[论文解读] Effect of Lubricant Contaminants on Tribological Characteristics During Boundary Lubrication Reciprocating Sliding

Mohamed Kamal Ahmed Ali, Fawzy M. H. Ezzat+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2017

Lubricants and Their Additives被引用 10

一句话总结

本研究探讨了在边界润滑条件下，发动机润滑油中固体污染物（Fe、Cu、Al、Pb 和 SiO2）在往复滑动过程中对摩擦学性能的退化影响。通过在 0.63–1.1 m/s 滑动速度和 120 N 载荷下进行受控实验，研究结果表明，污染物浓度和颗粒尺寸显著增加了摩擦系数、磨损率及功率损失，因此亟需改进润滑油过滤系统以提升发动机效率。

ABSTRACT

This article presents the effect of the presence of solid contaminants, in engine lubricating oil, on the tribological parameters, which impact negatively on the performance of the engine and increase fuel consumption. This study revealed that the lubricant was contaminated by Fe, Cu, Al, Pb and SiO2 particles. The tribological tests were performed using 0.63, 0.85 and 1.1 m s-1 average sliding speeds and 120 N contact load to mimic the boundary lubrication regime of the sliding reciprocating motion of the piston ring/liner interface in an engine. The presence of the solid contaminants in engine oils leads to an increase in friction coefficient, wear and frictional power losses, increasing the surfaces roughness as a consequence. The results showed that grain size and concentrations strongly affected the tribological parameters. In order to minimize the effect of solid contaminants, it is necessary to improve the filtration accuracy for lubricating oils.

研究动机与目标

• 分析在边界润滑条件下，固体污染物对发动机润滑油摩擦学行为的影响。
• 识别退化发动机油中所含的特定污染物（Fe、Cu、Al、Pb、SiO2）。
• 评估滑动速度与接触载荷对污染物存在下摩擦与磨损的影响。
• 量化污染物浓度与粒径对摩擦系数、磨损率及表面粗糙度的影响。
• 基于实验结果，提出改进的润滑剂过滤策略。

提出的方法

• 采用销-块装置在受控的边界润滑条件下进行往复滑动摩擦试验。
• 通过在润滑油中人工添加不同浓度的 Fe、Cu、Al、Pb 和 SiO2 颗粒实现污染。
• 施加 0.63、0.85 和 1.1 m/s 的滑动速度，并保持 120 N 的恒定法向载荷，以模拟活塞环/缸套接触。
• 采用标准摩擦学测试协议测量并分析摩擦系数、磨损率及表面粗糙度。
• 利用 SEM-EDS 等分析技术量化颗粒尺寸分布与污染物浓度。
• 采用统计分析方法关联污染物特性与摩擦学性能退化程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 Fe、Cu、Al、Pb 和 SiO2 污染物如何影响边界润滑滑动接触中的摩擦系数？
• RQ2 污染物浓度增加在多大程度上改变往复滑动中的磨损率与表面粗糙度？
• RQ3 颗粒尺寸在边界润滑条件下如何影响受污染润滑剂的摩擦学性能？
• RQ4 滑动速度与污染引起的磨损严重程度之间存在何种关系？
• RQ5 提高过滤精度是否可减轻固体污染物在发动机油中产生的负面摩擦学影响？

主要发现

• 发动机油中存在 Fe、Cu、Al、Pb 和 SiO2 等固体污染物显著增加了往复滑动过程中的摩擦系数。
• 随着污染物浓度升高，磨损率增加，尤其在较高滑动速度下更为明显。
• 由于固体颗粒的磨粒作用，滑动部件的表面粗糙度上升，尤其在污染物水平较高时更为显著。
• 较大颗粒尺寸对磨损与摩擦的贡献大于较小颗粒，表明存在尺寸依赖性的退化效应。
• 在 1.1 m/s 滑动速度下，污染物浓度较高时观察到最大的摩擦功率损失，表明其具有速度依赖性的严重性。
• 提高过滤精度对于最小化固体污染物在发动机润滑油中产生的负面摩擦学影响至关重要。