机; 5.离合器; 6.倒拖电机; 7.测功机控制系统; 8.计算机; 9.电机控制器。

thumbnail 图 10

机械损失随着转速的变化

thumbnail 图 11

小型转子发动机输出功率随转速的变化

4 结论

本文研究了Ti掺杂DLC膜对小型转子发动机中径向密封片和气缸之间摩擦损失功率的影响, 得出以下结论:

1) 与球墨铸铁相比, Ti掺杂DLC膜具有较高的硬度和良好的表面形貌, 这有助于降低Ti掺杂DLC膜的摩擦因数。摩擦学测量结果表明, 该膜具有较低摩擦因数。在干摩擦情况下, 该膜摩擦因数约为球墨铸铁摩擦因数的一半。在油润滑情况下, 该膜摩擦因数是球墨铸铁摩擦因数的24%。

2) 倒拖工况下, 安装Ti掺杂DLC镀膜气缸时径向密封片引起的摩擦损失功率是安装球墨铸铁气缸时的68%。工作状态下, 转速从7 000~17 000 r/min, 与球墨铸铁气缸相比, Ti掺杂DLC膜气缸能够增大发动机23~73 W输出功率, 提高发动机输出功率的24%~43%。

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All Tables

表 1

镀膜工艺参数

All Figures

thumbnail 图 1

镀膜工艺参数

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thumbnail 图 2

Ti掺杂DLC膜加载位移曲线

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球墨铸铁和镀膜圆盘的表面形貌

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小型转子发动机温度场

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气氛高温摩擦试验机和测试原理图

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干摩擦时Ti掺杂DLC膜和球墨铸铁的摩擦因数

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蓖麻油润滑下Ti掺杂DLC膜和球墨铸铁的摩擦因数

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小型转子发动机球墨铸铁气缸和Ti掺杂DLC膜气缸

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1.基座; 2.小型转子发动机; 3.扭矩传感器; 4.测功机; 5.离合器; 6.倒拖电机; 7.测功机控制系统; 8.计算机; 9.电机控制器。

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机械损失随着转速的变化

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小型转子发动机输出功率随转速的变化

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