張健鑫

在機(jī)械泵關(guān)鍵零部件的表面堆焊司太立合金以提高耐磨性，為了驗(yàn)證堆焊司太立合金的磨損壽命是否滿足可靠性設(shè)計(jì)要求，需要進(jìn)行磨損試驗(yàn)。司太立合金具有較強(qiáng)的抗磨性能，為了節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間與試驗(yàn)成本，采用加速磨損試驗(yàn)進(jìn)行研究。以載荷為加速應(yīng)力在MM-W1A 立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加速磨損試驗(yàn)，得到不同應(yīng)力水平的磨損壽命。預(yù)測了機(jī)械泵運(yùn)行40 年堆焊司太立合金的可靠度為0.92，置信度為90%，證明其滿足可靠性設(shè)計(jì)要求。研究表明，對于耐磨性能較強(qiáng)的堆焊司太立合金，加速磨損試驗(yàn)可以有效的縮短試驗(yàn)時(shí)間與經(jīng)費(fèi)。

磨損是機(jī)械零件失效的常見故障模式，對于一些有較高可靠性要求的設(shè)備，為了提高其關(guān)鍵零部件的耐磨損性能，常常會在關(guān)鍵零部件的表面堆焊一層具有較強(qiáng)耐磨損性能的硬質(zhì)合金，例如在機(jī)械泵關(guān)鍵零部件的表面堆焊司太立合金以提高其耐磨性能。為了防止堆焊層在使用過程中因?yàn)檫^度磨損而突然失效，需要對其磨損壽命進(jìn)行預(yù)測。

本文針對機(jī)械泵關(guān)鍵零部件的堆焊司太立合金進(jìn)行加速磨損試驗(yàn)研究，并對堆焊司太立合金在使用條件下的磨損壽命進(jìn)行預(yù)測，從而驗(yàn)證其是否滿足可靠性設(shè)計(jì)要求。

試驗(yàn)方案

試驗(yàn)裝置與加速應(yīng)力

磨損試驗(yàn)采用銷盤磨損，在MM-W1A 立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行干磨損，使用TB-215D 分析天平測量磨損質(zhì)量。

加速磨損試驗(yàn)的常用加速應(yīng)力為滑動速度和載荷。高轉(zhuǎn)速對于磨損樣件和磨損試驗(yàn)機(jī)都有非常高的要求，由于堆焊司太立合金的實(shí)際磨損環(huán)境具有很高的滑動速度，為了簡化試驗(yàn)，不宜將滑動速度作為加速應(yīng)力。載荷是比較常用的加速磨損應(yīng)力，且容易實(shí)現(xiàn)，因此選擇載荷作為加速應(yīng)力。

可靠性統(tǒng)計(jì)模型

磨損是一種損傷自耗型的時(shí)間歷程，通常采用威布爾分布來描述磨損壽命。兩參數(shù)威布爾分布的概率密度函數(shù)為：

式中：t——壽命；

m——形狀參數(shù)；

η——尺度參數(shù)（特征壽命）。

他們不住地點(diǎn)頭，我不忘給他們潑冷水：“挑戰(zhàn)才剛剛開始，你們要有心理準(zhǔn)備哦！”他們信心滿滿地說：“老師放心，我們會努力的！”“好樣的！”我稱贊他們。“你們隨時(shí)可以來找我，我是你們堅(jiān)強(qiáng)的后盾。”

以載荷為加速應(yīng)力的加速壽命試驗(yàn)滿足逆冪率模型，則壽命數(shù)據(jù)與加速應(yīng)力的關(guān)系為：

式中：iT——樣本的壽命數(shù)據(jù)；

a、b——常數(shù)；

vi——加速應(yīng)力水平。

司太立合金磨損加速壽命試驗(yàn)基本假定如下：

（1）司太立合金在正常應(yīng)力水平和加速應(yīng)力水平下的磨損壽命都服從威布爾分布。即應(yīng)力水平的改變不會改變司太立合金的磨損壽命分布類型；

（2）司太立合金在加速應(yīng)力水平下的失效機(jī)理與正常應(yīng)力水平下的失效機(jī)理相同。由于威布爾分布的形狀參數(shù)反映故障機(jī)理的變化，因此該假定意味著在各應(yīng)力水平下壽命分布的形狀參數(shù)保持不變。

