王安宇,吳元科,項載毓,孫瑞雪,莫繼良*

(1.西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院 摩擦學(xué)研究所,四川 成都 610031;2.軌道交通運維技術(shù)與裝備四川省重點實驗室,四川 成都 610031)

機械設(shè)備中能量交換、運動和信號傳遞的物理過程大部分是通過表面接觸來實現(xiàn)的，而表面接觸也最終引發(fā)了機械系統(tǒng)中最普遍的問題-摩擦磨損.由摩擦磨損導(dǎo)致的工程材料損失、機械零部件失效和能量耗散相當嚴重，其帶來的間接經(jīng)濟損失更是無法估量.同時，在摩擦磨損過程中激發(fā)的摩擦振動及噪聲不僅引起噪聲污染，還降低機械加工精度，加速零件的疲勞，銳減機器的壽命，甚至釀成嚴重的事故.所以，機械摩擦運動部件的表面摩擦學(xué)性能對其效率及可靠性存在重要影響[1].

接觸表面的界面形貌以及界面特性在摩擦磨損過程中是處于不斷變化的狀態(tài).因此，由摩擦自激振動所激發(fā)的摩擦振動噪聲也將會受到界面形貌變化的影響，一些學(xué)者就以此為出發(fā)點做了相關(guān)研究[2-4].隨著摩擦學(xué)研究的不斷深入以及工程應(yīng)用對機械零部件表面界面摩擦學(xué)性能要求的不斷提高，調(diào)控和改善表面界面性能的方式也有了新突破[5-11].織構(gòu)化表面作為一種有效的界面調(diào)控方式也被用于研究界面與摩擦振動及噪聲的相互關(guān)系中，一些抑制摩擦振動噪聲的織構(gòu)化處理手段由此被提出[12-16].但鑒于機械表面對界面摩擦學(xué)行為影響的復(fù)雜性，開展借助表面“改型”方法進一步優(yōu)化界面摩擦學(xué)性能的研究，對于深入揭示機械表面特性如何影響界面摩擦學(xué)行為并指導(dǎo)解決實際工程應(yīng)用問題均具有重要的意義.

因此，在本研究中通過在鍛鋼基材表面的溝槽中填充與基材硬度接近的灰鑄鐵HT300，以此改變摩擦過程中界面接觸剛度和調(diào)節(jié)界面磨損動態(tài)行為，設(shè)計出具有時變接觸特性的表面.鑒于HT300具有一定的阻尼特性[17]，為了明確磨損特征和界面作用與阻尼特性對摩擦振動噪聲影響的主導(dǎo)地位，在本研究中進一步設(shè)計了填充Mn-Cu合金和Mn-Cu阻尼合金的時變接觸特性表面.通過對四種表面(鍛鋼光滑表面、填充HT300的時變接觸特性表面、填充Mn-Cu合金和Mn-Cu阻尼合金的時變接觸特性表面)進行摩擦噪聲試驗，進而分析了不同表面在摩擦噪聲、摩擦振動和磨損形貌方面呈現(xiàn)出的差異，深入探討了時變接觸特性表面對界面摩擦學(xué)行為的影響.

1 試驗部分

1.1 試驗測量裝置

以多功能摩擦磨損試驗機為主體搭建了往復(fù)式“球-平面”摩擦噪聲試驗平臺，主要包括摩擦學(xué)試驗裝置和信號采集分析儀器等，其測量原理如圖1所示.其中，采集信號主要包括：界面法向力和動態(tài)摩擦力、界面振動加速度以及摩擦噪聲，這些信號分別由應(yīng)變式力傳感器、三維加速度傳感器和傳聲器實時捕獲.最后，所有動態(tài)加速度信號和摩擦噪聲信號均傳輸至16通道振動噪聲測量分析系統(tǒng)實現(xiàn)同步采集和分析[18].

