王仲楠,王武義，張廣玉

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

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低頻往復(fù)擺動(dòng)式模擬平臺(tái)摩擦特性及實(shí)驗(yàn)研究

王仲楠,王武義，張廣玉

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：由于基于MEMS微構(gòu)件摩擦測(cè)試技術(shù)存在局限性，開發(fā)了新型微摩擦測(cè)試系統(tǒng)，用于金屬、非金屬和高分子材料表面的摩擦特性研究?；跀[動(dòng)平臺(tái)的工作原理及運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了由電磁力驅(qū)動(dòng)的可變頻率擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，用于實(shí)現(xiàn)樣本的往復(fù)滑動(dòng)；并應(yīng)用新型微、納測(cè)量頭施加法向載荷。任意選取鋼、玻璃和聚四氟乙烯3種試樣，與金屬小鋼球構(gòu)成不同的摩擦副，進(jìn)行了變法向載荷、變擺動(dòng)頻率的多次測(cè)量實(shí)驗(yàn)，得到了各摩擦副中的瞬時(shí)摩擦力和瞬時(shí)摩擦系數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，在微小法向載荷作用下，模擬平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)微動(dòng)摩擦的相對(duì)滑動(dòng)模擬，獲得的摩擦特性與文獻(xiàn)中的結(jié)論相一致，說明該低頻往復(fù)式微動(dòng)磨損測(cè)試系統(tǒng)具有可靠性和工作穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：微動(dòng)磨損；往復(fù)擺動(dòng)平臺(tái)；法向載荷；滑動(dòng)摩擦系數(shù)；擺動(dòng)頻率

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微動(dòng)是發(fā)生在法向加載力作用下兩個(gè)接觸表面之間微小的切向位移時(shí)。微動(dòng)現(xiàn)象不僅會(huì)存在于機(jī)構(gòu)中材料之間的微動(dòng)磨損，也會(huì)由微動(dòng)疲勞產(chǎn)生。微動(dòng)會(huì)引起機(jī)械零部件的接觸表面受到破壞，也會(huì)引起裂紋的萌生、擴(kuò)展與斷裂，最終導(dǎo)致機(jī)構(gòu)無法正常運(yùn)行。微動(dòng)與其他的接觸方式不同, 往往存在于機(jī)構(gòu)內(nèi)緊配合部位，不易被發(fā)現(xiàn)。目前，微動(dòng)摩擦學(xué)的研究越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視，已經(jīng)成了摩擦學(xué)中的一個(gè)重要分支，在當(dāng)今世界科學(xué)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有非常重要意義。

對(duì)于MEMS/NEMS系統(tǒng)的材料微動(dòng)磨損研究，影響的因素很多，如法向加載力和微動(dòng)頻率的變化[1]以及不同材料表面的質(zhì)量[2]。關(guān)于微動(dòng)磨損的研究，當(dāng)前主要是基于實(shí)驗(yàn)的方法。例如，文獻(xiàn)[3]進(jìn)行了微觀摩擦與表面形貌相關(guān)性研究，采用了美國(guó)CETR公司生產(chǎn)的UMT-2MT摩擦試驗(yàn)機(jī)，加載范圍為0～10-3N，分辨率為0.1 mN，摩擦方式為直徑3 mm的氮化硅陶瓷球與圓盤的勻速直線運(yùn)動(dòng)；文獻(xiàn)[4]基于自制的微動(dòng)磨損實(shí)驗(yàn)裝置，觀察各種表面材料組合對(duì)微動(dòng)磨損的影響。但是這類實(shí)驗(yàn)設(shè)備比較昂貴。為此，英國(guó)華威大學(xué)的Derek教授領(lǐng)導(dǎo)他的團(tuán)隊(duì)研制了通用于一般機(jī)構(gòu)和MEMS/NEMS材料的微觀摩擦特性檢測(cè)的電磁加載微摩擦測(cè)量頭裝置及其試驗(yàn)系統(tǒng)[3]。