（3）特征壽命與試驗(yàn)應(yīng)力滿足如下加速模型：

最高應(yīng)力水平的確定

圖1 正常應(yīng)力水平磨損表面形貌

圖2 36N 磨損表面形貌

圖3 50N 磨損表面形貌

磨損表面形貌是直接反映磨損失效機(jī)制的最主要判據(jù)，故可通過掃描電鏡觀察磨損表面形貌來判定磨損失效機(jī)制。在司太立合金磨損機(jī)理不變的前提下，可以盡可能提高載荷，從而縮短試驗(yàn)時(shí)間，節(jié)約試驗(yàn)成本。為確定最高應(yīng)力，對試驗(yàn)樣品施加步進(jìn)載荷，觀察不同應(yīng)力水平的磨損表面形貌，判斷磨損機(jī)理是否發(fā)生變化。不同應(yīng)力水平的磨損表面形貌如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5 所示，其磨損機(jī)理都是以疲勞剝落為主，并伴有輕微的粘著磨損，磨損機(jī)理基本一致。由于磨損試驗(yàn)采用干磨損，力矩較大，出于保護(hù)試驗(yàn)機(jī)的目的，不再繼續(xù)增加載荷，將最高應(yīng)力確定為96N。

樣品分配

為了獲得較多的試驗(yàn)信息和較高的外推精度，加速磨損試驗(yàn)選取恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)。對于恒定應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)，應(yīng)力水平數(shù)不低于4 個(gè)，每個(gè)應(yīng)力水平的樣品數(shù)不低于5 個(gè)。由于試驗(yàn)時(shí)間與經(jīng)費(fèi)的限制，加速磨損試驗(yàn)選擇4 個(gè)應(yīng)力水平，每個(gè)應(yīng)力水平的樣品數(shù)5 個(gè)。

圖4 70N 磨損表面形貌

圖5 96N 磨損表面形貌

試驗(yàn)數(shù)據(jù)

加速磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)

加速應(yīng)力水平的確定參考國標(biāo)，保證各應(yīng)力水平的對數(shù)變換是等間距的。司太立合金加速磨損試驗(yàn)的四個(gè)應(yīng)力水平確定為：36N（樣品號1，2，3，4，5），50N（樣品號6，7，8，9，10），70N（樣品號11，12，13，14，15），96N（樣品號16，17，18，19，20）。機(jī)械泵每運(yùn)行一年，司太立合金磨損50min，磨損試驗(yàn)進(jìn)行2000min，相當(dāng)于機(jī)械泵運(yùn)行40 年，不同運(yùn)行時(shí)間的磨損厚度如表1 所示，磨損厚度由分析天平測得的磨損質(zhì)量換算得來。

圖6 樣品1 磨損過程曲線

表1 磨損厚度數(shù)據(jù)（μm）

表2 偽失效壽命數(shù)據(jù)

偽失效壽命

司太立合金的磨損厚度與時(shí)間大致呈線性關(guān)系，例如樣品1 的磨損過程曲線（見圖6）。對磨損過程曲線進(jìn)行線性擬合，根據(jù)司太立合金的最大允許磨損厚度，可以求出每個(gè)樣本的偽失效壽命（見表2）。

威布爾分布參數(shù)估計(jì)

對不同應(yīng)力水平的偽失效壽命進(jìn)行檢驗(yàn)，各應(yīng)力水平的壽命數(shù)據(jù)都服從顯著性水平為0.1 的威布爾分布。利用線性無偏估計(jì)獲得各應(yīng)力水平威布爾分布的相關(guān)參數(shù)，其結(jié)果如表3 所示。四種應(yīng)力水平威布爾分布的形狀參數(shù)接近，證明四種應(yīng)力水平磨損機(jī)理基本一致。

表3 威布爾分布參數(shù)估計(jì)

圖7 堆焊司太立合金可靠度曲線

壽命預(yù)測

利用線性無偏估計(jì)獲得加速方程的參數(shù)估計(jì)，從而外推得到正常應(yīng)力水平的可靠度函數(shù)（見圖7）。利用可靠度函數(shù)進(jìn)行壽命預(yù)測：置信度90%，機(jī)械泵運(yùn)行40 年，堆焊司太立合金的可靠度為0.92，滿足可靠性設(shè)計(jì)要求。

結(jié)語

機(jī)械泵運(yùn)行40 年堆焊司太立合金的可靠度為0.92，置信度為90%，證明其滿足可靠性設(shè)計(jì)要求。對于耐磨性能較強(qiáng)的堆焊司太立合金，加速磨損試驗(yàn)可以有效的縮短試驗(yàn)時(shí)間并節(jié)省經(jīng)費(fèi)。