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        不同固體潤滑下人字閘門底樞摩擦特性的銷盤試驗研究

        2022-10-11 07:37:22張祖悅王興華黃柏軍秦紅玲趙新澤
        摩擦學學報 2022年5期
        關(guān)鍵詞:二硫化鉬磨損量潤滑劑

        徐 翔, 張祖悅, 王興華, 黃柏軍, 秦紅玲, 趙新澤*

        (1. 三峽大學 水電機械設(shè)備設(shè)計與維護湖北省重點實驗室, 湖北 宜昌 443002;2. 三峽大學 石墨增材制造技術(shù)與裝備湖北省工程研究中心, 湖北 宜昌 443002;3. 河南科技大學 高端軸承摩擦學技術(shù)與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程實驗室, 河南 洛陽 471000)

        人字閘門是水利樞紐重要的附屬結(jié)構(gòu)之一,兼顧了發(fā)電和航運的正常運行. 但是,其底樞的水下低速重載工況,導致油膜形成困難,其潤滑方式從油脂潤滑過渡到油脂-固體潤滑劑混合潤滑,為此,開展固體潤滑條件下人字閘門底樞摩擦副的摩擦磨損特性研究,對于延長閘門檢修周期具有重要的意義.

        摩擦副比壓過大和潤滑不良是底樞運轉(zhuǎn)重要的磨損原因[1]. 趙新澤等[2]采用Fang接觸模型對人字閘門底樞摩擦副進行建模分析,研究了外載荷、底樞半徑、接觸間隙及摩擦副材料等參數(shù)對接觸特性的影響;秦紅玲等[3-4]對比了QAL9-4/40Cr和ZCuAl8Mn13Fe3/40Cr兩種閘門底樞摩擦副在不同接觸應(yīng)力的脂潤滑條件下的摩擦學特性,并對摩擦副QT600-3/40Cr進行了摩擦學性能分析及磨損表面功率譜密度表征,表明銷試樣磨損表面具有明顯的主導空間頻率. 目前常見的固體潤滑劑主要有石墨、二硫化鉬和聚四氟乙烯等,王偉等[5]研究了石墨粉末在接觸副之間的潤滑膜形成和破壞過程;Morstein等[6]研究分析了石墨在高載荷下滑動摩擦的基本磨損機理;Suparno等[7]將石墨拋光技術(shù)應(yīng)用于火車車輪和鋼軌之間的接觸摩擦研究;黃國威等[8]構(gòu)筑了石墨-銅三維復合潤滑層結(jié)構(gòu),并研究其在干摩擦和海水腐蝕下的摩擦學性能;黃仲佳等[9]在研究MoS2的潤滑性能時,闡述了填充孔固體潤滑技術(shù)的減磨機理;Stoyanov等[10]在研究極端接觸條件下銅基涂層摩擦學特性時發(fā)現(xiàn),MoS2潤滑劑可減小Cu-Al涂層之間的摩擦系數(shù);Shen等[11]研究了聚四氟乙烯與316L不銹鋼的摩擦磨損特性,分析了接觸副中聚四氟乙烯的轉(zhuǎn)移情況;胡超等[12]研究發(fā)現(xiàn)聚四氟乙烯(PTFE)的摩擦系數(shù)隨溫度升高而降低,磨損率隨溫度升高而升高;邱明等[13]將聚四氟乙烯作為自潤滑關(guān)節(jié)軸承織物襯墊的主要材料,對其摩擦面的微觀形貌和磨損機理進行了分析.

        本文中以三峽人字閘門底樞為研究對象,根據(jù)其結(jié)構(gòu)和運行工況設(shè)計試驗參數(shù),以45鋼和錫青銅作為摩擦副材料,以石墨、二硫化鉬以及聚四氟乙烯作為固體潤滑介質(zhì),開展摩擦磨損性能等效試驗,并結(jié)合油液分析技術(shù)和三維表面形貌測試,分析其潤滑機理,以期減小底樞的摩擦磨損,延長底樞的使用壽命,為固體潤滑下閘門底樞摩擦副的固體潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論依據(jù).

