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)式微動(dòng)磨損測(cè)試系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)頻率影響及其實(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)

為了研究滿(mǎn)足現(xiàn)代化設(shè)備的連續(xù)工作條件以及在微型裝置的研制中減小微動(dòng)磨損的要求,提出一種低成本通用式低頻往復(fù)式微動(dòng)磨損測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓頻率控制運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的滑動(dòng)速度來(lái)測(cè)試不同摩擦副間的摩擦系數(shù),并分析樣本間擺動(dòng)頻率與摩擦系數(shù)的關(guān)系。開(kāi)展了硅片、拋光鋁、鋼、玻璃和聚四氟乙烯與金屬鋼球構(gòu)成摩擦副的微動(dòng)摩擦測(cè)量實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,當(dāng)擺動(dòng)頻率小于磨損失效頻率時(shí),在較小和較大載荷作用下,摩擦系數(shù)隨擺動(dòng)頻率增加而近似線(xiàn)性下降;而在載荷較大時(shí),低硬度的摩擦副的摩擦系數(shù)是隨著頻率增加而下降,其擺動(dòng)頻率對(duì)摩擦系數(shù)的影響與文獻(xiàn)中的變化規(guī)律相一致,驗(yàn)證了該系統(tǒng)的工作可靠性,且研究結(jié)果會(huì)對(duì)微動(dòng)磨損的下一步研究提供重要的參考價(jià)值。

驅(qū)動(dòng)頻率控制; 電磁力驅(qū)動(dòng)裝置; 微動(dòng)磨損; 法向載荷; 擺動(dòng)頻率; 摩擦系數(shù)

0 引 言

微動(dòng)磨損是由兩個(gè)物體接觸面間因出現(xiàn)周期性的微小振幅而造成損傷的一種磨損形式,會(huì)導(dǎo)致機(jī)構(gòu)的使用壽命減少、運(yùn)行精度和操作可靠性降低。工程中的微動(dòng)磨損常出現(xiàn)在緊配合部位,難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和觀察,導(dǎo)致在一段時(shí)間后才出現(xiàn)損傷?，F(xiàn)代化微型裝置如MEMS/NEMS系統(tǒng)、微型機(jī)器人和微型電機(jī)等,需要滿(mǎn)足越來(lái)越高的連續(xù)工作特性和自動(dòng)化程度,以及復(fù)雜多變的工況條件,故微動(dòng)磨損現(xiàn)象已經(jīng)不容忽視。

有關(guān)微動(dòng)磨損機(jī)理,早在1927年Tomlinson就指出,相對(duì)運(yùn)動(dòng)是產(chǎn)生微動(dòng)的必要條件,特別是數(shù)量級(jí)為幾個(gè)納米的極小運(yùn)動(dòng)也能產(chǎn)生微動(dòng)損傷。這種滑移幅值較小的微動(dòng)問(wèn)題已經(jīng)成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn),但試驗(yàn)中遇到的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是如何控制和測(cè)量這種運(yùn)動(dòng)的微小幅值。赫茲彈性接觸理論是解決球與平面靜態(tài)接觸問(wèn)題的最佳方法,它證明了接觸面上施加切向力會(huì)在圓形接觸區(qū)外產(chǎn)生滑移,如果施加力產(chǎn)生振蕩,則在滑移區(qū)會(huì)出現(xiàn)微動(dòng)現(xiàn)象。

由于發(fā)生在真實(shí)表面接觸情況下的微動(dòng)現(xiàn)象非常復(fù)雜,故通常采用實(shí)驗(yàn)方法來(lái)模擬和研究表面間的接觸情況。英國(guó)學(xué)者R.B.Waterhouse教授在《微動(dòng)磨損與微動(dòng)疲勞》一書(shū)中指出,微動(dòng)磨損測(cè)試實(shí)驗(yàn)主要是研究滑移幅值、法向載荷、振動(dòng)頻率及微動(dòng)狀態(tài)所處的工況(如接觸形式、振動(dòng)模式及表面狀態(tài)等)對(duì)微動(dòng)產(chǎn)生的影響。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)也已經(jīng)證明,實(shí)際的兩固體界面只在一些較高的微凸體上發(fā)生接觸,并由這些不連續(xù)的微小接觸點(diǎn)變成了真實(shí)的接觸面積,在接觸時(shí)產(chǎn)生的變形主要取決于名義應(yīng)力、表面粗糙度和材料常數(shù)等因素,受載接觸表面的變形可能是彈性變形或塑性變形。理想的兩異形固體表面接觸時(shí),如果不考慮其受載后發(fā)生的彈性變形,則全部載荷可以認(rèn)為都作用在一點(diǎn)或一條線(xiàn)上。根據(jù)這一假設(shè)條件得到的實(shí)際載荷作用點(diǎn)位移是不真實(shí)的,其原因是假設(shè)載荷集中作用于一點(diǎn)與實(shí)際情況不符合,故忽略接觸物體在接觸處的幾何形狀不能用來(lái)直接計(jì)算工程中的接觸問(wèn)題。為此,根據(jù)Tomlinson的“微動(dòng)滑移”概念和赫茲理論接觸模型,本文提出了一種微動(dòng)磨損測(cè)試系統(tǒng)。選擇球與平面接觸工況,并設(shè)計(jì)了正弦電磁力驅(qū)動(dòng)的低頻往復(fù)式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)來(lái)模擬“微動(dòng)滑移”。該系統(tǒng)可用于研究現(xiàn)代化設(shè)備中金屬、非金屬以及高分子聚合物等各種材料在滑移區(qū)內(nèi)的微動(dòng)狀態(tài)。