本文在此研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合摩擦學(xué)的測(cè)試方法和原理。介紹了一種新型微摩擦測(cè)試系統(tǒng)，開發(fā)了低頻往復(fù)擺動(dòng)模擬運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，并在該平臺(tái)上進(jìn)行了金屬、非金屬和高分子材料的變載荷、變頻率的微動(dòng)摩擦測(cè)試，分析了不同材料的摩擦特性規(guī)律，以檢驗(yàn)系統(tǒng)工作的基本性能和可靠性。

1低頻往復(fù)式模擬平臺(tái)的設(shè)計(jì)

新型微摩擦測(cè)試系統(tǒng)主要由微摩擦測(cè)量頭裝置和低頻往復(fù)式模擬平臺(tái)組成，如圖1所示。其中，微摩擦測(cè)量頭[5]是由英國(guó)華威大學(xué)Dr.Alsoufi研發(fā)，主要用于樣本的切向、法向載荷加載以及瞬時(shí)摩擦力的測(cè)量。其原理是通過線圈電流控制與較硬的飽和磁鐵相互作用的磁場(chǎng)來產(chǎn)生作用在樣本上的垂直和側(cè)向力，以及利用無屏蔽非接觸式渦流傳感器測(cè)得的懸臂梁偏轉(zhuǎn)來計(jì)算摩擦力。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于適用于樣本的多種移動(dòng)方式、達(dá)到100 nm的位移分辨率以及超過160 Hz的工作帶寬。

注：1.磁鐵線圈；2.非接觸式渦流傳感器；3.電磁力驅(qū)動(dòng)器；4.擺動(dòng)架； 5.樣本；6.激光位移傳感器　　　　　　圖1　新型微摩擦測(cè)試系統(tǒng)Fig.1　A novel micro-tribological testing system

本文設(shè)計(jì)了低頻往復(fù)模擬平臺(tái)，其原理是由電磁力驅(qū)動(dòng)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)，并通過改變電壓信號(hào)頻率和幅值來控制機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)頻率和振幅。它主要是由激光位移傳感器、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、電磁力驅(qū)動(dòng)裝置和功率振蕩器組成。其中，激光位移傳感器主要是用于測(cè)量樣本的水平移動(dòng)距離；電磁力驅(qū)動(dòng)裝置能使擺動(dòng)架在水平方向上往復(fù)擺動(dòng)，并應(yīng)用功率振蕩器來設(shè)定不同的摩擦測(cè)試條件。該平臺(tái)具體的設(shè)備參數(shù)為:驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)頻率范圍從0～25 Hz，激光位移傳感器的可測(cè)行程為0～6.35 mm，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的剛度為2 680 N/m，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的共振頻率達(dá)到69.9 Hz，擺動(dòng)臺(tái)的總質(zhì)量為32.4 g。

圖1中標(biāo)注的樣本[5]，上試樣可為圓球或圓筒，它固定于懸臂梁端部的樣本架上；下試樣的形狀可為一個(gè)平面或者圓筒，并與擺動(dòng)機(jī)構(gòu)固連。因此，通過更換上、下試樣，可以模擬樣本間不同摩擦副的摩擦，用于分析材料表面的摩擦特性。

2擺動(dòng)平臺(tái)工作原理及運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型

圖2中的下試樣與擺動(dòng)架一起作往復(fù)運(yùn)動(dòng)。如圖3所示，垂直加載力Fn對(duì)上試樣加載，交變驅(qū)動(dòng)載荷Fg作用于擺動(dòng)架端部一側(cè)。擺動(dòng)架在Fg驅(qū)動(dòng)下，做往復(fù)式擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，設(shè)其端部的軌跡為弧線，擺動(dòng)角度為θ，將擺動(dòng)架視作一個(gè)桿件。為了模擬實(shí)際微動(dòng)工況，使得兩個(gè)接觸表面之間產(chǎn)生微小振幅的振動(dòng)，設(shè)定Fg的信號(hào)形式為正弦周期信號(hào)：

(1)

式中：Fg為電磁驅(qū)動(dòng)力；F0為振幅；f為頻率；φ為初始相位角，為計(jì)算方便，不妨取φ=0。

圖1中傳感器[6]輸出信號(hào)頻率應(yīng)該等于電磁驅(qū)動(dòng)力信號(hào)頻率f，其幅值等于擺動(dòng)架擺動(dòng)一個(gè)周期行程的1/2。下試樣受到的力有摩擦力Ff和電磁驅(qū)動(dòng)力Fg。因當(dāng)擺動(dòng)角度θ較小時(shí)，sinθ≈θ，故可以認(rèn)為下試樣與擺動(dòng)臺(tái)一起近似作直線運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)振動(dòng)理論，擺動(dòng)架(含下試樣)的運(yùn)動(dòng)是正弦力作用下的有阻尼受迫振動(dòng)，其振動(dòng)微分方程為

