油潤滑條件下幾種金屬材料摩擦磨損規(guī)律研究

郭占斌，高松林

（黑龍江八一農墾大學工程學院，大慶 163319）

移箱機構是水稻插秧機的重要部件，它擔負著插秧機的縱、橫向送秧工作，對插秧機的取秧量和工作可靠性有直接影響[1]。在影響移箱機構系統(tǒng)性能的諸多因素中，移箱機構中的滑塊和雙螺旋軸之間的磨損現(xiàn)象占有相當比重。而移箱機構中的滑塊和雙螺旋軸之間的摩擦是在變速變壓的條件下進行的，因此，研究滑塊和雙螺旋軸在不同滑動速度和正壓力條件下的摩擦特性，對提高插秧機的工作可靠性和使用壽命方面具有十分重要的意義[2-3]。

研究所選的三種金屬材料（45#，25CrMn，40CrNiMo）在工程材料中具有一定的代表性：它們均是鋼材中最常用的加工材料，具有良好的加工性能和多方位的處理工藝，而且常被用來制造軸類、齒輪及其他一些緊固零件等。故而以這三種常用金屬材料組成的摩擦副作為研究對象，采用M-200 型磨損試驗機進行試驗，研究不同滑動速度和正壓力條件下摩擦副之間的磨損規(guī)律。

1 試驗部分

1.1 試驗機

如圖1 所示，試驗采用的磨損試驗機是由宣化材料試驗機廠生產(chǎn)的M-200 型磨損試驗機。在該試驗機上可進行各種金屬及非金屬材料的多種狀態(tài)耐磨性能試驗，如滾動摩擦、滑動摩擦、間隙接觸摩擦和滾動滑動復合摩擦等試驗。該試驗機還可模擬各種材料在濕摩擦、干摩擦以及磨粒磨損等多種摩擦條件下的摩擦磨損試驗。

圖1 M-200 型磨損試驗機Fig.1 M-200 Type wear tester

評定材料摩擦學性質的一個重要參數(shù)是摩擦系數(shù)，摩擦系數(shù)μ 可利用摩擦力矩計算得出，而摩擦力矩可直接從試驗機上讀出，為提高其精度，測試中均在摩擦趨于穩(wěn)定階段時讀取摩擦力矩[4]，并取其平均值，μ 按下式計算：

式中：M 為摩擦力矩，N·m；

r 為試環(huán)半徑，r=0.02m；

F 為摩擦試樣承受垂直載荷，N。

1.2 試驗材料

試驗所需材料試塊45#，25CrMn，40CrNiMo均由哈爾濱飛機制造廠生產(chǎn)；所有材料均未進行熱處理，表面粗糙度Ra 為0.1～0.3 μm。其中試塊尺寸為6 mm×7 mm×10 mm；試環(huán)尺寸為內徑Ф16 mm，外徑Ф40 mm，厚度10 mm，外圓表面與內圓同心度偏差小于0.01 mm。

1.3 試驗方案

試驗是在M-200 磨損試驗機上進行的，試件的接觸方式及運動形式如圖2 所示：

試驗的條件：溫度為20±5 ℃，濕度為40±10%，試驗選取3 種材料組成3 組摩擦副作為研究對象，其中保持靜止的試塊全部為45#。轉動的試環(huán)材料分別為45#、25CrMn、40CrNiMo。試塊與試環(huán)做滑動摩擦，試驗時間為1 h，潤滑方式為油潤滑，潤滑油為6200N100，潤滑油以每15 s 一滴的流速滴在磨損面上。試驗影響因素及水平如表1 所示。

圖2 摩擦磨損模型Fig.2 Friction and wear model

表1 試驗影響因素及水平Table 1 The influence factors and level of the test

磨損量采用測量磨損失重方法得到。每次試驗前、后試塊和試環(huán)都放在超聲波清洗機中用丙酮溶液清洗并烘干，用感量為0.1 mg 的電子分析天平稱其質量損失。

2 試驗結果與分析

2.1 載荷、速度對摩擦因數(shù)的影響

載荷、速度對摩擦因數(shù)的影響如圖3 所示。

從圖3 可看出，45#和40CrNiMo兩組的摩擦因數(shù)在試環(huán)轉速一定時隨著載荷的增大而減小，其中45#一組在速度一定時其摩擦因數(shù)隨著載荷的增大近似線性減小，40CrNiMo一組在載荷小于400 N 時載荷的變化顯著影響摩擦因數(shù)的大小，對應于曲線的斜率變化較大，當載荷大于400 N 時曲線的斜率變化趨于緩和；而25CrMn一組在試環(huán)轉速一定時摩擦因數(shù)隨著載荷的增大而減小。

