孫少妮，謝里陽，龍日升

（1.東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，山西 太原 100013）

1 引言

限矩型液力偶合器和雙速電動機是刮板輸送機的傳統(tǒng)起動方式，其中限矩型液力偶合器受其尺寸和傳遞能力的限制，只用在小功率的場合。而雙速電動機在我國應(yīng)用較多，適用功率在700 kW以下，其起動過程分二級進行，即先低速起動再切換到高速。隨著驅(qū)動功率的加大，傳統(tǒng)起動方式存在起動難、對電網(wǎng)電流沖擊大、多機驅(qū)動功率不均衡以及過載沖擊和機械沖擊等突出問題。為此，當前重型刮板輸送機的起動方式已由傳統(tǒng)的硬起動方式，發(fā)展為以閥控型偶合器、可控起動驅(qū)動裝置（CST）和變頻驅(qū)動等為代表的軟起動方式[1]。

其中，CST是基于液黏摩擦傳動和可編程電液伺服控制技術(shù)的（多級齒輪減速）傳輸裝置，可實現(xiàn)大慣性負載的平滑起動和分布式多驅(qū)動單元的功率自動平衡，大大降低帶載起動的起動電流，是未來重型刮板輸送機的重要軟起動方式之一。但目前國內(nèi)重型刮板機用CST及其采用的紙基摩擦副全部依賴進口。液黏摩擦傳動單元是CST的核心，它包括多達24組的液黏摩擦傳動副。摩擦副的可靠性和耐磨性直接決定了CST的整體性能。因此，為滿足CST裝置國產(chǎn)化的需要，有必要對CST進口紙基摩擦副進行深入研究，以突破CST的核心技術(shù)。

目前，仿生工程學(xué)利用自然界的生物體表形態(tài)來改善機械零部件的表面耐磨性能和疲勞性能已得到世界各國研究人員和機構(gòu)的關(guān)注，并成為當前摩擦學(xué)研究的熱點[2-6]，這為高性能CST液黏傳動摩擦副的研制提供了新的思路。

最近的研究表明，非光滑表面織構(gòu)技術(shù)可以顯著地提高材料的表面耐磨性能[7-10]。文獻[11]通過微動摩擦和磨損試驗，研究了不同仿生非光滑表面的耐磨性能。文獻[12]在摩擦副表面加工了多種不同的仿生非光滑表面形態(tài)，同時根據(jù)正交試驗設(shè)計理論，在相同的實驗條件下，對不同表面形態(tài)摩擦副的摩擦特性進行了研究。研究結(jié)果表明，非光滑表面的耐磨性比光滑表面有顯著提高，磨損量可降低約6.7%。文獻[13]利用柱銷摩擦磨損試驗機，研究了具有不同凹坑直徑和不同凹坑間距的非光滑表面對W9Gr4V摩擦磨損行為的影響。但關(guān)于高性能液黏傳動摩擦副微觀表面形態(tài)及其耐磨性等方面的研究尚未見報道。

基于仿生非光滑表面織構(gòu)工程應(yīng)用理論，嘗試利用激光熔敷沉積和激光表面脈沖鉆孔兩種技術(shù)，獲取凸起形（増材型）和凹坑形（減材型）兩種仿生表面織構(gòu)來改變材料表面摩擦性能，仿生表面形態(tài)，如圖1所示。以提高液黏傳動摩擦副耐磨性能的可行性。其中，針對激光熔敷沉積技術(shù)，研究了基板未預(yù)熱以及分別預(yù)熱到300℃和600℃時的沉積層特性，包括基板形變、表面形貌以及微觀組織等，以控制増材成形質(zhì)量。針對激光表面脈沖鉆孔技術(shù)，加工了具有不同凹孔直徑和凹孔間距的9種樣件，并利用萬能柱銷式摩擦磨損試驗機對比分析了非光滑表面試樣和光滑表面試樣的摩擦磨損性能。該研究為CST液黏傳動摩擦副未來的國產(chǎn)化研制和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

