郭占斌，高松林

（黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)工程學(xué)院，大慶 163319）

移箱機(jī)構(gòu)是水稻插秧機(jī)的重要部件，它擔(dān)負(fù)著插秧機(jī)的縱、橫向送秧工作，對(duì)插秧機(jī)的取秧量和工作可靠性有直接影響[1]。在影響移箱機(jī)構(gòu)系統(tǒng)性能的諸多因素中，移箱機(jī)構(gòu)中的滑塊和雙螺旋軸之間的磨損現(xiàn)象占有相當(dāng)比重。而移箱機(jī)構(gòu)中的滑塊和雙螺旋軸之間的摩擦是在變速變壓的條件下進(jìn)行的，因此，研究滑塊和雙螺旋軸在不同滑動(dòng)速度和正壓力條件下的摩擦特性，對(duì)提高插秧機(jī)的工作可靠性和使用壽命方面具有十分重要的意義[2-3]。

研究所選的三種金屬材料（45#，25CrMn，40CrNiMo）在工程材料中具有一定的代表性：它們均是鋼材中最常用的加工材料，具有良好的加工性能和多方位的處理工藝，而且常被用來(lái)制造軸類、齒輪及其他一些緊固零件等。故而以這三種常用金屬材料組成的摩擦副作為研究對(duì)象，采用M-200 型磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，研究不同滑動(dòng)速度和正壓力條件下摩擦副之間的磨損規(guī)律。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)機(jī)

如圖1 所示，試驗(yàn)采用的磨損試驗(yàn)機(jī)是由宣化材料試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的M-200 型磨損試驗(yàn)機(jī)。在該試驗(yàn)機(jī)上可進(jìn)行各種金屬及非金屬材料的多種狀態(tài)耐磨性能試驗(yàn)，如滾動(dòng)摩擦、滑動(dòng)摩擦、間隙接觸摩擦和滾動(dòng)滑動(dòng)復(fù)合摩擦等試驗(yàn)。該試驗(yàn)機(jī)還可模擬各種材料在濕摩擦、干摩擦以及磨粒磨損等多種摩擦條件下的摩擦磨損試驗(yàn)。

圖1 M-200 型磨損試驗(yàn)機(jī)Fig.1 M-200 Type wear tester

評(píng)定材料摩擦學(xué)性質(zhì)的一個(gè)重要參數(shù)是摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)μ 可利用摩擦力矩計(jì)算得出，而摩擦力矩可直接從試驗(yàn)機(jī)上讀出，為提高其精度，測(cè)試中均在摩擦趨于穩(wěn)定階段時(shí)讀取摩擦力矩[4]，并取其平均值，μ 按下式計(jì)算：

式中：M 為摩擦力矩，N·m；

r 為試環(huán)半徑，r=0.02m；

F 為摩擦試樣承受垂直載荷，N。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所需材料試塊45#，25CrMn，40CrNiMo均由哈爾濱飛機(jī)制造廠生產(chǎn)；所有材料均未進(jìn)行熱處理，表面粗糙度Ra 為0.1～0.3 μm。其中試塊尺寸為6 mm×7 mm×10 mm；試環(huán)尺寸為內(nèi)徑Ф16 mm，外徑Ф40 mm，厚度10 mm，外圓表面與內(nèi)圓同心度偏差小于0.01 mm。

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)是在M-200 磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行的，試件的接觸方式及運(yùn)動(dòng)形式如圖2 所示：

試驗(yàn)的條件：溫度為20±5 ℃，濕度為40±10%，試驗(yàn)選取3 種材料組成3 組摩擦副作為研究對(duì)象，其中保持靜止的試塊全部為45#。轉(zhuǎn)動(dòng)的試環(huán)材料分別為45#、25CrMn、40CrNiMo。試塊與試環(huán)做滑動(dòng)摩擦，試驗(yàn)時(shí)間為1 h，潤(rùn)滑方式為油潤(rùn)滑，潤(rùn)滑油為6200N100，潤(rùn)滑油以每15 s 一滴的流速滴在磨損面上。試驗(yàn)影響因素及水平如表1 所示。

圖2 摩擦磨損模型Fig.2 Friction and wear model

表1 試驗(yàn)影響因素及水平Table 1 The influence factors and level of the test

磨損量采用測(cè)量磨損失重方法得到。每次試驗(yàn)前、后試塊和試環(huán)都放在超聲波清洗機(jī)中用丙酮溶液清洗并烘干，用感量為0.1 mg 的電子分析天平稱其質(zhì)量損失。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 載荷、速度對(duì)摩擦因數(shù)的影響

載荷、速度對(duì)摩擦因數(shù)的影響如圖3 所示。

從圖3 可看出，45#和40CrNiMo兩組的摩擦因數(shù)在試環(huán)轉(zhuǎn)速一定時(shí)隨著載荷的增大而減小，其中45#一組在速度一定時(shí)其摩擦因數(shù)隨著載荷的增大近似線性減小，40CrNiMo一組在載荷小于400 N 時(shí)載荷的變化顯著影響摩擦因數(shù)的大小，對(duì)應(yīng)于曲線的斜率變化較大，當(dāng)載荷大于400 N 時(shí)曲線的斜率變化趨于緩和；而25CrMn一組在試環(huán)轉(zhuǎn)速一定時(shí)摩擦因數(shù)隨著載荷的增大而減小。

