黃 琳 崔 昊 尹 劍 郝 強(qiáng) 沙智華 張生芳

(1.大連交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 遼寧大連 116028；2.大連華銳重工集團(tuán)股份有限公司 遼寧大連 116013)

MOLLON[4]在二維平面應(yīng)變條件下進(jìn)行了硬質(zhì)和軟質(zhì)顆?；旌衔锏膲簩?shí)和剪切模擬，研究了混合物第三體的材料比例對(duì)大應(yīng)變下機(jī)械響應(yīng)的影響。DENG等[5]研究了在干砂和濕砂條件下的三體磨料磨損行為，通過(guò)觀察磨損表面和磨損縱向截面，分析了第三體及金屬材料的磨損機(jī)制。范志勇等[6]發(fā)現(xiàn)摩擦過(guò)程中第三體顆粒容易產(chǎn)生圓形凹坑和比較光滑的犁溝，而鋒利的第三體顆粒會(huì)產(chǎn)生尖銳的溝槽。為準(zhǔn)確分析第三體的位移變化、力學(xué)性能變化及受力狀況，惠陽(yáng)等人[7]介紹了可移動(dòng)元胞自動(dòng)機(jī)法(MCA)并提出了改進(jìn)方向。張超等人[8]研究了低溫環(huán)境下,制動(dòng)壓力和制動(dòng)速度對(duì)制動(dòng)材料摩擦磨損與損傷行為的影響。第三體的硬度、強(qiáng)度、密度、形狀、尖銳程度和顆粒大小、數(shù)量等因素是影響制動(dòng)器摩擦副摩擦磨損特性的重要原因[9]，對(duì)第三體顆粒特征的分析有助于揭示其對(duì)摩擦磨損的作用機(jī)制。

第三體顆粒在摩擦界面中不斷累積，在擠壓及剪切作用下形成第三體層使得界面摩擦機(jī)制變得更加復(fù)雜。韓曉明等[10]通過(guò)銷(xiāo)盤(pán)摩擦試驗(yàn)研究了銅基粉末冶金材料的摩擦磨損特性，分析了摩擦壓力、第三體與界面磨損的影響關(guān)系。俞樹(shù)榮等[11]發(fā)現(xiàn)當(dāng)施加在摩擦副上的載荷相對(duì)較小時(shí)，摩擦表面容易發(fā)生黏結(jié)現(xiàn)象，形成致密的第三體層。王鴻鼎等[12]通過(guò)分析磨損表面形貌變化，發(fā)現(xiàn)摩擦界面的致密第三體層能夠提高表面的減摩耐磨性。昌晶晶等[13]設(shè)計(jì)了三體摩擦界面?zhèn)鳠崽匦栽囼?yàn)，研究了摩擦參數(shù)對(duì)三體界面接觸換熱系數(shù)的影響。孫建芳等[14]通過(guò)摩擦磨損試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，表面形貌能夠影響干摩擦條件下摩擦表面的磨屑保持能力和表面接觸應(yīng)力。

第三體影響下摩擦副摩擦磨損特性的研究，已取得較大進(jìn)展。但風(fēng)電制動(dòng)器因其制動(dòng)工況多變，第三體成分復(fù)雜且大小各異，風(fēng)電制動(dòng)器在第三體影響下摩擦副的摩擦磨損特性仍不清楚。本文作者以服役期內(nèi)風(fēng)電制動(dòng)器摩擦副為研究對(duì)象，分析其表面第三體成分及尺度，并基于分析結(jié)果開(kāi)展銷(xiāo)盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)研究了上述第三體影響下摩擦副的摩擦磨損特性。

1 風(fēng)電制動(dòng)器摩擦副第三體成分及尺度研究

風(fēng)電制動(dòng)器依靠液壓驅(qū)動(dòng)并靠近齒輪箱，容易滲入油液，同時(shí)在制動(dòng)時(shí)摩擦副表面會(huì)產(chǎn)生磨屑，并且處于開(kāi)放環(huán)境容易受到外來(lái)粉塵的侵入。通過(guò)對(duì)風(fēng)電制動(dòng)器摩擦副表面積累的第三體采樣，并經(jīng)過(guò)丙酮溶解、超聲震碎、過(guò)濾蒸干等步驟，得到了第三體粉末。利用掃描電子顯微鏡對(duì)粉末狀第三體進(jìn)行觀察分析，結(jié)果如圖1所示；利用能譜分析儀對(duì)粉末狀第三體進(jìn)行成分分析，結(jié)果如表1所示。

