張曉宇， 向友文， 袁新璐， 匡 陶， 詹 弘， 姜 成

（1.西南交通大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院；b.分析測(cè)試中心，成都 610031；2.成都大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，成都 610106）

0 引言

微動(dòng)是指兩個(gè)固體接觸表面之間發(fā)生極小位移幅值（通常在微米量級(jí)）的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，它會(huì)引起零部件的咬合、松動(dòng)，或污染源的形成等問(wèn)題［1-2］。微動(dòng)損傷普遍存在于各個(gè)領(lǐng)域，柴油機(jī)軸瓦處的微動(dòng)磨損影響整機(jī)可靠性［3］；航空漸開(kāi)線花鍵齒面間極易發(fā)生微動(dòng)，降低航空傳動(dòng)系的可靠性［4-5］；核電設(shè)備中的微動(dòng)是不可避免的，微動(dòng)是核電設(shè)備提前損傷失效的直接原因［6-7］；人工植入關(guān)節(jié)處容易形成微動(dòng)摩擦幅，微動(dòng)導(dǎo)致人工關(guān)節(jié)與宿主骨組織之間松動(dòng)［8-9］。根據(jù)微動(dòng)運(yùn)行工況和條件，將微動(dòng)分為微動(dòng)磨損、微動(dòng)疲勞和微動(dòng)腐蝕［10］。微動(dòng)磨損是導(dǎo)致微動(dòng)疲勞和微動(dòng)腐蝕的誘發(fā)因素，它是目前微動(dòng)損傷領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。磨損試驗(yàn)是揭示微動(dòng)磨損機(jī)理的有效手段，而試驗(yàn)機(jī)是研究微動(dòng)磨損問(wèn)題的關(guān)鍵設(shè)備。

Rtec公司研制具有超低溫工況，高溫工況，電化學(xué)腐蝕工況等多種類型微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)，最新的微動(dòng)試驗(yàn)機(jī)采用音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)，位移幅值在5 μm ～5 mm之間［11］。Optimol 研制的SRV-Ⅳ型號(hào)微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)，可在振幅0 ～5 mm、載荷10 ～2000 N、頻率1 ～511 Hz、溫度-30 ～900 ℃范圍內(nèi)對(duì)各種油、脂、潤(rùn)滑材料在微動(dòng)或振動(dòng)運(yùn)動(dòng)形式下減摩抗磨及抗疲勞性能的評(píng)定，模擬工況條件［12］。合肥工業(yè)大學(xué)研制的銷(xiāo)盤(pán)式摩擦試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)彈簧進(jìn)行加載，加熱圈加熱工件實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境的試驗(yàn)研究［13］。南京航空航天大學(xué)使用FTM200 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行低溫環(huán)境下的微動(dòng)磨損試驗(yàn)，位移幅值為0 ～5 mm，該試驗(yàn)機(jī)采用直線電磁驅(qū)動(dòng)，半導(dǎo)體制冷片對(duì)試件進(jìn)行降溫［14-15］。目前的微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)位移控制精度少數(shù)可達(dá)到微米級(jí)，可提供多種試驗(yàn)工況，但是位移控制精度高且可實(shí)現(xiàn)多種工況的復(fù)合型多功能微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)較少。

為此，本文研制一臺(tái)位移控制精度達(dá)到微米級(jí)、能進(jìn)行多種工況下微動(dòng)磨損試驗(yàn)的微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)，具有靜態(tài)載荷模塊、動(dòng)態(tài)載荷模塊、高溫模塊和低溫模塊4 個(gè)功能模塊，準(zhǔn)確可靠完成各工況下的微動(dòng)磨損試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 工作原理

本文的多功能微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器作為微動(dòng)位移的輸出源，配套的高壓壓電控制器可精準(zhǔn)控制位移輸出量。利用伺服直線滑臺(tái)加載裝置對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行法向加載，高精度傳感器實(shí)時(shí)測(cè)定位移、摩擦力和正壓力信號(hào)。微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)工作原理圖見(jiàn)圖1 所示。利用NI 數(shù)據(jù)采集卡配合LABVIEW 軟件對(duì)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、記錄和顯示。

圖1 微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)工作原理

1.2 結(jié)構(gòu)組成

多功能微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)由機(jī)械系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成。

（1）機(jī)械系統(tǒng)。由機(jī)架、微動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置、樣品臺(tái)和法向加載裝置4 部分組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2 所示。

（2）信號(hào)采集系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。由傳感器、信號(hào)調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡等組成，采用電阻應(yīng)變片式位移傳感器、應(yīng)變片式正壓力傳感器和壓電式摩擦力傳感器分別測(cè)定微動(dòng)位移、正壓力和摩擦力?？刂葡到y(tǒng)包含各類驅(qū)動(dòng)器和計(jì)算機(jī)通信軟件，使用LABVIEW 軟件完成發(fā)生控制信號(hào)和數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)、顯示的功能。圖3 所示為試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)顯示界面，圖4 所示為多功能微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)實(shí)物圖。

