水壓馬達(dá)配流副仿生非光滑表面摩擦學(xué)性能

張宗熠, 劉竟成, 高殿榮, 孫亞楠, 邱婷婷

(1. 燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北省重型機(jī)械流體動力傳輸與控制重點(diǎn)實驗室, 河北 秦皇島 066004; 2. 天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 天津 300072)

隨著國家海洋資源戰(zhàn)略計劃的實施，海水液壓傳動技術(shù)因其不單具有傳統(tǒng)液壓傳動技術(shù)的一系列優(yōu)勢，并且擁有對海洋環(huán)境的優(yōu)良適應(yīng)性，逐漸成為近些年來液壓傳動技術(shù)發(fā)展的一個重要方向. 作為海水液壓傳動系統(tǒng)重要的執(zhí)行元件，低速大扭矩海水液壓馬達(dá)將液體壓力能轉(zhuǎn)化為連續(xù)回轉(zhuǎn)的機(jī)械能，在海洋作業(yè)、 深海探測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景. 但是，由于海水具有粘度低、 腐蝕性強(qiáng)、 存在成分復(fù)雜的污染物等一系列特點(diǎn)，使低速大扭矩海水液壓馬達(dá)的工作性能和使用壽命受到了嚴(yán)重影響[1]. 作為低速大扭矩海水液壓馬達(dá)的關(guān)鍵摩擦副之一，端面配流副的摩擦磨損和潤滑特性成為制約其發(fā)展的關(guān)鍵問題之一.

在選定海水液壓馬達(dá)的配流副材料之后，對配流副材料進(jìn)行改性設(shè)計和改形設(shè)計是進(jìn)一步提高其潤滑和抗磨減阻性能的主要方法. 其中，改性是通過合適的工藝方法對材料表面進(jìn)行強(qiáng)化，以提高其耐磨性和潤滑性能[2-5]. 改形是通過在摩擦副表面構(gòu)造微觀形貌結(jié)構(gòu)來改善其潤滑狀態(tài)，減少摩擦阻力，提高其耐磨性能[6-9]. 仿生非光滑表面就是一種提高摩擦副潤滑性和耐磨性改形方式[10-12]. 所謂仿生非光滑表面，是指大自然中的一些生物體表和其生存空間構(gòu)成了典型的摩擦副，有些生物為了適應(yīng)自然環(huán)境更好地生存，在長期的生物進(jìn)化過程中體表進(jìn)化出具有明顯幾何特征的非光滑結(jié)構(gòu)，以達(dá)到抗磨、 減阻和脫附等效果.

國內(nèi)外學(xué)者在通過改變表面形貌結(jié)構(gòu)來提高材料摩擦學(xué)性能方面做了大量研究. Pratap等[13]利用機(jī)械加工獲得的表面微紋理改善了Ti-6Al-4V鈦合金的潤濕性和生物摩擦學(xué)性能. Waldemar等[14]為減少高性能內(nèi)燃機(jī)摩擦損失，利用塑性變形在氣缸孔表面設(shè)計了微結(jié)構(gòu)紋理，通過試驗分析比較發(fā)動機(jī)最大功率和最大扭矩輸. 結(jié)果表明，汽缸表面紋理改善了內(nèi)燃機(jī)的功能特性，最大功率增加了5.8%. Chen等[15]通過試驗研究了表面織構(gòu)溝槽的幾何分布對不銹鋼摩擦學(xué)性影響. Wang 等[16]通過在摩擦副表面加工不同形狀的凹坑形表面，利用模擬計算推力軸承在全膜潤滑條件下的液膜表面承載力的情況. 研究發(fā)現(xiàn)：具有適宜的形狀和面積占有率的非光滑表面相對于光滑表面，承載能力增加2倍以上. Ramesh等[17]采用微鑄造技術(shù)在不銹鋼表面加工出微凹坑，在銷-盤式試驗機(jī)上對非光滑表面摩擦副的摩擦磨損特性進(jìn)行測試，得到在浸沒工況下，非光滑表面不銹鋼的摩擦力較光滑表面降低了20%的結(jié)果.