(2)

式中：m為往復(fù)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)總質(zhì)量,p為電磁驅(qū)動(dòng)力的圓頻率。式(2)的解可以寫成：

(3)

式中：第1項(xiàng)x1(t)是非齊次方程式(2)的特解(受迫振動(dòng))；第2項(xiàng)代表齊次方程式(2)的通解(固有振動(dòng))；A和φ是由起始條件所決定的常數(shù)，同樣可設(shè)φ=0。由于系統(tǒng)中有摩擦，固有振動(dòng)總會(huì)逐漸消失，而只剩下受迫振動(dòng)，所以，x1(t)就是受迫振動(dòng)的解，令x(t)=x1(t)，則

(4)

其中，

(5)

(6)

式中v(t)為擺動(dòng)架的運(yùn)動(dòng)速度。已知x(t)和v(t)還可得到擺動(dòng)架加速度a(t)：

(7)

由式(5)可以算出擺動(dòng)架振幅。本文用激光傳感器直接測(cè)得擺動(dòng)架位移振幅值，則由式(4)、(6)、(7)直接求出最大位移、最大速度、最大加速度值，并且可以看出，它們與Fg的圓頻率和振幅F0有關(guān)。

圖2　平臺(tái)裝置Fig.2　Diagram of reciprocating platform

圖3　擺動(dòng)架及摩擦副受力Fig.3　Diagram of oscillation mechanism and friction pair

3摩擦特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)分析

在室溫為(22±1) ℃和相對(duì)濕度為(40±5)%的環(huán)境中，對(duì)新型微摩擦測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了標(biāo)定和實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定，其結(jié)果為：法向載荷的施加范圍為0～60 mN，測(cè)法向載荷和摩擦力的傳感器靈敏度標(biāo)定結(jié)果分別為42.730 μm/V和47.640 μm/V，懸臂梁的垂直和橫向加載標(biāo)定剛度為1 917 N/m和1 930 N/m，擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的半周期行程、最大擺動(dòng)速度、最大加速度和半角分別為75 μm、341 μm/s、3.575 μm/s2和0.031 054°。

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的低頻往復(fù)式模擬平臺(tái)的工作穩(wěn)定性和可靠性，需要通過摩擦測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果來分析樣本表面的摩擦特性。實(shí)驗(yàn)中，上試樣為直徑?1 mm的小鋼球，下試樣選取了鋼、玻璃和聚四氟乙烯(PTFE)這三種不同的金屬、非金屬、高分子材料，尺寸均為10 mm×10 mm×1 mm。實(shí)驗(yàn)前，應(yīng)用Bruker公司提供的ContourGT-I型3D光學(xué)顯微鏡對(duì)樣本進(jìn)行了3D表面測(cè)量實(shí)驗(yàn)，如圖4、5所示，分別為鋼和PTFE表面形貌和參數(shù)，其中鋼的表面粗糙度為Ra=87.803nm，PTFE的表面粗糙度為Ra=2.221μm。

圖4　不銹鋼試樣的表面形貌和參數(shù)Fig.4　Surface topography and parameters of steel specimen

圖5　PTFE試樣的表面形貌和參數(shù)Fig.5　Surface topography and parameters of PTFE specimen

3.1變法向載荷的瞬時(shí)滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)試

設(shè)定電磁驅(qū)動(dòng)力信號(hào)周期分別為250 ms(頻率為4 Hz)和400 ms(頻率為2.5 Hz)。每次實(shí)驗(yàn)中，在樣本的卸載和加載后，均由異丙酮對(duì)上、下試樣進(jìn)行清洗。測(cè)試系統(tǒng)采樣頻率為200 Hz，擺動(dòng)循環(huán)次數(shù)設(shè)定為20 000，法向載荷分別設(shè)定為9.65、21.66、33.78、46.68、58.83 mN的5次加載。選取采集測(cè)試數(shù)據(jù)中的一個(gè)周期為計(jì)算樣本，計(jì)算出瞬時(shí)滑動(dòng)摩擦系數(shù)-法向載荷曲線(見圖6、7)。

