李 見， 王 偉， 劉小君， 劉 焜

（合肥工業(yè)大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009）

研究表面表征參數(shù)與摩擦學特性之間的聯(lián)系，能夠對表面形貌的設計與控制提供重要的指導作用，對工程實際有重要意義，為此國內外學者進行了大量的相關研究。

文獻［1］以缸套為研究對象，得出表面的表面粗糙度Ra在0.25～0.40μm、Rz在3～6μm 時，可以降低缸套油耗，減少碳氫化合物的排放和磨粒的數(shù)量；文獻［2－3］定量描述了在缸套不同的磨損階段，缸套內表面呈現(xiàn)出不同的表面形貌的特性及這些特性對表面的形貌設計和功能分析的主要作用，并針對產品性能與表面加工質量之間的關系進行分析；文獻［4］基于灰值的形態(tài)學運算方法和閾值技術，提出一種分析缸套內表面的微觀形貌多尺度特性的新方法；文獻［5］在浸油狀態(tài)下以45鋼－銅配副進行摩擦磨損試驗，研究表明分形維數(shù)與摩擦力的關聯(lián)性比其他參數(shù)大，在實驗范圍內兩者成反比關系；文獻［6］在鋼板上加工出不同紋理的表面，用另一較軟金屬作配對的摩擦面進行油潤滑滑動摩擦實驗，研究了摩擦系數(shù)與粗糙度參數(shù)的關系；文獻［7］對具有相似Ra、不同峰態(tài)Rku、偏態(tài)Rsk表面進行試驗研究，得到高峰態(tài)Rku值、低偏態(tài)Rsk值都會導致摩擦力的減少；文獻［8］進行表面激光微處理的鋼環(huán)的磨料磨損研究，得到了一些三維參數(shù)與磨損量的關系。但目前對于motif參數(shù)與摩擦學特性的關聯(lián)性研究很少，因此，本文以缸套－活塞環(huán)摩擦副為研究對象，以試驗為手段，進行2D－motif參數(shù)與摩擦學特性的關聯(lián)性研究，為motif參數(shù)在工程實際的應用和缸套表面的設計提供指導和依據(jù)。

1 2D－motif定義及參數(shù)介紹

1.1 2D－motif定義

ISO12085將2D－motif定義為2個不一定相鄰的局部輪廓峰的最高點之間的原始輪廓部分，如圖1所示。分為粗糙度motif和波紋度motif，在一個完整的motif里面還可能包括其他較小的motif，單個motif由平行于輪廓總走向的長度ARj（或AWj）、垂直于輪廓總走向的2個深度Hj和Hj＋1（或HWj和HWj＋1）、特征量T＝min（Hj，Hj＋1）來表征。因此，1個 motif實際上是由3個特征點決定的，即兩端的局部峰頂點，以及這2個峰之間的局部谷底點。

1.2 2D－motif 參數(shù)