通過對2 種轉速下3 組摩擦副的摩擦因數(shù)分析對比發(fā)現(xiàn)：隨著試環(huán)轉速的增大摩擦因數(shù)整體相應增大，低轉速時摩擦因數(shù)隨著載荷的增大變化顯著；高轉速時摩擦因數(shù)隨著載荷的增大變化較小。由此得出在較低轉速下，載荷是影響摩擦因數(shù)的主要因素，而速度對摩擦因數(shù)的影響較小。對比2 種不同速度下摩擦副的摩擦因數(shù)，就其變化特性而言，從總體看45#一組的摩擦因數(shù)較其他兩組的摩擦因數(shù)小，且變化曲線近似成線性增大，說明其對載荷變化不敏感。而25CrMn一組無論在低轉速還是在高轉速條件下其摩擦因數(shù)都處于穩(wěn)定的范圍之中，由此可以分析得出，在此試驗實驗條件下25CrMn一組摩擦副具有較好的耐磨性能。

2.2 載荷、速度對磨損量的影響

載荷、速度對磨損量的影響如圖4 所示。

圖3 不同摩擦副在不同速度條件下載荷對摩擦因數(shù)的影響Fig.3 Effect of friction factor on different speeds and load

圖4 不同摩擦副在不同速度條件下載荷對磨損量的影響Fig.4 Effect of the amount of wear on different speeds and load

圖4 是不同轉速條件下3 種摩擦副磨損量隨載荷的變化情況。通過對2 種轉速下3 組摩擦副的磨損量分析對比發(fā)現(xiàn)：3 種摩擦副質量磨損變化規(guī)律表現(xiàn)是很相似的，即隨著載荷和轉速的增大摩擦副的磨損量逐漸增加。當載荷大于300 N 時磨損量曲線斜率陡增，磨損量急劇增加，在低速時這種現(xiàn)象更加突出，且高速時摩擦副的磨損量顯著高于低速時的磨損量。由此表明摩擦副之間的摩擦速度和接觸載荷是影響摩擦副的磨損量的重要因素，在一定范圍內轉速、載荷的微小變化顯著影響摩擦副的磨損量。在實驗條件下存在一臨界值，當轉速、載荷超過這一臨界值時，磨損量顯著變化。對比3 種摩擦副的磨損量可以發(fā)現(xiàn)25CrMn一組具有較低的磨損量和較好的摩擦副性能。

2.3 磨損機理的探討

載荷、速度對摩擦副磨損表面的影響如圖5、6所示。

圖5 45#試環(huán)磨損表面的SEM 照片F(xiàn)ig.5 45#ring wear surface of SEM

圖5 是與45#對磨的45#試環(huán)在載荷為400 N滑動速度分別0.42 m·s-1、0.84 m·s-1的條件下摩擦副磨損表面的電子掃描照片[5]。從前文可知隨著轉動速度的增加摩擦副的摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定，變化范圍逐漸減小，這種宏觀上的變化與摩擦副表面微觀特征有密切的聯(lián)系。從圖5（a）可看出摩擦副表面主要由犁皺塑性變形和微量的劃痕組成，而圖5（b）中的摩擦副表面主要是犁皺塑性變形。比較兩圖可看出不同轉速下的摩擦副磨損表面粗糙度相近，這與轉速對摩擦因數(shù)的影響較小的規(guī)律是相吻合的。

由于摩擦力是由粘附力、微凸體塑性變形力、硬質微凸體和磨粒犁溝力三項組成，摩擦副之間的滑動速度的改變會影響到摩擦副表面的溫升。當滑動速度較小時，摩擦副表面的溫度較低，滑塊對試環(huán)的切削和擠壓很困難，所以磨損量相應的較低，而摩擦副的塑性變形抗力較大，此時摩擦副之間的阻力主要來自摩擦副間接觸表面微凸峰間的相互阻礙作用，故而摩擦副間摩擦阻力增大，摩擦因數(shù)相應較高；當摩擦副間滑動速度增大時，摩擦副間表面的溫度將升高，因而摩擦副的塑性變形抗力降低，微凸峰之間的互相阻礙作用將減小，塑性變形力也相應降低，導致摩擦副間的摩擦阻力減小，因此摩擦副間的摩擦因數(shù)較低。由于當摩擦副處在較高轉速時，大量的摩擦功轉化為熱量使得摩擦副間的溫度迅速升高，導致摩擦副表面軟化，摩擦副間的實際接觸面積增大、接觸點發(fā)生粘合，同時滑塊和試環(huán)表面相互連續(xù)不斷的滑動，引起接觸點的剪切和新的接觸點的形成，故而經(jīng)過粘合、撕裂、再粘合、再撕裂的循環(huán)過程，造成較為嚴重的粘著磨損，因此摩擦副的磨損量較大，這與磨損量隨轉速的變化規(guī)律是相一致的。