圖1 第三體顆粒成分及組分分析結(jié)果Fig.1 The third body particle composition and composition analysis results：(a)copper particles；(b)iron particles；(c)carbon,iron and sand particles；(d)third body particles under scanning electron microscope

表1 第三體能譜分析結(jié)果Table 1 Third body energy spectrum analysis results

由表1能譜分析結(jié)果可以看出，第三體的成分以O(shè)、Fe、Cu、Si、Ca、C元素為主，其中Ca、Si、C和O元素來(lái)自于SiO2和CaCO3為主的沙石顆粒，其主要來(lái)自風(fēng)機(jī)艙外環(huán)境；而Fe、Cu與O形成的氧化物顆粒主要是由制動(dòng)摩擦副摩擦磨損產(chǎn)生。從圖1(d)中可以看出，大部分第三體顆粒形狀接近于不規(guī)則的立方體且比較圓滑，有少數(shù)顆粒有比較尖銳的棱角。顆粒物直徑集中在75～200 μm之間，結(jié)合圖1及能譜分析結(jié)果可知，鐵顆粒和沙石顆粒尺寸在75～200 μm之間。銅顆粒較小，尺寸在70 μm以下。圖1(c)Spectrum1中檢測(cè)到成分占比很高的C元素，這主要來(lái)源于潤(rùn)滑油液在高溫下發(fā)生裂解生成的單質(zhì)C，其反應(yīng)如式(1)所示[15]。

CxHyOz→C(單質(zhì))+H2O+CO2

(1)

油液主要來(lái)源于液壓制動(dòng)器及齒輪箱中油液的泄漏。由于風(fēng)機(jī)在正常運(yùn)行時(shí)，其高速軸轉(zhuǎn)速可達(dá)2 000 r/min左右，在離心力作用下，油液泄漏后容易在制動(dòng)盤(pán)表面擴(kuò)散，留下放射狀擴(kuò)散痕跡，如圖2所示。

圖2 風(fēng)電制動(dòng)器摩擦副表面油液放射狀擴(kuò)散痕跡Fig.2 Radial oil spreading traces on the surface offriction pairs of wind power brakes

泄漏的油液受到溫度、空氣、金屬催化等作用，發(fā)生氧化、聚合等反應(yīng)而劣化。油變質(zhì)腐蝕金屬摩擦副，氧化產(chǎn)生酸性物質(zhì)又使油變稠，因此變質(zhì)油對(duì)第三體顆粒物有黏附的作用。沙、鐵、銅等第三體顆粒并不具備單獨(dú)參與摩擦副相互摩擦的條件，因?yàn)轱L(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)摩擦表面豎直，顆粒物不易駐留，另外制動(dòng)盤(pán)轉(zhuǎn)速高達(dá)2 000 r/min，同時(shí)齒輪箱輪齒嚙合、軸承旋轉(zhuǎn)、風(fēng)機(jī)的偏航等工況會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng)。在這些因素共同作用下，游離的第三體只有被黏性的變質(zhì)油液粘附在摩擦副表面，才能參與摩擦，因此變質(zhì)油是風(fēng)電制動(dòng)器摩擦副間存在三體磨損的關(guān)鍵影響因素。

在互聯(lián)網(wǎng)金融時(shí)代，電子貨幣的出現(xiàn)為我們的生活帶來(lái)了便利（如學(xué)校的“一卡通”，實(shí)現(xiàn)了校園內(nèi)的無(wú)紙幣化），而數(shù)字貨幣的發(fā)展則為中國(guó)人民銀行的貨幣發(fā)行及相關(guān)政策帶來(lái)了巨大的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

2 第三體作用下銷(xiāo)-盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

基于上述分析結(jié)果，試驗(yàn)用第三體顆粒選擇粒徑50～70 μm銅顆粒和粒徑75～200 μm的鐵、沙顆粒，并使用液壓油和齒輪油的混合物，加熱使其氧化變質(zhì)模擬風(fēng)電制動(dòng)過(guò)程中發(fā)揮附著作用的變質(zhì)油。將變質(zhì)油按體積比1∶1分別與沙、鐵、銅顆粒混合作為摩擦介質(zhì)開(kāi)展試驗(yàn)。摩擦副采用銷(xiāo)-盤(pán)形式，銷(xiāo)-盤(pán)試樣的材料均與風(fēng)電制動(dòng)器摩擦副材料相同，盤(pán)試樣為Q345，直徑為54 mm，顯微硬度為334HV，銷(xiāo)試樣為以錫青銅為基體的銅基粉末冶金，直徑為4.8 mm，顯微硬度為185HV。采用銷(xiāo)試樣粘附混合物的方法對(duì)第三體和變質(zhì)油混合物進(jìn)行添加。試驗(yàn)設(shè)備選擇MMW1A定速銷(xiāo)盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，分別設(shè)置2組試驗(yàn)研究第三體對(duì)盤(pán)試樣磨損的影響和對(duì)摩擦副摩擦因數(shù)的影響。第一組試驗(yàn)設(shè)置如表2所示，研究3種第三體對(duì)盤(pán)試樣磨損的影響，并與不添加第三體的變質(zhì)油作為摩擦介質(zhì)的一組對(duì)照試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。

