多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

包倩倩，趙楠楠，楊育林，楊向超

(1.燕山大學(xué) a.機(jī)械工程學(xué)院；b.關(guān)節(jié)軸承共性技術(shù)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 秦皇島 066004；2.重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司，重慶 404100)

摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)是研究自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承摩擦副材料摩擦學(xué)性能的必備裝置。然而，隨著材料應(yīng)用環(huán)境的變化，例如高速、高真空、高低溫、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)輻射等，對(duì)試驗(yàn)機(jī)的專業(yè)化要求變得越來越高[1]。文獻(xiàn)[2]研制了一種超高壓磨損試驗(yàn)機(jī)，最大壓強(qiáng)為14 MPa。文獻(xiàn)[3]設(shè)計(jì)了最高溫度為1 000 ℃的銷盤接觸形式高溫磨損試驗(yàn)機(jī)。文獻(xiàn)[4]研制了具有多種接觸形式且可控氣壓的磨損試驗(yàn)機(jī)。文獻(xiàn)[5]采用模塊化的設(shè)計(jì)思路研制出了MSTS-1型銷盤/球盤接觸形式的真空摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。

在實(shí)驗(yàn)室已有真空高低溫試驗(yàn)艙的基礎(chǔ)上，利用模塊化設(shè)計(jì)思想研制了一種新型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其可完成真空、高低溫和多種摩擦接觸形式的切換，可以更加全面地研究自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承摩擦副材料在空間環(huán)境下的摩擦學(xué)性能。

1 試驗(yàn)機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)

1.1 產(chǎn)品型譜設(shè)計(jì)

對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)[6]前需要進(jìn)行調(diào)研，確定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)范圍。試驗(yàn)工況主要包括載荷、速度、溫度和氣體環(huán)境等，具體設(shè)置見表1。

表1 試驗(yàn)工況Tab.1 Test conditions

摩擦元素可分為固-固、固-液、固-氣3種形式；固-固摩擦元素又可分為滾動(dòng)摩擦、滑動(dòng)摩擦、微動(dòng)摩擦和沖擊摩擦4種運(yùn)動(dòng)形式；摩擦副接觸形式主要為點(diǎn)、線、面3種接觸形式，具體如圖1所示。

圖1 摩擦副的接觸形式Fig.1 Contact forms of friction pair

將試驗(yàn)工況作為產(chǎn)品型譜[7]的縱系列，矩陣的維數(shù)為6×5×4×3=360；將摩擦元素、摩擦副運(yùn)動(dòng)形式和接觸形式作為產(chǎn)品型譜的橫系列，其維數(shù)為3×4×9=108；將兩者組合即得到摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的全系列型譜矩陣。

1.2 功能分析

試驗(yàn)機(jī)的主要功能是在一定的氣體、溫度等環(huán)境下，在兩摩擦副試件間施加載荷使其接觸并產(chǎn)生相互作用力，通過外界能量使試件發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而獲取與摩擦學(xué)性能有關(guān)的信息，因此將試驗(yàn)機(jī)劃分為模擬環(huán)境、摩擦和測(cè)控3個(gè)分功能。由于試驗(yàn)機(jī)是在實(shí)驗(yàn)室真空高低溫試驗(yàn)艙的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，因此環(huán)境模塊已具備，主要由試驗(yàn)艙、真空和高低溫系統(tǒng)構(gòu)成。摩擦部分需要施加載荷來實(shí)現(xiàn)兩試件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，需配備動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置、連接裝置、加載裝置、夾具系統(tǒng)和固定裝置。測(cè)控系統(tǒng)主要包括采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)。對(duì)各個(gè)子功能進(jìn)行編號(hào)，得到試驗(yàn)機(jī)功能分解圖，如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)機(jī)功能分解圖Fig.2 Function decomposition diagram of tester

1.3 模塊劃分

(1)

子功能的相關(guān)性可從性能關(guān)系、空間關(guān)系、裝配關(guān)系、物質(zhì)交換關(guān)系、能量交換關(guān)系和信息交換關(guān)系6個(gè)方面進(jìn)行考慮。影響系數(shù)則通過權(quán)重確定，采用1～9的標(biāo)度對(duì)相關(guān)矩陣進(jìn)行兩兩判斷和比較，1代表兩元素同等重要，9代表后者比前者極端重要，2～8代表兩元素判斷的中間值，元素i與元素j的影響系數(shù)和元素j與元素i影響系數(shù)互為倒數(shù)，結(jié)合實(shí)際和經(jīng)驗(yàn)，假設(shè)形成的判斷矩陣為

對(duì)于矩陣A，與之對(duì)應(yīng)的特征方程為

AW=λmaxW。

(2)

求解得出上式的最大特征根λmax和特征向量W，通過歸一化處理得到的向量即為某因素相對(duì)于另一因素的重要性權(quán)值，進(jìn)而得到某一因素相對(duì)于另一因素的權(quán)重值。用MATLAB對(duì)A進(jìn)行計(jì)算得出權(quán)重為：w1=0.36，w2=0.25，w3=0.17，w4=0.09，w5=0.06，w6=0.07。