圖1 典型仿生表面形態(tài)Fig.1 Typical Biomimetic Surface Morphology

表1 Ni60A粉末和Q235基板的材料化學(xué)組分Tab.1 Chemical Composition of Ni60A Powder and Q235 Substrate

2 凸起型表面織構(gòu)激光沉積試驗

考慮到激光熔敷沉積成形工藝的實用性和典型性以及CST液黏傳動摩擦副的實際工作條件，最終選用200目的Ni60A合金粉末作為激光沉積材料，選用Q235鋼板作為激光沉積試驗基板，基板尺寸為（100×50×10）mm。其中，Ni60A 合金粉末和Q235鋼板的化學(xué)組分，如表1所示。

試驗采用激光金屬沉積成形設(shè)備，包括一臺2kW的CO2水冷連續(xù)激光器、數(shù)控設(shè)備（包括工控機、PCI-1240運動控制卡和三軸數(shù)控機床）、雙腔粉末儲存/送粉系統(tǒng)和同軸送粉頭。所有實驗均在氬氣保護氛圍下進行，具體工藝參數(shù)如下：激光功率800W，掃描速度5mm/s，激光的光點直徑1mm，送粉速率5g/min。每個試樣均只沉積三層，設(shè)計沉積層尺寸（50×4×3）mm。

上述條件下，在厚、薄基板上激光直接沉積得到的試樣，如圖2所示。室溫下沉積得到的試樣，如圖2（a）、圖2（b）所示。基板預(yù)熱至300℃時沉積得到的試樣，如圖2（c）、圖2（d）所示?；孱A(yù)熱至600℃時沉積得到的試樣，如圖 2（e）、圖 2（f）所示。當基板初始溫度等于20℃，即室溫條件下時，基板上表面激光直接沉積過程的熱膨脹會被其下表面限制，這是沉積試樣負向彎曲變形的主要原因，如圖2（b）所示。在試樣冷卻過程中，沉積層內(nèi)部的熱量將被分散到外部環(huán)境中，其內(nèi)部的熱應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變成拉應(yīng)力，并表現(xiàn)為收縮效應(yīng)，這將導(dǎo)致沉積試樣的正向彎曲變形，如圖2（f）所示。

圖2 不同基板預(yù)熱溫度下激光直接沉積試樣前視圖（厚基板vs薄基板）Fig.2 Deposited Parts at Different Baseplate Preheating Temperature（Thick Baseplate vs Thin Baseplate）

圖中：a、b—基板未預(yù)熱；c、d—基板預(yù)熱至 300℃；e、f—基板預(yù)熱至600℃。

此外，隨著預(yù)熱溫度的升高，沉積層的高度越來越高，正向彎曲變形的傾向也更顯著，如圖 2（b）、圖 2（d）和圖 2（f）所示。其原因是，基板預(yù)熱可以顯著降低基板與沉積試樣間的溫度梯度，更加均勻化的溫度場有助于減少試樣沉積過程因上表面被下表面約束而產(chǎn)生的負向彎曲變形趨勢。同時，基板預(yù)熱還可以顯著增加沉積過程的粉末有效沉積速率。這意味著單位時間內(nèi)將有更多的粉末被熔化和堆積，試樣沉積高度也將得到顯著增加。在后續(xù)的凝固和冷卻過程中，試樣內(nèi)部由熱應(yīng)力轉(zhuǎn)化而來的拉伸應(yīng)力將明顯加強，加上沉積試樣高度的增加，這將徹底抵消沉積過程初期的試樣負向彎曲變形傾向，并最終呈現(xiàn)出正向彎曲變形。因此，基板的最終變形趨勢是上述因素綜合作用的結(jié)果。基板預(yù)熱溫度越高，試樣的正向彎曲變形傾向就越明顯，沉積層的高度也更高。