1 正弦電磁力驅(qū)動(dòng)頻率及裝置

本文研制的低頻往復(fù)式微動(dòng)磨損測(cè)試平臺(tái)是用于樣本表面間在往復(fù)滑動(dòng)狀態(tài)下的摩擦性能檢測(cè)設(shè)備,配用英國(guó)華威大學(xué)計(jì)量實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的新型微摩擦測(cè)量頭[1-2],組成為一個(gè)通用式低頻往復(fù)微動(dòng)磨損測(cè)試系統(tǒng),如圖1所示。其中,新型微摩擦測(cè)量頭是用于提供測(cè)量實(shí)驗(yàn)中法向載荷的施加和水平摩擦力的測(cè)量。

圖1 通用式低頻往復(fù)微動(dòng)磨損測(cè)試系統(tǒng)

低頻往復(fù)式微動(dòng)磨損測(cè)試平臺(tái)主要由激光位移傳感器、擺動(dòng)架和電磁力驅(qū)動(dòng)裝置組成。擺動(dòng)架固定在實(shí)驗(yàn)臺(tái)的水平方向上,用于承載測(cè)試樣本;它的一側(cè)與電磁力驅(qū)動(dòng)裝置相連,另一側(cè)為激光位移傳感器。電磁力驅(qū)動(dòng)裝置是由鑲嵌在擺動(dòng)架一側(cè)的磁鐵(Φ=1 cm)和同側(cè)的螺管線(xiàn)圈,功率振蕩器以及數(shù)字式顯示裝置組成,通過(guò)調(diào)節(jié)功率振蕩器的頻率和幅值來(lái)驅(qū)動(dòng)電磁力,從而控制擺動(dòng)架的擺動(dòng)頻率(速度)和滑移幅度。如圖2所示為測(cè)得的功率振蕩器工作頻率為1.67 Hz時(shí)的擺動(dòng)架位移曲線(xiàn)s-t,最大擺動(dòng)幅度0.375 mm(離開(kāi)平衡位置距離),最大擺動(dòng)速度為3.925 mm/s。激光位移傳感器采用波蘭Schmitt公司研發(fā)的AR200-6M,用于實(shí)時(shí)測(cè)量和監(jiān)控?cái)[動(dòng)架的水平滑移振幅。低頻往復(fù)式微動(dòng)磨損測(cè)試平臺(tái)的組成部件的性能參數(shù)如表1所示。

圖2 擺動(dòng)頻率為1.67 Hz時(shí)擺動(dòng)架s-t曲線(xiàn)

部件參數(shù)擺動(dòng)架的質(zhì)量/g33.5擺動(dòng)架的剛度/(N/m)2680擺動(dòng)架的固有頻率/Hz69.9功率振蕩器的工作頻率/Hz0～25功率振蕩器的電壓/V0～25傳感器的水平最大位移/mm6.35傳感器的分辨率/μm2

2 微動(dòng)摩擦原理及其主要影響參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究

2.1 球-平面多次微凸體接觸面積與法向載荷和材料特性的關(guān)系

對(duì)于球-平面接觸區(qū)圓形接觸面積(見(jiàn)圖3[1]),多次微凸體的接觸,應(yīng)用赫茲接觸模型簡(jiǎn)化計(jì)算公式得到圓形接觸面積為

(1)

式中:a為圓形接觸面積;Fn為法向載荷;Re是所受壓力的球的半徑;Ee為彈性模數(shù)。Ee通過(guò)兩接觸固體的樣式模量Eball、Eflat和他們的泊松比vball、vflat求得