Fig.1 Schematic of the test apparatus圖1 試驗裝置示意圖

1.2 試驗樣品制備

時變接觸特性表面設(shè)計思路如下：鍛鋼塊(硬度為290 HV0.1，彈性模量E=198 GPa)平面試樣尺寸為10 mm×10 mm×20 mm，采用數(shù)控加工的方法在試樣塊表面加工出寬度和深度分別為2和1 mm的溝槽，然后將與溝槽尺寸相同的灰鑄鐵HT300(硬度為256 HV0.1，彈性模量E=138 GPa)、Mn-Cu合金(硬度為198 HV0.1，彈性模量E=66 GPa)和Mn-Cu阻尼合金(硬度為186 HV0.1，彈性模量E=48 GPa)樣條壓入不同試樣塊溝槽中以獲得不同的時變接觸特性表面，試驗前將各表面進行拋光處理，其示意圖如圖2所示，文中將用SS和HS、MAS、MDAS分別代表光滑表面和填充HT300、Mn-Cu合金、Mn-Cu阻尼合金的時變接觸特性表面.摩擦對偶球選用Φ=10 mm的Si3N4陶瓷球(硬度為1 800 HV0.05，表面粗糙度Ra=0.02 μm，彈性模量E=310 GPa)，試驗時，摩擦對偶試樣表面均用丙酮對其進行清潔處理.

Fig.2 Schematic diagram and photo of the testing samples圖2 試驗樣品示意圖和照片

1.3 試驗參數(shù)設(shè)置及測試分析

摩擦學(xué)試驗參數(shù)設(shè)置如下：法向載荷為15 N，往復(fù)位移值為6 mm，往復(fù)頻率為1 Hz，測試時間為1 500 s，測量系統(tǒng)采樣頻率設(shè)置為10 kHz，試驗在普通實驗室環(huán)境中進行.另外，夾具和預(yù)緊力的差異會對摩擦振動噪聲的激發(fā)和強度帶來很大影響.因此，鑒于摩擦振動噪聲對系統(tǒng)存在強烈的依賴性，為了保證所獲得試驗結(jié)果的可靠性，每種表面的試驗均重復(fù)3次以上，且用于分析的試驗數(shù)據(jù)均來自同一批次.摩擦噪聲試驗完成后，磨損形貌的觀察和測量利用掃描電子顯微鏡(SEM)和白光干涉儀完成.

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦噪聲和摩擦振動信號對比分析

為了更好地揭示時變接觸特性表面對摩擦過程中產(chǎn)生的摩擦振動噪聲所存在的差異，圖3示出了不同表面0～1 500 s內(nèi)的摩擦噪聲時域信號以及對應(yīng)的時頻分析.結(jié)果表明，光滑表面和不同時變接觸特性表面產(chǎn)生的摩擦噪聲在時域上存在明顯差異，但頻率十分接近.光滑表面SS的時域信號幅值在340 s左右開始明顯增大，整個測試過程中最大幅值A(chǔ)max約為10.34 Pa，在時頻云圖中發(fā)現(xiàn)噪聲高頻成分也是在340 s左右開始逐漸增強，其主頻為3 457.0 Hz；填充HT300的時變接觸特性表面HS的時域信號在整個摩擦過程中聲壓幅值沒有明顯變化，最大幅值A(chǔ)max僅約為0.63 Pa，時頻云圖中在主頻3 183.6 Hz處也僅在約1 050 s后出現(xiàn)斷續(xù)的微弱能量集聚；填充Mn-Cu的合金時變接觸特性表面MAS的時域信號幅值在270 s左右開始明顯增大，最大幅值A(chǔ)max約為11.75 Pa，時頻云圖中噪聲高頻成分也是在270 s左右開始逐漸增強，其主頻約為3 457.0 Hz；填充Mn-Cu阻尼合金的時變接觸特性表面MDAS的時域信號幅值在250 s左右開始明顯增大，最大幅值A(chǔ)max約為9.12 Pa，時頻云圖中噪聲高頻成分也是在250 s左右開始逐漸增強，其主頻約為3 476.5 Hz.填充Mn-Cu合金的時變接觸特性表面MAS和填充Mn-Cu阻尼合金的時變接觸特性表面MDAS出現(xiàn)摩擦噪聲的時間均早于光滑表面SS，且噪聲強度也接近于光滑表面SS，而填充HT300的時變接觸特性表面HS整個過程均無明顯噪聲產(chǎn)生.由此可推測，填充HT300時變接觸特性表面HS能有效抑制界面摩擦噪聲的產(chǎn)生.

