洪 杰 楊 鑫 陳璐璐 張大義

(北京航空航天大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京100191)

在振動(dòng)工況下(如發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、氣流波動(dòng)、熱循環(huán)應(yīng)力、疲勞載荷等)，兩個(gè)“近似緊固”的接觸表面通常會(huì)發(fā)生微米級(jí)的小幅度相對(duì)運(yùn)動(dòng)，稱之為微動(dòng)［1－3］.在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中具有代表性的微動(dòng)如下:①各種連接件，包括各種螺栓、鉚釘、銷連接和搭接;②各種榫槽配合、花鍵配合，如葉片的榫槽配合;③各種緊配合，如渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的葉冠.

微動(dòng)現(xiàn)象的存在會(huì)造成接觸面的磨損，引起結(jié)構(gòu)間發(fā)生松動(dòng)或破壞，也會(huì)加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展，嚴(yán)重影響構(gòu)件的疲勞壽命.微動(dòng)磨損已成為機(jī)械工業(yè)中關(guān)鍵零部件破壞、失效的主要原因之一［4－5］.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)微動(dòng)磨損進(jìn)行了大量的研究.文獻(xiàn)［6－7］通過實(shí)驗(yàn)得出磨損體積和垂直正壓力之間成線性關(guān)系，正壓力越大，其磨損越嚴(yán)重.文獻(xiàn)［8］研究了單根鋁絲的微動(dòng)磨損和微動(dòng)疲勞性能，認(rèn)為由微動(dòng)引起的塑性變形和磨損以及裂紋萌生是電纜疲勞失效的主要原因.張曉宇和蔡振兵等［9－10］分別考察I-800合金的微動(dòng)磨損特性和鋼-鋼接觸的扭動(dòng)微動(dòng)磨損氧化行為.

然而由于沒有宏觀的大幅值相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中，微動(dòng)現(xiàn)象從設(shè)計(jì)、使用、失效分析到維修幾乎未被大家認(rèn)識(shí)，在失效分析中，一般只強(qiáng)調(diào)材料質(zhì)量、強(qiáng)度等問題，極少將配合面的微動(dòng)磨損作為考慮的一個(gè)因素.為了提高設(shè)計(jì)人員對(duì)微動(dòng)磨損的重視和對(duì)微動(dòng)現(xiàn)象進(jìn)行初步的實(shí)驗(yàn)分析，作者針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉冠涂層材料進(jìn)行了接觸剛度和微動(dòng)磨損測(cè)試.

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)裝置見圖1，由簡(jiǎn)支梁激勵(lì)系統(tǒng)、摩擦副系統(tǒng)、正壓力加載系統(tǒng)和位移、力傳感系統(tǒng)組成.實(shí)驗(yàn)原理如下:1#摩擦塊位于簡(jiǎn)支梁的中間位置處，通過激振器激勵(lì)簡(jiǎn)支梁第1階彎曲振動(dòng)，可保證1#摩擦塊在垂直方向上運(yùn)動(dòng)，通過激光位移傳感器拾取梁中間位置的振動(dòng)位移信號(hào).通過正壓力加載系統(tǒng)使2#/3#摩擦塊以一定的正壓力與1#摩擦塊接觸，在振動(dòng)中通過力傳感器拾取摩擦力信號(hào).為了保證摩擦副盡量在垂直方向上振動(dòng)，水平方向上安裝有水平力監(jiān)測(cè)傳感器，實(shí)驗(yàn)過程中保證水平力幅值位于可控最小誤差允許范圍內(nèi).

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置圖

帶有涂層的摩擦實(shí)驗(yàn)件見圖2.為模擬不同的接觸方式，其中1#，2#摩擦塊為球面/平面接觸摩擦副，分別在45#鋼基體上堆焊耐磨涂層(某發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片葉冠涂層);1#，3#摩擦塊為柱面/平面接觸摩擦副，3#摩擦塊為整體涂層材料棒.

