王順，王聰慧，羅雙強(qiáng)，王麗慧

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滑－滾比與加工精度對(duì)鋼－鋼線接觸復(fù)合磨損量影響研究

王順，王聰慧*，羅雙強(qiáng)，王麗慧

（吉林大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022）

在M2000A摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上，稱(chēng)重法研究了表面淬火處理的45#鋼－45#鋼線接觸摩擦副復(fù)合磨損量隨時(shí)間的變化。分析了滑－滾比和加工精度在接觸的不同階段對(duì)磨損量的影響。結(jié)果表明，磨損量隨相對(duì)滑動(dòng)速度增加而增大；組成摩擦副的兩表面加工精度相同，則有利于降低磨損量。在同一摩擦副中，加工精度較低的表面磨損量較小。在機(jī)械零件復(fù)合接觸設(shè)計(jì)中，通過(guò)摩擦副中配對(duì)表面加工精度可以控制兩個(gè)表面的相對(duì)磨損量，但并不能改變摩擦副總磨損量。

滑－滾比；加工精度；復(fù)合磨損；磨損率

作為機(jī)械零件基本失效形式之一，磨損不僅影響機(jī)器及零件性能和壽命，也導(dǎo)致材料的嚴(yán)重浪費(fèi)，人們從未停止過(guò)對(duì)磨損問(wèn)題的研究。Archard[1]提出的粘著磨損理論是磨損研究的重要成果，許多研究都以該理論為基礎(chǔ)開(kāi)展[2-4]。影響磨損的因素眾多而且復(fù)雜，國(guó)內(nèi)外研究者開(kāi)展了材料[5]、速度[6]、載荷[7]以及環(huán)境[8]等方面的研究，但至今仍未建立廣泛適用的模型，零件的耐磨性設(shè)計(jì)僅僅采用條件性設(shè)計(jì)方法。磨損狀態(tài)是零件性能狀況的一個(gè)重要指標(biāo)，王立勇等[9]采用測(cè)厚方法研究濕式離合器摩擦片磨損性能并估算磨損狀態(tài)。而滑－滾比和加工精度對(duì)磨損性能有著重要的影響[10-11]，已有的研究結(jié)論還存在許多爭(zhēng)議，需要進(jìn)一步開(kāi)展系統(tǒng)全面的研究工作，特別是在基礎(chǔ)理論尚未取得突破性進(jìn)展的情況下，實(shí)驗(yàn)研究顯得尤為重要。

本文以工程中廣泛使用的45#鋼－45#鋼線接觸摩擦副為研究對(duì)象，淬火處理接觸表面。在M2000A摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上開(kāi)展無(wú)潤(rùn)滑線接觸復(fù)合磨損量隨時(shí)間變化研究，探討滑－滾比和加工精度對(duì)摩擦副磨損量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)方法及樣本制備

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法

如圖1示，磨損實(shí)驗(yàn)在M2000A型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上完成。最大載荷為300 N，上試樣可以分別實(shí)現(xiàn)360和180 r/min兩種轉(zhuǎn)速，下試樣轉(zhuǎn)速則分別可以實(shí)現(xiàn)為400和200 r/min。

圖1 M2000摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和試樣安裝圖

試驗(yàn)機(jī)可以測(cè)量復(fù)合接觸摩擦副的摩擦力和磨損量，滑－滾比定義如下：

式中：1和2分別為下試樣和上試樣在接觸處的線速度，和分別為試樣的轉(zhuǎn)速和半徑。當(dāng)＝0時(shí)，為純滾動(dòng)；當(dāng)＝±2時(shí)，為純滑動(dòng)。試驗(yàn)時(shí)可以通過(guò)改變上、下試樣的半徑實(shí)現(xiàn)不同滑－滾比接觸。

如圖2所示，磨損量采用感量為1毫克的電子天平測(cè)定試樣磨損質(zhì)量。每次測(cè)量之前，對(duì)測(cè)試樣進(jìn)行清洗、干燥。

圖2 實(shí)驗(yàn)用測(cè)量磨損的電子稱(chēng)

1.2 試樣材料和制備

試樣材料為在工程中廣泛應(yīng)用的45#鋼，表面淬火處理接觸表面。試樣設(shè)計(jì)及加工的試樣如圖3所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試試樣

2 結(jié)果及討論

2.1 滑－滾比影響

表1所示為滑－滾比影響研究的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

表1 45#鋼－45#鋼摩擦副的滑－滾比影響研究實(shí)驗(yàn)參數(shù)（載荷：200 N）

圖4為兩種滑－滾比下摩擦副上、下試樣磨損量隨時(shí)間變化的測(cè)量結(jié)果。圖中可見(jiàn)，滑－滾比絕對(duì)值越大，即接觸表面相對(duì)滑動(dòng)速度越大，磨損量越大。盡管上、下試樣的材料和加工精度相同，但下試樣的磨損量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于上試樣。這主要是因?yàn)橄略嚇愚D(zhuǎn)速快且外徑小，單位時(shí)間內(nèi)下試樣表面微凸體接觸頻率比上試樣高，溫升快，磨損率大，導(dǎo)致下試樣的磨損量比上試樣大。而且，隨時(shí)間增長(zhǎng)，磨損量的差別不斷加大。磨損量大的下試樣磨損質(zhì)量加速增長(zhǎng)，磨損量小的下試樣磨損量增長(zhǎng)越來(lái)越緩慢?？梢酝茢?，接觸時(shí)間繼續(xù)變長(zhǎng)，下試樣磨損量不會(huì)再增加，摩擦副總磨損量主要來(lái)自下試樣。