        1 試驗部分

        1.1 試驗裝置

        采用MMW-1A立式萬能摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗,該試驗機加載力范圍10~1 000 N,主軸轉(zhuǎn)速范圍5~2 000 r/min,具有銷盤、球盤以及止推圈等多種摩擦副的安裝方式. 在本試驗中使用銷盤磨損試驗,上試樣為Φ5 mm×13 mm的銷試樣,材料為45鋼;下試樣為Φ54~16 mm×9 mm的盤試樣,材料為錫青銅. 盤試樣中心與銷試樣中心距離為14 mm,如圖1(a)所示.

        1.2 加載參數(shù)

        三峽人字閘門平均質(zhì)量850 t,單扇門葉的高度為36.75 m,門寬為20.20 m,運行角度 θ約為70°,底樞半徑R為 500 mm. 當運行時間t為40 s,計算得到最大接觸應(yīng)力σmax=16.3 MPa 和最大線速度vmax=0.0152 m/s[14].試驗時按最大接觸應(yīng)力和最大線速度進行等效模擬試驗,以試樣銷的面積作為兩者的接觸面積,根據(jù)銷試樣的面積可以獲得加載載荷F約為320 N,加載轉(zhuǎn)速n為10 r/min.

        1.3 填充孔結(jié)構(gòu)

        三峽人字閘門底樞軸瓦上設(shè)有大量直徑Φ40 mm,深度為10~15 mm的固體潤滑劑填充孔,整體填充孔的表面積約占軸瓦半球表面積的14%. 因此,按照相似理論,計算可得試樣填充孔直徑為Φ2.5 mm,深度為1.5 mm,數(shù)量為12個. 為保證固體潤滑劑在盤試樣的徑向上能與銷試樣充分接觸,同時避免相鄰填充孔之間的干擾,將填充孔設(shè)計為均布的內(nèi)外兩圈,外圈與內(nèi)圈邊緣均與磨痕相切,且位于磨痕內(nèi)部;位置最近的兩個填充孔相對于回轉(zhuǎn)中心相差10°,具體示意圖如圖1(b)所示.

        1.4 試樣制備與試驗流程

        試樣銷的拋光打磨需先分別用400#、800#、1 500#和2000#的水磨砂紙將其打磨,隨后用無水乙醇超聲清洗,再將清洗后的試樣銷用拋光機拋光打磨,使其接觸表面的粗糙度Ra小于0.4 μm,最后將拋光后的試樣銷再次采用無水乙醇超聲清洗1次,即可獲得等效試驗所需的銷試樣. 隨后,分別將石墨、二硫化鉬以及聚四氟乙烯粉末固體潤滑劑與粘結(jié)劑按照質(zhì)量比(15%:85%)混合后,形成三種固體潤滑劑的混合物,再將該混合物填充到盤試樣的填充孔內(nèi),待混合固體潤滑劑在試樣盤表面涂抹均勻之后,將試樣盤(可以多塊一起)安放在裝夾板上,下夾板與試樣盤底部接觸,上夾板和試樣盤之間貼隔熱紙,使用螺栓固定上下裝夾板;然后在80 ℃恒溫固化12 h后,拆除裝夾板;隨后將試樣盤用400#的砂紙打磨掉試樣表面多余的混合固體潤滑劑涂層,后續(xù)同樣使用無水乙醇進行超聲清洗,再經(jīng)過打磨和拋光,使得試樣盤上表面的表面粗糙度Ra小于0.4 μm,最后超聲清洗1次即可獲得等效試驗所需盤試樣,如圖2所示. 將預(yù)處理后的試樣銷和試樣盤分別安裝在摩擦磨損試驗機的對應(yīng)位置,并在試樣盤的上表面和試樣銷的下表面涂抹1#鋰基脂,安裝涂抹完畢后依據(jù)計算得到的工況進行加載試驗,每次試驗時間為1 h.