通過(guò)對(duì)2 種轉(zhuǎn)速下3 組摩擦副的摩擦因數(shù)分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)：隨著試環(huán)轉(zhuǎn)速的增大摩擦因數(shù)整體相應(yīng)增大，低轉(zhuǎn)速時(shí)摩擦因數(shù)隨著載荷的增大變化顯著；高轉(zhuǎn)速時(shí)摩擦因數(shù)隨著載荷的增大變化較小。由此得出在較低轉(zhuǎn)速下，載荷是影響摩擦因數(shù)的主要因素，而速度對(duì)摩擦因數(shù)的影響較小。對(duì)比2 種不同速度下摩擦副的摩擦因數(shù)，就其變化特性而言，從總體看45#一組的摩擦因數(shù)較其他兩組的摩擦因數(shù)小，且變化曲線近似成線性增大，說(shuō)明其對(duì)載荷變化不敏感。而25CrMn一組無(wú)論在低轉(zhuǎn)速還是在高轉(zhuǎn)速條件下其摩擦因數(shù)都處于穩(wěn)定的范圍之中，由此可以分析得出，在此試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)條件下25CrMn一組摩擦副具有較好的耐磨性能。

2.2 載荷、速度對(duì)磨損量的影響

載荷、速度對(duì)磨損量的影響如圖4 所示。

圖3 不同摩擦副在不同速度條件下載荷對(duì)摩擦因數(shù)的影響Fig.3 Effect of friction factor on different speeds and load

圖4 不同摩擦副在不同速度條件下載荷對(duì)磨損量的影響Fig.4 Effect of the amount of wear on different speeds and load

圖4 是不同轉(zhuǎn)速條件下3 種摩擦副磨損量隨載荷的變化情況。通過(guò)對(duì)2 種轉(zhuǎn)速下3 組摩擦副的磨損量分析對(duì)比發(fā)現(xiàn)：3 種摩擦副質(zhì)量磨損變化規(guī)律表現(xiàn)是很相似的，即隨著載荷和轉(zhuǎn)速的增大摩擦副的磨損量逐漸增加。當(dāng)載荷大于300 N 時(shí)磨損量曲線斜率陡增，磨損量急劇增加，在低速時(shí)這種現(xiàn)象更加突出，且高速時(shí)摩擦副的磨損量顯著高于低速時(shí)的磨損量。由此表明摩擦副之間的摩擦速度和接觸載荷是影響摩擦副的磨損量的重要因素，在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速、載荷的微小變化顯著影響摩擦副的磨損量。在實(shí)驗(yàn)條件下存在一臨界值，當(dāng)轉(zhuǎn)速、載荷超過(guò)這一臨界值時(shí)，磨損量顯著變化。對(duì)比3 種摩擦副的磨損量可以發(fā)現(xiàn)25CrMn一組具有較低的磨損量和較好的摩擦副性能。

2.3 磨損機(jī)理的探討

載荷、速度對(duì)摩擦副磨損表面的影響如圖5、6所示。

圖5 45#試環(huán)磨損表面的SEM 照片F(xiàn)ig.5 45#ring wear surface of SEM

圖5 是與45#對(duì)磨的45#試環(huán)在載荷為400 N滑動(dòng)速度分別0.42 m·s-1、0.84 m·s-1的條件下摩擦副磨損表面的電子掃描照片[5]。從前文可知隨著轉(zhuǎn)動(dòng)速度的增加摩擦副的摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定，變化范圍逐漸減小，這種宏觀上的變化與摩擦副表面微觀特征有密切的聯(lián)系。從圖5（a）可看出摩擦副表面主要由犁皺塑性變形和微量的劃痕組成，而圖5（b）中的摩擦副表面主要是犁皺塑性變形。比較兩圖可看出不同轉(zhuǎn)速下的摩擦副磨損表面粗糙度相近，這與轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦因數(shù)的影響較小的規(guī)律是相吻合的。

