韓紅彪　高云凱　吳育兵　張永振　杜三明

1.西北工業(yè)大學(xué),西安,710072　　2.河南科技大學(xué),洛陽,471003

直流磁場下銷盤摩擦副接觸面的磁感應(yīng)強度和磁吸力分析

韓紅彪1,2高云凱2吳育兵2張永振1,2杜三明2

1.西北工業(yè)大學(xué),西安,7100722.河南科技大學(xué),洛陽,471003

為了研究磁場對材料摩擦磨損性能的影響，通過試驗檢測了銷盤接觸時的磁吸力，利用電磁場有限元軟件分析計算了銷盤摩擦副在接觸區(qū)域的磁感應(yīng)強度大小和分布及磁吸力的大小。試驗和仿真結(jié)果表明:磁感應(yīng)強度和磁吸力都隨線圈電流的增大和氣隙的縮小而增大，并且與材料的磁化特性有關(guān)；銷盤上的磁場分布不均勻，當(dāng)盤旋轉(zhuǎn)進(jìn)行摩擦磨損試驗時，盤上各點將產(chǎn)生動態(tài)磁化現(xiàn)象；由于銷和盤之間的微凸峰接觸存在漏磁,故在磁場仿真時可用一個極小的間隙來表示其實際磁接觸狀態(tài)；在銷和盤接觸時,可用試驗得到的最大磁吸力值根據(jù)麥克斯韋公式計算出接觸面的平均磁感應(yīng)強度。

直流磁場;銷盤摩擦副;仿真;磁感應(yīng)強度;磁吸力

0　引言

由于機電一體化和機械裝備的多樣化、復(fù)雜化,電磁特性對機械設(shè)備摩擦副中的零部件(如勵磁電機中的碳刷、電磁制動離合器[1-2]等)性能的影響越來越大,相對運動的摩擦副在磁場作用下進(jìn)行干滑動摩擦?xí)r會產(chǎn)生諸如動態(tài)磁化、磁致伸縮、物體間磁吸力以及表面氧化等現(xiàn)象，從而影響零部件的表面硬度、耐磨性以及使用壽命。

20世紀(jì)40年代以來，人們已經(jīng)開始研究磁場對摩擦副摩擦磨損性能的影響。印度[3]、日本[4]、法國[5-6]等國家的學(xué)者的研究表明:磁場能夠改變鐵磁性材料的摩擦學(xué)性能,在一定程度上能減小鐵磁性材料的磨損。國內(nèi)一些學(xué)者[7-9]也開展了磁場對材料摩擦磨損特性的研究，并獲得了相似的結(jié)論。

大多數(shù)學(xué)者在研究時主要考慮了施加的外部磁場強度H的大小,而對摩擦副接觸面上實際的磁感應(yīng)強度B及其分布、磁吸力Fd、相對運動產(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象等研究較少。而摩擦主要是兩個物體表面之間的相對運動和相互作用,接觸面的磁感應(yīng)強度及其分布影響了接觸面的表面特性、表面膜的流變性；磁感應(yīng)強度決定了磁吸力的大小,而磁吸力則影響了摩擦副之間載荷的大?。淮鸥袘?yīng)強度的變化和摩擦副的相對運動引起的電磁感應(yīng)現(xiàn)象,影響了摩擦接觸表面的溫度和氧化反應(yīng)等，從而影響材料的摩擦磨損性能。所以,研究磁場對材料摩擦磨損性能的影響時應(yīng)研究摩擦副接觸面的磁感應(yīng)強度的大小和分布。本文主要研究HY-100型磁場摩擦磨損試驗機上的銷盤摩擦副接觸區(qū)域的磁感應(yīng)強度和磁吸力的大小及其關(guān)系，便于進(jìn)一步分析它們對材料摩擦磨損性能的影響。

1　銷盤摩擦副接觸和磁場施加原理

1.主軸　2.銅盤　3.盤試樣　4.銷試樣　5.鐵芯　6.線圈　7.不銹鋼底板　8.力傳感器　9.彈性機構(gòu)　10.滑臺　11.電機　12.絲杠圖1　磁場摩擦磨損試驗機原理圖

