不同載荷下的粉末潤(rùn)滑機(jī)理及理論分析

孔俊超，徐 兵，吳海兵，錢(qián)森森，朱宗強(qiáng)

（巢湖學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，合肥 238000）

0 引言

固體粉末潤(rùn)滑具有適用溫度范圍廣、易冷卻、無(wú)油、低摩擦系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)嚴(yán)酷而特殊工況的潤(rùn)滑，因而在航空、航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[1-2]。目前很多學(xué)者開(kāi)始對(duì)粉末潤(rùn)滑相關(guān)課題進(jìn)行研究[3-5]，而微凸體分布的隨機(jī)性、粉末顆粒結(jié)構(gòu)的非均勻性、運(yùn)動(dòng)的時(shí)變性等使得分析粉末潤(rùn)滑的力學(xué)特性較為困難[6-7]。

目前已有學(xué)者開(kāi)展粉末潤(rùn)滑界面的載荷和表面形貌對(duì)粉末潤(rùn)滑界面的力學(xué)性能分析[8-9]，這些研究大多為試驗(yàn)研究，較少分析載荷對(duì)粉末潤(rùn)滑力學(xué)性能的影響。而粉末潤(rùn)滑界面的實(shí)際載荷不同，其力學(xué)特性必定不同，因此有必要對(duì)不同載荷下的摩擦界面模擬，分析不同載荷下界面的壓力和摩擦力分布。

本文首先分析不同載荷時(shí)粉末層破壞過(guò)程的四個(gè)階段；再采用真實(shí)接觸面積比定量表征粉末層的破壞情況；最后建模分析不同載荷下的界面力學(xué)特性，即承載和摩擦力分布，分析載荷對(duì)粉末層的局部破壞、局部破壞擴(kuò)散現(xiàn)象的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

圖1為粉末潤(rùn)滑試驗(yàn)機(jī)的示意圖。上試件（銅合金H62方片）尺寸為40 mm×40 mm×1 mm，目數(shù)為400砂紙打磨得到的上試樣平均粗糙度由HTSURF1000型輪廓儀測(cè)得為1.038 μm。圖2（a）為HT-SURF1000型輪廓儀。下試件（7105磨砂有機(jī)玻璃），其尺寸為30 mm×5 mm×1 mm。下試件作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，行程為1 m。平均粒徑35 μm的松散石墨粉末均勻分布在上、下試件的接觸界面。通過(guò)增減加載桿上的砝碼可調(diào)整載荷大小。

圖1 粉末潤(rùn)滑試驗(yàn)機(jī)的示意圖

如圖2（b），通過(guò)配有CCD數(shù)碼相機(jī)的倒置光學(xué)顯微鏡，利用Image Measure軟件采集并儲(chǔ)存接觸界面的粉末層分布圖像，分析接觸表面的摩擦磨損情況。

1.2 試驗(yàn)結(jié)論

對(duì)滑移速率為0.5m/s，粉末量為5 g的粉末潤(rùn)滑界面的粉末層破壞過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)研究。試驗(yàn)過(guò)程的恒定載荷分別為5N、20N，粉末層破壞過(guò)程如圖3（a）、（b）。不論載荷大小，粉末層的破壞階段一致，包括粉末完整期、局部破壞、局部破壞擴(kuò)散、完全破壞四個(gè)階段[7]。如圖3（a），載荷較?。?N）時(shí)，粉末層的局部破壞較慢，而粉末層的局部擴(kuò)散較快；而如圖3（b），載荷較大（20N）時(shí)，粉末層破壞較慢，而粉末層的局部擴(kuò)散較慢。

圖2 粉末潤(rùn)滑觀察和測(cè)量的試驗(yàn)設(shè)備

圖3 粉末潤(rùn)滑層破壞過(guò)程

1.3 真實(shí)接觸面積比

真實(shí)接觸面積比是上、下試件接觸界面的實(shí)際接觸面積與名義接觸面積比值[10]。采用粉末層的覆蓋面積與名義接觸面積比值來(lái)表示真實(shí)接觸面積比，可定量分析試件的磨損情況[7,11]。

粉末層的真實(shí)接觸面積比求解過(guò)程為：首先利用MATLAB對(duì)采集的粉末層分布圖像，如圖3（a）、（b），進(jìn)行灰度處理、二值化處理；再利用閾值分割迭代法[12]計(jì)算二值化圖像的真實(shí)接觸面積比，如圖4。

