《活塞環(huán)-氣缸套抗拉缸性能的評價方法》編制說明

一、工作簡況

1.1任務(wù)來源

《活塞環(huán)-氣缸套抗拉缸性能的評價方法》團體標(biāo)準(zhǔn)是由中國內(nèi)燃機學(xué)會批準(zhǔn)

立項。文件號中內(nèi)會函【2022】22號，任務(wù)號為2022-22。本標(biāo)準(zhǔn)由中國內(nèi)燃機學(xué)

會標(biāo)準(zhǔn)管理部提出，大連海事大學(xué)、中國北方發(fā)動機研究所、中國船舶集團有限公

司第七一一研究所等單位起草。

1.2編制背景與目標(biāo)

隨著新設(shè)計內(nèi)燃機的強化指標(biāo)不斷提高，尤其是動力缸的轉(zhuǎn)速、爆發(fā)壓力及結(jié)

構(gòu)件承受的能量密度大幅度提髙，高強化內(nèi)燃機出現(xiàn)摩擦功耗顯著升高、磨損加劇、

拉缸傾向嚴(yán)重等問題，成為制約我國新一代先進動力發(fā)展的瓶頸問題之一。

在現(xiàn)階段內(nèi)燃動力高強化的發(fā)展趨勢下，摩擦副潤滑條件愈發(fā)苛刻，探究活塞

環(huán)-氣缸套的抗拉缸性能變得尤為重要。合理確定模擬準(zhǔn)則的試樣級抗拉缸性能評價

方法，可以為活塞環(huán)或者氣缸套批量投產(chǎn)、配機選型或者多批次產(chǎn)品性能穩(wěn)定性提

供快速評價手段。在一定程度上能夠達到替代零部件試驗的效果，甚至試驗所得到

的試驗數(shù)據(jù)可以直接用于工程設(shè)計。相比于國內(nèi)外現(xiàn)有的活塞環(huán)-氣缸套的試驗評價

標(biāo)準(zhǔn)，活塞環(huán)-氣缸套抗拉缸性能評價標(biāo)準(zhǔn)更能滿足柴油機高強化發(fā)展的需求，可以

為高強化柴油機選擇活塞環(huán)-氣缸套配對副提供試驗參考結(jié)果。因此，活塞環(huán)-氣缸套

抗拉缸性能評價是柴油機研發(fā)過程中活塞環(huán)和氣缸套選取的重要一環(huán)，準(zhǔn)確可靠的

方法和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定可縮短研發(fā)周期，有利于柴油機可靠性的提升。

1.3主要工作過程

起草階段：根據(jù)計劃，2022年10月成立了由大連海事大學(xué)、中國北方發(fā)動機

研究所、中國船舶集團有限公司第七一一研究所等單位組成的標(biāo)準(zhǔn)編制工作組；通

過電話、郵件、會議等形式對標(biāo)準(zhǔn)名稱、起草原則、制定依據(jù)、標(biāo)準(zhǔn)水平、適用范

圍和主要技術(shù)內(nèi)容進行了討論，達成了初步共識。在此基礎(chǔ)上，由大連海事大學(xué)負

責(zé)編寫出本標(biāo)準(zhǔn)的工作組討論稿。并分發(fā)至行業(yè)骨干企業(yè)，編制工作組根據(jù)反饋的

意見修改后形成了本標(biāo)準(zhǔn)的征求意見稿。

征求意見階段：2023年7月31日編制小組將標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿及編制說明

提交至中國內(nèi)燃機學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)管理部。

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二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則和主要內(nèi)容

