高轉(zhuǎn)速條件下軸向柱塞泵配流副摩擦磨損特性

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(1. 太原理工大學(xué)新型傳感器與智能控制教育部重點實驗室， 山西太原 030024； 2. 太原理工大學(xué)教育部新材料界面科學(xué)與工程重點實驗室， 山西太原 030024; 3. 太原理工大學(xué)機械與運載工程學(xué)院， 山西太原 030024)

引言

軸向柱塞泵具有工作壓力高、效率高、壽命長以及易于變量控制等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工程機械、船舶和航空航天等領(lǐng)域。軸向柱塞泵配流副不僅要同時滿足支撐、密封和配流多重功能，同時還需具備摩擦系數(shù)小、 磨損率低等特點， 以提高整泵的工作效率和使用壽命。

國內(nèi)外研究人員對軸向柱塞泵配流副摩擦磨損特性開展了大量研究[1]。趙存然等[2]采用 MMU-10端面摩擦磨損試驗機研究了某航空軸向柱塞泵配流副(材料為PEEK-38CrMoAlA)在3#航空煤油介質(zhì)中的摩擦磨損特性。ZHU等[3]研究了低速工況下表面形貌對配流副摩擦磨損特性的影響規(guī)律，結(jié)果表明表面光滑的硬材料可以防止軟材料附著，顯著提升摩擦副的摩擦磨損性能。

韓國航空航天大學(xué)科研團隊在基體材料為AISI 4340的配流盤表面添加PVD TiN[4], duplex TiN[5]，CrSiN[6]和 Cr-X-N (X=Si,Zr)[7]涂層，并利用摩擦磨損試驗機測試其摩擦特性，實驗結(jié)果表明在低速條件下配流副摩擦特性得到改善。周杰等[8]就海水徑向柱塞泵陶瓷摩擦副的摩擦學(xué)性能開展研究，得出ZrO2與17-4PH配對適合作為海水環(huán)境中接觸摩擦副配對材料。

李陽等[9]利用自行研制的配流副摩擦磨損試驗機在150～750 r/min 轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)研究了織構(gòu)化配流副的摩擦磨損特性，研究結(jié)果表明：設(shè)計合理的表面織構(gòu)能有效減小摩擦系數(shù)和磨損量。鄧海順等[10]研究了低壓區(qū)織構(gòu)化配流副的摩擦特性，發(fā)現(xiàn)低壓區(qū)表面織構(gòu)能降低配流副摩擦系數(shù)，最大減摩率可達29.1%。WU等[11-12]在海水潤滑條件下研究了仿生非光滑表面對高壓海水柱塞泵中玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料和316 L不銹鋼組成的摩擦副的摩擦磨損特性，研究結(jié)果表明：仿生非光滑表面類似于表面織構(gòu)可以提高摩擦副的潤滑效果，其中半球形凹坑效果最佳，可以使摩擦系數(shù)降低63.18%(1000 r/min)或43.29% (1200 r/min)，同時磨損狀況也有改善。

由上述研究文獻可得出當(dāng)前對柱塞泵配流副摩擦磨損特性的研究成果大多是基于中低轉(zhuǎn)速工況(≤1500 r/min)下得出，而目前的柱塞泵產(chǎn)品額定轉(zhuǎn)速都在1500 r/min以上，部分產(chǎn)品甚至高達3000 r/min。高轉(zhuǎn)速會使得配流副表面摩擦發(fā)熱增加，溫度升高從而加快配流副的磨損。因此有必要就配流副在高轉(zhuǎn)速工況下的摩擦磨損特性進行進一步研究。

基于以上原因，針對目前配流盤/缸體摩擦副在高轉(zhuǎn)速工況下摩擦磨損特性進行實驗研究，并分析在高轉(zhuǎn)速工況下配流副的磨損機理。實驗選用配流副常用銅材之一的CuPb15Sn5作為研究對象模擬缸體；選用38CrMoAl模擬配流盤。通過摩擦磨損試驗機模擬柱塞泵配流副工況，摩擦副采用盤-環(huán)接觸，模擬配流副密封帶接觸形式。利用測得的摩擦系數(shù)、磨損量、表面形貌等數(shù)據(jù)結(jié)合試樣表面物相和微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果，分析在高轉(zhuǎn)速工況下配流副表面磨損機理。