(2)

彎曲變形時(shí)的撓度δ為

(3)

赫茲接觸應(yīng)力分布p為

(4)

(5)

圖3 球-平面接觸微動(dòng)滑移與受力示意圖

2.2 滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響因素

滑動(dòng)摩擦是指相互接觸的兩個(gè)物體,在外力作用下發(fā)生的相對(duì)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)。1699年,法國(guó)科學(xué)家G.Amontons受到達(dá)芬奇的著名假說(shuō)啟發(fā),通過(guò)大量的摩擦實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),摩擦力總是等于法向載荷的1/3,而與摩擦材料的表面面積無(wú)關(guān)[11]。隨后,物理學(xué)家C.A.Coulumb在1785年進(jìn)行了更為詳細(xì)的試驗(yàn)研究后,肯定了Amontons得出的摩擦結(jié)論并建立了第四摩擦定律[12]。在古典摩擦定律中,摩擦系數(shù)對(duì)一定材料來(lái)說(shuō),是一個(gè)常數(shù)。然而,經(jīng)過(guò)多年的研究探索,發(fā)現(xiàn)許多摩擦結(jié)論存在著局限性和不確切性。實(shí)際試驗(yàn)表明,各種材料在不同工況下的摩擦系數(shù)是變化的。對(duì)于硬材料如(鉆石)或軟材料(如聚四氟乙烯)等,當(dāng)壓力很大時(shí),摩擦力并不與法向載荷成正比。例如,國(guó)內(nèi)外許多著名學(xué)者研究了滑動(dòng)速度對(duì)摩擦系數(shù)產(chǎn)生的影響。在不同的實(shí)驗(yàn)條件下得出的結(jié)果很不一致。法國(guó)人B.Bochet通過(guò)機(jī)車(chē)車(chē)輛的制動(dòng)試驗(yàn),得出了摩擦系數(shù)隨滑動(dòng)速度變化的表達(dá)式[11]為

μ=K/(1+0.23v)。

(6)

式中:K為對(duì)不同材料的系數(shù),例如對(duì)干煤鋼軌為0.45,對(duì)潮濕鋼軌為0.25;v為滑動(dòng)速度m/s。而德國(guó)學(xué)者G.Franke提出的摩擦系數(shù)與速度的關(guān)系式[12]為

μ=μ0e-cv。

(7)

式中:μ0為靜摩擦系數(shù),c為常數(shù)。前蘇聯(lián)專(zhuān)家克拉蓋爾斯基,曾根據(jù)選定速度范圍和壓力變化范圍做了相關(guān)的摩擦系數(shù)測(cè)試實(shí)驗(yàn),得到了摩擦系數(shù)與滑動(dòng)速度的關(guān)系[13]為

μ=(a+bv)e-cv+d。

(8)

式中a、b、c、d是與摩擦材料及載荷大小有關(guān)的常數(shù)。

由式(8)得到圖4[13]表示的不同載荷下滑動(dòng)速度與摩擦系數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)。在中等載荷時(shí),當(dāng)速度v較小,摩擦系數(shù)會(huì)隨著滑動(dòng)速度的變化而達(dá)到一個(gè)最大值,負(fù)載越大和表面越硬的物體,摩擦系數(shù)的最大值就會(huì)越靠近坐標(biāo)原點(diǎn)。然而,在更高的速度下,強(qiáng)烈的摩擦熱會(huì)改變材料表面接觸層的狀態(tài),可能會(huì)使表層大面積呈熔化狀態(tài),導(dǎo)致摩擦系數(shù)隨著滑動(dòng)速度v的進(jìn)一步增大而顯著降低。

圖4 不同載荷下滑動(dòng)速度與摩擦系數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)

3 低載荷下變驅(qū)動(dòng)電壓頻率的摩擦系數(shù)測(cè)試

測(cè)試實(shí)驗(yàn)的目的在于通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓頻率來(lái)獲得不同材料在設(shè)定載荷下的摩擦系數(shù),進(jìn)而分析電磁力驅(qū)動(dòng)裝置和往復(fù)平臺(tái)之間有效的頻率控制范圍。