針對低速大扭矩海水液壓馬達(dá)配流副的剩余壓緊力條件和海水潤滑條件，選取431不銹鋼和碳纖維增強(qiáng)PEEK作為摩擦副配對材料，在保持凹坑面積占有率相同的情況下，設(shè)計和制造不同截面和不同直徑的仿生非光滑表面凹坑試件. 用MMD-5A屏顯式高溫材料端面磨損試驗機(jī)模擬摩擦副試樣在海水中的相對轉(zhuǎn)動過程，并用奧林巴斯激光公焦顯微鏡對摩擦副表面進(jìn)行三維形貌觀測，研究不同直徑的凹坑型仿生非光滑表面在海水潤滑的條件下的摩擦磨損性能.

1 試驗材料及方法

1.1 試樣選材及設(shè)計

低速大扭矩海水馬達(dá)的結(jié)構(gòu)及試驗試樣對應(yīng)關(guān)系如圖1所示.

圖1 馬達(dá)配流副結(jié)構(gòu)及試樣示意圖Fig.1 Schematic diagram of friction pair structure and experiment specimens

低速大扭矩海水馬達(dá)轉(zhuǎn)子和配流盤的材料分別選用431不銹鋼和碳纖維增強(qiáng)PEEK，摩擦磨損試驗所使用的試件也采用相同的材料進(jìn)行加工. 為模擬剩余壓緊力型配流副的結(jié)構(gòu)，將海水馬達(dá)轉(zhuǎn)子和配流盤簡化成環(huán)盤狀上下試件，配流盤表面的仿生凹坑相應(yīng)的設(shè)計在下試樣上表面. 在上試件上加工出兩組大小不同的各10個盲孔，來模擬轉(zhuǎn)子端面上柱塞腔進(jìn)出水口和壓力平衡孔結(jié)構(gòu). 在下試件上加工出12個通孔，模擬配流盤上的6個進(jìn)水口和6個出水口結(jié)構(gòu).

選取圓柱坑、 半球坑和圓錐坑三種不同類型的凹坑加工在下試樣上，不同類型的凹坑剖面如圖2所示.

圖2 三種類型凹坑示意圖(單位：mm)Fig.2 Schematic diagram of three types of pits(unit: mm)

控制單個凹坑的坑口直徑和深度，圓柱形凹坑和圓錐形凹坑深度均為1 mm，半球形凹坑深度為坑口半徑. 考慮了凹坑開口面積和凹坑分布情況，三種不同截面凹坑的坑口直徑φ分別取0.8、 1.0、 1.3和1.7 mm，通過控制凹坑數(shù)量來保證每個試件上凹坑開口面積的總和約為100π mm2.

1.2 試驗方法

摩擦磨損試驗前，先對所有試樣進(jìn)行清洗、 稱量、 表面觀測，其過程及設(shè)備如圖3所示.

圖3 摩擦磨損試驗流程及設(shè)備Fig.3 Schematic diagram of friction and wear test flow and equipment

為模擬配流副的相對轉(zhuǎn)動，利用MMD-5A多功能摩擦磨損試驗機(jī)對各組試樣進(jìn)行環(huán)-盤轉(zhuǎn)動摩擦試驗. 摩擦副的上試樣用夾具安裝在上轉(zhuǎn)動軸上，下試樣通過銷孔固定在升降底座上的有機(jī)玻璃水盒中，上試樣夾具能自動調(diào)整，在試驗過程中由于軸向壓力作用能保證摩擦副對偶面接觸良好. 潤滑液由某海域天然海水沉淀過濾而得，注入有機(jī)玻璃水盒內(nèi)，保證試驗過程中摩擦副表面一直處于海水潤滑狀態(tài). 試驗過程中，轉(zhuǎn)動軸帶動上試樣旋轉(zhuǎn)，升降底座進(jìn)行軸向加載，加載力設(shè)置為400 N. 傳感器進(jìn)行試驗參數(shù)實時采集，計算機(jī)記錄和處理試驗數(shù)據(jù).

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 摩擦系數(shù)分析

保持試驗時間t=120 min，轉(zhuǎn)速N=100 r ·min-1不變，得到摩擦副表面在海水潤滑條件下摩擦因數(shù)隨時間變化曲線如圖4所示.

從圖4可見，未加工凹坑的試驗組摩擦系數(shù)曲線出現(xiàn)了兩個明顯的“凸峰”和“低谷”，峰頂出現(xiàn)的時間分別為1.0和5.8 ks，谷底出現(xiàn)的時間分別為0.5和1.8 ks. 試驗開始后，未加工凹坑的試驗組摩擦系數(shù)從0.045下降到第一個低谷0.037左右，摩擦系數(shù)下降速度先快后慢； 從第一個低谷到第一個頂峰之間摩擦系數(shù)以較為均勻的變化速度上升到0.040，并向第二個低谷發(fā)展，下降到0.037左右. 在之后的4 ks內(nèi)，摩擦系數(shù)呈波浪狀逐漸上升到第二個頂峰，摩擦系數(shù)上升到0.049，并再次開始下降.