圖6　擺動(dòng)頻率為2.5 Hz時(shí)摩擦系數(shù)與法向載荷的變化曲線Fig.6　The variation of CoF with normal load(f=2.5 Hz)

圖7　擺動(dòng)頻率為4 Hz時(shí)摩擦系數(shù)與法向載荷的變化曲線Fig.7　The variation of CoF with normal load(f=4 Hz)

3.2變擺動(dòng)頻率的瞬時(shí)滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)試

增加擺動(dòng)頻率，選取電磁驅(qū)動(dòng)信號(hào)周期分別為400、250、200、160 ms(頻率依次為2.5、4、5、6.25 Hz)。選用與3.1節(jié)中相同的清洗條件、采樣頻率和擺動(dòng)循環(huán)次數(shù)，并選取較高的法向載荷(46.68 mN和58.83 mN)進(jìn)行測(cè)試，得到瞬時(shí)摩擦系數(shù)與擺動(dòng)頻率的關(guān)系曲線(見圖8、9)。

圖8　法向載荷為46.68 mN時(shí)摩擦系數(shù)與擺動(dòng)頻率變化曲線Fig.8　The curves between CoF and frequency(Fn=46.68 mN)

圖9　法向載荷為58.83 mN時(shí)摩擦系數(shù)與擺動(dòng)頻率變化曲線Fig.9　The curves between CoF and frequency(Fn=58.83 mN)

3.3樣本的3D表面粗糙度測(cè)量實(shí)驗(yàn)

在完成摩擦測(cè)試實(shí)驗(yàn)后，對(duì)選取的樣本再一次進(jìn)行了3D表面測(cè)量實(shí)驗(yàn)，得到了鋼和PTFE表面形貌和參數(shù)值，如圖10、11所示，其中鋼的表面粗糙度為Ra=97.376nm，PTFE的表面粗糙度為Ra=2.056μm。

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出材料的表面形貌、法向載荷、擺動(dòng)頻率對(duì)瞬時(shí)滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響，分析如下：

1)法向載荷與瞬時(shí)摩擦系數(shù)之間的關(guān)系。在圖5、6中，無論是金屬和非金屬材料，在兩種不同的擺動(dòng)頻率下，其瞬時(shí)滑動(dòng)摩擦系數(shù)均隨著法向載荷的變小而迅速的上升，且當(dāng)擺動(dòng)頻率為2.5 Hz時(shí)，樣本的上升趨勢(shì)更為明顯。這與文獻(xiàn)[6-7]中的論述相一致。另外，高分子材料PTFE的滑動(dòng)摩擦系數(shù)值相對(duì)較低，這與文獻(xiàn)[8-10]中闡述的“PTFE有較小的摩擦，易于劃損從而影響測(cè)量”的論述相符，且這種現(xiàn)象歸因于表面化學(xué)效應(yīng)和較軟表面的改性。

2)擺動(dòng)頻率與瞬時(shí)摩擦系數(shù)之間的關(guān)系。從圖8和圖9中可以看出，在法向載荷為46.68 mN時(shí)，隨著擺動(dòng)頻率的增加，三種樣本基本維持在摩擦系數(shù)0.15～0.2；而在58.83 mN加載力的作用下，樣本的摩擦系數(shù)變化范圍更小。這與文獻(xiàn)[11]中摩擦系數(shù)不依賴于滑動(dòng)速度的說法相吻合。

3)同一材料在不同表面粗糙度下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)摩擦系數(shù)的影響。通過對(duì)實(shí)驗(yàn)前后，兩次樣本表面形貌的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)樣本表面的粗糙度變化不是非常明顯。其中，PTFE可能受到劃損的影響，其表面粗糙度只是稍有變化。因此，證明了在微動(dòng)摩擦測(cè)試中，樣本表面的磨損量幾乎可以忽略不計(jì)，對(duì)滑動(dòng)摩擦系數(shù)影響較小。