        2 對比試驗結(jié)果與分析

        對磨損前后的試樣進行摩擦系數(shù)、表面形貌、磨

        Fig. 1 Test scheme (a) loading project (b) Filling hole distribution圖1 試驗方案(a)加載方案(b)填充孔分布

        Fig. 2 Experimental scheme of friction and wear圖2 摩擦磨損試驗方案

        損量以及鐵譜測試.

        2.1 摩擦系數(shù)

        摩擦系數(shù)由試驗機自動記錄. 圖3所示為1 h內(nèi)不同固體潤滑劑下,摩擦系數(shù)隨時間的變化曲線圖. 由圖3可知,二硫化鉬作為固體潤滑劑時,其瞬時摩擦系數(shù)在500 s時出現(xiàn)急劇上升,經(jīng)過80 s左右趨于穩(wěn)定,但波動依然較大;聚四氟乙烯作為固體潤滑劑時,其瞬時摩擦系數(shù)呈緩慢上升趨勢,總體波動較??;石墨作為固體潤滑劑時,瞬時摩擦系數(shù)波動介于二硫化鉬和石墨之間. 三者在1 h內(nèi)的平均摩擦系數(shù)分別為0.25、0.18和0.09.

        2.2 表面形貌

        采用ST400三維表面形貌儀對磨痕進行分析,掃描區(qū)域為6 mm×6 mm,步長為10 μm,采樣頻率為400 Hz,在掃描區(qū)域內(nèi)選取0.5 mm×0.5 mm的矩形區(qū)域作為采樣區(qū)域,具體采樣位置如圖4所示.

        Fig. 3 Friction coefficient of pin-on-disk using different solid lubricants圖3 使用不同固體潤滑劑銷盤試驗的摩擦系數(shù)

        Fig. 4 Sampling location (taking the graphite as an example)圖4 采樣位置(石墨為例)

        Fig. 5 Three-dimensional topography of different regions at the sampling location: the sampling locations of (a1)(b1) and (c1) are region A; the sampling locations of (a2), (b2) and (c2) are region B; the sampling location of (a3), (b3) and (c3) are region C圖5 采樣位置不同區(qū)域的三維形貌圖:(a1)(b1)和(c1)采樣位置為A區(qū)域;(a2)(b2)和(c2)采樣位置為B區(qū)域; (a3)(b3)和(c3)采樣位置為C區(qū)域

        圖5所示為采樣位置不同區(qū)域的三維形貌圖,為方便比較,其基準統(tǒng)一為試樣底部,A為固體潤滑劑填充孔區(qū)域,B為磨痕區(qū)域,C為原始區(qū)域. 由于填充工藝的問題,填充孔內(nèi)潤滑劑的起伏波動較大,此處不做過多分析. 磨損前后的表面形貌特征參數(shù)列于表1中. 從表1中數(shù)據(jù)可知,相比于磨損前的表面參數(shù),除石墨潤滑條件下,其表面均方根值Sq和表面算術(shù)平均值Sa出現(xiàn)下降外,其他數(shù)值均呈現(xiàn)上升趨勢. 可能是因為選用的石墨材料比較柔軟,在受壓情況下出現(xiàn)碎裂,填充到接觸表面的微凹體之間,導致相關(guān)參數(shù)的數(shù)值降低;而二硫化鉬和聚四氟乙烯的粉末硬度較高,由于接觸副的磨損,致使表面參數(shù)數(shù)值升高.

        表1 三種固體潤滑劑試驗前后的表面形貌參數(shù)值Table 1 Surface morphology parameters of three solid lubricants before and after the test

        2.3 磨損量

        由于試驗中銷盤摩擦副屬于軟硬接觸,對于硬質(zhì)銷幾乎無磨損,本試驗中僅檢測盤試樣的磨損:首先通過電子天平稱量填充復合固體潤滑劑的試樣盤的質(zhì)量并記錄,其次將稱重后的試樣放置在摩擦磨損試驗機上進行等效磨損試驗,銷盤試樣在等效試驗之后,在試驗盤的接觸面上形成1個圓環(huán)狀的磨損槽,如圖4所示. 對于磨損試驗后的試樣,收集試樣上的油脂,用于鐵譜分析,然后將試樣放入超聲波清洗儀內(nèi),清洗試樣表面黏附的雜質(zhì),對清洗后的試樣盤再次進行稱重并記錄,前后兩次的質(zhì)量差即為試樣的磨損量Δm.

