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        45% SiCp/Al復(fù)合材料的微動(dòng)磨損試驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

        2021-01-10 03:27:56李志慧陳國欽夏振濤彭效海劉玉慶邵紅亮
        宇航學(xué)報(bào) 2020年12期
        關(guān)鍵詞:微動(dòng)鈦合金摩擦

        陳 立,李志慧,陳國欽,夏振濤,彭效海,劉玉慶,邵紅亮

        (1. 上海衛(wèi)星裝備研究所,上海 200240;2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)金屬復(fù)合材料與工程研究所,哈爾濱 150080)

        0 引 言

        45%SiCp/Al復(fù)合材料具有較高的比剛度、比強(qiáng)度[1]、熱穩(wěn)定性[2]和耐磨性等優(yōu)點(diǎn),成為鋁合金、鈦合金的優(yōu)選替代材料,在航天國防等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,如慣性儀表[3]、航天器精密結(jié)構(gòu)件[4-6]等。在某衛(wèi)星精密轉(zhuǎn)動(dòng)軸系中,由于減重和提高系統(tǒng)固有頻率的要求,采用45%SiCp/Al復(fù)合材料的軸承座與TC4鈦合金的鎖軸機(jī)構(gòu)大面積壓緊接觸,產(chǎn)生摩擦力的方式保證運(yùn)載發(fā)射階段軸系的鎖定。

        以往摩擦學(xué)研究表明,承受機(jī)械振動(dòng)、往復(fù)載荷或熱循環(huán)等工況的近似緊固的機(jī)械配合中存在微動(dòng)摩擦,即接觸表面之間有微米量級(jí)振幅的周期性相對(duì)運(yùn)動(dòng)[7-8],這種微動(dòng)摩擦造成的零件表面損傷即稱為微動(dòng)摩擦磨損。精密轉(zhuǎn)動(dòng)軸系中軸承座和鎖軸機(jī)構(gòu)之間的摩擦副在運(yùn)載發(fā)射階段為壓緊配合且承受振動(dòng)載荷,滿足微動(dòng)摩擦的發(fā)生條件,而一旦有磨損多余物進(jìn)入軸承,將導(dǎo)致軸承壽命降低,或摩擦力矩變化使得軸系控制系統(tǒng)穩(wěn)定性降低[9]。

        國內(nèi)外針對(duì)微動(dòng)磨損的研究涉及的材料主要為鈦合金、軸承鋼、鎂合金、鋁合金及碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等[10-11],多采用低頻往復(fù)式的微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)[12-14]對(duì)接觸載荷[15-16]、微動(dòng)幅值[17]、表面粗糙度[18]等影響因素進(jìn)行試驗(yàn)。而對(duì)于SiCp/Al復(fù)合材料的磨損性能研究多為宏觀大幅值相對(duì)運(yùn)動(dòng)下的[19-20],針對(duì)該材料的微動(dòng)摩擦磨損文獻(xiàn)報(bào)道極少。為了驗(yàn)證45%SiCp/Al作為摩擦式鎖軸機(jī)構(gòu)軸承座的合理安全性,本研究試圖對(duì)45%SiCp/Al復(fù)合材料和TC4鈦合金對(duì)偶材料之間在掃頻振動(dòng)條件下的微動(dòng)摩擦磨損及力傳遞特性進(jìn)行鑒定評(píng)估。區(qū)別于一般的單點(diǎn)定頻微動(dòng)摩擦試驗(yàn),本文在調(diào)研分析微動(dòng)摩擦磨損主要影響因素的基礎(chǔ)上,依據(jù)實(shí)際工況設(shè)計(jì)了等效運(yùn)載發(fā)射振動(dòng)的模擬試驗(yàn)裝置,對(duì)45%SiCp/Al復(fù)合材料和TC4鈦合金摩擦副進(jìn)行了掃頻振動(dòng)試驗(yàn),并檢測了振后試件表面,以期對(duì)45%SiCp/Al復(fù)合材料在空間機(jī)構(gòu)的應(yīng)用提供指導(dǎo)。

        1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        1.1 微動(dòng)磨損主要影響因素