圖3 試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)顯示界面

圖4 多功能微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)實(shí)物

1.3 技術(shù)參數(shù)

多功能微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)可完成不同載荷、不同位移、不同位移頻率；多種試驗(yàn)工況（動(dòng)態(tài)載荷、高溫、低溫等）下的微動(dòng)磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

2 功能模塊驗(yàn)證

2.1 位移控制

位移是微動(dòng)磨損最主要的影響因素之一，也是微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)最重要的技術(shù)指標(biāo)［15］。在法向荷載為50 N，頻率為5 Hz 的條件下，開(kāi)展不同位移幅值D（0.25 ～40 μm）的切向微動(dòng)磨損試驗(yàn)，測(cè)得的位移幅值和摩擦力F曲線如圖5 所示。結(jié)果表明該試驗(yàn)機(jī)位移控制精度高，且數(shù)據(jù)波動(dòng)小。

圖5 實(shí)驗(yàn)測(cè)得不同位移幅值與摩擦力曲線

2.2 動(dòng)態(tài)載荷模塊試驗(yàn)

圖6 所示為動(dòng)載荷試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)圖，該裝置可產(chǎn)生穩(wěn)定的法向動(dòng)態(tài)接觸壓力，在靜載荷50 N 基礎(chǔ)上，施加幅值為12.87 N，頻率為10 Hz的動(dòng)態(tài)載荷，然后進(jìn)行D=10 μm的微動(dòng)磨損試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果繪制切向摩擦力位移循環(huán)次數(shù)（Ft-D-N）曲線，如圖7 所示。由圖可知，法向動(dòng)態(tài)載荷對(duì)摩擦界面的切向力產(chǎn)生影響，即摩擦力產(chǎn)生波動(dòng)。

圖6 動(dòng)載荷試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

圖7 動(dòng)態(tài)載荷下的切向摩擦力位移循環(huán)曲線

2.3 高溫模塊試驗(yàn)

圖8 所示為高溫環(huán)境中微動(dòng)試驗(yàn)。由圖可見(jiàn)，高溫模塊的專用夾具工裝，通過(guò)高溫電熱管對(duì)樣品進(jìn)行局部加熱，薄片溫度傳感器檢測(cè)樣品附近溫度，同時(shí)配合高精度PID溫控器實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫，使高溫試驗(yàn)溫度誤差控制在±0.1 ℃范圍內(nèi)。圖9 所示為相同位移和載荷條件下，不同溫度（200、300、400 ℃）下鋯合金的微動(dòng)磨損形貌圖。由圖可見(jiàn)，溫度升高，損傷面積有擴(kuò)大趨勢(shì)。

圖8 高溫環(huán)境的微動(dòng)試驗(yàn)場(chǎng)景

圖9 不同溫度下鋯合金微動(dòng)磨損形貌圖

2.4 低溫模塊試驗(yàn)

圖10 所示為-10 ℃低溫環(huán)境中微動(dòng)試驗(yàn)場(chǎng)景。由圖可見(jiàn)，使用半導(dǎo)體制冷片對(duì)樣品周?chē)M(jìn)行降溫，配合使用PID溫控器實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精準(zhǔn)控制。圖11 所示為相同試驗(yàn)條件，銅合金材料在常溫與低溫環(huán)境下摩擦因數(shù)對(duì)比圖。由圖可見(jiàn)，低溫環(huán)境下的摩擦因數(shù)低于常溫，分析可能是低溫下水蒸氣凝結(jié)形成的水膜起到摩擦潤(rùn)滑的作用。

圖11 常溫與低溫下摩擦因數(shù)對(duì)比圖

3 結(jié)語(yǔ)

本文自主研制的多功能微動(dòng)磨損試驗(yàn)機(jī)位移控制精度高，具有常溫靜載、動(dòng)態(tài)載荷、高溫和低溫等多個(gè)功能模塊，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了各個(gè)模塊可穩(wěn)定可靠的實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能。結(jié)果表明：①該試驗(yàn)機(jī)能準(zhǔn)確輸出位移信號(hào)，傳感器抗干擾能力強(qiáng)，位移控制精度高；②該試驗(yàn)機(jī)能穩(wěn)定可靠的完成常溫靜載、動(dòng)態(tài)載荷、高溫和低溫工況下的微動(dòng)磨損試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)載荷輸出穩(wěn)定準(zhǔn)確，高低溫工況下溫度誤差控制在±0.1 ℃范圍內(nèi)；③該試驗(yàn)機(jī)輸出數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，所得數(shù)據(jù)能真實(shí)反映材料的損傷特性。