不同基板預(yù)熱溫度下沉積試樣的表面形態(tài)，如圖3所示。其中，室溫下沉積得到的試樣，如圖3（a）、圖3（b）所示。基板預(yù)熱至300℃時沉積得到的試樣，如圖3（c）、圖3（d）所示。基板預(yù)熱至600℃時沉積得到的試樣，如圖 3（e）、圖 3（f）所示。如圖 3（a）和圖3（b）所示?；逦搭A(yù)熱時，沉積試樣表面有多條裂紋（圖中白線），且溝壑分明，凹凸不平，這表明沉積成形質(zhì)量較差，此時試樣表面粗糙度約為 100μm。而在圖 3（e）、圖 3（f）中，當基板預(yù)熱至 600℃時，試樣表面沒有明顯的裂紋或溝壑，且試樣表面較豐滿，平滑。此時，試樣的表面粗糙度約為60μm。顯然，基板預(yù)熱可以顯著提高和改善試樣的成形質(zhì)量，尤其是成形表面質(zhì)量和表面粗糙度。

圖3 不同基板預(yù)熱溫度下激光直接沉積試樣的表面形態(tài)（厚基板vs薄基板）Fig.3 Surface Morphology of Parts Deposited at Different Baseplate Preheating Temperature（Thick Baseplate vs Thin Baseplate）

圖中：a、b—基板未預(yù)熱；c、d—基板預(yù)熱至 300℃；e、f—基板預(yù)熱至600℃

表2 非光滑試樣的表面結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Surface Structure Parameters of Non-Smooth Samples

圖4 激光加工的均勻分布凹坑型非光滑表面試樣Fig.4 Non-Smooth Surface Samples with Uniformly Distributed Pits by Laser Processing

3 凹坑型仿生表面摩擦試驗

首先，根據(jù)銷-盤摩擦磨損試驗機實際安裝尺寸的要求，制備了鑄鐵材料的標準摩擦試驗樣件，其中，樣件的外孔直徑54 mm，內(nèi)孔直徑38 mm，高度10 mm，然后利用激光脈沖鉆孔設(shè)備，在樣件的上表面加工具有不同直徑和間距且規(guī)則分布的凹坑。最終的樣品表面形貌，如圖4所示。具體的非光滑表面形態(tài)參數(shù)，如表2所示。每種表面形態(tài)（包括光滑表面）的樣件都制備3件，利用MMW-1型摩擦試驗機來進行樣件的摩擦磨損試驗，利用L-200型光電分析天平測量樣件試驗后的磨損質(zhì)量損失。具體試驗條件如下：負荷0.98 MPa，測試時間5min，轉(zhuǎn)速480 r/min。

3.1 非光滑樣品的磨損量分析

不同凹坑直徑和凹坑間距的非光滑樣件與光滑試樣的平均磨損量結(jié)果，如表3所示。理論上講，相同的試驗條件下，樣品的耐磨性能跟其磨損量具有負相關(guān)性，即如果一個樣件的磨損量越大，則表明其耐磨損性能越差。

由表3的平均磨損量數(shù)據(jù)來看，非光滑表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)對樣件的耐磨損性能有很大影響。其中，樣件3的平均磨損量最小，這表明在實驗條件下，樣件3具有最好的耐磨性能，此時它的凹坑間距為1 mm，凹坑直徑為0.8 mm。與此相反，樣件7的耐磨性能最差，它的凹坑間距為1.5mm，凹坑直徑為0.4mm。

磨損量隨凹坑間距的變化規(guī)律，如圖5所示。當凹坑直徑一定時，樣件的磨損量隨著凹坑間距的變大而增大。當凹坑間距等于1.5 mm時，樣件7、8和9的平均磨損量都超出了5mg，即非光滑表面試樣的耐磨性能與凹坑間距成反比。