        此外,磨損量可以根據(jù)表面的磨損深度來表示.同樣以石墨潤滑劑為例,在磨損后的盤試樣上選取3個徑向截面,三維表面形貌掃描所得到的表面高度差如圖6所示.

        Fig. 6 Wear depth of plate sample’s different sections using graphite as a lubricant圖6 石墨潤滑下盤試樣不同截面的磨損深度

        由于掃描部位的定位差異,導致圖6中橫坐標的起始位置不同,但3個截面的相對高度大致一樣,為此,其磨損深度定義為

        式中hh和hl分別為未磨損和磨損部位的表面相對高度,其范圍為圖6中任一曲線的最高兩點的徑向位置,最高點的數(shù)據(jù)計入hh;nh和nl分別為未磨損和磨損部位的表面的測量點數(shù),由此可計算出:

        根據(jù)圖6和計算結(jié)果,以截面1所處位置作為參考截面. 由于3個盤試樣高度的差異大于表面形貌的差異,為了清楚描述高度的細節(jié)變化情況,將3條曲線的最低點定為0,三種潤滑劑的相對磨損深度如圖7所示.從圖7可以看出,由于磨損試驗時銷盤之間的相互擠壓,造成盤試樣磨痕兩邊出現(xiàn)了凸起,其中二硫化鉬的凸起相對較大;此外,內(nèi)圈的磨損相對較深,外圈的磨損相對平緩. 三種潤滑劑的磨損深度列于表2中. 從表2中可以看出,無論是磨損深度還是磨損重量,石墨潤滑下的盤試樣磨損量最小,而二硫化鉬潤滑下的盤試樣磨損量最大.

        表2 試樣盤在不同潤滑劑下的磨損量Table 2 Wear losses of plate samples using different lubricants

        2.4 鐵譜分析

        Fig. 7 Wear depth of plate samples using different lubricants圖7 不同潤滑劑盤試樣磨損深度

        使用FFM3分析式鐵譜儀和BX51顯微鏡對磨損產(chǎn)物進行檢測和分析. 圖8中(a)、(b)和(c)分別為二硫化鉬、石墨和聚四氟乙烯試樣的鐵譜圖. 采用二硫化鉬作為潤滑劑時,其試樣經(jīng)摩擦磨損試驗后所形成的金屬磨粒(后面簡稱磨粒)中有少量粒徑大小為10~50 μm的磨粒,且存在極少量粒徑大于50 μm的磨粒,其磨損形式為黏著磨損和疲勞磨損,且以黏著磨損為主. 采用石墨作為固體潤滑劑時,磨粒的粒徑明顯小于前兩者,其磨粒中并無粒徑大于50 μm的磨粒存在,且存在極少量磨粒粒徑大小在10~50 μm之間的磨粒,其磨損形式僅為黏著磨損. 采用聚四氟乙烯作為固體潤滑劑時,其磨粒的情況與二硫化鉬作為固體潤滑劑時的情況相似,其磨粒中有少量粒徑大小為10~50 μm的磨粒,且存在極少量粒徑大于50 μm的磨粒,其磨損形式為黏著磨損和疲勞磨損,且以黏著磨損為主.

        由于二硫化鉬摩擦系數(shù)本身較高,并且在高溫環(huán)境下會出現(xiàn)增磨現(xiàn)象,摩擦磨損試驗過程中溫度上升,試樣間的磨損也隨之上升,故二硫化鉬的摩擦系數(shù)和磨損量均為三者中最大;而聚四氟乙烯由于其本身的摩擦系數(shù)較低,用作固體潤滑劑時導致試樣間的摩擦系數(shù)比采用石墨的試樣要低,但是其黏著性較差,不能很好地吸附在試樣表面,導致其不能在試樣表面形成有效的潤滑膜,因此聚四氟乙烯試樣磨損量高于石墨試樣,并且聚四氟乙烯試樣的磨損形式為黏著磨損和疲勞磨損,而填充石墨試樣的磨損形式僅為單一的黏著磨損.