        文獻(xiàn)[10]研究了Si3N4和GCr15兩種摩擦配副材料在不同載荷下對(duì)TC4鈦合金的微動(dòng)磨損行為影響。文獻(xiàn)[15-16]研究結(jié)果顯示接觸載荷對(duì)微動(dòng)摩擦行為和磨損機(jī)理有顯著影響。文獻(xiàn)[13,17-18]的試驗(yàn)結(jié)果顯示微動(dòng)幅值、表面粗糙度及擺動(dòng)頻率對(duì)摩擦系數(shù)及磨損率等有不同程度的影響,且干摩擦和水潤滑條件下磨損結(jié)果有很大區(qū)別。文獻(xiàn)[11]采用正交試驗(yàn)方法,研究碳纖維增強(qiáng)材料和鈦合金摩擦副之間載荷、頻率、振幅、材料織構(gòu)、環(huán)境條件等因素對(duì)微動(dòng)磨損行為的影響,結(jié)果顯示法向載荷、微動(dòng)頻率、時(shí)間對(duì)磨損量的影響非常顯著,其中載荷大小對(duì)于磨損量的影響程度遠(yuǎn)高于其他因素。

        因此,為保證試驗(yàn)結(jié)果的可參考性,在試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)上述影響因素包括接觸載荷、頻率、微動(dòng)幅值、表面粗糙度、接觸狀態(tài)及環(huán)境條件等進(jìn)行綜合考慮和量化控制。

        1.2 等效試驗(yàn)設(shè)計(jì)

        衛(wèi)星鎖軸機(jī)構(gòu)工作原理如圖1所示,在發(fā)射階段TC4壓環(huán)在驅(qū)動(dòng)裝置的作用下與SiCp/Al軸承座緊密配合,形成摩擦式鎖定。在軌后TC4壓環(huán)在驅(qū)動(dòng)裝置的作用下與SiCp/Al軸承座分離,進(jìn)而軸系解鎖。

        圖1 鎖軸機(jī)構(gòu)原理圖

        鎖軸機(jī)構(gòu)工作時(shí)TC4壓環(huán)與SiCp/Al軸承座之間為大面積柱面壓緊干摩擦的接觸形式,為方便測試檢測,本文采用兩個(gè)40 mm×40 mm×40 mm帶20 mm半徑圓弧的SiCp/Al塊夾持直徑40 mm的TC4鈦合金圓棒來模擬鎖軸機(jī)構(gòu)的壓緊接觸,在振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)通過平口鉗施加夾持力模擬驅(qū)動(dòng)裝置作用下摩擦副之間的接觸載荷。為保證接觸面的等效, SiCp/Al夾塊和TC4圓棒的摩擦副配合面的圓柱度等尺寸精度按IT6~8級(jí)加工,表面粗糙度按優(yōu)于Ra0.8進(jìn)行嚴(yán)格控制,保證與實(shí)際產(chǎn)品狀態(tài)一致。在試驗(yàn)時(shí)控制廠房的溫濕度,試驗(yàn)前使用無水乙醇清洗試件并晾干,保證摩擦副之間無其他介質(zhì),為干摩擦狀態(tài)。

        振動(dòng)頻率、幅值及振動(dòng)時(shí)間根據(jù)運(yùn)載發(fā)射條件確定。而常見的微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)[11]為通用化的單點(diǎn)定頻式,不能滿足本文的大面積接觸形式和掃頻試驗(yàn)工況?;诂F(xiàn)有試驗(yàn)條件,設(shè)計(jì)了如下方案:TC4圓棒通過轉(zhuǎn)接板與振動(dòng)臺(tái)激振頭連接,兩個(gè)SiCp/Al塊通過平口鉗與TC4圓棒夾持,平口鉗通過工裝安裝在水平滑臺(tái)側(cè)邊,水平滑臺(tái)上安裝適當(dāng)?shù)呐渲啬M負(fù)載。等效試驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。

        圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

        接觸載荷是微動(dòng)磨損的主要影響因素。對(duì)實(shí)際工況下鎖緊機(jī)構(gòu)的接觸載荷仿真計(jì)算表明工作時(shí)鎖緊機(jī)構(gòu)的最大接觸應(yīng)力約為15.3 MPa,試件上接觸應(yīng)力達(dá)到15.3 MPa時(shí),兩側(cè)夾塊壓緊載荷約4000 N,如圖3所示。所以試驗(yàn)過程中平口鉗需施加夾持力4000 N。

        圖3 試件夾緊力與接觸應(yīng)力仿真

        2 夾持力標(biāo)定試驗(yàn)