通過對比可知，各組非光滑試件的摩擦系數(shù)都在初期以較快速度下降. 這是由于試驗初期磨合過程中，上下試件的表面粗糙峰經(jīng)過相互碰撞、 彈塑性變形、 材料轉(zhuǎn)移等過程，在較短的時間達(dá)到了一個平衡狀態(tài). 磨合過程結(jié)束之后，摩擦系數(shù)的變化劇烈程度變小. 從圖4(a)可以看出，設(shè)計了圓柱形凹坑的試驗組中，最先達(dá)到平衡狀態(tài)的是直徑為1.0 mm的凹坑，僅用了約200 s摩擦系數(shù)就保持基本不變，而直徑為1.7 mm的凹坑進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)的時間相對較長. 四種不同尺寸的凹坑都能明顯降低摩擦系統(tǒng)的摩擦系數(shù)，起到減阻和穩(wěn)定摩擦的效果. 通過對比圖4(b)各條曲線可以看出，直徑為1.0和1.7 mm的圓錐形凹坑在這種設(shè)計規(guī)律下有更好的摩擦穩(wěn)定性，將其引入摩擦系統(tǒng)中能較快地到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，并且開口直徑為1.0 mm的試驗組能獲得最低的摩擦系數(shù)，穩(wěn)定后的減阻效果最好. 從圖中可以看出直徑為0.8 mm的凹坑試樣摩擦系數(shù)在5 ks后有上升趨勢，這是由于直徑較小的圓錐形凹坑儲存磨屑的能力較差，隨著摩擦副間存在的磨屑數(shù)量逐漸增多，摩擦副之間開始發(fā)生磨粒磨損，當(dāng)界面間的粘合強(qiáng)度大于碳纖維增強(qiáng)PEEK分子間的粘合強(qiáng)度時，碳纖維增強(qiáng)PEEK材料轉(zhuǎn)移到431材料表面，發(fā)生粘著磨損，兩種磨損方式增大了摩擦作用力，因此摩擦系數(shù)呈現(xiàn)出上升的趨勢. 通過對比4(c)各條曲線可以看出，半球形凹坑的引入能在剩余壓緊力配流副摩擦系統(tǒng)中起到降低摩擦系數(shù)、 加快系統(tǒng)達(dá)到平衡狀態(tài)、 維持系統(tǒng)平衡的作用. 其中，凹坑開口直徑為1.3 mm設(shè)計方案相對其他三種設(shè)計方案效果更優(yōu). 綜合各圖的數(shù)據(jù)得出結(jié)論，開口直徑為1.0 mm的圓錐凹坑比開口直徑為1.3 mm的半球形凹坑平均摩擦系數(shù)更小.

圖4 各類型凹坑摩擦系數(shù)隨時間變化圖Fig.4 Curves of friction coefficient with time for each type of specimens

2.2 試驗試件微觀表面分析

2.2.1摩擦磨損試驗前試件表面

上試件摩擦磨損試驗前形貌和下試件未加工凹坑處的摩擦磨損試驗前形貌如圖5所示. 其中上試件431不銹鋼表面加工的相對平整，整體具有明顯的金屬光澤，并且分布了細(xì)小的相互交錯的無規(guī)則黑色溝痕，這些溝痕是在機(jī)加工時刀具進(jìn)退刀時留下的. 下試件表面有明顯規(guī)則的加工刀痕，形成一道道有規(guī)律的互相平行的“溝”和“垅”.

圖5 摩擦磨損試驗前試樣表面微觀形貌圖Fig.5 Microscopic topography of the specimens before friction and wear test

2.2.2摩擦磨損試驗后試件表面

分別將各試驗組上下試件裝卡在磨擦磨損試驗機(jī)上，通過與下試件相連接的液壓驅(qū)動軸施加400 N的壓力，上試件與伺服電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)的軸相連接，轉(zhuǎn)速均設(shè)為100 r·min-1, 試驗時間為7.2 ks. 由于潤滑介質(zhì)是海水，摩擦磨損試驗后的試件直接進(jìn)行干燥其表面會附著海水析出的雜質(zhì)，影響對表面現(xiàn)象的觀察. 因此，需要進(jìn)行清洗、 干燥后再進(jìn)行顯微觀測. 對摩擦后上試件和無凹坑下試件的表面進(jìn)行顯微觀測，其表面典型特征如圖6和圖7所示.