由此看出，通過摩擦測(cè)試實(shí)驗(yàn)，在分析樣本表面摩擦特性的基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)的結(jié)論，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的低頻往復(fù)式模擬平臺(tái)具有工作穩(wěn)定性和使用可靠性。

圖10　不銹鋼試樣的表面形貌和參數(shù)(實(shí)驗(yàn)后)Fig.10　Surface topography and parameters of 　　steel specimen (post-experiment)

圖11　PTFE試樣的表面形貌和參數(shù)(實(shí)驗(yàn)后)Fig.11　Surface topography and parameters of 　　PTFE specimen (post-experiment)

4結(jié)論

本文在文獻(xiàn)[3]的基礎(chǔ)上，對(duì)新研制的低頻往復(fù)式模擬平臺(tái)，進(jìn)行了微小法向載荷下不同材料的高副摩擦副的瞬時(shí)滑動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。在變法向載荷和不同的擺動(dòng)頻率下，分析了樣本形貌、法向載荷和擺動(dòng)頻率對(duì)瞬時(shí)滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響。得到了如下結(jié)論：

1)金屬和非金屬材料，在兩種不同的擺動(dòng)頻率下產(chǎn)生的摩擦系數(shù)變化與文獻(xiàn)[6-7]中的論述相一致。而PTFE的較低摩擦系數(shù)是由于材料表面化學(xué)效應(yīng)和較軟表面改性的原因而易于劃損。

2)在法向載荷為46.68 mN和58.83 mN時(shí)，得到與文獻(xiàn)[11]中的摩擦系數(shù)不依賴于滑動(dòng)速度的相一致的論證結(jié)果。

3) 同一材料在不同表面粗糙度下的磨損量幾乎可以忽略不計(jì)，對(duì)滑動(dòng)摩擦系數(shù)影響較小。

以上結(jié)論表明了往復(fù)擺動(dòng)平臺(tái)可以模擬金屬或非金屬固體摩擦副的微動(dòng)振動(dòng)，在微小法向載荷作用下，低頻往復(fù)擺動(dòng)微動(dòng)磨損測(cè)試平臺(tái)的摩擦特性與文獻(xiàn)中的結(jié)論相一致，樣本的磨損測(cè)試實(shí)驗(yàn)可靠，通過增加擺動(dòng)頻率還可以進(jìn)行一定的加速壽命試驗(yàn)。而對(duì)于提高精度測(cè)試、優(yōu)化摩擦副結(jié)構(gòu)和增加試樣類型等儀器方面的改進(jìn)還需進(jìn)一步的研究。

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收稿日期：2014-12-15.

基金項(xiàng)目：長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃(IRT1228).

作者簡(jiǎn)介：王仲楠(1984-), 男, 博士研究生； 通信作者：王武義, E-mail: wangwuyi@hit.edu.cn.

doi:10.11990/jheu.201412051

中圖分類號(hào)：TH117.1； TH703.8； TH873.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-7043(2016)04-0614-05

Tribological investigation of a low-frequency reciprocating platform

WANG Zhongnan, WANG Wuyi, ZHANG Guangyu

(School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Abstract：In order to overcome limitations of tribological testing techniques for MEMS micro-components, a novel micro-tribometer testing system for determining tribological properties on metal, non-metal, and polymer surfaces has been developed. Based on the operating principle of a reciprocating platform and related mathematical motion models, a variable frequency oscillating mechanism driven by an electromagnetic coil was designed to achieve reciprocating sliding of samples and a new measuring head was applied for normal loads. Steel, glass, and PTFE against a metal ball were used arbitrarily to test the developed device repeatedly under various normal loads and oscillation frequencies. The transient friction force and friction coefficients for different friction pairs were measured. Experimental results show that the developed low-frequency reciprocating platform can simulate relative sliding of fretting friction under small milli-Newton normal loads. The obtained experimental results are consistent with those of other studies, which means the low-frequency reciprocating platform can stably operate and is reliable for use in research on tribological properties.

Keywords：fretting wear; reciprocating platform; normal load; coefficient of friction; oscillation frequency

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2016-01-27.

王武義(1957-), 男, 教授;

張廣玉(1962-), 男, 教授，博士生導(dǎo)師.