由于判斷矩陣在構(gòu)造過程中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)賦值，因此需要對(duì)A進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，一致性指標(biāo)為

(3)

式中：n為判斷矩陣A的階數(shù)；IR為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，矩陣計(jì)算1 000次得到的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)為1.58。當(dāng)RC<0.1時(shí)，A滿足要求；當(dāng)RC≥0.1時(shí)，A不滿足要求，需重新構(gòu)造。計(jì)算得IC=0.02，RC= 0.01，該矩陣滿足一致性要求。

將求解出的6個(gè)權(quán)重值與(1)式相結(jié)合逐一計(jì)算出各子功能元之間的相關(guān)度，得到相關(guān)度矩陣R為

按照L=E-R變換得到距離矩陣L，找出L中非對(duì)角線上的2個(gè)最小元素，將這2個(gè)元素合并成為一個(gè)新類，然后刪去L中2個(gè)最小元素所對(duì)應(yīng)的行和列，并且加入由新類最小距離所組成的行和列，形成一個(gè)新的n-1階矩陣L1，不斷重復(fù)以上過程，同時(shí)記錄下每次合并的功能元編號(hào)和最短距離，便可繪制出各功能元的聚類譜系圖[7]，如圖3所示。依據(jù)圖3對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行模塊劃分，劃分結(jié)果如圖4所示。

圖3 功能元的聚類譜系圖Fig.3 Hierarchical diagram of functional elements

圖4 模塊劃分結(jié)果Fig.4 Module Partitioning Results

1.4 變形模塊矩陣

根據(jù)接觸形式，將試驗(yàn)機(jī)摩擦模塊設(shè)定為變形模塊。雖然摩擦副有9種，但該試驗(yàn)機(jī)主要用于自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承自潤(rùn)滑襯墊摩擦磨損性能的研究，球-盤、銷-盤、環(huán)-塊、端面、半環(huán)應(yīng)用較多，并且覆蓋了點(diǎn)線面接觸形式，因此將通過橫系列變形得到變形模塊矩陣簡(jiǎn)化為：{端面，球盤，銷盤，環(huán)塊，半環(huán)}。

2 試驗(yàn)機(jī)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 模擬環(huán)境模塊

實(shí)驗(yàn)室高低溫真空試驗(yàn)艙已具備環(huán)境模塊，具有真空抽氣系統(tǒng)和高低溫系統(tǒng)，能夠?yàn)樵囼?yàn)機(jī)提供真空、-50～50 ℃任意溫度保溫和高低溫交變環(huán)境，試驗(yàn)艙外觀如圖5所示。

2.2 動(dòng)力和支架模塊

由于電動(dòng)機(jī)很難適應(yīng)試驗(yàn)艙內(nèi)部環(huán)境，需將電動(dòng)機(jī)外置。另外，因要嚴(yán)格控制設(shè)備的真空泄漏，故采用摩擦力很小的磁流體聯(lián)軸器，再經(jīng)過密封聯(lián)軸和波紋管聯(lián)軸器與傳動(dòng)主軸相連，將動(dòng)力傳遞給摩擦模塊；臺(tái)架主軸則采用輕型、高精密、低摩擦主軸。支架模塊由臺(tái)架組成，采用臥式結(jié)構(gòu)固定在試驗(yàn)艙內(nèi)。臺(tái)架及主軸如圖6所示。

2.3 摩擦模塊

由于銷-盤與球-盤摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式相似，將這2種合并為一類，從而將摩擦模塊分為銷/球盤、環(huán)塊、端面和半環(huán)4種，主要包括夾具系統(tǒng)和加載系統(tǒng)，加載采用砝碼-杠桿的加載方式[8]。

2.3.1 銷/球盤接觸

銷/球盤摩擦副接觸形式及其裝配如圖7所示，銷/球盤通過自制螺母固定，銷/球盤通過壓環(huán)和螺釘固定在傳動(dòng)軸上并隨軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。由于銷/球盤接觸的載荷較大，因此需要杠桿將載荷放大，而加載方向?yàn)樗剑枰龑?dǎo)輪和鋼絲將載荷方向轉(zhuǎn)換為豎直，通過鋼絲可以將砝碼放在不影響其他操作的位置。

圖7 銷/球盤接觸形式及其裝配Fig.7 Contact form of pin/ball disc and its assembly

2.3.2 環(huán)塊接觸

環(huán)塊摩擦副運(yùn)動(dòng)形式及其裝配如圖8所示，試樣塊為一個(gè)矩形塊，通過固定支架和壓塊固定，支架固定于圓環(huán)上方，試樣環(huán)通過螺釘和固定環(huán)與傳動(dòng)軸連接做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。環(huán)塊接觸形式的加載方向?yàn)樨Q直方向且加載力較小，可通過砝碼直接加載。