2.1標(biāo)準(zhǔn)制定原則

目前活塞環(huán)-氣缸套抗拉缸性能評價缺乏較好的試驗方法，無法對活塞環(huán)-氣缸

套的匹配性提供快速評價手段，不同產(chǎn)品性能缺乏對比性，在參考了GB/T1149.1-

2008《內(nèi)燃機.活塞環(huán).第1部分:通用規(guī)則》、JB/T13501.1-2018《內(nèi)燃機大缸徑

活塞環(huán)第1部分：通用規(guī)則》、JB/T5082.7-2011《內(nèi)燃機.氣缸套.第7部分：平臺

珩磨網(wǎng)紋.技術(shù)規(guī)范及檢測方法》基礎(chǔ)之上，從高強化內(nèi)燃動力的實際需要出發(fā)，在

活塞環(huán)-氣缸套抗拉缸性能評價方法的試驗原理、試驗方法、試驗設(shè)備、試樣要求、

試驗步驟、試驗結(jié)果處理等方面做了較詳細的規(guī)定，以指導(dǎo)活塞環(huán)-氣缸套的抗拉缸

性能評價。

2.1.1通用性原則

本標(biāo)準(zhǔn)適用于道路車輛、農(nóng)用拖拉機和林業(yè)機械、工程機械、機車、船舶等內(nèi)

燃機動力裝置的活塞環(huán)-氣缸套抗拉缸性能評價。

2.1.2指導(dǎo)性原則

本標(biāo)準(zhǔn)提出的方法能夠為活塞環(huán)或者氣缸套批量投產(chǎn)、配機選型或者多批次產(chǎn)

品性能穩(wěn)定性提供指導(dǎo)作用。

2.1.3協(xié)調(diào)性原則

本標(biāo)準(zhǔn)提出的方法與目前使用的國家標(biāo)準(zhǔn)中的方法協(xié)調(diào)統(tǒng)一、互不交叉。僅作

為一種更便捷、更高效的方法對目前使用的方法進行補充。

2.1.4兼容性原則

本標(biāo)準(zhǔn)提出的活塞環(huán)-氣缸套抗拉缸性能評價方法充分考慮了內(nèi)燃機行業(yè)里用

到的不同種類活塞環(huán)和氣缸套，具有普遍適用性。

2.2標(biāo)準(zhǔn)主要技術(shù)內(nèi)容

本文件共分為10章，規(guī)定了活塞環(huán)-氣缸套抗拉缸性能評價方法的范圍、規(guī)范

性引用文件、術(shù)語和定義、原理、試驗方法、試驗設(shè)備要求、試樣要求、試驗步驟、

試驗結(jié)果處理、試驗結(jié)果穩(wěn)定性說明等。

2.3關(guān)鍵技術(shù)問題說明

在貧油試驗中，以斷油摩擦階段突增前摩擦力與突增后摩擦力切線相交的時刻，

作為活塞環(huán)-氣缸套摩擦副開始出現(xiàn)拉缸的判斷，如圖1所示。

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圖1貧油試驗的摩擦力變化示意圖

抗拉缸時間計算方法

T=Tq-Th

式中：

T—抗拉缸時間；

Th—停止向活塞環(huán)-氣缸套試樣供油的時刻；

Tq—活塞環(huán)-氣缸套試樣發(fā)生拉缸時的時刻。

貧油試驗包括磨合階段、斷油階段。當(dāng)在斷油階段發(fā)生較為嚴(yán)重的黏著磨損時，

摩擦力急劇升高，摩擦表面會出現(xiàn)肉眼可見的宏觀損傷，甚至有刺耳聲音發(fā)出。活

塞環(huán)-氣缸套的抗拉缸性能就可以由斷油至出現(xiàn)拉缸之間的持續(xù)時間來表征。為保證

結(jié)果的可靠性，每種配對副的抗拉缸時間評價參數(shù)至少重復(fù)三次試驗以上。

2.4標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的論據(jù)

選擇貧油試驗?zāi)M活塞環(huán)-氣缸套的拉缸過程，主要是基于摩擦磨損試驗的三條

模擬準(zhǔn)則。

第一條是系統(tǒng)關(guān)聯(lián)模擬準(zhǔn)則。就是試驗?zāi)M系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運動形式和

工況條件等方面與實際系統(tǒng)相互關(guān)聯(lián)，即應(yīng)相同或者相似。

第二條準(zhǔn)則為極限強化準(zhǔn)則。強化活塞環(huán)與氣缸套之間的磨損行為，充分反映

摩擦磨損特性，但強化條件需要控制一定限度，防止磨損機理轉(zhuǎn)型。這樣最大限度

強化磨損條件縮短試驗時間。

第三條準(zhǔn)則為機理相同準(zhǔn)則。應(yīng)選擇適當(dāng)?shù)哪p試驗條件，使某一種磨損機理

起支配性作用，并且要與實際零件的磨損機理應(yīng)是相同的，保證試驗結(jié)果有效性。

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在貧油試驗過程中，從停止供油至摩擦副表面發(fā)生拉缸，所獲得的抗拉缸時間