表2 第三體對(duì)磨損影響的試驗(yàn)設(shè)置Table 2 Test setup for the influence of the third body on wear

第二組試驗(yàn)設(shè)置如表3所示，研究3種第三體對(duì)摩擦副摩擦因數(shù)的影響。試驗(yàn)為一個(gè)完整的摩擦磨損試驗(yàn)過(guò)程，包含磨合過(guò)程、穩(wěn)定磨損過(guò)程和劇烈磨損過(guò)程，試驗(yàn)力為50 N，試驗(yàn)轉(zhuǎn)速為540 r/min。同時(shí)設(shè)置一組無(wú)第三體的干摩擦試驗(yàn)為對(duì)照試驗(yàn)。

表3 第三體對(duì)摩擦因數(shù)影響的試驗(yàn)設(shè)置Table 3 Test setup for the influence of the third body on friction coefficient

2.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.2.1 第三體對(duì)盤(pán)試樣磨損的影響

如圖3所示為銅、鐵、沙顆粒對(duì)盤(pán)試樣表面磨損情況的光學(xué)成像圖，橫向?yàn)榧庸ず圹E，縱向?yàn)榈谌w造成的磨痕。

圖3 不同顆粒產(chǎn)生的表面磨損情況Fig.3 Surface wear caused by different particles：(a)sand particles;(b)iron particles;(c)copper particles;(d)dry friction

從圖3可以看出，鐵顆粒產(chǎn)生的磨痕比較深寬，但分布稀疏；而沙顆粒作為第三體產(chǎn)生的磨痕分布密集但寬度較窄；銅顆粒作為第三體對(duì)盤(pán)試樣造成的磨痕更淺；無(wú)第三體的干摩擦盤(pán)表面的磨損情況要輕于沙、鐵顆粒而重于銅顆粒。

選取長(zhǎng)度為3.6 mm、寬度為50 μm的區(qū)域的磨損表面進(jìn)行三維形貌掃描，得到磨損形貌平均三維高度如圖4所示。

從圖4(a)中可見(jiàn)，沙顆粒引起的表面磨痕占整個(gè)表面寬度的50%，但大部分是小于5 μm的犁溝，深溝兩側(cè)存在約2 μm的脊緣，說(shuō)明沙顆粒棱角鋒利且較硬，表現(xiàn)出較強(qiáng)的微觀切削作用。而從圖4(b)中可以看到，鐵顆粒引起的表面磨痕有一條犁溝，深約15 μm，深溝兩側(cè)存在約10 μm的脊緣，是沙顆粒引起的磨痕深度的3倍，這說(shuō)明鐵顆粒的滾壓作用使盤(pán)試樣表面塑性變形。從圖4(c)中可以看到，銅顆粒造成的表面磨痕特別少，且犁溝淺,溝深約2 μm，是沙顆粒引起的磨痕深度的40%。這是因?yàn)?，在摩擦副不斷滾壓下，硬度低的銅顆粒逐漸變圓滑，因而對(duì)摩擦副表面的磨損程度較輕。從圖4(d)中可以看出，無(wú)第三體顆粒的摩擦副表面磨痕較少，且犁溝的深度和數(shù)量略大于銅顆粒引起的深度和數(shù)量，但小于鐵顆粒、沙顆粒引起的磨痕深度。

圖4 不同顆粒產(chǎn)生的磨痕截面形貌Fig.4 Cross-section topography of wear scar caused bydifferent particles：(a)sand particles;(b)ironparticles;(c)copper particles;(d)dry friction