        在掃頻振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)中,采用精密平口鉗對(duì)試件夾緊,其夾持力通過絲桿施加。在彈性變形范圍內(nèi),絲杠的擰緊力矩與平口鉗夾持力成一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。在兩個(gè)SiCp/Al夾塊上各粘貼一個(gè)雙向應(yīng)變片,分別通過電子萬能試驗(yàn)機(jī)與平口鉗對(duì)試件進(jìn)行夾緊,應(yīng)變數(shù)值一致時(shí)則電子萬能試驗(yàn)機(jī)所示壓力與平口鉗的夾持力相同。表1為標(biāo)定試驗(yàn)所用設(shè)備及精度。

        表1 夾持力標(biāo)定試驗(yàn)設(shè)備清單Table 1 Equipment of holding force calibration test

        經(jīng)試夾,確定電子萬能試驗(yàn)機(jī)從1000 N開始,每遞增500 N記錄一次數(shù)據(jù)至6000 N。平口鉗夾持從擰緊力矩10 Nm開始,每遞增5 Nm記錄一次數(shù)據(jù)至30 Nm。圖4為試件分別在電子萬能試驗(yàn)機(jī)和平口鉗上標(biāo)定時(shí)的狀態(tài)。

        圖4 夾持力標(biāo)定試驗(yàn)

        圖5為電子萬能試驗(yàn)機(jī)和平口鉗兩次標(biāo)定的夾持力結(jié)果。其中階梯狀為萬能試驗(yàn)機(jī)加壓時(shí)應(yīng)變數(shù)值,每次遞增后持續(xù)60 s(第二次在2500 N處持續(xù)180 s,不影響標(biāo)定結(jié)果),圖片左側(cè)為平口鉗分別施加25 Nm和30 Nm擰緊力矩時(shí)應(yīng)變片數(shù)值,遞增后持續(xù)10 s??梢婋S著壓緊/夾持力的增大,微應(yīng)變?cè)黾硬②呌谄椒€(wěn)。

        圖5 夾持力標(biāo)定結(jié)果

        在考慮應(yīng)變儀精度的前提下,比較夾持力結(jié)果發(fā)現(xiàn),平口鉗施加擰緊力矩30 Nm與電子萬能試驗(yàn)機(jī)施加4000 N壓力時(shí)所粘貼應(yīng)變片的數(shù)值基本一致,可認(rèn)為試件之間夾緊狀態(tài)相同,接觸應(yīng)力一致。

        3 微動(dòng)摩擦試驗(yàn)

        3.1 振動(dòng)試驗(yàn)條件

        鎖軸機(jī)構(gòu)與軸承座之間微動(dòng)摩擦方向?yàn)檩S系的軸向,對(duì)應(yīng)衛(wèi)星整體的橫向,因此以該衛(wèi)星鑒定級(jí)[21]橫向正弦振動(dòng)條件作為微動(dòng)摩擦試驗(yàn)的輸入,如表2所示。

        掃頻振動(dòng)試驗(yàn)在D-1000振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行,在振動(dòng)前使用經(jīng)夾持力標(biāo)定的平口鉗對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行安裝緊

        表2 衛(wèi)星鑒定級(jí)正弦振動(dòng)試驗(yàn)條件Table 2 Sinusoidal vibration experiment condition of satellite

        固,并用力矩扳手對(duì)平口鉗施加30 Nm擰緊力矩。表3為微動(dòng)摩擦試驗(yàn)所用設(shè)備及精度。

        表3 微動(dòng)摩擦試驗(yàn)設(shè)備儀器清單Table 3 Equipment and instrument of friction vibration test

        振動(dòng)試驗(yàn)除驗(yàn)證材料的微動(dòng)摩擦磨損外,同時(shí)檢驗(yàn)該摩擦式鎖定的力傳遞特性。按照實(shí)際工況等比確定最大振動(dòng)輸入加速度1.3g,并在水平滑臺(tái)安裝等效配重模擬負(fù)載。

        圖6 掃頻微動(dòng)摩擦試驗(yàn)

        3.2 摩擦式鎖定的力傳遞特性

        振動(dòng)試驗(yàn)時(shí)在試驗(yàn)件兩側(cè),即激振頭工裝(TC4鈦棒側(cè))與水平滑臺(tái)(SiCp/Al夾塊側(cè))分別粘貼加速度傳感器,激振頭上為輸入信號(hào),滑臺(tái)上為控制信號(hào),通過觀察輸入信號(hào)和控制信號(hào)之間的重合度判斷加速度載荷是否有效傳遞。