經(jīng)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,得到測(cè)量頭的載荷范圍為0～60 mN,實(shí)驗(yàn)中選取3個(gè)設(shè)定值(9.65、46.68、58.83 mN)來(lái)分別進(jìn)行微動(dòng)摩擦測(cè)試。尺寸為10×10×1 mm3的硅片、鋼、玻璃、拋光鋁和聚四氟乙烯5種不同材料,與直徑為1 mm的小鋼球構(gòu)成不同的摩擦副。電磁線(xiàn)圈驅(qū)動(dòng)頻率的范圍在1.5～10 Hz之間,在實(shí)驗(yàn)中設(shè)定的驅(qū)動(dòng)頻率為1.67 Hz,5 Hz和8 Hz。測(cè)試是在溫度為22 ℃和相對(duì)濕度為43%的密閉實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的。根據(jù)圖4的關(guān)系曲線(xiàn)可以看出:

1)小載荷下,無(wú)論何種摩擦副,擺動(dòng)頻率越高摩擦系數(shù)越小,特別是鋼和拋光鋁樣件的摩擦系數(shù)近似指數(shù)下降,與文獻(xiàn)[13]中摩擦系數(shù)與速度的關(guān)系式(2)相符。但是,在圖5中,對(duì)于金屬-非金屬摩擦副,在5 Hz后摩擦系數(shù)存在最小值,即擺動(dòng)頻率-摩擦系數(shù)的變化曲線(xiàn)出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)頻率(5 Hz),然后摩擦系數(shù)值隨著頻率的增加反而變大,這說(shuō)明當(dāng)滑動(dòng)速度很大時(shí),由于釋放出很多熱量而使金屬-非金屬摩擦副(非金屬材料較軟)的摩擦表面發(fā)生了顯著變化,以至于摩擦系數(shù)會(huì)隨著滑動(dòng)速度的增加而變大。該拐點(diǎn)應(yīng)為載荷的極限點(diǎn),而極限點(diǎn)就是磨損失效點(diǎn)。擺動(dòng)頻率的增加意味著滑動(dòng)速度的增加,因此在小載荷下,在磨損失效點(diǎn)前,摩擦系數(shù)會(huì)隨著滑動(dòng)速度增加而下降,這與圖4中曲線(xiàn)“1”載荷下的情況恰恰相反。因此,如果在應(yīng)用中能夠有效地控制加載擺動(dòng)頻率,也就控制了滑動(dòng)速度和摩擦系數(shù)。

圖5 載荷9.65 mN下擺動(dòng)頻率-摩擦系數(shù)曲線(xiàn)

2)中等載荷下,對(duì)于硬度高的摩擦副,其擺動(dòng)頻率-摩擦系數(shù)的變化曲線(xiàn)有最大值,而硬度低的摩擦副的擺動(dòng)頻率-摩擦系數(shù)曲線(xiàn)有最小值。同樣,在磨損失效點(diǎn)5Hz附近出現(xiàn)拐點(diǎn)。由圖6可知,不同材料的摩擦副,在中等載荷的條件下,隨著擺動(dòng)頻率的增加,擺動(dòng)頻率-摩擦系數(shù)曲線(xiàn)會(huì)出現(xiàn)不同的變化趨勢(shì)。具體來(lái)說(shuō),拋光鋁、硅片和鋼的擺動(dòng)頻率-摩擦系數(shù)曲線(xiàn)均呈現(xiàn)出拋物線(xiàn)形狀,會(huì)隨著擺動(dòng)頻率的增加而達(dá)到一個(gè)最高點(diǎn),隨后開(kāi)始下降,在8Hz時(shí)會(huì)降到相近的范圍內(nèi)。玻璃的摩擦系數(shù)曲線(xiàn)表現(xiàn)為下降趨勢(shì),并從5 Hz時(shí)開(kāi)始,基本穩(wěn)定在摩擦系數(shù)值大約為0.006的位置上。而PTFE的摩擦系數(shù)曲線(xiàn)只有上升部分,不過(guò)這仍然與文獻(xiàn)[13]中的結(jié)論相一致,也就是說(shuō)這種高分子材料的表面發(fā)生變化導(dǎo)致其摩擦系數(shù)隨著滑動(dòng)速度的增加而依然呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。根據(jù)前蘇聯(lián)專(zhuān)家克拉蓋爾斯基[13]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,在不同載荷下,摩擦系數(shù)隨著滑動(dòng)速度的增大都要通過(guò)一個(gè)最大值。因此,在中等載荷下條件下,硬度高的摩擦副的擺動(dòng)頻率與摩擦系數(shù)的曲線(xiàn)依然能夠呈現(xiàn)出與圖4較相似的變化規(guī)律。

圖6 載荷46.68 mN下擺動(dòng)頻率-摩擦系數(shù)曲線(xiàn)

