基于不同支撐結(jié)構(gòu)的薄壁管沖擊微動磨損行為研究

關(guān)海達， 蔡振兵， 陳志強, 錢 浩, 唐力晨, 朱旻昊

(1. 西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室摩擦學(xué)研究所，成都 610031； 2.上海核工程研究設(shè)計院,上海 200233)

基于不同支撐結(jié)構(gòu)的薄壁管沖擊微動磨損行為研究

關(guān)海達1， 蔡振兵1， 陳志強1, 錢 浩2, 唐力晨2, 朱旻昊1

(1. 西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室摩擦學(xué)研究所，成都 610031； 2.上海核工程研究設(shè)計院,上海 200233)

在新型沖擊微動磨損試驗機上對304不銹鋼薄壁管進行沖擊微動磨損試驗，研究了支撐結(jié)構(gòu)(角度)和管長對薄壁管沖擊微動損傷行為的影響，并對其界面響應(yīng)和磨損機制進行分析。研究結(jié)果表明：當管長相同時，隨著支撐結(jié)構(gòu)角度的增大，薄壁管的變形量和沖擊接觸時間增大，而沖擊接觸峰值力、能量吸收率和磨損程度降低。當支撐結(jié)構(gòu)角度相同時，管長的增加會導(dǎo)致變形量和沖擊接觸時間的減小，接觸峰值力、能量吸收率和磨損程度的增大。通過對磨痕分析，304不銹鋼薄壁管的沖擊微動磨損的損傷機制主要是材料表面的疲勞剝落。

沖擊磨損；能量吸收率；沖擊接觸力；管變形；接觸時間

結(jié)構(gòu)連接件在服役過程中，由于震動導(dǎo)致界面松動或材料損失使得界面間產(chǎn)生間隙，兩個界面發(fā)生徑向運動。由于其振幅較小，故把這種磨損稱為沖擊微動磨損。

核電站蒸汽發(fā)生器傳熱管的微動磨損會導(dǎo)致核電站停機，造成高昂的維修費用。管/抗震條間的微動是由于流致振動(Flow-Induced Vibration,FIV)引起的[1-2]，流致振動一般由一種激振類型或三種激振類型組合的機制所導(dǎo)致，包括：周期性尾流、流體彈性不穩(wěn)定性和流體湍流隨機激勵[3]。在核電站運行期間，由于系統(tǒng)內(nèi)部的FIV是無法避免的，故在燃料棒與其支撐隔板之間始終發(fā)生微動磨損。如果磨損嚴重，會形成核泄漏、冷卻液被污染等一系列嚴重的問題，給核電裝備的安全、可靠運行帶來較大的安全隱患，極大縮短其服役壽命，導(dǎo)致嚴重的經(jīng)濟損失。為降低磨損程度可采用改善支撐件的結(jié)構(gòu)，來實現(xiàn)減小微動磨損的目的。由于磨損源于接觸表面間能量的耗散，而能量的耗散取決于接觸力和滑動位移，這些參數(shù)與表面接觸結(jié)構(gòu)有關(guān)[4]。摩擦副表面接觸形狀不同(如支撐角度)，必然導(dǎo)致材料產(chǎn)生不同的磨損程度。