圖2 帶涂層實(shí)驗(yàn)件

2 接觸剛度實(shí)驗(yàn)

2.1 激振力幅值影響分析

在一階彎曲共振頻率下，改變激振力幅值，通過位移傳感器和力傳感器的測(cè)試結(jié)果繪制遲滯曲線，計(jì)算不同激振力幅值下的接觸剛度，結(jié)果如圖3所示.

圖3 接觸剛度隨激振力幅值變化關(guān)系

隨著激振力幅值從6 N上升至12 N，接觸剛度呈現(xiàn)小幅值的先增大后下降的趨勢(shì).激振力幅值增加的直接影響是振動(dòng)位移幅值的增加.一般來講，對(duì)于循環(huán)次數(shù)小于105次的低周微動(dòng)，接觸剛度一般不隨振動(dòng)位移幅值發(fā)生變化［4］.但當(dāng)振動(dòng)幅值逐漸增大時(shí)，接觸區(qū)域從粘滯或部分滑移逐漸過渡至滑移區(qū).工作狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定時(shí)，部分滑移區(qū)域內(nèi)摩擦系數(shù)μ隨位移成正比例變化，在混合區(qū)域(滑移區(qū)域和部分滑移區(qū)域之間)達(dá)到峰值，隨后在滑移區(qū)域隨位移增大而逐漸減小.由于摩擦系數(shù)與接觸剛度近似正比關(guān)系，因此隨著激振力的增加，接觸剛度呈現(xiàn)圖3所示規(guī)律.

2.2 激振頻率影響分析

由于帶有接觸摩擦，簡(jiǎn)支梁激振系統(tǒng)為非線性系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，一階共振頻段約為180～200 Hz，測(cè)試頻段為150～210 Hz，接觸剛度隨激振頻率的變化關(guān)系如圖4所示.從圖4可以看到，接觸剛度在非共振頻段變化緩慢，經(jīng)歷共振區(qū)后接觸剛度有所升高.在經(jīng)歷共振區(qū)時(shí)，接觸剛度急劇下降至負(fù)值后又快速升高，直至保持穩(wěn)定.

圖4 接觸剛度隨激振頻率變化關(guān)系

對(duì)于本文的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，當(dāng)激振頻率改變同時(shí)帶來振動(dòng)幅值的改變，達(dá)到共振頻段時(shí)，振動(dòng)幅值最大，此時(shí)摩擦副表面承受的切向載荷是最高的.由于結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性變形，達(dá)到最大承載力后結(jié)構(gòu)力-位移曲線進(jìn)入下降段，在曲線的頂點(diǎn)或下降段，結(jié)構(gòu)的剛度為負(fù).因此，接觸面每經(jīng)歷一次共振區(qū)，接觸表面就會(huì)產(chǎn)生一定程度的塑性變形和磨損.當(dāng)振動(dòng)頻率升高時(shí)，磨屑的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)逐漸加快，極易從接觸表面溢出.磨屑對(duì)基體可以起到一定的潤(rùn)滑保護(hù)作用，當(dāng)接觸區(qū)域磨屑減少時(shí)，接觸表面容易發(fā)生更大的塑性變形，摩擦系數(shù)升高并且接觸面積增大.根據(jù)文獻(xiàn)［11］的仿真計(jì)算結(jié)果，接觸剛度與摩擦系數(shù)和接觸面積近似成正比關(guān)系，因此經(jīng)過共振頻率后接觸剛度升高.

2.3 正壓力影響分析

實(shí)驗(yàn)中在一個(gè)加載循環(huán)下，測(cè)試接觸剛度的變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示.

圖5 接觸剛度隨正壓力變化關(guān)系

一般來講當(dāng)正壓力升高時(shí)，接觸剛度會(huì)逐漸升高至一定數(shù)值保持穩(wěn)定［12］，但這都是基于無磨損假設(shè)進(jìn)行的短時(shí)間實(shí)驗(yàn)或數(shù)值分析.本文實(shí)驗(yàn)在每一個(gè)正壓力下都進(jìn)行了15 min的持續(xù)加載，整個(gè)實(shí)驗(yàn)持續(xù)了450 min.