圖1為磁場摩擦磨損試驗機的原理圖?？刂葡到y(tǒng)控制電機11和絲杠12旋轉(zhuǎn),帶動滑臺10沿X方向水平移動,通過滑臺10上安裝的彈性機構(gòu)9將銷試樣壓到盤試樣3上，并利用拉壓力傳感器8實現(xiàn)加載壓力的動態(tài)實時閉環(huán)控制。盤試樣3在主軸1的帶動下做回轉(zhuǎn)運動,從而進(jìn)行銷-盤摩擦磨損試驗。在線圈6上可施加直流電或交流電,從而產(chǎn)生直流穩(wěn)恒磁場或交變磁場。銷試樣4安裝在鐵芯5上，從而在銷試樣4和盤試樣3的接觸面上產(chǎn)生垂直磁場。為了減小磁場對傳感器及其他設(shè)備的影響，將盤試樣安裝在抗磁性材料紫銅制成的銅盤2上，將線圈和鐵芯安裝在不銹鋼底板7上。

由于本試驗設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不對稱,線圈產(chǎn)生的磁場沒有形成閉合的磁路,纏繞線圈的鐵芯的磁導(dǎo)率為非線性,而電磁鐵的電磁吸力計算是基于閉合磁路進(jìn)行的,所以針對閉合磁路的解析計算方法無法計算出銷和盤之間的磁感應(yīng)強度值和磁吸力值。銷和盤接觸時的磁吸力可通過試驗檢測，但它們之間的磁感應(yīng)強度的大小及分布卻無法測量,只能用Maxwell場論的方法進(jìn)行分析。因此本文從試驗檢測和三維有限元分析兩方面出發(fā)，研究銷和盤之間的磁感應(yīng)強度、磁吸力的大小及關(guān)系。

2　磁場下銷盤摩擦副的磁吸力測量

2.1檢測方法

如圖1所示,在磁吸力檢測時,先使銷試樣4接觸到盤試樣3上,隨后在線圈上通直流電，待磁場穩(wěn)定后控制電機11反轉(zhuǎn)，由絲杠12帶動滑臺10使銷試樣4緩慢后退。在銷試樣4退回的過程中，力傳感器8可檢測到銷試樣4和盤試樣3之間的磁吸引力值，其中最大的吸力值就是銷和盤之間接觸時的磁吸力值。

試驗中所用的銷試樣材料為45鋼和紫銅,直徑10 mm,伸出長度10.65 mm;盤試樣是45鋼,內(nèi)環(huán)直徑100 mm,外環(huán)直徑200 mm,厚度11.5 mm;線圈匝數(shù)為800,線圈上通直流電,電流從0.118 A依次增大到5 A。試驗時要先對銷試樣和盤試樣進(jìn)行消磁處理,并對銷和盤的接觸平面依次用400號、1000號砂紙進(jìn)行打磨。

2.2檢測結(jié)果

圖2　銷盤的最大接觸磁吸力隨電流變化的曲線

在不同電流下分別檢測到45鋼銷/45鋼盤和紫銅銷/45鋼盤的最大接觸磁吸力,如圖2所示。當(dāng)電流小于1.3 A時,45鋼銷與45鋼盤間的磁吸力Fd隨電流的增大而變化顯著,電流大于2.5 A后,磁吸力隨電流的變化緩慢,電流為5 A時銷盤的最大接觸磁吸力值是128 N。該曲線與45鋼的B-H曲線的變化趨勢類似，這說明隨電流的不斷增大,45鋼的磁導(dǎo)率開始時增大,達(dá)到最大值后就減小,磁場由不飽和逐漸達(dá)到了飽和，銷盤間的磁吸力也隨磁感應(yīng)強度的變化而相應(yīng)變化。而紫銅銷與45鋼盤之間的磁吸力隨電流的增大變化很小，在5 A時只有5 N，這是因為紫銅的磁導(dǎo)率遠(yuǎn)小于45鋼的磁導(dǎo)率。這說明銷與盤之間的磁吸力與材料的磁化特性有很大關(guān)系。

3　銷盤摩擦副的磁場有限元分析

有限元分析軟件ANSYS中的ANSOFT Maxwell軟件可進(jìn)行二維或三維的電磁場分析,考慮到設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不對稱，本文建立了試驗設(shè)備的三維有限元靜磁場模型，分析了銷盤接觸區(qū)域的電磁場分布，研究不同電流下改變銷盤的間隙對銷盤之間的磁吸引力和磁感應(yīng)強度的影響。

3.1建立有限元模型

在ANSOFT前處理模塊中,建立銷盤等試驗設(shè)備的三維實體有限元模型?？紤]到彈性機構(gòu)、軸承支座及試驗機床本身的復(fù)雜性，建模時將其簡化為鋼板裝置?？紤]到空氣中的漏磁，將整個模型用空氣單元封閉起來，使模型表面與空氣接觸的區(qū)域自動定義成邊界條件[10]。在初始設(shè)計時整個模型按單元邊長手動劃分網(wǎng)格，仿真計算時，軟件內(nèi)部的自適應(yīng)調(diào)節(jié)網(wǎng)格程序自動優(yōu)化網(wǎng)格劃分。線圈和銅盤的材料為紫銅,相對磁導(dǎo)率為0.999 999; 床身簡化后的鋼板裝置的材料為Q235,銷試樣、盤試樣及鐵芯等的材料為退火45鋼,其磁導(dǎo)率為非線性,將其B-H曲線導(dǎo)入到材料屬性中。