在20世紀70年代Ko等[5-7]已經(jīng)開始研究蒸汽發(fā)生器中傳熱管的微動磨損行為，對鎳合金600和403不銹鋼進行AVB測試發(fā)現(xiàn)，純滑動磨損大于純沖擊磨損，沖切復(fù)合磨損大于純滑動或純沖擊磨損的程度，同時發(fā)現(xiàn)磨損量隨著溫度的增加而增大。Guerout等[8-9]發(fā)現(xiàn)當溫度為200 ℃時，磨損率達到最大值。目前，國內(nèi)外學(xué)者對材料的微動磨損行為的研究主要有以下幾個方面：Fricker[10]在高溫實驗條件下研究了不同材料組合對管/抗震條間微動損傷的影響；武勇忠等[11]研究了充液薄壁圓管在平頭彈體側(cè)向沖擊下的磨損行為，觀察到臨界破壞速度隨內(nèi)充介質(zhì)壓力增大而減??；Blevins[12]在室溫條件下研究了管/支撐隔板配合間隙、偏心率和振動頻率等對傳熱管的微動磨損行為影響，發(fā)現(xiàn)配合間隙越小磨損量越??；Hong等[13]對傳熱管進行了不同溫度下的沖擊磨損實驗研究，實驗發(fā)現(xiàn)在290℃時的磨損速率要比常溫環(huán)境下高十倍多。唐力晨等[14]研究了不同強弱的面內(nèi)支撐對傳熱管流致振動的影響，結(jié)果表明當抗振條與傳熱管面內(nèi)接觸剛度較弱時，面內(nèi)流彈性失穩(wěn)可能較面外流彈性失穩(wěn)出的更早。王軍評等[15]通過數(shù)值模擬研究了載荷脈寬對圓柱殼瞬態(tài)響應(yīng)的影響，獲得了平均應(yīng)變差隨脈寬變化的關(guān)系，并從結(jié)構(gòu)特想角度分析了變化的原因。劉新陽等[16]為研究水下自激吸氣式脈沖射流裝置的沖擊與沖蝕效果進行了一系列試驗研究，結(jié)果表明下噴嘴直徑對裝置沖蝕深度、沖蝕表面積和沖蝕體積等沖蝕效果的影響是不同的。

盡管目前核電站薄壁管的磨損行為研究已經(jīng)取得了一些成就，但是對間隙配合面沖擊微動行為的研究尚不完善。因此本研究設(shè)計了不同支撐結(jié)構(gòu)的夾具，來模擬核電站中薄壁管支撐件在服役過程中存在的不同接觸結(jié)構(gòu)，對其沖擊微動磨損行為展開研究。

1 實驗部分

1.1實驗設(shè)備和參數(shù)

本實驗使用自主研發(fā)的新型沖擊微動磨損試驗機[17](其結(jié)構(gòu)見圖1)，對薄壁管的沖擊微動磨損行為進行研究。管類結(jié)構(gòu)受到?jīng)_擊的瞬間，伴隨著能量瞬間轉(zhuǎn)化和轉(zhuǎn)移，沖擊耗散的動能ΔE主要轉(zhuǎn)變?yōu)橐韵聨撞糠?塑性變形能Ep、彈性變形能Ee、表面斷裂能Ef和其它形式能Eo[18-19]。其主要工作原理是通過控制系統(tǒng)部分控制音圈電機帶動阻尼沖頭和撞擊塊作往復(fù)直線運動，實現(xiàn)了柱狀對磨副對薄壁管進行恒定動能(速度v0)、高頻率撞擊的運動過程。管/柱撞擊瞬間撞擊塊反彈作回程運動(回彈速度v1)，在此過程中，由采集系統(tǒng)記錄撞擊塊在沖擊與反彈過程期間的接觸力、變形量和速度值。本實驗沖擊頻率為5 Hz，初始沖擊速度為125 mm/s,試驗中撞擊塊(包含力傳感器、軸承鋼柱及夾具)的總質(zhì)量為495 g，沖擊循環(huán)次數(shù)為105次。

1.試樣夾具 2.試驗試樣 3.對磨副 4.力傳感器 5.位移傳感器 6.撞擊塊 7.直線運動單元 8.阻尼沖頭 9.音圈電機

Fig.1 The schematic diagram of the low velocity and constant energy cycling impact wear tester

實驗結(jié)束后用contour GT型白光干涉儀測試磨痕面積與深度。采用OLYMPUS-BX60M型光學(xué)顯微鏡(OM)，JSM 6610LV型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察試樣的表面形貌。

1.2實驗材料及制備

本實驗采用管/柱接觸摩擦副進行試驗，柱試樣采用的是GCr15(?10 mm×20 mm)軸承鋼滾柱，管試樣選用304不銹鋼薄壁管(外徑?18 mm，壁厚0.5 mm)。為研究不同支撐角度和管樣品長度對其微動沖擊磨損性能的影響，分別設(shè)計了7種夾持角度不同的夾具(見圖2(c))和4種長度不同的薄壁管，分為兩組試驗，試驗參數(shù)見表1。