的長短，是活塞環(huán)-氣缸套摩擦副表面儲油及邊界潤滑能力和材料抗黏著能力的綜

合反映，它體現(xiàn)了拉缸過程的實質(zhì)，是合理表征活塞環(huán)-氣缸套摩擦副在不同工況

下抗拉缸性能的指標(biāo)。

2.5標(biāo)準(zhǔn)工作基礎(chǔ)

編寫組主要起草單位大連海事大學(xué)具備完整的活塞環(huán)-氣缸套抗拉缸性能評價

能力。積累了大量的不同活塞環(huán)和氣缸套抗拉缸性能試驗數(shù)據(jù)，其評價過程及結(jié)果

得到了眾多專家的認(rèn)可。自項目開展以來，在活塞環(huán)-氣缸套摩擦磨損性能評價技

術(shù)研究上也投入了大量的精力，并取得了階段性的成果。經(jīng)過大量的對比試驗結(jié)

果，本標(biāo)準(zhǔn)提出的抗拉缸性能評價方法的試驗結(jié)果準(zhǔn)確度高、重復(fù)性好，具有一定

的先進性、通用性、科學(xué)性和可操作性。

三、主要試驗（或驗證）情況分析

通過開展載荷級、溫度級、速度級試驗，與貧油試驗方法進行對比，獲得各種

抗拉缸試驗方法的分辨度，以便于選擇出合適的活塞環(huán)-氣缸套抗拉缸性能評價方法。

表1為載荷級試驗方法的試驗條件。圖2為載荷級試驗中摩擦力隨時間變化規(guī)律。

可以看出，隨著載荷升高，很難獲得摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)化至拉缸的過程。

表1載荷級試驗方法的試驗條件

試驗階段試驗參數(shù)

磨合階段200r/min190℃44MPa

轉(zhuǎn)速/r·min-1200

變載摩擦階段溫度/℃190

（每隔一段時間加載

至目標(biāo)載荷）載荷/MPa22，44，66，88

潤滑油量/ml·min-10.1

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圖2載荷級試驗方法中摩擦力隨時間變化規(guī)律

表2為溫度級試驗方法的試驗條件。圖3為溫度級試驗中摩擦力隨時間變化規(guī)

律。可以看出，隨著溫度升高，摩擦力略微降低，同樣很難獲得摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)化至拉

缸的過程。

表2溫度級試驗方法的試驗條件

試驗階段試驗參數(shù)

磨合階段200r/min190℃44MPa

轉(zhuǎn)速/r·min-1200

變溫摩擦階段溫度/℃120，150，190，220

（每隔一段時間加載

至目標(biāo)溫度）載荷/MPa44

潤滑油量/ml·min-10.1

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圖3溫度級試驗方法中摩擦力隨時間變化規(guī)律

表3為速度級試驗方法的試驗條件。圖4為速度級試驗中摩擦力隨時間變化規(guī)

律?？梢钥闯?，隨著速度升高，摩擦力略微降低，同樣很難獲得摩擦狀態(tài)轉(zhuǎn)化至拉

缸的過程。

表4速度級試驗方法的試驗條件

試驗階段試驗參數(shù)

磨合階段200r/min190℃44MPa0.1ml·min-1

轉(zhuǎn)速/r·min-1100，200，300

變速摩擦階段溫度/℃190

（每隔一段時間加載

至目標(biāo)速度）載荷/MPa44

潤滑油量/ml·min-10.1

圖4速度級試驗方法中摩擦力隨時間變化規(guī)律

從上述試驗結(jié)果可以看出，很難通過單純增加載荷、溫度和速度來模擬出缸套

-活塞環(huán)摩擦副的拉缸過程。

表5為采用基于油膜耗散機制的貧油試驗方法來評價活塞環(huán)-氣缸套摩擦副的

抗拉缸性能的試驗條件。

表5貧油試驗方法的試驗條件

試驗階段試驗參數(shù)

