常幅法向壓力下飛機艙門鎖機構(gòu)磨損特性*

梁 華，郭蘭中，林化清，許文文

（1.中國礦業(yè)大學，徐州 221000；2.常熟理工學院，常熟 215500）

飛機艙門的密封是防止艙內(nèi)漏氣或失壓的重要保障[1]。為此，要求飛機艙門機構(gòu)應該具有較高的可靠度。由于磨損的存在，會導致結(jié)構(gòu)配合間隙增大，配合精度降低，導致整個機構(gòu)不能達到所要求的運動精度甚至發(fā)生失效[2]。

艙門密封失效是飛機艙門的一種主要的故障模式，一般會導致Ⅲ級飛行事故，嚴重時也可能導致艙門偶然打開引起災難性故障，可能會導致Ⅱ級（引起人員嚴重傷害、系統(tǒng)嚴重損壞，大幅度降低安全裕度或功能能力）甚至Ⅰ級（引起人員死亡，系統(tǒng)（如飛機）毀壞）飛行事故[3]。

本文以某型運輸機為對象，在其艙門鎖機構(gòu)系統(tǒng)中，拉桿與銷軸間的滑動運動副是重要運動副之一，能否可靠的工作直接關(guān)系到飛行安全和任務完成。因此，對其磨損及可靠性進行研究，同樣具有重要的意義。

1 假設(shè)

假設(shè):磨損量與磨損速度、腐蝕速度等因素有關(guān)，常見的磨損量隨時間t呈線性變化[4]，那么磨損量：

式中，r為磨損速度，mm/h或mm3/h，為隨機變量，服從正態(tài)分布[5]。

當磨損量達到允許最大值時，零件磨損達到極限狀態(tài)。此時對應的時間就是零件發(fā)生故障前的使用時間，即壽命T。

在這前提下，Archard. J F提出了后來被稱之為Archard磨損定理的模型。這個模型是建立在試驗觀察基礎(chǔ)上的，其表達式如下：

式中，V為磨損體積；S為滑動距離；H為摩擦副中較軟材料的布氏硬度?？紤]到磨損是一個動態(tài)的過程，故將式（2）改寫成如下形式：

式中，wv（t）為對應于時間t的磨損體積；S(t)為對應于時間t的滑動距離[6]。

那么對于一個矩形摩擦副，磨損體積wv（t）等于接觸寬度b、接觸長度L和磨損深度Δh的乘積，即：

將式（4）代入式（3），可得磨損增量為：

式中，b、L、Δh的單位均為mm。

因為單向磨損行程是S(t)，一個循環(huán)即為2S(t)，如果用SN(t)表示N次循環(huán)的磨損總行程，SN(t)=2N·S(t)，那么式（5）可改寫成：

式（5）、（6）即為基于線性假設(shè)的常法向壓力下磨損量的計算公式。

2 常幅法向壓力下的滑動磨損特性試驗

本試驗是以30CrMnSiA與LD10-CS為摩擦對，以常幅法向壓力為加載條件所進行的疲勞磨損試驗。試驗載荷為常幅法向正壓力，F(xiàn)n=10kN。下磨塊材料為30CrMnSiA，尺寸為：600mm×30mm×10mm；上磨塊材料為LD10-CS，尺寸為：80mm×20mm×10mm。試驗載荷及試件材料力學性能如表1所示。摩檫副之間的接觸面寬度為b=20mm，滑動距離S=260mm。為了減少試驗誤差，共制備4對試驗件，每次安裝2對，分兩批次進行，觀察其磨損規(guī)律。

表1 試驗載荷及試件材料力學性能

試驗設(shè)備為自制的往復式多用途摩擦磨損試驗機，其示意圖如圖1所示。整個裝置固定在立柱、壓梁和平臺組成的承力框架中，通過絲杠和壓力傳感器給固定摩擦副的上磨板和車式下磨板施加法向載荷（Fn），聯(lián)體式電磁可調(diào)電機通過連桿機構(gòu)使車式下磨板做往復運動。