1 實驗部分

1.1 實驗設(shè)備

本次實驗采用MMU-10H微機控制摩擦磨損試驗機測試配流副在高轉(zhuǎn)速條件下摩擦磨損特性，試驗機原理如圖1所示。上試樣安裝在主軸上，主軸由伺服電機驅(qū)動模擬柱塞泵缸體旋轉(zhuǎn)運動，主軸轉(zhuǎn)速范圍0～2000 r/min。下試樣固定于油盒底部模擬配流盤，摩擦副負(fù)載力由液壓油缸加載，最大加載力10000 N。潤滑介質(zhì)為L-HM46抗磨液壓油，油盒內(nèi)潤滑介質(zhì)由潤滑油泵通過管路供應(yīng)，流量可調(diào)，回油通過油管回到油箱。實驗時摩擦系數(shù)由力矩傳感器測量得到的數(shù)據(jù)間接計算獲得；試驗力、轉(zhuǎn)速的控制和實驗數(shù)據(jù)采集均由計算機控制，采樣頻率10 Hz。

圖1 試驗機原理圖

圖2 試樣示意圖

1.2 試樣加工

試樣示意圖如圖2所示，上試樣材料選用柱塞缸體表面常用材料之一的CuPb15Sn5，下試樣選用配流盤常用材料38CrMoAl，按照配流盤生產(chǎn)要求調(diào)制預(yù)處理后再進行滲氮(Quenching Tempering and Nitriding Treatment，QTN)，之后對表面進行研磨。實驗設(shè)置2組對照組，分別為38CrMoAl原材料未熱處理(Not Heat Treatment, NHT)試樣和滲氮處理(Nitriding Treatment, NT)試樣(未調(diào)質(zhì))，其余加工工藝與實驗組一致。試樣表面硬度統(tǒng)一為維氏硬度計在10 kg加載力下5次測量求得的平均值，各試樣硬度見表1。上試樣表面粗糙度為0.2 μm，下試樣表面粗糙度為0.4 μm，上下試樣原始形貌如圖3所示。

表1 試樣表面硬度

圖3 上下試樣表面形貌

1.3 實驗流程

所有實驗均在預(yù)定工況下，上試樣相對下試樣轉(zhuǎn)動27430 r，轉(zhuǎn)化為滑動距離2000 m(滑動距離根據(jù)實驗轉(zhuǎn)數(shù)和摩擦表面平均直徑計算)。實驗時通過潤滑泵供應(yīng)潤滑油，潤滑油選用國內(nèi)液壓系統(tǒng)廣泛使用的L-HM 46抗磨液壓油，潤滑油流量為1.5 mL/s。實驗配對方式如表2所示。由于溫度會對實驗結(jié)果尤其是磨損率產(chǎn)生較大影響，且實驗時摩擦副發(fā)熱會造成實驗系統(tǒng)溫度升高， 因此每次實驗結(jié)束以后對實驗系統(tǒng)進行充分冷卻后進行下一組實驗， 確保每次實驗初始溫度為(23±1) ℃。為保證實驗結(jié)果準(zhǔn)確可靠，每組實驗重復(fù)3次。所有試樣在實驗前后均用丙酮溶液超聲清洗10 min后再用酒精清洗，清洗后烘干稱重。稱重選用精度為0.0001 g的分析天平，每個試樣需要稱重5次并計算平均值。實驗后使用超景深顯微鏡(VHX-600)觀測試樣表面形貌。

表2 實驗分組方式

2 實驗結(jié)果分析

2.1 材料特性

使用XRD對下試樣表面物相進行檢測，檢測結(jié)果如圖4所示。對照2組下試樣檢測結(jié)果表明試樣表面存在少量氮化物，這是由于試樣在滲氮后試樣表面生成的氮化物在后續(xù)表面研磨時并沒有完全除去。除此之外其余2組下試樣的物相檢測結(jié)果一致，都沒有氮化物存在。