2.2.2 第三體對(duì)摩擦副摩擦因數(shù)的影響

圖5示出了干摩擦和第三體鐵顆粒作用下摩擦因數(shù)的對(duì)比。可以看出，從開(kāi)始試驗(yàn)到650 s，鐵顆粒作用下的摩擦因數(shù)小于干摩擦?xí)r的摩擦因數(shù)，且在此過(guò)程中，鐵顆粒作用下的摩擦因數(shù)數(shù)值從0.2到0.3呈波動(dòng)上升趨勢(shì)，這是由于變質(zhì)油在摩擦初期的潤(rùn)滑作用，以及鐵顆粒的滾動(dòng)減摩作用，使得摩擦因數(shù)數(shù)值略低且波動(dòng)幅度不大。而在試驗(yàn)時(shí)間650～850 s摩擦因數(shù)在0.3上下波動(dòng)，波動(dòng)幅度增大，這是由于在該階段磨屑不斷被變質(zhì)油吸附形成第三體，第三體微觀切削摩擦表面，使摩擦副表面磨損加劇。850 s后鐵顆粒摩擦因數(shù)顯著增大，其值在0.65上下波動(dòng)，波動(dòng)幅值約0.5，為劇烈磨損階段，在該階段鐵顆粒對(duì)摩擦副表面造成較深的犁溝，最終使嚴(yán)重磨損的粗糙表面摩擦因數(shù)迅速攀升。

圖5 干摩擦和鐵顆粒作用下摩擦因數(shù)對(duì)比Fig.5 Comparison of friction coefficient betweendry friction and the action of iron particles

圖6示出了干摩擦和第三體沙顆粒作用下摩擦因數(shù)的對(duì)比?？梢钥闯?，試驗(yàn)時(shí)間為0～60 s時(shí)，摩擦因數(shù)在0.1上下微小波動(dòng)，這是由于變質(zhì)油在摩擦初期的潤(rùn)滑作用，以及沙顆粒的滾動(dòng)減摩作用。在試驗(yàn)前期，沙顆粒的存在使摩擦因數(shù)總體上小于干摩擦下的摩擦因數(shù)。試驗(yàn)時(shí)間為60～1 600 s時(shí)，摩擦因數(shù)值從0.2逐漸上升到0.3，且波動(dòng)幅度較大，這是由于沙顆?？虅澞Σ粮北砻?，使其表面摩擦狀態(tài)惡化。沙顆粒對(duì)摩擦副表面產(chǎn)生機(jī)械嚙合切削作用從500 s開(kāi)始，此時(shí)沙顆粒作用下的摩擦因數(shù)與干摩擦下的摩擦因數(shù)曲線逐漸重疊，說(shuō)明此時(shí)沙顆粒的微觀切削作用逐漸大于滾動(dòng)減摩作用。當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到1 700 s以后，摩擦因數(shù)劇烈增加，磨損嚴(yán)重，磨屑與沙顆粒通過(guò)油粘著在摩擦副表面參與摩擦。沙顆粒作用下的摩擦因數(shù)波動(dòng)幅度明顯大于干摩擦下，說(shuō)明沙顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)非常不穩(wěn)定，摩擦副中夾雜的大量沙顆粒在摩擦初期主要起滾動(dòng)減摩作用，在摩擦后期主要起微觀嚙合切削作用。當(dāng)沙顆粒的滾動(dòng)減摩作用占主導(dǎo)時(shí)，摩擦因數(shù)降低；反之，摩擦因數(shù)升高。

圖6 干摩擦和沙顆粒作用下摩擦因數(shù)對(duì)比Fig.6 Comparison of friction coefficient betweendry friction and the action of sand particles

圖7示出了干摩擦和第三體銅顆粒作用下摩擦因數(shù)的對(duì)比。可以看出，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中銅顆粒作用下的摩擦因數(shù)始終小于干摩擦下的摩擦因數(shù)，這說(shuō)明銅顆粒起減摩作用。在0～1 000 s之間，由于變質(zhì)油在摩擦初期的潤(rùn)滑作用及銅顆粒的減摩作用，使得摩擦因數(shù)較小,平均值約為0.1，而波動(dòng)幅值約為0.05；在1 000～1 700 s之間，摩擦副磨合磨損階段過(guò)渡到穩(wěn)定磨損階段，所以摩擦因數(shù)逐漸平穩(wěn)，其值約為0.15，而波動(dòng)幅值約為0.08，因此銅顆粒作為第三體摩擦特性非常不利于摩擦副制動(dòng)。銅顆粒作用下摩擦因數(shù)到達(dá)劇烈磨損階段的速度大幅落后于干摩擦下，這是因?yàn)殂~顆粒粒徑小而且數(shù)量多，在試驗(yàn)力的作用下銅顆粒產(chǎn)生的壓力較小，因此對(duì)摩擦副的磨損效果非常小，并且抑制了摩擦副磨屑的產(chǎn)生。