表3 非光滑試樣和光滑試樣的摩擦磨損情況Tab.3 Wear Loss of Non-Smooth Samples and Smooth Samples

圖5 磨損量隨凹坑間距的變化Fig.5 Wear Loss Versus Pits-Distance

磨損量隨凹坑直徑的變化規(guī)律，如圖6所示。對比表3和圖6可以發(fā)現(xiàn)，當凹孔直徑等于0.8 mm時，試樣的平均磨損量顯著降低。當凹坑間距保持不變時，凹孔直徑越大，樣件的磨損量越小。即在相同的實驗條件下，非光滑表面樣件的耐磨性能與凹孔直徑成正比。

圖6 磨損量隨凹坑直徑的變化Fig.6 Wear Loss Versus Pit Diameter

此外，如表3所示，在相同條件下，光滑表面樣件的平均磨損量約6.8mg，與非光滑表面樣件的耐磨性相比，磨損量遠大于所有的非光滑表面樣件。因此，非光滑表面可以顯著提高樣件的耐磨性能。如取材料非光滑表面與光滑表面耐磨性能的增量比為Q，則Q應(yīng)滿足：

式中：K1—非光滑樣件的平均磨損量；K2—光滑樣件的平均磨損量。由表3可知，樣件3的K1等于4.4mg，而K2等于6.8mg，所以其非光滑與光滑表面的耐磨性增量比率Q=（6.8-4.4）/6.8=35.29%。

3.2 動摩擦系數(shù)分析

動摩擦系數(shù)是材料和機械零部件摩擦磨損過程不可忽略的一個重要參數(shù)。具有不同非光滑表面形貌的樣件，其平均動摩擦系數(shù)與光滑樣件的平均動摩擦系數(shù)，如表4所示。

光滑樣件的平均摩擦系數(shù)等于0.391，如表4所示。而幾乎所有非光滑表面樣件的平均動摩擦系數(shù)都比光滑樣件的?。蛹?除外）。其中，樣件3的平均動摩擦系數(shù)最小，等于0.368。材料表面動摩擦系數(shù)的減小并不影響其傳動性能，在一定程度上，它反而更有利于提高摩擦副的耐磨性能。綜合來講，不同非光滑表面形貌樣件的動摩擦系數(shù)具有與其磨損量相同的變化趨勢。

表4 非光滑試樣和光滑試樣的動摩擦系數(shù)Tab.4 Dynamic Friction Coefficient of Non-Smooth and Smooth Samples

4 結(jié)論

提出以仿生非光滑表面來改善和提高CST液黏傳動摩擦副機械耐磨性能的思路。利用激光直接沉積和激光脈沖鉆孔技術(shù)兩種増材和減材方法，分別制備了凸起形和凹坑形兩種具有不同表面結(jié)構(gòu)的摩擦試樣。結(jié)合表面形貌分析和摩擦磨損試驗結(jié)果，可得如下結(jié)論：

（1）基板預(yù)熱有助于提高激光沉積試樣的表面質(zhì)量，包括表面形貌、裂紋擴展控制以及材料與基板結(jié)合位置的晶粒細化等。600℃是一個較佳的預(yù)熱溫度；對于未來CST用高性能表面織構(gòu)摩擦副的制造，采取基板預(yù)熱是改善成形過程變形和提高表面質(zhì)量的重要手段。

（2）與宏觀光滑試樣相比，具有表面織構(gòu)形態(tài)的試樣具有更好的耐磨性能。試驗條件下，當織構(gòu)孔間距等于1 mm，孔直徑等于0.8mm時，樣件具有更好的表面耐磨性能。

這為CST液黏傳動摩擦副的研究和試制提供了新的方向。未來，將圍繞工藝參數(shù)優(yōu)化、不同的仿生非光滑表面形態(tài)、不同的表面沉積材料以及非光滑表面結(jié)構(gòu)對熱疲勞、接觸疲勞等影響展開研究。