圖6 25CrMn 試環(huán)磨損表面的SEM 照片F(xiàn)ig.6 25CrMn ring wear surface of SEM

圖6 與45#對磨的25CrMn試環(huán)在滑動速度為0.84 m·s-1載荷分別為200 N 和400 N 條件下摩擦副磨損表面的電子掃描照片。從圖中可看出，在載荷為400 N 時摩擦副表面比載荷為200 N 時粗糙，故而摩擦因數(shù)較大。經(jīng)分析是由于：載荷較小時，摩擦副間的接觸多為點接觸，摩擦阻力主要來源于摩擦副表面間的微凸體之間的互相阻礙，摩擦力也相對較大，摩擦因數(shù)也相應增大；當載荷增大時由于表面溫度升高使得摩擦副間表面由點接觸變?yōu)槊娼佑|，最后接近表觀接觸面積，此時摩擦副表面間的摩擦力不再增大，即摩擦阻力增加的速度沒有正壓力增加的速度快，故而摩擦因數(shù)出現(xiàn)減小的趨勢。

對比圖6（a）、（b）可以發(fā)現(xiàn)當給摩擦副施以200 N 的載荷時摩擦副表面有大量的由于犁削作用而產(chǎn)生的犁皺塑性變形，而施以400 N 的載荷時有明顯的塑性流動和材料剝落的痕跡。這是由于隨著施加載荷的增大，摩擦副間的磨損表面塑性變形嚴重，塑性變形功也相應增加，因而造成真實接觸面積和接觸的微凸體數(shù)增加，微凸體壓入深度增大，最后使得摩擦副的磨損現(xiàn)象嚴重。

3 結論

3.1 在此試驗條件下，25CrMn與45#組成摩擦副時結合效果最好，該組合具有較好的摩擦磨損性能，滑塊試樣磨損量也最小。

3.2 摩擦副間的摩擦因數(shù)隨著所施載荷的增大而減小，隨速度的增大先增大而后趨于穩(wěn)定；摩擦副的磨損量隨所施載荷、速度的增大而增大；摩擦副間的滑動速度和接觸壓力是影響磨損量的主要因素，在一定范圍內滑動速度、接觸壓力的微小變化顯著影響滑塊的質量磨損速率，摩擦磨損特性存在著敏感的速度、壓力范圍。

3.3 在此試驗條件下，粘著磨損是摩擦副間磨損的主要形式，隨摩擦副間接觸壓力和滑動速度的增加其磨損機制逐漸由粘著磨損向磨粒磨損和剝落磨損轉化過渡。

3.4 通過以上試驗，故選取25CrMn與45#組合作為傳動副的材料，可以提高雙向螺旋軸組件的使用壽命。

［1］楊文珍，趙勻，李革，等.高速水稻插秧機移箱螺旋軸回轉軌道優(yōu)化設計［J］.農業(yè)機械學報，2003（6）：167-168.

［2］徐飛軍，李革，趙勻.水稻插秧機移箱機構的發(fā)展研究［J］.農機化研究，2008，30（5）：1-4.

［3］趙勻，黃節(jié)泵，張瑋煒.旋轉式水稻插秧機移箱機構耐磨損設計［J］.農業(yè)機械學報，2008（6）：58-62.

［4］王鵬，譚峰.低功耗水稻育秧秧棚監(jiān)測系統(tǒng)的設計［J］.黑龍江八一農墾大學學報，2011（3）：78-80.

［5］石建飛，李愛傳，劉羽楠，等.基于AT89S52 單片機的巖心圖像采集儀的電機控制系統(tǒng)實現(xiàn)［J］.黑龍江八一農墾大學學報，2011（1）：88-95.