        圖7 1.3g量級(jí)下滑臺(tái)與激振頭傳感器響應(yīng)曲線

        整個(gè)試驗(yàn)過程中SiCp/Al夾塊與TC4鈦棒之間未見松動(dòng)和相對(duì)滑動(dòng)。圖7為對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的輸入與控制信號(hào)的加速度響應(yīng)曲線,可以看出在1.3g量級(jí)下60 Hz前控制信號(hào)與輸入信號(hào)基本重合,60 Hz后輸入信號(hào)漂移,原因?yàn)樵囼?yàn)頻率達(dá)到工裝的固有頻率產(chǎn)生的共振所致。試驗(yàn)結(jié)果顯示,輸入加速度與通過摩擦副傳遞后的輸出加速度數(shù)值一致且沒有滯后,加速度載荷能有效傳遞,故這種摩擦式鎖定具有良好的力傳遞特性,即摩擦副結(jié)合面具有良好的切向接觸剛度。

        在掃頻振動(dòng)試驗(yàn)后,在此鎖軸機(jī)構(gòu)所應(yīng)用的轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一階模態(tài)頻率40 Hz處,對(duì)試件進(jìn)行了2 min的定頻40 Hz/1.3g量級(jí)的耐久振動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí),控制信號(hào)和輸入信號(hào)加速度響應(yīng)曲線也基本重合。

        4 復(fù)合材料表面振后檢測

        本文所述的鎖軸機(jī)構(gòu)附近配置有滾動(dòng)軸承,一旦有細(xì)小的顆粒進(jìn)入內(nèi)部,會(huì)加劇軸承的振動(dòng)和噪聲水平進(jìn)而影響其疲勞壽命及摩擦力矩。因此在振動(dòng)試驗(yàn)前后均使用HIROX三維視頻顯微鏡觀測試驗(yàn)件表面形貌,以判別45%SiCp/Al復(fù)合材料和TC4鈦合金對(duì)偶材料的表面是否磨損。同時(shí)在試驗(yàn)完成拆卸試驗(yàn)件時(shí),在下部墊白紙觀察是否有粉末顆粒。振動(dòng)試驗(yàn)前SiCp/Al夾塊表面某些部位已存在一些極細(xì)微劃痕,已存在的痕跡不作為發(fā)生磨損的判據(jù),主要比較振動(dòng)試驗(yàn)前后是否出現(xiàn)新的磨痕。圖8和圖9分別列出45%SiCp/Al試件中部和邊緣典型位置的放大20倍的形貌。

        圖8 夾塊1振前與振后表面形貌比較(20X)

        圖9 夾塊2振前與振后表面形貌比較(20X)

        除上述典型位置外,對(duì)SiCp/Al夾塊和鈦棒進(jìn)行全面檢測,對(duì)比試驗(yàn)前后20倍顯微鏡下的表面形貌,均未觀察到新的磨痕,所墊白紙上也未見粉末顆粒,因此可以判斷兩種材料之間未發(fā)生微動(dòng)摩擦磨損。

        5 結(jié) 論

        1)設(shè)計(jì)的掃頻微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)方法和裝置實(shí)現(xiàn)了衛(wèi)星鎖軸機(jī)構(gòu)45%SiCp/Al復(fù)合材料與TC4鈦合金摩擦副在運(yùn)載發(fā)射階段受載工況的等效模擬。

        2)45%SiCp/Al復(fù)合材料與TC4鈦合金組成的大面積壓緊接觸的摩擦副具有良好的力傳遞特性,摩擦副結(jié)合面具有良好的切向接觸剛度。

        3)在IT6~8級(jí)尺寸精度和優(yōu)于Ra0.8的表面粗糙度,以及接觸應(yīng)力約15.3 MPa的條件下,45%SiCp/Al復(fù)合材料與TC4鈦合金組成的摩擦副經(jīng)歷衛(wèi)星鑒定級(jí)振動(dòng)試驗(yàn)條件和耐久試驗(yàn)未出現(xiàn)微動(dòng)摩擦磨損,表明該材料具有良好的抗微動(dòng)磨損性能。

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