圖4 下試樣XRD衍射圖譜

圖5 下試樣截面金相圖

上述下試樣垂直表面切開，將截面打磨拋光后用4%硝酸酒精溶液腐蝕，使用金相顯微鏡觀察試樣表層截面金相組織，如圖5所示。對照1組和對照2組試樣沒有經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理，因此試樣表面金相組織一致，均為珠光體和鐵素體。實驗1組調(diào)質(zhì)處理使得金相組織轉(zhuǎn)變?yōu)榛鼗鹚魇象w，回火索氏體碳化物分散度更大，表面組織細(xì)化。

2.2 不同工況下摩擦特性對比

該實驗條件下的試樣配對方式同實驗1組；由于上、下試樣硬度差較大，磨損主要發(fā)生在上試樣，故對比磨損率時只計算上試樣磨損率?？紤]到柱塞泵的壽命通常按照工作時間計算，對應(yīng)于配流副滑動距離，因此磨損率采用單位滑動距離摩擦副的質(zhì)量損失計算，單位為mg/m。

首先研究實驗轉(zhuǎn)速對配流副摩擦磨損特性的影響，驗證實驗選取實驗壓力為設(shè)置3 MPa，實驗轉(zhuǎn)速分別為500 r/min和1800 r/min。如圖6和圖7所示分別為上述2種轉(zhuǎn)速工況下的上試樣表面形貌和上試樣磨損率，由此可以發(fā)現(xiàn)在實驗壓力一致時增加轉(zhuǎn)速會使摩擦副磨損率增加，且試樣表面會發(fā)生粘著磨損。因為較高的轉(zhuǎn)速使得摩擦表面溫度升高，摩擦副在高溫下更容易發(fā)生粘著磨損。因此高轉(zhuǎn)速工況下的摩擦副對材料的摩擦特性有更高的要求。

圖6 500 r/min和1800 r/min兩種轉(zhuǎn)速上試樣表面形貌

圖7 500 r/min和1800 r/min兩種轉(zhuǎn)速磨損率

當(dāng)轉(zhuǎn)速為1800 r/min時，改變加載壓力，可得到不同壓力條件下的磨損率，經(jīng)過擬合得到如圖8所示的磨損率曲線，從曲線可以看出磨損率隨壓力的增加是非線性的，在轉(zhuǎn)速較低時磨損率的增加并不明顯，當(dāng)壓力超過2.5 MPa后磨損率曲線斜率增加磨損加劇。

圖8 轉(zhuǎn)速為1800 r/min時不同實驗壓力條件下磨損率曲線

基于以上實驗結(jié)果，選擇2.5 MPa，1800 r/min為后續(xù)高轉(zhuǎn)速實驗基本實驗參數(shù)。

2.3 高轉(zhuǎn)速條件下摩擦磨損結(jié)果分析

1) 摩擦系數(shù)與磨損率

實驗?zāi)Σ料禂?shù)如圖9所示。從實驗?zāi)Σ料禂?shù)曲線可以得出在實驗開始階段，對照1組的摩擦系數(shù)在實驗初期從0.06逐漸增加至0.1，在實驗距離達到800 m時摩擦系數(shù)迅速增加至0.12，并出現(xiàn)大幅波動，最高值甚至達到0.15。對照2組和實驗1組摩擦系數(shù)均在0.07～0.08之間，與對照2組相比實驗1組更加穩(wěn)定，摩擦系數(shù)波動更小摩擦過程更加平穩(wěn)。

圖9 摩擦系數(shù)

圖10為各組實驗?zāi)p率，由該圖可以看出實驗?zāi)p率結(jié)果與摩擦系數(shù)結(jié)果一致，實驗1組上試樣磨損率最低且比2個對照組分別減小69%和57%。