Motif法用7個參數(shù)來表征所評定的輪廓，使用參數(shù)少是它的一大特點。各參數(shù)的定義和計算如下：

（1）粗糙度motif的平均間距AR。AR是評定長度內所有單個粗糙度motif長度ARj的算術平均值，即

其中，n為評定長度內所有單個粗糙度motif的個數(shù)，以下含義相同。

（2）粗糙度motif的平均深度R。R是評定長度內所有單個粗糙度motif深度Hj的算術平均值，即

（3）粗糙度motif的最大深度Rx。Rx是評定長度內所有單個粗糙度motif深度Hj的最大值，即

（4）波紋度motif的平均間距AW。AW是評定長度內所有單個波紋度motif長度AWj的算術平均值，即

其中，n為評定長度內所有單個波紋度motif的個數(shù)，以下含義相同。

（5）波紋度motif的平均深度W。W是評定長度內所有單個波紋度motif深度HWj的算術平均值，即

（6）波紋度motif的最大深度Wx。Wx是評定長度內所有單個波紋度motif的深度HWj的最大值，即

（7）輪廓總深度Wte。Wte是在垂直于原始輪廓總走向的方向上測量的，原始輪廓上包絡線的最高點和最低點之間的距離，如圖2所示。

圖2 Wte及Wx示意圖

Motif法將原始輪廓劃分為獨立的幾何單元，motif參數(shù)則反應了輪廓不規(guī)則性的幾何尺度，而且這些參數(shù)都是獨立于輪廓的幅值分布的。通過R、AR、W、AW以及它們各自的標準差，可以實現(xiàn)對典型輪廓的重構［9］。同時，參數(shù)R和W反映輪廓的垂直信息，參數(shù)AR和AW表示輪廓不規(guī)則性的水平信息，Rx和Wx反映輪廓的溝槽或者紋理信息，Wte粗糙地反映了輪廓的總體信息，這7個參數(shù)總體能最大程度地反映表面輪廓的真實信息。

2 試驗方法

2.1 試驗原理

本試驗使用合肥工業(yè)大學摩擦所研制的往復式摩擦磨損試驗機。試驗使用的缸套、活塞環(huán)均是從實際缸套、活塞環(huán)上截取，據(jù)前期試驗探索和本課題組已有研究成果，設計了8組試件具有不同形貌的表面。加工后的試件使用Talyor－Hobson－6型輪廓儀（英國）對缸套內表面進行測量，根據(jù)采集的數(shù)據(jù)點對該表面進行2D－motif參數(shù)計算，計算結果見表1所列。

通過試驗對各組試件在相同試驗條件下進行摩擦系數(shù)、磨損量及穩(wěn)定溫度信息采集，以此建立2D－motif參數(shù)與摩擦學特性的關聯(lián)性研究，試驗機示意圖如圖3所示。

表1 計算得到的各組試件motif參數(shù)

圖3 往復摩擦磨損試驗機示意圖

2.2 試驗過程

在實驗過程中，摩擦副通過位于實驗臺頂端的滴油管采用滴油潤滑方式將潤滑油滴入上試樣，潤滑油加入速度為1.5滴／s，每次試驗時間為8h。載荷的施加是通過使用一個1∶7的杠桿機構實現(xiàn)，實驗采用逐級加載方式。實驗機中的往復機構采用交流電機驅動，試驗機往復運動行程為114mm，通過變頻器來控制電機的轉速。實驗選用的潤滑油為15W／40CD長城潤滑油，使用TJL－1拉壓傳感器測量下試件的摩擦力，并通過熱電偶測量上試件的溫度。

3 實驗結果與討論

3.1 2D－motif參數(shù)與摩擦學特性的關聯(lián)性

3.1.1 AR對摩擦特性、溫度特性的影響

AR與摩擦特性、溫度特性的關系，如圖4所示。

圖4 AR與摩擦學特性關系

由圖4a可以看出，AR與摩擦系數(shù)f和穩(wěn)定溫度都表現(xiàn)出較強的規(guī)律性；在AR與摩擦系數(shù)的關系圖中，當AR＞0.165 1時，隨著AR的增大，摩擦系數(shù)呈減小趨勢，波動性不大，但在最后一個數(shù)據(jù)點出現(xiàn)異常。由圖4b可以看出，當AR＞0.173 9時，穩(wěn)定溫度隨著AR的增大總體呈現(xiàn)升高的趨勢，但有微小的波動?？梢夾R與摩擦系數(shù)、溫度的關系密切相關。

3.1.2 AW對磨損特性的影響

研究表明表面的AW與磨損特性有較強的規(guī)律性，其關系如圖5所示。

圖5 AW與磨損量關系

由圖5可以看出，AW與磨損量關系曲線出現(xiàn)較大波動，AW在區(qū)間［0.693 2 1.123 5］上，磨損量的值隨著AW的增加而減小，但中間有較小波動。所以，AW在一定范圍內作為評估磨損量的參數(shù)。

3.1.3 W、Wte對摩擦學特性的影響

W在某種程度上能較真實地反應微處理對摩擦學特性的影響，對流體動壓潤滑有一定信息反應，其與溫度特性和磨損特性的關系如圖6所示。

由圖6a可知，W與溫度總體來看呈較強的規(guī)律性，尤其是W在區(qū)間［0.539 9 1.318 2］上，溫度總體上隨著W的增加而減小，只有一個異常波動點，因此其與工件溫度密切相關。由圖6b可知，W與磨損量的關系，總體來說有一定規(guī)律。W在［0.290 1 1.270 3］區(qū)間上，磨損量隨著W的增大有微弱的增加，持續(xù)到W＝1.089后，隨著W的繼續(xù)增大，磨損量減小至W＝1.270 3，因此，W與工件磨損量密切相關。