圖2 蒸汽發(fā)生器示意圖和沖擊磨損試驗設(shè)計

實驗組參數(shù)1#2#3#4#5#6#7#支撐角度/(°)0306090120150180Ⅰ自由度/radπ7/6π4/3π3/2π5/3π11/6π2π管長/mm20202020202020實驗組參數(shù)1#2#3#4#---Ⅱ支撐角度/(°)90909090---管長/mm10152025---

2 實驗結(jié)果分析

2.1支撐角度的影響

在相同初始動能，不同支撐條件下管的變形量和沖擊接觸力隨時間變化曲線見圖3。當θ=0°時，管的變形量僅為56 μm，而θ=180°時，管的變形量達到160 μm，幾乎是θ=0°時變形量的3倍?？梢?，管的變形量隨著支撐角度的增大而增大。結(jié)合圖2(c)，可知支撐角度為0°時，管的可變形量(弧度為π)僅是管截面(2π)的一半，而當支撐角度為180°時，整個管截面都可以變形。即隨著支撐角度的變大，管的可變形量增大。支撐角度的大小直接影響管的結(jié)構(gòu)剛度，隨著支撐角度的增大，管的結(jié)構(gòu)剛度減小。見圖3(b),可知沖擊接觸時間隨著支撐角度的增大而增加，當θ=0°時沖擊接觸時間最短，僅為1.33 ms，而當支撐角度增加大180°時，沖擊接觸時間增加到3.57 ms。同樣，在該試驗中，沖擊接觸峰值力的變化規(guī)律與管的結(jié)構(gòu)剛度有關(guān)，當θ=0°時，接觸力峰值為117 N，而當θ=180°時，接觸力峰值為44 N。變形量和接觸峰值力的數(shù)值見圖3(c)，由于支撐角度的不同，對管類結(jié)構(gòu)的變形量與受接觸力的大小有著很大的影響。

在恒定沖擊動能作用下，不同支撐角度薄壁管受到?jīng)_擊后的反彈能量不同(見圖4(a))，并且能量吸收量和吸收率也不同(見圖4(b))。其中，當θ=0°時，能量吸收率為17.841%，此支撐角度下的能量吸收量最大。當θ增大到150°和180°時，能量吸收率均降低到7.87%附近。由上可知，能量吸收率隨著支撐角度的增大而減小，即沖擊過程能量耗散減小。

圖5為薄壁管的磨痕形貌。從整體形貌可見，θ為0°時磨痕面積最大，隨著支撐角度的增大，磨痕面積逐漸減小，θ=180°時的磨痕面積達到最小。從微觀形貌可見，磨痕區(qū)域形成顆粒片狀磨屑。這種現(xiàn)象是由于薄壁管在對磨副反復(fù)沖擊作用下，材料損傷發(fā)生累積，導(dǎo)致試樣磨損表面發(fā)生疲勞剝落。

磨痕的輪廓見圖6(a)。由圖可知，相同初始沖擊動能作用下，不同角度夾持的薄壁管的磨損程度不同。

(a) 管的沖擊變形位移曲線

(b) 沖擊接觸力—時間曲線

(c) 沖擊接觸峰值力、變形量

Fig.3 The deflection and peak force under varied support angles

(a) 能量響應(yīng)

(b) 能量吸收量與能量吸收率

圖5 不同支撐角度下的磨痕形貌

當θ為0°時磨痕深度最深，隨著支撐角度的增加，磨痕深度與磨痕面積減小。這種變化是由管類結(jié)構(gòu)的沖擊動力學(xué)響應(yīng)決定的，θ為0°時，能量吸收率和沖擊接觸力都達到最大值，這種情況下管的磨損最嚴重。通過以上分析可知：隨著支撐角度的增大，峰值接觸力與能量吸收率減小，管樣品的磨痕面積、磨痕深度減小，導(dǎo)致磨損程度減輕。之前研究還表明，除了支撐結(jié)構(gòu)，材料屬性與溫度等也能影響金屬管的沖擊微動磨損行為[20-21]。