轉(zhuǎn)速/r·min-1200

磨合階段溫度/℃205

載荷/MPa30

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時間/min240

潤滑油量/ml·min-10.1

斷油摩擦階段

轉(zhuǎn)速、溫度、載荷與磨合階段相同，但是停止供油磨至拉缸

拉缸試驗分為兩個連續(xù)的階段，即磨合階段和斷油摩擦階段。其中磨合階段的

法向載荷可采用階梯加載至目標(biāo)載荷，此階段應(yīng)連續(xù)定量供油（嚴(yán)格控制供油量）；

磨合階段結(jié)束后停止供油，進入斷油摩擦階段，在轉(zhuǎn)速、溫度、載荷等試驗參數(shù)不

變的條件下，持續(xù)運行至活塞環(huán)-氣缸套摩擦副發(fā)生拉缸，停機結(jié)束試驗。

圖5為活塞環(huán)-氣缸套在6次重復(fù)貧油試驗中的摩擦力隨時間變化趨勢?？梢钥?/p>

出，摩擦力變化趨勢基本一致，均是停油以后，摩擦力先升高，然后稍有降低，進

而迅速升高。按照2.3中圖1的方法獲得貧油試驗的抗拉缸時間，去除重復(fù)貧油試

驗中抗拉缸時間最大值37分鐘及最小值30分鐘后的4次有效值（30分鐘，31分

鐘，32分鐘，35分鐘）與其算數(shù)平均值（32分鐘）相比，最大偏差為9.4%，偏差

小于10%。

圖5貧油試驗方法中摩擦力隨時間變化規(guī)律（6次重復(fù)試驗）

通過以上分析可以看出，貧油試驗方法在活塞環(huán)-氣缸套抗拉缸性能的評價方

法中具有以下特點：

1）試驗過程簡單，按照步驟操作即可獲得一次貧油試驗的抗拉缸時間；

2）試驗時間短，提高了活塞環(huán)-氣缸套抗拉缸性能的評價效率；

3）整個試驗過程安全可控，不涉及有毒有害物質(zhì)，充分保證了檢驗員及所處

環(huán)境的安全；

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4）本標(biāo)準(zhǔn)提出的方法可以實現(xiàn)對抗拉缸時間的測量，呈現(xiàn)出了摩擦副的抗拉

缸能力；

5）經(jīng)過驗證，重復(fù)試驗相對誤差范圍小于10%，極大地提高了試驗結(jié)果的可

用性。

綜上所述，本標(biāo)準(zhǔn)提出的方法對于活塞環(huán)-氣缸套抗拉缸性能評價具有良好的

適用性，不失為一種活塞環(huán)-氣缸套抗拉缸性能評價方法的新選擇。

四、標(biāo)準(zhǔn)中涉及專利的情況

本標(biāo)準(zhǔn)不涉及專利等知識產(chǎn)權(quán)問題。

五、預(yù)期達到的社會效益、對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的作用的情況

本標(biāo)準(zhǔn)的制定將促進國內(nèi)相關(guān)的柴油機制造商、活塞環(huán)和缸套零部件制造廠家、

潤滑油生產(chǎn)商等相關(guān)企業(yè)摩擦學(xué)測試技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，提升相關(guān)制造領(lǐng)域的研發(fā)能

力。在改進柴油機活塞環(huán)-氣缸套匹配性，改進和優(yōu)化活塞環(huán)鍍層成分提升抗拉缸性

能，調(diào)配潤滑油抗磨添加劑的組分和含量等方面發(fā)揮作用。

六、采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進標(biāo)準(zhǔn)情況，與國際、國外同類標(biāo)準(zhǔn)水平的對比情況，

國內(nèi)外關(guān)鍵指標(biāo)對比分析或與測試的國外樣品、樣機的相關(guān)數(shù)據(jù)對比情況

本標(biāo)準(zhǔn)沒有采用國際標(biāo)準(zhǔn)。

本標(biāo)準(zhǔn)在制訂過程中未查到同類國際、國外標(biāo)準(zhǔn)。