圖10 實驗?zāi)p率對比

2) 磨損表面形貌分析

對試驗后所有試樣的表面形貌進行觀測，各試樣表面形貌差別很大。如圖11所示為實驗后試樣的表面形貌圖。對照1組上試樣表面已經(jīng)完全破壞，試樣表面粘著磨損嚴(yán)重，銅從試樣表面剝離留下的凹坑直徑超過198 μm，磨料磨損產(chǎn)生的表面犁溝寬度也超過70 μm，與之對應(yīng)的下試樣同樣出現(xiàn)了嚴(yán)重磨損，試樣表面粗糙峰消失，而且出現(xiàn)寬度大于100 μm的犁溝，犁溝內(nèi)有銅顆粒粘附在表面。對照2組表面磨損程度較輕，上試樣表面犁溝較淺，但仍然出現(xiàn)多處明顯的粘著磨損，除此之外上試樣表面出現(xiàn)塑性變形；下試樣表面局部粗糙峰徹底消失表面更加光滑，且有銅顆粒呈片狀積聚粘附在試樣表面，這些粘附在下試樣表面的銅在壓力作用下會和上試樣接觸，使上試樣表面發(fā)生粘著磨損或者擠壓其表面使之產(chǎn)生壓痕(塑性變形)。實驗1組的表面磨損程度最輕，上試樣表面發(fā)生輕微的粘著磨損且沒有出現(xiàn)犁溝和塑性變形，整個表面有很好的光潔度；下試樣表面與上試樣類似，表面更加光滑且沒有發(fā)現(xiàn)明顯的銅顆粒粘著。

圖11 試樣表面形貌

3 磨損機理分析

當(dāng)38CrMoAl不進行熱處理時，配對副的抗磨損性能最差，實驗初期磨損產(chǎn)生的銅屑會粘附在38CrMoAl表面并逐漸積累，摩擦副出現(xiàn)銅-銅接觸進而產(chǎn)生粘著磨損。粘著磨損使銅試樣表面粗糙度增加，由于摩擦副2表面硬度差較小，粗糙的銅試樣在38CrMoAl表面形成犁溝，加劇摩擦副的磨損。

在滲氮后，下試樣表面組織特性并沒有改變，只是材料硬度大幅提高，更加耐磨。對于38CrMoAl，銅在其表面積聚成片狀使之更容易與銅試樣發(fā)生粘著磨損或者擠壓銅試樣使之產(chǎn)生塑性變形，但由于38CrMoAl硬度極高，磨損破壞的銅試樣表面并不會在38CrMoAl表面產(chǎn)生犁溝。

實驗組調(diào)質(zhì)預(yù)處理再滲氮，下試樣表面組織細(xì)化，碳化物分布均勻，表面特性得到改善。由于下試樣表面特性的改善，磨粒磨損產(chǎn)生的銅屑只有極少部分會粘附在下試樣表面，并不會出現(xiàn)大量銅顆粒積聚的現(xiàn)象,在摩擦副工作時不會出現(xiàn)銅-銅接觸。因此銅試樣不會出現(xiàn)嚴(yán)重的粘著磨損也沒有出現(xiàn)塑性變形和犁溝，表面光潔度良好。

4 結(jié)論

(1) 轉(zhuǎn)速會影響配流副的摩擦磨損特性，高轉(zhuǎn)速工況下配流副更易發(fā)生粘著磨損；增加壓力也會加快配流副磨損，但壓力對配流副磨損率的影響是非線性的，當(dāng)壓力超過2.5 MPa配流副磨損率急劇增加；

(2) 高轉(zhuǎn)速條件下，38CrMoAl在經(jīng)過調(diào)質(zhì)和滲氮后與CuPb15Sn5組成的配流副具有優(yōu)良的摩擦磨損性能，使得配流副磨損率比38CrMoAl未經(jīng)熱處理和只滲氮處理分別降低69%和57%，有助于提高配流副的工作壽命；

(3) 調(diào)質(zhì)產(chǎn)生細(xì)化的表面組織可以大幅改善配流副的摩擦磨損特性。調(diào)質(zhì)后細(xì)化的表面組織可以減少高轉(zhuǎn)速工況下銅在38CrMoAl表面附著，避免了粘著磨損的發(fā)生。