        Fig. 8 Ferrographic images of each sample圖8 各試樣的鐵譜圖

        3 連續(xù)試驗結(jié)果與分析

        將試驗結(jié)果進行對比與分析,綜合摩擦系數(shù)、表面形貌、磨損量和鐵譜分析結(jié)果可知,在試驗工況下,石墨是三者之中摩擦磨損綜合性能最好的固體潤滑劑,由此進行了連續(xù)13 h的摩擦磨損連續(xù)試驗. 每隔1 h,將試樣從試驗機上拆下,清洗稱重后再涂抹鋰基脂,進行下一階段摩擦磨損試驗,得到的試驗結(jié)果如圖9和圖10所示.

        圖9所示為石墨潤滑下銷盤試驗連續(xù)13 h下的瞬時摩擦系數(shù)和平均摩擦系數(shù). 從圖9中可以看出:瞬時摩擦系數(shù)隨試驗的進行有一定的波動,第1次和第2次的最大值和最小值相差較大,處于銷盤磨損的磨合階段;第3次到第9次的波動相對較小,此時固體潤滑膜已經(jīng)形成,處于穩(wěn)定磨損階段;第9次之后由于固體潤滑膜的破壞,摩擦系數(shù)相應(yīng)有所增加. 圖10所示為平均摩擦系數(shù)和磨損量隨試驗次數(shù)的變化規(guī)律,其總體趨勢均為先減小后增大.摩擦系數(shù)從第1次的0.18逐漸下降到第5次的0.10,然后上升至第13次的0.19,其中第7次的摩擦系數(shù)(0.12)略高;同樣,磨損量從第1次的3 mg下降到第7次的0.85 mg,然后上升至第13次的2.92 mg,而第6次和第9次的磨損量相對較大,此時對應(yīng)圖9中的瞬時摩擦系數(shù)變化較大,可能是由于重復裝夾定位有誤差,銷試樣與盤試樣上少量未磨損區(qū)域開始磨損造成的.

        Fig. 9 Friction coefficient of continuous friction-wear test using graphite as a lubricant圖9 石墨潤滑下連續(xù)摩擦磨損試驗的摩擦系數(shù)

        Fig. 10 Average friction coefficient and wear of continuous friction-wear test using graphite as a lubricant圖10 石墨潤滑下連續(xù)摩擦磨損試驗的平均摩擦系數(shù)和磨損量

        4 結(jié)論

        a. 以三峽閘門為對象,設(shè)計了銷盤的尺寸以及盤試樣上的固體潤滑劑填充孔結(jié)構(gòu),選擇在加載載荷為F=320 N,加載轉(zhuǎn)速為n=10 r/min下開展試驗研究.

        b. 分別以石墨、二硫化鉬以及聚四氟乙烯粉末作為固體潤滑劑,三者1 h內(nèi)的平均摩擦系數(shù)大小為二硫化鉬>石墨>聚四氟乙烯;磨損量(磨損質(zhì)量和磨損深度)為二硫化鉬>聚四氟乙烯>石墨.

        c. 鐵譜分析顯示石墨潤滑下的金屬磨粒較少,存在極少量的粒徑大小在10~50 μm之間的磨粒,其他均小于10 μm,磨損形式僅為單一的黏著磨損;二硫化鉬和聚四氟乙烯潤滑下有少量10~50 μm的磨粒存在,且存在粒徑大于50 μm的磨粒,其磨損形式有黏著磨損和疲勞磨損;綜合認為石墨是三者中性質(zhì)較優(yōu)的固體潤滑劑.

        d. 以石墨為固體潤滑劑,根據(jù)13 h的連續(xù)磨損試驗顯示,平均摩擦系數(shù)和磨損量的總體趨勢隨試驗時間均呈先減小后增大趨勢,第5次的平均摩擦系數(shù)最小,為0.10,第13次的平均摩擦系數(shù)最大,為0.19;第7次磨損量最小,為0.85 mg,第1次磨損量最大,為3 mg.

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