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，加載時(shí)，正壓力達(dá)到50 N前，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算相符，接觸剛度升高至1.9×107N/mm后基本保持不變.當(dāng)正壓力繼續(xù)升高后，接觸剛度略微下降后快速升高至2.8×10N/mm后保持穩(wěn)定.在卸載階段，整體的變化規(guī)律保持一致，每一個(gè)載荷下的接觸剛度都會(huì)顯著大于加載階段的數(shù)值.

從整個(gè)過程來看，在加載和卸載的過程中，接觸表面都發(fā)生了形態(tài)改變.在加載階段，接觸剛度隨著表面磨損程度的不同，從一個(gè)穩(wěn)定階段過渡到下一個(gè)穩(wěn)定階段，并隨著接觸面摩擦系數(shù)的升高和接觸面積的增大，接觸剛度一直升高;在卸載階段，變化規(guī)律相同，但由于磨損的不可逆使得接觸剛度均高于同載荷下的加載階段數(shù)值.

3 微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)條件下，磨損難以產(chǎn)生宏觀的尺寸和重量的改變，因此采用光學(xué)顯微鏡觀察接觸區(qū)域表面形態(tài)，分析接觸方式、接觸正壓力和工作時(shí)間對(duì)磨損的影響.

3.1 接觸方式影響分析

在20 N正壓力下，經(jīng)歷106次微動(dòng)循環(huán)，分別觀測(cè)兩類摩擦副接觸表面的磨損情況，結(jié)果如圖6所示.

圖6 摩擦副表面磨損情況

對(duì)于球面/平面摩擦副，在光學(xué)顯微鏡下，接觸斑明顯可分為由接觸邊緣引起的輕微磨損區(qū)和接觸中心的粘著區(qū).在接觸區(qū)域由于大量顆粒撕裂脫落，形成一較大的凹坑，凹坑的中心位置處偶爾可見程亮色的區(qū)域，象征著此處為磨損較輕的粘滯點(diǎn);粘滯點(diǎn)周圍為磨損較為嚴(yán)重的混合區(qū)和滑移區(qū)，基本呈現(xiàn)黑色;再向外圍是接觸邊緣微滑引起的輕微磨損區(qū)域.

對(duì)于柱面/平面摩擦副，由于表面粗糙度等原因?qū)е陆佑|的不均勻性和不完全性，表面存在多個(gè)粘著區(qū)和與之共存的混合區(qū)、滑移區(qū);而對(duì)于球面/平面摩擦副則基本符合mindlin模型的滑移圓環(huán)示意圖.同時(shí)可以看到，由于接觸正壓力相同，對(duì)于柱面/平面摩擦副接觸面積較大，接觸應(yīng)力較低，磨損較輕;而在相同的正壓力下，球面/平面摩擦副的磨損則較為嚴(yán)重.

3.2 接觸正壓力影響分析

分別在20 N和100 N的正壓力下，進(jìn)行106次微動(dòng)循環(huán)，在光學(xué)顯微鏡下觀察接觸區(qū)域表面形態(tài)的變化情況.

對(duì)于球面/平面摩擦副實(shí)驗(yàn)件，加大正壓力將會(huì)使接觸斑的面積增大，黑色部分明顯增多，微動(dòng)磨損更嚴(yán)重.如圖7所示.

圖7 不同正壓力球面/平面摩擦副表面磨損情況

對(duì)于柱面/平面摩擦副實(shí)驗(yàn)件，在較大的正壓力下，振動(dòng)初期的接觸面積和接觸方式是相同的(如圖8所示初始接觸線1)，但在較大的正壓力下，初始接觸區(qū)域的磨損較為嚴(yán)重，劃痕更為明顯，隨著磨損的進(jìn)行，這些位置較為突出的初始接觸區(qū)域厚度逐漸下降，當(dāng)磨損到一定程度時(shí)，其他未接觸區(qū)域逐漸參與磨損(接觸線2)，接觸面逐漸增大，接觸應(yīng)力降低，磨損情況得到一定改善，但初始接觸區(qū)域已經(jīng)產(chǎn)生嚴(yán)重磨損，在圖9中可見更多的黑色磨損區(qū)域.