Wte與磨損量有很強的關聯(lián)性，其關系如圖7所示。

Wte與磨損量呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性，總體呈“V”字形曲線，并且基本沒有異常波動，數(shù)據(jù)點2、3的Wte值比較接近，磨損量也非常接近，可以看作是一個點。

因此，在Wte不大于3.150 9時，隨著Wte的增大，磨損量增加，在Wte＝3.150 9時達到最小值；當Wte不小于3.150 9時，隨著Wte的增大，磨損量增加，至Wte＝5.270 8時基本穩(wěn)定不變，但是由于Wte＞5.270 8時，數(shù)據(jù)點比較少，具體在該區(qū)域與磨損量的關系還不能確定。可以得出，Wte與磨損量的關系非常密切，其值的大小可以有效地評價工件的磨損量。

圖6 W 與溫度特性、磨損特性關系

圖7 Wte與磨損量關系

3.2 實驗前、后各參數(shù)的變化情況

試驗前、后參數(shù)的實際變化情況與理論變化情況是否一致，是進一步研究和證明2D－motif參數(shù)的一個重要方面，為此，考察了試驗前后2D－motif各參數(shù)的變化情況，見表2所列。

表2 實驗前后motif參數(shù)變化情況

表2中“↓”表示實驗后參數(shù)值減去實驗前參數(shù)值為“＋”值，即參數(shù)值減小了；“↑”表示參數(shù)實驗前、后對比參數(shù)增大了。

由表2可知，試驗后，參數(shù)AR、R、Rx、W、Wte都較實驗前減小了，AW總體來說是增大的，Wx總體來說是減小的。

對于粗糙度motif參數(shù)，隨著實驗的進行，每個粗糙度motif的長度都是在減小的，因此AR是減小的，與實驗得出的結論一致。在實驗過程中，每個粗糙度motif的深度及最大深度都是減小的，因此R和Rx是減小的，實驗得出的結果也是這樣；對于波紋度motif參數(shù)，隨著試驗的進行，每個波紋度motif的長度、深度及各個波紋度motif的最大深度都是減小的，而波紋度motif的個數(shù)卻在減小，這是因為隨著試驗的進行，許多局部波紋度材料部分被去除，特別是波紋度中“峰”部分，因此，參數(shù)W、Wx減小，而AW增大。由表2可以看出，雖然AW的變化出現(xiàn)異常點，但極少，總體變化還是呈現(xiàn)增大趨勢的，所以，試驗獲取的參數(shù)W、Wx和AW的變化和理論得到的是一致的；對于包絡線方面的信息，隨著實驗的進行，試件的上層材料或者局部峰必然會有減少，因此Wte從理論上說是減小的，與表中一致。

因此，通過試驗，本研究得到的實驗前、后2D－motif參數(shù)的變化情況與理論相符。

4 結論

（1）本文研究得到了與摩擦系數(shù)關系密切的參數(shù)是AR；與溫度關系密切的參數(shù)有AR、W；與磨損量關系密切的參數(shù)是Wte，有一定相關的參數(shù)是AW、W。

（2）研究發(fā)現(xiàn)，波紋度motif參數(shù)對溫度特性、磨損特性都起到主要的作用，而粗糙度motif參數(shù)與摩擦特性的關聯(lián)性比較密切。

（3）運用試驗手段，檢驗了試驗過程中2D－motif參數(shù)工作前、后的變化情況與理論的一致性，為進一步的研究提供試驗基礎，也為2D－motif參數(shù)的應用提供數(shù)據(jù)結果。

本文以缸套－活塞環(huán)摩擦副為研究對象，運用試驗的手段，對缸套內表面的motif參數(shù)與摩擦學特性的關聯(lián)性進行研究，研究成果為工程實際缸套的設計提供指導。

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