3)較大載荷下,擺動(dòng)頻率-摩擦系數(shù)曲線(xiàn)近似線(xiàn)性下降。由圖7可以看出,在載荷58.83mN作用下,除聚四氟乙烯外,其余4種不同樣件(硅片、鋼、拋光鋁和玻璃)在最小擺動(dòng)頻率1.67Hz(即最小滑動(dòng)速度)時(shí)測(cè)得的摩擦系數(shù)值為最大,隨著載荷和速度的變化而呈現(xiàn)出上升曲線(xiàn)、拋物線(xiàn)狀或者(指數(shù))下降趨勢(shì)。然后,它們的摩擦系數(shù)值會(huì)隨著擺動(dòng)頻率的不斷增加近似線(xiàn)性地減小,這與圖4中曲線(xiàn)“4”的結(jié)果較吻合。不過(guò),PTFE的摩擦系數(shù)曲線(xiàn)依然只呈現(xiàn)上升趨勢(shì),這與在較小載荷和中等載荷時(shí)的變化是一致的。因此,無(wú)論法向載荷的大小如何,球-PTFE摩擦副間滑動(dòng)摩擦系數(shù)曲線(xiàn)變化類(lèi)似,擺動(dòng)頻率-摩擦系數(shù)曲線(xiàn)有最小值,在磨損失效點(diǎn)5Hz附近出現(xiàn)拐點(diǎn)。

圖7 載荷58.83 mN下擺動(dòng)頻率-摩擦系數(shù)曲線(xiàn)

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)并研制了電磁力驅(qū)動(dòng)裝置,通過(guò)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率來(lái)控制低頻往復(fù)式擺動(dòng)平臺(tái)的滑動(dòng)速度。任選了5種金屬和非金屬樣本與小鋼球構(gòu)成不同的摩擦副,在變電磁力信號(hào)頻率和變載荷的條件下進(jìn)行了多次摩擦測(cè)試實(shí)驗(yàn),得到了樣本擺動(dòng)頻率與摩擦系數(shù)的關(guān)系曲線(xiàn)。當(dāng)擺動(dòng)頻率小于磨損失效頻率時(shí),在較小和較大載荷作用下,摩擦系數(shù)隨擺動(dòng)頻率增加而近似線(xiàn)性下降;在載荷較大時(shí),低硬度的摩擦副的摩擦系數(shù)隨著頻率增加而下降,而硬度高的摩擦副的摩擦系數(shù)卻有相反的結(jié)果。由此說(shuō)明,在設(shè)定的測(cè)試環(huán)境中(溫度和濕度)中,低頻往復(fù)式微動(dòng)磨損測(cè)試系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電壓頻率可以有效地控制微動(dòng)磨損測(cè)試中的滑動(dòng)速度。本文的研究結(jié)果對(duì)今后在微動(dòng)磨損研究領(lǐng)域提供參考。

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(編輯：劉琳琳)

Experimental research on driving frequency influence of low-frequency reciprocating fretting wear testing system

WANG Zhong-nan, WANG Wu-yi, ZHANG Guang-yu

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

In order to meet the requirements of continuous operation to modernized equipments and reduction of fretting wear for micro-device manufacture, a low-cost universal low-frequency reciprocating fretting wear test system was developed. Oscillation reciprocating of reciprocating platform was controlled by adjusting the frequency of driving voltage to measure the coefficient of friction (CoF) for different friction pair, and analysis the variation of CoF with oscillation frequency. The micro-friction measurement were carried on with silicon wafer, polished aluminum, steel, glass and polytetrafluoroethylene (PTFE) against a steel ball. The experiments showed that CoF decreases linearly with the increase of oscillation frequency at the lower and higher applied load before the wear failure frequency occurred. Moreover, the friction coefficient for friction pair with the lower hardness shows a similar decline curve and variation of friction coefficient with oscillation frequency is consistent with the published literature. It is concluded that the test system is available and results will be provided as an important reference for future research in the field of fretting wear.

driving frequency control; magnet-coil force actuator; fretting wear; normal load; reciprocating frequency; coefficient of friction

2014-11-03

王仲楠(1984—)，男，博士研究生，研究方向?yàn)槲⑾到y(tǒng)測(cè)試與摩擦特性研究；

王武義(1957—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槲⑾到y(tǒng)測(cè)試與摩擦特性研究、超聲波技術(shù)；

王仲楠

10.15938/j.emc.2016.01.016

TH 117.1

A

1007-449X(2016)01-0105-05

張廣玉(1962—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槲⑾到y(tǒng)測(cè)試與摩擦特性研究、機(jī)電一體化技術(shù)。