由于摩擦力是由粘附力、微凸體塑性變形力、硬質(zhì)微凸體和磨粒犁溝力三項(xiàng)組成，摩擦副之間的滑動(dòng)速度的改變會(huì)影響到摩擦副表面的溫升。當(dāng)滑動(dòng)速度較小時(shí)，摩擦副表面的溫度較低，滑塊對(duì)試環(huán)的切削和擠壓很困難，所以磨損量相應(yīng)的較低，而摩擦副的塑性變形抗力較大，此時(shí)摩擦副之間的阻力主要來(lái)自摩擦副間接觸表面微凸峰間的相互阻礙作用，故而摩擦副間摩擦阻力增大，摩擦因數(shù)相應(yīng)較高；當(dāng)摩擦副間滑動(dòng)速度增大時(shí)，摩擦副間表面的溫度將升高，因而摩擦副的塑性變形抗力降低，微凸峰之間的互相阻礙作用將減小，塑性變形力也相應(yīng)降低，導(dǎo)致摩擦副間的摩擦阻力減小，因此摩擦副間的摩擦因數(shù)較低。由于當(dāng)摩擦副處在較高轉(zhuǎn)速時(shí)，大量的摩擦功轉(zhuǎn)化為熱量使得摩擦副間的溫度迅速升高，導(dǎo)致摩擦副表面軟化，摩擦副間的實(shí)際接觸面積增大、接觸點(diǎn)發(fā)生粘合，同時(shí)滑塊和試環(huán)表面相互連續(xù)不斷的滑動(dòng)，引起接觸點(diǎn)的剪切和新的接觸點(diǎn)的形成，故而經(jīng)過(guò)粘合、撕裂、再粘合、再撕裂的循環(huán)過(guò)程，造成較為嚴(yán)重的粘著磨損，因此摩擦副的磨損量較大，這與磨損量隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律是相一致的。

圖6 25CrMn 試環(huán)磨損表面的SEM 照片F(xiàn)ig.6 25CrMn ring wear surface of SEM

圖6 與45#對(duì)磨的25CrMn試環(huán)在滑動(dòng)速度為0.84 m·s-1載荷分別為200 N 和400 N 條件下摩擦副磨損表面的電子掃描照片。從圖中可看出，在載荷為400 N 時(shí)摩擦副表面比載荷為200 N 時(shí)粗糙，故而摩擦因數(shù)較大。經(jīng)分析是由于：載荷較小時(shí)，摩擦副間的接觸多為點(diǎn)接觸，摩擦阻力主要來(lái)源于摩擦副表面間的微凸體之間的互相阻礙，摩擦力也相對(duì)較大，摩擦因數(shù)也相應(yīng)增大；當(dāng)載荷增大時(shí)由于表面溫度升高使得摩擦副間表面由點(diǎn)接觸變?yōu)槊娼佑|，最后接近表觀接觸面積，此時(shí)摩擦副表面間的摩擦力不再增大，即摩擦阻力增加的速度沒(méi)有正壓力增加的速度快，故而摩擦因數(shù)出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。

對(duì)比圖6（a）、（b）可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)給摩擦副施以200 N 的載荷時(shí)摩擦副表面有大量的由于犁削作用而產(chǎn)生的犁皺塑性變形，而施以400 N 的載荷時(shí)有明顯的塑性流動(dòng)和材料剝落的痕跡。這是由于隨著施加載荷的增大，摩擦副間的磨損表面塑性變形嚴(yán)重，塑性變形功也相應(yīng)增加，因而造成真實(shí)接觸面積和接觸的微凸體數(shù)增加，微凸體壓入深度增大，最后使得摩擦副的磨損現(xiàn)象嚴(yán)重。

3 結(jié)論

3.1 在此試驗(yàn)條件下，25CrMn與45#組成摩擦副時(shí)結(jié)合效果最好，該組合具有較好的摩擦磨損性能，滑塊試樣磨損量也最小。

3.2 摩擦副間的摩擦因數(shù)隨著所施載荷的增大而減小，隨速度的增大先增大而后趨于穩(wěn)定；摩擦副的磨損量隨所施載荷、速度的增大而增大；摩擦副間的滑動(dòng)速度和接觸壓力是影響磨損量的主要因素，在一定范圍內(nèi)滑動(dòng)速度、接觸壓力的微小變化顯著影響滑塊的質(zhì)量磨損速率，摩擦磨損特性存在著敏感的速度、壓力范圍。

3.3 在此試驗(yàn)條件下，粘著磨損是摩擦副間磨損的主要形式，隨摩擦副間接觸壓力和滑動(dòng)速度的增加其磨損機(jī)制逐漸由粘著磨損向磨粒磨損和剝落磨損轉(zhuǎn)化過(guò)渡。

3.4 通過(guò)以上試驗(yàn)，故選取25CrMn與45#組合作為傳動(dòng)副的材料，可以提高雙向螺旋軸組件的使用壽命。

［1］楊文珍，趙勻，李革，等.高速水稻插秧機(jī)移箱螺旋軸回轉(zhuǎn)軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003（6）：167-168.

［2］徐飛軍，李革，趙勻.水稻插秧機(jī)移箱機(jī)構(gòu)的發(fā)展研究［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2008，30（5）：1-4.

［3］趙勻，黃節(jié)泵，張瑋煒.旋轉(zhuǎn)式水稻插秧機(jī)移箱機(jī)構(gòu)耐磨損設(shè)計(jì)［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008（6）：58-62.

［4］王鵬，譚峰.低功耗水稻育秧秧棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（3）：78-80.

［5］石建飛，李愛(ài)傳，劉羽楠，等.基于AT89S52 單片機(jī)的巖心圖像采集儀的電機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)［J］.黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（1）：88-95.