Fig.3 Friction noise time-domain signal and time frequency analysis of the four surfaces during 0～1 500 s圖3 0～1 500 s內(nèi)四種表面摩擦噪聲時域信號和時頻分析

為了對比分析不同時變接觸特性表面對摩擦噪聲強度影響的差異，進一步對四種表面1 490～1 500 s時間段噪聲信號的均方根(RMS)值做了對比.如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)，光滑表面SS的噪聲強度最高，約為2.034 Pa；與光滑表面相比，填充HT300的時變接觸特性表面HS的噪聲強度最低，約為0.194 Pa，填充Mn-Cu合金的時變接觸特性表面MAS和填充Mn-Cu阻尼合金的時變接觸特性表面MDAS的噪聲強度均較接近于光滑表面，分別為1.997和1.699 Pa.由此可見，填充HT300的時變接觸特性表面HS能夠有效降低接觸界面摩擦噪聲強度.

Fig.4 Noise pressure RMS of the four surfaces in the period 1 490～1 500 s圖4 1 490～1 500 s時間段四種表面摩擦噪聲的RMS值

Fig.5 Time-domain signals of acceleration in friction and normal directions for the four flat samples in the period 1 490-1 500 s圖5 1 490～1 500 s時間段四種表面摩擦方向和法向加速度時域信號

鑒于摩擦噪聲是由摩擦系統(tǒng)界面自激振動所激發(fā)的，因此，進一步對四種表面1 490～1 500 s摩擦振動時域信號進行對比分析，如圖5所示.光滑表面SS的摩擦方向和法向加速度幅值波動都非常顯著，且單次波動持續(xù)時間較長，其均方根值也較高，分別為14.69和43.30 m/s2，這表明此時摩擦系統(tǒng)已產(chǎn)生強烈振動，并伴隨有高強度的摩擦噪聲(RMS=2.034 Pa).與光滑表面相比，填充HT300的時變接觸特性表面的摩擦方向和法向加速度幅值波動均十分微弱，其均方根值也均最小，分別為3.82和3.00 m/s2，這表明此時摩擦系統(tǒng)并未激發(fā)出強烈振動，也沒有輻射出高強度摩擦噪聲(RMS=0.194 Pa)；填充Mn-Cu合金的時變接觸特性表面MAS和填充Mn-Cu阻尼合金的時變接觸特性表面MDAS的摩擦方向和法向加速度幅值波動均非常明顯，幅值波動有時甚至高于光滑表面，MAS表面的均方根值分別為17.27和33.75 m/s2，而MDAS表面的均方根值RMS分別為16.33和32.07 m/s2，這意味著兩種表面的摩擦系統(tǒng)此時均存在較高強度的摩擦振動，并伴隨較高強度的摩擦噪聲(MAS表面：RMS=1.997 Pa；MDAS表面：RMS=1.699 Pa).由此可見，時變接觸特性表面對摩擦振動和噪聲的產(chǎn)生及強度有重要影響.HT300時變接觸特性表面能有效抑制摩擦系統(tǒng)振動，進而顯著降低了摩擦噪聲強度.