2.2管長的影響

圖7為在相同的支撐角度下(θ=90°)不同管長(L)試樣變形量和沖擊接觸力隨時間變化曲線。由圖7(a)可見，隨著管長度的增加，其變形量隨之減小。當L=10 mm時，其變形量為130 μm，而當L逐漸增加到15 mm，20 mm和25 mm時，變形量依次為122 μm，96 μm和92 μm。圖7(b)為不同管長下的沖擊接觸力F隨時間變化曲線。沖擊接觸力峰值隨著樣品管長的增加而增加，管長為25 mm時的接觸力峰值明顯大于其他樣品。由圖7(c)可見，隨著管長的增加，變形量和接觸力峰值分別降低和增加，這是由于管長的改變，影響了管的結(jié)構(gòu)剛度的大小。在相同情況下，管的結(jié)構(gòu)剛度隨著管長的增加而增大，進而影響了其沖擊時的變形量與界面接觸力。

(a) 磨痕輪廓

(b) 磨痕深度、面積

Fig.6 Profile, depth and worn area of the wear scars under varied support angles

(a) 管的沖擊變形位移曲線

(b) 沖擊接觸力—時間曲線

(c) 沖擊接觸力、變形與管長的關(guān)系曲線

Fig.7 The deflection and contact force response under varied tube lengths

不同長度的管在沖擊過程中的能量變化見圖8。可以看出，能量吸收量與能量吸收率受管長的影響較明顯。隨著管長的增加，能量吸收率增加，即能量耗散增多。當管長從10 mm增加到25 mm時，能量吸收率也從19.5%增大到26.5%。說明管越長，管的結(jié)構(gòu)剛度越高，管的磨損程度越嚴重。這也符合了圖9(a)中所示管長的增加磨損面積變大的規(guī)律。

(a) 能量響應(yīng)

(b) 能量吸收變化

不同管長試樣磨痕見圖9?？梢?，磨痕面積與磨痕深度的數(shù)值(圖9(c))隨著管長的增加而增大。這種變化趨勢是由沖擊動力學(xué)響應(yīng)影響的。當管長為10 mm和15 mm時，能量吸收率和沖擊接觸力較小，故此條件下管的磨損程度較輕；而當管長為25 mm時，能量吸收率和沖擊接觸力較大，管的損傷程度也最為嚴重。

(a) 磨痕形貌圖

(b) 磨痕輪廓

(c) 磨痕深度和面積

3 結(jié) 論

在自主研發(fā)的新型沖擊微動磨損試驗機上，研究了支撐結(jié)構(gòu)(角度)和樣品長度對薄壁管沖擊微動損傷行為的影響。得到以下結(jié)論：

(1)在管長相同條件下，隨著夾具支撐角度的增大，管的變形量和沖擊接觸時間增大，而接觸峰值力、能量吸收量和磨損程度減小。

(2)管長的增加會導(dǎo)致管的變形量和沖擊接觸時間減小，接觸峰值力、能量吸收率和磨損程度增加。

(3)304不銹鋼薄壁管的沖擊微動磨損的損傷機制主要是材料表面的疲勞剝落。

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Impactfrettingwearbehaviourofthin-walledtubeswithdifferentsupportstructures

GUANHaida1,CAIZhenbing1,CHENZhiqiang1,QIANHao2,TANGLichen2,ZHUMinhao1

(1. Tribology Research Institute, State Key Laboratory of Traction Power, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China； 2. Shanghai Nuclear Engineering Research and Design Institute, Shanghai 200233, China)

The impact fretting wear behaviour of 304 stainless steel thin-walled tubes with different support structues (angle) and tube lengths was investigated by using a new impact wear tester. The contact interface characteristics and damage behavior of the tubes were inspected during the impact fretting process. The results show that when the support angle increases, the maximum deflection and contact time increase, but the contact peak force, energy absorption, and wear damage degree decrease. The rise of lengs leads to a reduction in the deflection and contact time, meanwhile an increase in the contact force, energy absorption ratio and serious damage degree. Through analyzing the morphologies and profiles of the wear scars, the wear mechanism of the impact fretting wear of 304 stainless steel thin wall tubes is judged as the contact fatigue spalling.

impact wear; energy absorption rate; impact force; tube deflection; contact time

TH117.1

A

10.13465/j.cnki.jvs.2017.21.011

國家自然科學(xué)基金(51375407；U1530136)；上海市科技人才計劃項目(14R21421500)

2016-07-25 修改稿收到日期：2016-09-06

關(guān)海達 男,碩士生，1993年生

蔡振兵 男,博士,研究員，1981年生