圖8 環(huán)塊接觸形式及其裝配Fig.8 Contact form of ring block and its assembly

2.3.3 端面接觸

端面摩擦副運(yùn)動(dòng)形式及其裝配如圖9所示。

圖9 端面接觸形式及其裝配Fig.9 Contact form of end face and its assembly

圓盤通過螺釘與支架固定，圓環(huán)通過螺栓與主軸連接做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為防止圓環(huán)與主軸產(chǎn)生滑動(dòng)脫落，在主軸端面安裝2個(gè)圓柱銷。端面載荷方向?yàn)樨Q直方向，與銷盤/球盤加載方向相同，從而實(shí)現(xiàn)方向轉(zhuǎn)換裝置和砝碼裝置的互換。

2.3.4 半環(huán)接觸

半環(huán)摩擦副運(yùn)動(dòng)形式及其裝配如圖10所示，將上、下2個(gè)環(huán)塊固定在滑塊上，并保證其與中間的短軸接觸，短軸與傳動(dòng)軸連接做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。載荷垂直施加于上滑塊上，由于半環(huán)接觸形式主要用于評(píng)價(jià)軸承襯墊摩擦磨損性能，因此需要較大的載荷，杠桿放大倍數(shù)為8。

圖10 半環(huán)接觸形式夾具示意圖Fig.10 Diagram of semi-ring contact form fixture

2.3.5 傳動(dòng)接口設(shè)計(jì)

模塊化產(chǎn)品中模塊的可組合性和互換性主要體現(xiàn)在接口上。對(duì)于摩擦模塊的更換，首先要實(shí)現(xiàn)摩擦模塊與臺(tái)架之間的接口連接。銷/球盤模塊中需要控制盤試樣的端面跳動(dòng)，環(huán)塊模塊需要控制環(huán)試樣的軸向跳動(dòng)，因此這2種模塊要保證與主軸的同軸度，采用錐面錐度為7:24的連接方式。端面則采用直口連接。各模塊的接口如圖11所示。

圖11 接口連接示意圖Fig.11 Diagram of interface connection

2.4 測(cè)控模塊

試驗(yàn)機(jī)需要檢測(cè)的參數(shù)有試件的摩擦因數(shù)、磨損量，試驗(yàn)艙溫度和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。溫度和轉(zhuǎn)速可直接通過相應(yīng)的傳感器直接獲取，磨損量通過儀器離線檢測(cè)，摩擦因數(shù)通過μ=M/(rF)間接獲得，其中：M為摩擦扭矩；r為摩擦半徑；F為作用載荷，扭矩和作用載荷分別通過扭矩傳感器和力傳感器獲得。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性和可比性，選用不同的試驗(yàn)條件(表2)進(jìn)行3組驗(yàn)證試驗(yàn)。每組數(shù)據(jù)測(cè)試3次得到3條摩擦因數(shù)曲線，并分別與相同試驗(yàn)條件下MMU-5G端面摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、低速重載襯墊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(半環(huán))、CETR摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(銷盤)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。具體數(shù)值及對(duì)比見表3，摩擦因數(shù)曲線如圖12—圖14所示。

圖12 端面接觸形式摩擦因數(shù)曲線Fig.12 Friction coefficient curve of end face contact form

圖13 半環(huán)接觸形式摩擦因數(shù)曲線Fig.13 Friction coefficient curve with semi-ring contact form

圖14 銷盤接觸形式摩擦因數(shù)曲線Fig.14 Friction coefficient curve of pin disc contact form

表2 試驗(yàn)條件Tab.2 Test conditions

表3 試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results

綜上分析可知：1)多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)所得3條摩擦因數(shù)曲線的走勢(shì)基本相同，各曲線的平均值也相差較小，證明試驗(yàn)機(jī)有較好的重現(xiàn)性；2)與專用試驗(yàn)機(jī)在相同條件下的誤差也較小，均在允許范圍，說明自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)機(jī)接觸形式均符合要求。

4 結(jié)束語

以真空高低溫試驗(yàn)艙為基礎(chǔ)，采用模塊化設(shè)計(jì)方法構(gòu)建了摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)型譜圖，對(duì)其進(jìn)行了功能分析和模塊劃分，并組建了以摩擦副接觸形式為特征的功能變換矩陣。介紹了銷盤/球盤、環(huán)塊、端面、半環(huán)4種變形摩擦模塊的系統(tǒng)構(gòu)成，并對(duì)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果表明：摩擦磨損試驗(yàn)裝置能夠進(jìn)行多種摩擦形式摩擦磨損試驗(yàn)，具有良好的可靠性，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用的目的。

目前，該試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)投入使用，用于測(cè)量自潤(rùn)滑關(guān)節(jié)軸承自潤(rùn)滑襯墊在各種工況下的摩擦學(xué)性能。該試驗(yàn)機(jī)加載過程中需要人工搬動(dòng)砝碼，操作不便，后續(xù)將嘗試采用自動(dòng)控制的加載方式，研制出更高效的試驗(yàn)機(jī)。