3.2有限元磁場分析

(a) 45鋼銷與45鋼盤

(b)紫銅銷與45鋼盤圖3　仿真計算出的磁感應(yīng)強度矢量圖

在電流5 A和間隙1 μm時,分別仿真計算出45鋼銷/45鋼盤和紫銅銷/45鋼盤情況下模型內(nèi)部的磁感應(yīng)強度矢量分布,如圖3所示。在圖3a中,磁感應(yīng)強度的分布不均勻,主要集中在45鋼銷中和銷盤接觸區(qū)域(達(dá)到2.1 T)。線圈產(chǎn)生的磁力線通過鐵芯的一極進(jìn)入銷中,又以垂直于銷盤接觸面的方向透過氣隙進(jìn)入盤中,一部分從盤中出來后通過空氣返回到鐵芯的另一極，一部分通過主軸、床身和加載機構(gòu)返回到鐵芯的另一極。在圖3b中,由于紫銅是抗磁性材料,磁導(dǎo)率比空氣的磁導(dǎo)率還小,所以磁場主要集中在鐵芯內(nèi),銷盤接觸區(qū)域的磁感應(yīng)強度較小(只有0.2 T)。這說明磁感應(yīng)強度的分布和大小與銷材料的磁特性有關(guān)。

在電流1 A和間隙為0時,45鋼銷/45鋼盤情況下盤試樣表面上45鋼銷的回轉(zhuǎn)中心線上磁感應(yīng)強度的試驗值和仿真值如圖4所示。磁感應(yīng)強度值是用HT201高斯計測量得到的, 仿真值

(a)盤試樣上銷的回轉(zhuǎn)中心線

(b)磁感應(yīng)強度的試驗值和仿真值圖4　盤試樣回轉(zhuǎn)中心線上磁感應(yīng)強度的試驗值和仿真值

是用試驗參數(shù)進(jìn)行有限元分析的計算結(jié)果。由圖4a可見,在盤試樣上銷的回轉(zhuǎn)中心線上，以銷試樣中心為零點在不同回轉(zhuǎn)角度上進(jìn)行測量。由圖4b可知,回轉(zhuǎn)中心線上磁感應(yīng)強度的試驗值和仿真值的變化趨勢相同,在銷盤接觸區(qū)的±30°內(nèi)，磁感應(yīng)強度值為正,且在銷盤接觸區(qū)域磁感應(yīng)強度值最大;而在盤表面其他位置磁感應(yīng)強度值變化微小且為負(fù)。這說明當(dāng)盤進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運動時，盤上各點的磁感應(yīng)強度大小和方向都將發(fā)生周期性的變化，從而產(chǎn)生動態(tài)磁化現(xiàn)象。

圖5所示是45鋼銷與45鋼盤在不同間隙和電流時的磁感應(yīng)強度值的仿真計算結(jié)果。磁感應(yīng)強度值隨著電流的增大而增大,隨著間隙δ的增大而減小,說明間隙增大后漏磁增多。比較圖5中的4條曲線發(fā)現(xiàn),它們與鐵磁性材料45鋼的B-H曲線比較相似,呈非線性變化；在電流2.5～5 A時的磁感應(yīng)強度值變化較小。這說明此時鐵芯和銷的磁化基本達(dá)到飽和狀態(tài)，使磁場也幾乎接近飽和；這說明影響磁場大小和分布的主要因素是線圈電流、銷盤間的氣隙和材料的磁性等，磁場強度H沒有考慮磁場中的材料，而磁感應(yīng)強度B考慮了磁場中材料的磁性,所以研究磁場強弱對摩擦磨損的影響時采用磁感應(yīng)強度B比采用磁場強度H更加合適。

圖5　不同間隙時磁感應(yīng)強度值隨電流變化的曲線

4　磁吸力仿真計算與試驗結(jié)果對比

為了驗證試驗結(jié)果和有限元模型的正確性，本文對45鋼銷/45鋼盤在不同電流和小間隙時的磁吸力試驗檢測結(jié)果和仿真計算結(jié)果進(jìn)行了對比分析，如圖6所示，圖中實線是試驗檢測值，虛線是仿真值。在試驗時用塞規(guī)尺來確保銷盤間的間隙δ(最小0.06 mm),δ=0時的磁吸力為銷盤接觸時測到的最大磁吸力值。