圖8 柱面/平面摩擦副表面磨損過程

3.3 微動(dòng)磨損對(duì)接觸剛度的影響

在20N正壓力下，持續(xù)振動(dòng)70min，根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算接觸剛度數(shù)值，繪制變化曲線見圖10.

隨著振動(dòng)時(shí)間的增加和磨損的進(jìn)行，接觸表面的形態(tài)逐漸發(fā)生變化，其中接觸面積逐漸增大、表面摩擦系數(shù)逐漸升高，都將導(dǎo)致接觸剛度的增大.雖然在測(cè)試時(shí)間段內(nèi)，剛度值只上升了15%，對(duì)于結(jié)構(gòu)而言不至于產(chǎn)生明顯的動(dòng)力特性的改變.但在實(shí)際工況下，工作條件更加惡劣，在加工精度和表面強(qiáng)度一定的情況，磨損不但會(huì)更加嚴(yán)重，而且可能會(huì)產(chǎn)生表面裂紋甚至于掉塊等情況.此時(shí)接觸剛度的改變將會(huì)更加劇烈，從而有可能大幅度影響到結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性.

圖9 不同正壓力柱面/平面摩擦副表面磨損情況

圖10 接觸剛度隨時(shí)間的變化曲線(正壓力為20N)

4 結(jié)論

本文從航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉冠涂層材料的接觸剛度和微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)入手，從載荷條件、接觸方式和工作時(shí)間等不同的角度研究了考慮微動(dòng)磨損情況下接觸剛度的變化規(guī)律和磨損的產(chǎn)生和發(fā)展，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論了各個(gè)因素的影響.

一般來講，消除振動(dòng)源是防止微動(dòng)磨損最簡(jiǎn)單有效的辦法.但在實(shí)際工作中，振動(dòng)通常是難以避免的，因此必須通過采取措施去降低微動(dòng)磨損的破壞.

從實(shí)驗(yàn)中可以看到，材料的嚴(yán)重磨損區(qū)域主要位于滑移區(qū)，在部分滑移區(qū)域和粘滯區(qū)域的損傷則較低，因此首先應(yīng)當(dāng)減少接觸表面間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使微動(dòng)盡量位于粘著區(qū).但對(duì)于眾多的干摩擦阻尼結(jié)構(gòu)而言，又需要存在一定的滑移區(qū)來提供必須的摩擦阻尼作用，過分的強(qiáng)調(diào)降低磨損會(huì)導(dǎo)致阻尼效果降低，結(jié)構(gòu)由于振動(dòng)過大導(dǎo)致其它的故障.因此，對(duì)于應(yīng)用干摩擦阻尼的結(jié)構(gòu)而言，阻尼和磨損是同時(shí)存在、相輔相成的兩個(gè)重要參數(shù)，如何權(quán)衡二者之間的關(guān)系是設(shè)計(jì)人員必須解決的問題.

在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，保證阻尼效果是優(yōu)先解決的問題，在此前提下，可以通過以下幾種方式提高結(jié)構(gòu)的抗磨損性能:

1)通過采用各種表面處理工藝，使材料獲得更具耐磨性和抗疲勞性的特殊的成分與性能.

2)可通過潤(rùn)滑的方式來實(shí)現(xiàn)降低接觸面間的摩擦系數(shù).潤(rùn)滑介質(zhì)的存在會(huì)減緩接觸面間的微動(dòng)破壞.

3)選擇剛性小、可承受彈性變形較大的材料能有效的吸收相對(duì)滑動(dòng)的能量，一定程度上會(huì)減少表面之間的相互作用.并且，通過選取和匹配材料，利用初期形成的磨屑，能夠起到一定的潤(rùn)滑效果，也可以降低磨損.

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