圖7 干摩擦和銅顆粒作用下摩擦因數(shù)對(duì)比Fig.7 Comparison of friction coefficient between dryfriction and the action of copper particles

圖8示出了沙顆粒與鐵顆粒作用下的摩擦因數(shù)曲線?？梢钥闯觯?00 s之前，沙顆粒作用下的摩擦因數(shù)大于鐵顆粒作用下的摩擦因數(shù)，且波動(dòng)幅度更劇烈，這說(shuō)明沙顆粒容易破壞摩擦狀態(tài)的穩(wěn)定性。這可能是因?yàn)樯愁w粒造成摩擦副表面磨痕比較密集，摩擦副摩擦過(guò)程中微觀貼合狀態(tài)變化較大。從試驗(yàn)后期的摩擦因數(shù)曲線可以看出，沙顆粒相較于鐵顆粒達(dá)到劇烈磨損時(shí)間更晚，說(shuō)明沙顆粒對(duì)摩擦副磨損的程度不及鐵，雖然沙顆粒容易造成較密集的磨痕，但磨痕深度不及鐵顆粒。由于沙顆粒與鐵顆粒的粒徑相同，因此可以推斷摩擦磨損的差異來(lái)源于沙與鐵的顆粒屬性的差異。

圖8 沙顆粒與鐵顆粒作用下摩擦因數(shù)對(duì)比Fig.8 Comparison of friction coefficient under theaction of sand particles and iron particles

綜上，鐵顆粒會(huì)加劇摩擦副磨損而縮短其使用壽命，沙顆粒會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)過(guò)程中摩擦力矩大幅波動(dòng)，銅顆粒會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)力的不足。因此，上述第三體對(duì)于風(fēng)機(jī)的制動(dòng)均有不利影響，對(duì)于風(fēng)機(jī)制動(dòng)器來(lái)說(shuō)，非常有必要采取措施來(lái)盡量減少第三體在摩擦副表面的附著。首先，應(yīng)當(dāng)減少油液的泄漏，因?yàn)闆](méi)有變質(zhì)油的吸附，第三體很難在高轉(zhuǎn)速?gòu)?qiáng)振動(dòng)的摩擦副表面駐留；其次，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)機(jī)艙密封以減少沙塵的侵入；另外，應(yīng)當(dāng)定期清理摩擦副表面，并檢查摩擦副磨損情況，發(fā)現(xiàn)較為嚴(yán)重的磨損時(shí)應(yīng)及時(shí)打磨或更換摩擦副。

3 結(jié)論

通過(guò)銷(xiāo)盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)，研究了沙顆粒、鐵顆粒和銅顆粒等第三體影響下摩擦副的摩擦磨損特性。得出以下結(jié)論：

(1)銅顆粒造成的磨損很小，并降低了摩擦副的摩擦因數(shù)，沙顆粒和鐵顆粒會(huì)導(dǎo)致摩擦副的摩擦因數(shù)逐漸升高。其中鐵顆粒主要起到犁溝作用，使摩擦表面發(fā)生變形，沙顆粒主要起到微觀切削作用，造成摩擦表面磨痕密集。在不添加第三體顆粒、摩擦介質(zhì)僅為變質(zhì)油的對(duì)照試驗(yàn)中，摩擦副磨損程度比銅顆粒作用下的嚴(yán)重，但輕于鐵顆粒和沙顆粒作用下。

(2)鐵顆粒會(huì)使摩擦副最快到達(dá)劇烈磨損階段，這是因?yàn)殍F顆粒容易對(duì)摩擦副造成較深的犁溝和脊緣；沙顆粒會(huì)造成摩擦因數(shù)的大幅波動(dòng)，同時(shí)也會(huì)使摩擦副較快到達(dá)劇烈磨損；銅顆粒會(huì)大幅降低摩擦因數(shù)，并使摩擦副磨損狀況大大減輕。

(3)鐵顆粒會(huì)加劇摩擦副磨損而縮短其使用壽命，沙顆粒會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)過(guò)程中摩擦力矩大幅波動(dòng)，銅顆粒會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)力的不足。由于第三體顆粒對(duì)于風(fēng)機(jī)的制動(dòng)的不利影響，應(yīng)采取必要措施盡量減少第三體在摩擦副表面的附著。