進行運動機構(gòu)磨損可靠性試驗時，不同材料的摩擦副要確定適合的速度，運動速度太慢，試驗耗費太大；運動速度太快摩擦副會形成粘死，所以，速度應根據(jù)不同的材料副來確定。試驗所用摩擦速度v初步確定為：v=5.85m/min，對于電動機則為11.25r/min。

施加的載荷通過壓力傳感器（BLR-1；150kN；靈敏度為1.5319mV/V）以及與其相連接的2000標準負荷測量儀進行控制。隨時可以通過2000表的復位按扭、峰值按扭看到試驗載荷的大小，以便調(diào)解載荷的大?。y量儀的準確度＜0.005%FS，溫度系數(shù)＜5×10-6℃，AD轉(zhuǎn)換速率＞50次/s）。

通過聯(lián)體式電磁可調(diào)電機來控制需要的轉(zhuǎn)速，可調(diào)電機轉(zhuǎn)速的調(diào)速范圍為：200～1400r/min，轉(zhuǎn)速比i=80r/min，輸出的轉(zhuǎn)速為：2.5～17.5r/min。

本次試驗最初的轉(zhuǎn)速為11.25r/min，后來調(diào)整為9r/min，當循環(huán)次數(shù)（視一次往復為一次循環(huán)）達到1500次時，上磨塊（被磨損試驗件，材料LD10-CS，以下相同）出現(xiàn)劃溝，然而此時下磨塊上粘著LD10-CS材料點狀物。

為了避免出現(xiàn)粘著現(xiàn)象，轉(zhuǎn)速降為7r/min，并用電風扇一直降溫，在此條件下未出現(xiàn)粘著，試驗進行到21168次停止。

為了對上模塊的磨損量進行比較準確的測量，采用了尺寸測量法和稱重法兩種方法，并對結(jié)果進行比較。

法向磨損量的測量采用游標卡尺（0～150）。每個試件設(shè)9個測點，測點布置示意圖如圖2所示。

圖1 試驗設(shè)備示意圖Fig.1 Diagram of experimental equipment

圖2 測點布置示意圖Fig.2 Measuring point layout schematic

在試驗前，先測量試件9個測點的尺寸，以9個測點數(shù)據(jù)的平均值作為試件的原始尺寸；在試驗中，每隔一定的循環(huán)次數(shù)就對9個測點的剩余尺寸進行一次測量，并以9個測量數(shù)據(jù)的平均值作為試件的剩余尺寸。法向磨損量即為試件原始尺寸和剩余尺寸之差。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制的磨損量與壽命曲線見圖3。

磨損重量采用天平儀（0～500g）稱取質(zhì)量然后換算成重量的方法獲得。在試驗前，先稱取試件的原始質(zhì)量；在試驗中，每隔一定的循環(huán)次數(shù)稱取一次試件的剩余質(zhì)量。原始質(zhì)量和剩余質(zhì)量之差即為磨損質(zhì)量，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制的磨損質(zhì)量與壽命曲線見圖4。

下磨塊磨損量的測量采用尺寸測量法，量具為深度千分卡尺，共設(shè)9個測點，測點分布同上模塊。由于下磨塊尺寸和重量均比較大，故僅對試驗前和試驗結(jié)束后的尺寸進行測量，然后以原始尺寸減去剩余尺寸即為磨損量。下磨塊的磨損量見表2。

圖3 上磨塊磨損量與壽命曲線Fig.3 Wearing and tearing value (above) and life curve

圖4 上磨塊磨損質(zhì)量與壽命曲線Fig.4 Wearing and tearing weight (above) and life curve

表2 下磨塊磨損量

3 試驗結(jié)果分析與討論

（1） 本次試驗最初設(shè)定的轉(zhuǎn)速11.25r/min以及進行初步調(diào)整后的轉(zhuǎn)速9r/min都是不理想的。在這兩個轉(zhuǎn)速下上磨塊出現(xiàn)劃溝，下磨塊有LD10-CS點狀物粘著。當轉(zhuǎn)速調(diào)整為7r/min時，情況趨于正常。從而可知，對于以LD10-CS與30CrMnSiA為配對材料的滑動摩擦副，該試驗機轉(zhuǎn)速應在小于7r/min的范圍內(nèi)進行選取。