圖4 滑－滾比對(duì)45#鋼－45#鋼摩擦副磨損量影響

圖5給出兩種滑－滾比情況下，上試樣和下試樣磨損量的比較。從圖5（a）發(fā)現(xiàn)，磨損最初階段兩個(gè)上試樣的磨損量出現(xiàn)負(fù)值，表面它們的質(zhì)量在增加，這是下試樣磨損顆粒粘附所致。在圖5（b）中，滑－滾比較大的下試樣磨損量隨時(shí)間呈線性增加，二者磨損量的差別隨時(shí)間不斷增大。

圖5 不同滑－滾比45#鋼－45#鋼摩擦副的上、下試樣磨損量分別比較

2.2 表面加工精度影響

本研究通過(guò)固定下試樣表面的加工精度，改變上試樣表面精度來(lái)研究表面加工對(duì)磨損量的影響。如表2給出了不同加工精度配對(duì)的45#鋼-45#鋼四個(gè)摩擦副磨損量實(shí)驗(yàn)參數(shù)，滑－滾比＝-0.146。

圖6為根據(jù)表2參數(shù)測(cè)定的四對(duì)摩擦副磨損量隨時(shí)間變化曲線。可以發(fā)現(xiàn)，由加工精度相同表面配對(duì)的摩擦副磨損總量小于表面加工精度不同的摩擦副磨損量。而且，加工精度Ra＝1.6mm摩擦副總磨損量（圖6（a））與Ra＝3.2mm（圖6（d））摩擦副總磨損量在不同時(shí)間段內(nèi)也基本相同。表明，只要組成摩擦副表面的精度相同，其加工精度對(duì)摩擦副磨損總量沒(méi)有影響。從圖6（b）和（c）中發(fā)現(xiàn)，兩對(duì)摩擦副中的配對(duì)表面加工精度剛好相反，但它們總的磨損量也基本相等。只不過(guò)由于試樣表面精度及轉(zhuǎn)速不同，配對(duì)表面的相對(duì)磨損量不同。因此，在復(fù)合接觸表面設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)改變表面加工精度來(lái)控制摩擦副中配對(duì)表面的相對(duì)磨損量。

由2.1可知，下試樣由于轉(zhuǎn)速較快，同樣加工精度時(shí)，其磨損量大于上試樣，這一點(diǎn)與圖6（a）和（b）的結(jié)果相同，盡管圖6（b）的上試樣表面加工精度較低些。但圖6（c）中，加工精度較低的下試樣磨損量卻遠(yuǎn)低于上試樣，這和前面得到的結(jié)論剛好相反。這說(shuō)明在加工精度不同表面組成的摩擦副中，加工精度較低的表面磨損量較小。至于圖6（d），加工精度相為3.2 μm的上下試樣，下試樣磨損量較低的原因是該試樣表面熱處理硬度略高于上試樣。

表2 45#鋼－45#鋼摩擦副的表面加工精度影響研究實(shí)驗(yàn)參數(shù)（載荷：200 N）

圖6 不同粗糙度表面配對(duì)的45#鋼摩擦副上、下試樣磨損量比較

3 結(jié)論

在M2000A型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上研究了滑－滾比和表面加工精度對(duì)無(wú)潤(rùn)滑線接觸45#鋼－45#鋼摩擦副磨損量影響隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行了研究。主要結(jié)論如下：

（1）隨著接觸表面相對(duì)滑動(dòng)速度增加，磨損量相應(yīng)增加。且磨損增量隨著接觸時(shí)間迅速增加。轉(zhuǎn)速較快表面的磨損量大于較低速表面。

（2）組成摩擦副的兩表面加工精度相同時(shí)，磨損總量小于加工精度不同的摩擦副。而且此時(shí)加工精度對(duì)摩擦副總磨損量基本沒(méi)影響。

（3）組成摩擦副的兩表面加工精度不相同時(shí)，較光滑表面磨損量大于較粗糙表面。在機(jī)械零件復(fù)合接觸設(shè)計(jì)中，通過(guò)配對(duì)表面加工精度設(shè)計(jì)可以控制兩個(gè)表面的相對(duì)磨損量，但并不能改變摩擦副總磨損量。

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Effects of Roll-Slide Ratio and Machine Precision Wear Volume of Steel-Steel Rubbing Pair in Composite Line Contacts

WANG Shun，WANG Conghui，LUO Shuangqiang，WANG Lihui

( School of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China )

On M2000A-type tribometer, Composite wear volume of 45#steel-45#steel rubbing pairs in line contacts was measured by weight method. Effects of contact roll-slide ratio and machine precision of contact surfaces on wear volume were analyzed. The results suggest that wear volume increases with relative sliding velocity. And a rubbing pair, which consists of two surfaces with the same machine, shows lower wears volume. In a rubbing pair, a surface with lower precision shows lower wears volume. In composite contact design, relative wear volumes of two mating surfaces in a rubbing pair may be controlled by designing the two surfaces' precision, but the total volume of the pair wear can be altered.

roll-slide ratio；machine precision；composite wear；wear ratio

TH161+.5

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.006

1006－0316 (2018) 01－0029－05

2017－07－14

吉林大學(xué)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——科技成果轉(zhuǎn)化類(lèi)（VE2015012）

王順（1972－），男，吉林磐石人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論；羅雙強(qiáng)（1988－），男，湖北荊州人，碩士，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論；王麗慧（1972－），女，吉林九臺(tái)人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)閷?shí)驗(yàn)測(cè)試技術(shù)。

通訊作者：王聰慧（1979－），女，遼寧法庫(kù)人，博士，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及理論。