2.2 磨損分析

摩擦磨損過程中界面形貌的變化對界面摩擦學(xué)行為有重要影響.其中，界面磨損特征和界面相互作用與摩擦振動噪聲的產(chǎn)生存在密切聯(lián)系，為探尋時變接觸特性表面與界面磨損特征形成、界面作用以及摩擦振動噪聲特性差異之間的內(nèi)在聯(lián)系，對比分析四種表面試驗結(jié)束階段的摩擦系數(shù)、磨損程度以及磨損特征差異，并將其與摩擦振動及噪聲信號相聯(lián)系，深入揭示時變接觸特性表面對界面摩擦磨損以及摩擦振動和摩擦噪聲的影響.

圖6顯示了四種表面的摩擦系數(shù)穩(wěn)定值(1 490～1 500 s).光滑表面SS的摩擦系數(shù)約為0.545；與光滑表面相比，填充HT300的時變接觸特性表面的摩擦系數(shù)有所減小，約為0.481；而填充Mn-Cu合金的時變接觸特性表面MAS和填充Mn-Cu阻尼合金的時變接觸特性表面MDAS的摩擦系數(shù)均高于光滑表面，分別約為0.648和0.641.由此可知，填充HT300后的表面可一定程度上降低界面摩擦系數(shù)，但填充Mn-Cu合金和填充Mn-Cu阻尼合金后反而會增大界面摩擦系數(shù).另外，摩擦系數(shù)數(shù)值的大小與摩擦振動和噪聲強度的高低沒有絕對的對應(yīng)關(guān)系.

Fig.6 Steady friction coefficients of the four surfaces圖6 四種表面摩擦系數(shù)穩(wěn)定值

圖7(a～d)為摩擦學(xué)試驗后四種表面磨痕整體和局部的三維形貌及相應(yīng)的磨痕輪廓，可見這些表面在磨損特征與磨損程度等方面存在顯著差異.光滑表面SS的磨損特征以黏著撕裂和犁溝為主，磨痕整體深度ΔD=3.58 μm，中部和兩端磨損情況存在一定的差異，中部磨損程度較輕，磨痕深度和寬度分別為ΔD=2.45 μm和ΔW=0.72 mm，端部磨損較中部較重，磨痕深度和寬度分別為ΔD=3.15 μm和ΔW=0.73 mm.與光滑表面相比，填充HT300的時變接觸特性表面的犁溝磨損特征明顯，雖然磨痕整體深度ΔD=5.88 μm，但這主要體現(xiàn)在中部填充HT300的部位，磨痕深度和寬度分別為ΔD=5.56 μm和ΔW=0.89 mm，而端部磨損程度較光滑表面SS輕，磨痕深度和寬度分別為ΔD=2.56 μm和ΔW=0.65 mm；填充Mn-Cu合金的時變接觸特性表面MAS和填充Mn-Cu阻尼合金的時變接觸特性表面MDAS的磨損形貌較復(fù)雜，磨損特征以黏著剝落為主，磨損程度也均較嚴重，其中，MAS表面的磨痕整體深度ΔD=24.37 μm，磨痕中部深度和寬度分別為ΔD=24.11 μm和ΔW=1.17 mm，端部深度和寬度分別為ΔD=9.41 μm和ΔW=0.91 mm；MDAS表面的磨痕整體深度ΔD=23.70 μm，磨痕中部深度和寬度分別為ΔD=25.85 μm和ΔW= 1.18mm，端部深度和寬度分別為ΔD=8.79 μm和ΔW=0.76 mm.由此可以看出，不同的填充材料所制備的時變接觸特性表面對形成的界面磨損特征和磨損程度有顯著的影響，填充HT300后，基材表面磨損程度得到了一定的緩解.

通過SEM進一步觀察光滑和填充HT300的時變接觸特性表面中部和端部形貌，結(jié)果如圖8所示.可見光滑表面的磨損特征為黏著撕裂和輕微犁溝等，而端部磨損更嚴重，磨損特征也更明顯；填充HT300的時變接觸特性表面中部存在顯著的犁溝和輕微的剝落以及少量磨屑，端部除了上述特征外，還存在一定的磨屑碾壓層.