圖6　不同電流時磁吸力的試驗值和仿真結(jié)果隨間隙的變化

由圖6可知，銷和盤的磁吸力隨著間隙的增大迅速減小，隨著電流的增大而增大。不同電流時磁吸力的試驗值和仿真結(jié)果隨間隙變化的趨勢相同，且在小間隙時試驗值與仿真結(jié)果非常接近，但整體的仿真結(jié)果略小于試驗結(jié)果，這是由于試驗設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)磁回路較多，而在有限元建模時對模型進(jìn)行了簡化，忽略了某些導(dǎo)磁回路，所以造成在間隙較大時磁場仿真模型中會有部分漏磁，致使磁吸力的仿真結(jié)果小于試驗值。而在間隙較小時，銷和盤之間磁阻很小，線圈產(chǎn)生的磁場幾乎都通過了銷和盤的接觸面，磁吸力的試驗值和仿真結(jié)果誤差很小，這說明所建立的三維靜磁場模型接近實際，在小間隙情況下磁吸力和磁感應(yīng)強度的仿真計算結(jié)果基本正確。

由圖6可知,δ=0時磁吸力的仿真值比試驗的最大磁吸力值偏大，說明銷盤在實際的磁接觸時是有漏磁的。如表1所示,45鋼銷/45鋼盤在δ=0.003 mm、不同電流時的磁吸力仿真值接近于銷盤接觸時的最大磁吸力試驗值,這說明銷盤試樣的接觸表面是不光滑的，實際接觸狀態(tài)為微凸峰接觸，實際接觸面積小于名義接觸面積，部分接觸表面之間存在縫隙和漏磁。所以仿真時要用一個小間隙來代替銷盤的實際接觸狀態(tài)，本文在仿真時取接觸間隙0.003 mm來表示銷和盤的磁接觸狀態(tài)進(jìn)行仿真計算。這個接觸間隙的大小應(yīng)該與銷和盤的表面粗糙度有關(guān)。

表1　不同電流時銷盤的最大磁吸力試驗值與δ=0.003 mm的仿真結(jié)果對比

在間隙較小時磁吸力的計算公式為麥克斯韋公式：

(1)

式中,Fd為兩個磁性物體間的磁吸力,N;B為兩個物體間平行平面間的磁感應(yīng)強度,T;S為兩個物體間平行平面的面積,m;μ0為真空磁導(dǎo)率,μ0=4π×10-7H/m。

在間隙為0～0.1 mm時,仿真獲得的磁感應(yīng)強度值和磁吸力值基本滿足式(1),說明小間隙時該公式正確，所以可用試驗的最大磁吸力值計算得到銷盤接觸時的磁感應(yīng)強度值,便于研究不同磁感應(yīng)強度對材料摩擦磨損性能的影響。例如表1中，在δ=0.003 mm時不同電流情況下仿真獲得的銷盤間的磁感應(yīng)強度值與磁吸力Fd值基本滿足式(1),將最大磁吸力試驗值代入式(1)得出的磁感應(yīng)強度值與仿真的磁感應(yīng)強度值也基本相同。

5　結(jié)論

(1)研究磁場強弱對材料摩擦磨損的影響時,用摩擦副之間的磁感應(yīng)強度B作為參數(shù)更加合理。

(2)盤上的磁感應(yīng)強度B分布不均勻,當(dāng)盤旋轉(zhuǎn)進(jìn)行摩擦磨損試驗時,盤上各點的磁場發(fā)生周期性變化，產(chǎn)生動態(tài)磁化現(xiàn)象。

(3)銷試樣和盤試樣之間的微凸峰接觸存在漏磁，所以在磁場仿真時，銷和盤的磁接觸狀態(tài)可用一個極小的間隙來表示。

(4)在銷試樣和盤試樣接觸時，可用試驗得到的最大磁吸力值根據(jù)麥克斯韋公式計算出接觸區(qū)的平均磁感應(yīng)強度。

[1]徐永智,邱明,張永振.直流磁場條件下45#鋼干滑動摩擦磨損性能的研究[J].潤滑與密封,2008,33(2):64-67.

Xu Yongzhi,Qiu Ming,Zhang Yongzheng.An Investigation of Friction and Wear Characteristic of 45 Steel under Direct Current Magnetic Field[J].Lubrication Engineering,2008,33(2):64-67.