（2）由圖3和圖4的擬合曲線可以看出，上模塊磨損量隨時間的增加而線性增加。

（3）圖5為LD10-CS與30CrMnSiA摩擦副上模塊的磨損壽命線圖。磨損壽命線圖是以一組試件不同循環(huán)次數(shù)下的最大磨損量作為上界點，最小磨損量為下界點繪制的。可以看出，磨損量為隨機變量，具有一定的分散性，且隨著工作時間的增加，其累積磨損量的分散程度也越來越大，反映為上界點與對應的下界點的距離越來越大，線圖呈喇叭狀。

（4）上磨塊磨損系數(shù)K的計算。

從圖6所示上模塊磨損量隨壽命（循環(huán)次數(shù)）的變化可知，當壽命N為21169次時，實測磨損量的平均值為1.45mm。而一次循環(huán)的磨損量為：

根據(jù)公式（6）可以推得磨損系數(shù)K的表達式并計算如下：

此值即為上模塊的磨損系數(shù)。由計算過程可知，在常幅法向壓力下，若不考慮溫度對材料硬度的影響，磨損系數(shù)是一個常數(shù)。一般來說，金屬表面的硬度隨表面溫度的升高而下降，當其他條件相同時，溫度越高，磨損越大，發(fā)生膠合的可能性也增大。圖6表示了溫度對磨損率的影響?？梢钥闯觯敎囟瘸^某一臨界值（圖6中（a））后，它對磨損率的影響才是顯著的。

圖5 上磨塊的磨損壽命線圖Fig.5 Wear life of the above module

圖6 溫度對磨損的影響Fig.6 Influence of temperature on the wear and tear

下面根據(jù)磨損質(zhì)量與壽命曲線計算磨損系數(shù)K。

從圖6所示磨損質(zhì)量與壽命曲線可知，當壽命N為20153次時，實際稱得磨損質(zhì)量（m）的值為3.73g，已知鋁板的密度ρ=2.73g/cm3，則總的磨損量Δh為：

而一次循環(huán)的磨損量為:

Δh= 1.37/20153 = 6.8×10-5mm 。

根據(jù)公式（6）可以推得磨損系數(shù)K的表達式并計算如下：

從上述計算結(jié)果可以看出，兩種測量方法得到的上磨塊（LD10-CS）磨損系數(shù)值K相當接近，所以，在以后的試驗中只要量具精度高，無論哪種測量方法都可以采用。

（5）下磨塊磨損系數(shù)K的計算。

根據(jù)表2經(jīng)簡單計算可知，當壽命為20153次時，實測磨損量的平均值為0.0595mm，而一次循環(huán)的磨損量為：

根據(jù)公式（6）可以推得磨損系數(shù)K的表達式并計算如下：

比較上模塊和下磨塊的磨損系數(shù)K值可知，后者明顯大于前者，說明其具有更好的耐磨性，同時也說明，在以LD10-CS與30CrMnSiA為配對材料的摩擦副磨損可靠性計算中，僅僅考慮上模塊（LD10-CS）即可。

4 結(jié)論

本文以某型運輸機艙門鎖機構(gòu)運動副所實際使用的材料為摩擦對，通過常幅載荷下的疲勞磨損試驗，對其磨損行為進行了研究。

（1）通過常幅疲勞磨損試驗，驗證了磨損量隨時間t線性變化假設(shè)的合理性；

（2）得出了7r/min（v=5.85m/min）的轉(zhuǎn)速是LD10-CS與30CrMnSiA配對摩擦副磨損試驗的適宜轉(zhuǎn)速的初步結(jié)論；

（3）給出了LD10-CS的磨損壽命曲線，為給定壽命下磨損量的均值和標準差以及給定磨損量下磨損壽命的均值和標準差的計算提供了一種依據(jù)；最后，根據(jù)試驗結(jié)果，分別計算了LD10-CS和30CrMnSiA的磨損系數(shù) ，解決了實際磨損量以及磨損可靠性計算這一先決問題。

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