Fig.7 Topographies and profiles of the four worn surfaces圖7 四種磨損表面的三維形貌和輪廓曲線

Fig.8 SEM micrgraphs of the middle and end of SS and HS worn surfaces圖8 SS和HS表面磨痕的中部和端部形貌SEM照片

在磨損過程中，磨損界面存在的黏著撕裂、犁削和剝落等界面作用以及磨屑的流變，有可能激起界面摩擦力的波動，進而破壞系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)并促使摩擦振動及噪聲的產(chǎn)生[2,18-20].圖9為磨損行為與摩擦振動及噪聲的關(guān)系示意圖.據(jù)上述分析，填充材料對界面摩擦磨損存在顯著影響，界面磨損過程中磨損特征、接觸面積以及界面作用等使界面接觸特性呈現(xiàn)一定的差異，摩擦系統(tǒng)失穩(wěn)所激發(fā)的摩擦振動和噪聲也有明顯的不同.光滑表面SS摩擦過程中的黏著撕裂和犁削等綜合作用，引起了摩擦力強烈的波動，進而激起摩擦系統(tǒng)產(chǎn)生強烈振動，并輻射出高強度摩擦噪聲.填充HT300的時變接觸特性表面引入的鑄鐵磨損顆粒以及基材表面形成的磨屑層極大地改善了界面摩擦狀態(tài)，使得磨損過程中的犁削和撕裂等作用未能激起摩擦力強烈波動，摩擦系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)得以持續(xù)，因而無明顯摩擦振動和噪聲產(chǎn)生；填充Mn-Cu合金的時變接觸特性表面MAS和填充Mn-Cu阻尼合金的時變接觸特性表面MDAS引入的磨損顆粒加劇了界面磨損，形成更加復(fù)雜的磨損特征，并增大接觸面積，磨損過程中的黏著撕裂和犁削等界面作用較早地促使摩擦力強烈波動，刺激摩擦系統(tǒng)使其失穩(wěn)，最終導(dǎo)致摩擦系統(tǒng)產(chǎn)生強烈的、無規(guī)律的振動并輻射出高強度的摩擦噪聲.因此，在本試驗研究中，通過研究填充材料改變界面接觸剛度和界面磨損動態(tài)行為并得出時變接觸特性表面對界面摩擦磨損有重要影響的結(jié)論，界面磨損過程中的黏著撕裂和犁削等界面作用是刺激摩擦系統(tǒng)失穩(wěn)而產(chǎn)生摩擦振動及噪聲的主要因素，材料的阻尼特性在此種填充方式中未能體現(xiàn).

Fig.9 Schematic diagram of the relationship between the wear behaviour and friction-induced vibration and noise圖9 磨損行為與摩擦振動及噪聲的關(guān)系示意圖

3 結(jié)論

a.在鍛鋼表面溝槽填充灰鑄鐵HT300形成的時變接觸特性表面有利于減緩界面磨損，延續(xù)摩擦系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)，有效抑制摩擦振動和摩擦噪聲的產(chǎn)生；而填充了Mn-Cu合金和Mn-Cu阻尼合金的時變接觸特性表面均加劇了界面磨損，較早破壞了摩擦系統(tǒng)穩(wěn)定狀態(tài)，激發(fā)系統(tǒng)產(chǎn)生摩擦振動和噪聲.

b.本研究中界面磨損過程的界面作用(黏著撕裂、犁削等)以及磨屑流變是促使摩擦系統(tǒng)失穩(wěn)并激發(fā)摩擦振動和噪聲的主要因素，填充材料的阻尼性能未能體現(xiàn)出減振降噪的作用.

c.根據(jù)特定條件和工況等優(yōu)化設(shè)計的時變接觸特性表面能有效改善界面磨損狀態(tài)，抑制界面摩擦振動及噪聲，具有重要的實際工程應(yīng)用價值.