[2]徐興,陳照章,李仲興.拖車電磁制動器電磁體工作姿態(tài)穩(wěn)定性的研究[J].中國機械工程,2008,19(14):1645-1648.

Xu Xing,Chen Zhaozhang,Li Zhongxing.A Study of Working-gesture Stability of Electromagnet for Electromagnetic Brake of Tractor-semitrailer[J].China Mechanical Engineering,2008,19(14):1645-1648.

[3]Muju M K,Ghosh A.A Model of Adhesive Wear in the Presence of a Magnetic Field[J].Wear,1977,41:103-116.

[4]Hiratsuka K,Sasada T,Noroses S.The Magnetic Effect on the Wear of Metal[J].Wear,1986,110:251-261.

[5]Zaidi H,Amirat M,Frene J,et al.Magnetotribology of Ferromagnetic/Ferromagnetic Sliding Couple[J].Wear,2007,263:1518-1526.

[6]Amirat M,Zaidi H,Senouci A.Nucleation and Formation of Oxide Film with the Magnetic Field on Dry Sliding Contact of Ferromagnetic Steel[J].Lubrication Science,2011,23:19-31.

[7]董祥林,陳金榮,簡小剛.磁場對金屬摩擦磨損影響的研究及展望[J].材料科學(xué)與工程,2000,18(1):116-120.

Dong Xianglin,Chen Jinrong,Jian Xiaogang.Research Situation and Prospects for Effect of a Magnetic Field on Friction and Wear of Metals[J].Materials Science & Engineering,2000,18(1):116-120.

[8]商劍,張永振,邱明.直流穩(wěn)恒磁場對45#鋼磨損性能的影響[J].潤滑與密封,2009,34(1):6-9.

Shang Jian,Zhang Yongzhen,Qiu Ming.Effect of Direct Current Magnetic Field on Wear Characteristics for 45# Steel[J].Lubrication Engineering,2009,34(1):6-9.

[9]魏永輝,張永振,陳躍.磁場干涉對不同磁屬性材料干摩擦學(xué)特性的影響[J].機械工程學(xué)報,2012,48(23):102-110.

Wei Yonghui,Zhang Yongzhen,Chen Yue.Influence of Magnetic Field Interfering on Dry-sliding Tribological Characteristics of Materials with Different Magnetic Properties[J].Journal of Mechanical Engineering,2012,48(23):102-110.

[10]趙博,張洪亮.ANSOFT12在工程電磁場中的應(yīng)用[M].北京:水利水電出版社,2010.

(編輯蘇衛(wèi)國)

Magnetic Flux Density and Magnetic Attraction Force on Contact Surface of Pin-disk Friction Pair under DC Magnetic Field

Han Hongbiao1,2Gao Yunkai2Wu Yubing2Zhang Yongzhen1,2Du Sanming2

1.Northwestern Polytechnical University,Xi’an,710072 2.Henan University of Science and Technology,Luoyang,Henan,471003

In order to study the effects of magnetic field on the friction and wear properties,the magnetic attraction force between pin and disk in contact was tested,and a finite element analysis software of electromagnetic field was used to calculate the magnetic flux density and magnetic attraction force in the contact area of pin-disk friction pair.The experimental and simulation results show that the magnetic flux density and magnetic attraction force increase along with the enlargement of coil current and the reduction of gap,and they are also associated with the magnetization characteristics of materials.The distribution of magnetic field on the pin and disk is uneven,and dynamic magnetization phenomenon will appear on the disk when the disk is rotating during the friction and wear experiments.Due to the magnetic flux leakage in asperities contact surface of pin and disk,the actual magnetic contact state can be substituted for a minimum gap in the simulation of magnetic field.When the pin contacts with the disk, the average magnetic flux density of the contact area can be calculated by the maximum magnetic attraction force between pin and disk according to the Maxwell formula in experiments.

DC magnetic field;pin-disk friction pair;simulation;magnetic flux density;magnetic attraction force

2013-12-16

國家自然科學(xué)基金資助項目(51375146)；河南省基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃資助項目(122300413209)

TH117.1< class="emphasis_italic">DOI

：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.04.014

韓紅彪,男,1971年生。西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院博士研究生,河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院副教授。主要研究方向為磁場摩擦學(xué)、自動檢測和數(shù)控技術(shù)。發(fā)表論文20余篇。高云凱,男,1991年生。河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院碩士研究生。吳育兵,男,1989年生。河南科技大學(xué)機電工程學(xué)院碩士研究生。張永振,男,1963年生。河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授,西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院博士研究生導(dǎo)師,中原學(xué)者。杜三明,男,1970年生。河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授。