圖4 真實(shí)接觸面積比變化曲線

如圖4所示，載荷較?。?N）時(shí)，起始階段（0-20s），真實(shí)面積比較大，為85%，易形成粉末潤(rùn)滑層，潤(rùn)滑效果較好；20s之后，試件的真實(shí)接觸面積比迅速下降，為60%，粉末潤(rùn)滑層破壞，潤(rùn)滑效果較差。而載荷較大（20N）時(shí)，起始階段（0-20s），真實(shí)面積比較大，為85%，易形成粉末潤(rùn)滑層，潤(rùn)滑效果較好；20s之后，試件的真實(shí)接觸面積比迅速下降，為45%，粉末潤(rùn)滑層破壞，潤(rùn)滑效果較差。說(shuō)明試件表面載荷或大或小粉末潤(rùn)滑層都能形成，潤(rùn)滑效果越好，而載荷大小對(duì)粉末潤(rùn)滑層的破壞有重要影響，載荷大，粉末潤(rùn)滑層真實(shí)接觸面積比迅速下降，即粉末潤(rùn)滑迅速破壞，磨損越嚴(yán)重。

2 理論分析

圖5為不同載荷下的試件接觸界面壓力和摩擦力分布圖。載荷較小時(shí)，如圖5（a），粉末層的承載能力小，承載峰值較少，承載不均勻，容易發(fā)生載荷集中，粉末層局部破壞嚴(yán)重；對(duì)應(yīng)圖3的起始階段（0-20s），載荷較大時(shí)，局部破壞階段較嚴(yán)重。如圖5（b），粉末層的剪切力小，出現(xiàn)粉末層局部破壞后，由于上下試件之間發(fā)生相對(duì)滑移且剪切力較小粉末層破壞緩慢，因此試件表面粉末層破壞不嚴(yán)重，試件不容易磨損；對(duì)應(yīng)圖3的局部破壞擴(kuò)散階段（20s以后），載荷較大時(shí)，局部破壞擴(kuò)散階段嚴(yán)重。

載荷較大時(shí)，如圖5（c），粉末層的承載能力大，承載峰值較多，承載均勻，不容易發(fā)生載荷集中，粉末層局部破壞并不嚴(yán)重；對(duì)應(yīng)圖3的起始階段（0-20s），載荷較大時(shí)，局部破壞階段并不嚴(yán)重。如圖5（d），粉末層的剪切力大，出現(xiàn)粉末層局部破壞后，由于上下試件之間發(fā)生相對(duì)滑移且剪切力較大粉末層破壞迅速，因此試件表面粉末層破壞嚴(yán)重，試件容易磨損。局部破壞擴(kuò)散階段，明顯粉末層破壞嚴(yán)重；對(duì)應(yīng)圖3的局部破壞擴(kuò)散階段（20s以后），載荷較大時(shí)，局部破壞擴(kuò)散階段嚴(yán)重。

圖5 不同載荷的力學(xué)分布圖

3 結(jié)論

根據(jù)對(duì)不同載荷下的粉末潤(rùn)滑過(guò)程的試驗(yàn)探究及理論分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1）不同載荷下，粉末層的破壞形式基本一致，包括完整、局部破壞、局部破壞擴(kuò)散、完全破壞四個(gè)階段。載荷較少，粉末層局部破壞迅速，而局部破壞擴(kuò)散階段較慢；載荷較大，粉末層局部破壞較慢，而局部破壞擴(kuò)散較迅速。

2）真實(shí)接觸面積比定量表征粉末層的破壞過(guò)程，載荷較大，局部破壞擴(kuò)散階段真實(shí)面積比較小，粉末潤(rùn)滑層易破壞，潤(rùn)滑效果較差；而載荷較小，試件粉末層不易形成，但不易破壞。

3）建模分析不同載荷下的承載和摩擦力分布，載荷較小則承載較小且承載峰值較少，承載不均勻，容易發(fā)生載荷集中，粉末層局部破壞嚴(yán)重，真實(shí)接觸面積比迅速下降。載荷較大，承載較大且承載峰值較多，承載均勻，粉末層破壞不嚴(yán)重，潤(rùn)滑效果好。而載荷較大則剪切力較大，粉末層局部破壞后，上下試件之間發(fā)生相對(duì)滑移且剪切力較大粉末層迅速破壞，粉末層局部破壞擴(kuò)散較快，真實(shí)接觸面積比迅速下降。