圖6 摩擦磨損試驗后上表面典型特征Fig.6 Typical features of the upper specimen surface after experiment

圖7 摩擦磨損試驗后下表面典型特征Fig.7 Typical features of the bottom specimen surface after experiment

在試驗中，由于壓緊力的作用，兩個摩擦面間的“粗糙峰”必然會產(chǎn)生變形、 斷裂、 脫落、 黏附等現(xiàn)象. 圖6中摩擦表面上大部分區(qū)域都被黏附上了暗黑色的物質(zhì)，這是下式樣的基體材料PEEK在摩擦過程中轉(zhuǎn)移粘著在了431材料上，并且黏附著色帶有明顯的區(qū)域分布和方向性，形成了不等寬的弧形條帶狀區(qū)域. 這些帶狀的分布和上下試件的圓周相對應(yīng)，正是上試件繞中心軸相對下試件轉(zhuǎn)動過程中，周期性的磨損形成的.

從圖7可見，試驗前存在的加工刀痕已經(jīng)被磨去，表面的大部分區(qū)域表現(xiàn)比較平整. 但是在平面局部區(qū)域出現(xiàn)了很深的條狀“犁溝”，這些犁溝是按照試件旋轉(zhuǎn)的方向有規(guī)律發(fā)展的. 這一現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是上試件摩擦表面和與之對應(yīng)的位置存在一個較高的粗糙峰，由于上試件材料431不銹鋼的硬度很大，這個粗糙峰就類似于一個“犁”在旋轉(zhuǎn)過程中反復(fù)的對下式樣表面劃動，形成了清晰、 明顯、 有規(guī)則的犁溝. 除了規(guī)則的痕跡，下試件表面還存在局部無規(guī)則的劃痕，劃痕的分布帶相對較寬. 這是因為在試驗過程中，這一區(qū)域有硬度較大的污染物進(jìn)入，一般污染物為固體小顆粒，這些小顆粒被硬度很大的431上試件壓在相對較軟的下試件表面的局部區(qū)域內(nèi)反復(fù)運(yùn)動，形成了這些痕跡.

取開口直徑為1.0 mm的半球坑表面試驗組的上試件微觀表面做進(jìn)一步分析. 沿著直徑方向等距離選擇6個觀測點(diǎn)進(jìn)行觀察分析，選取的觀測點(diǎn)的微觀形貌如圖8所示.

圖8 圓柱形凹坑試件一組觀測點(diǎn)微觀形貌Fig.8 Microscopic topography of a set of observation points of cylindrical pit specimens

A觀測點(diǎn)處雖然沒有明顯的有規(guī)律加工刀痕，但是表面有明顯的不規(guī)則劃痕分布. 產(chǎn)生劃痕的可能原因有幾種，一種是這一點(diǎn)距離試件旋轉(zhuǎn)中心最近，由于旋轉(zhuǎn)半徑相對較小，整個試驗過程中這一點(diǎn)的摩擦行程比較短，還沒有完全磨合完成，需要更長的時間才能達(dá)到更光滑的狀態(tài). 另一種可能是由于上下試件在相對運(yùn)動過程中平面間的受力不平衡，遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)中心的區(qū)域分布的凹坑產(chǎn)生的動壓大，接近旋轉(zhuǎn)中心的凹坑產(chǎn)生的動壓小，上下試件間的總載荷呈現(xiàn)由試驗試件半徑向外減小的分布，A觀測點(diǎn)處所受的壓力最大，因此磨損比較嚴(yán)重. 還有一種可能是這一區(qū)域發(fā)生了磨粒磨損. 與A觀測點(diǎn)相比，其他5個觀測點(diǎn)的表面幾乎沒有明顯的劃痕.B觀測點(diǎn)圖中有較多的“暗斑”分布，這些區(qū)域為平面上較低處. 和其他4個觀測點(diǎn)相比，B觀測點(diǎn)的暗斑分布較多，斑塊面積較大，表面要相對粗糙一些.C觀測點(diǎn)和D觀測點(diǎn)的表面情況基本相似，也有一部分的暗斑分布，但是暗斑較小而且數(shù)量也相對較少.E觀測點(diǎn)和F觀測點(diǎn)的表面出現(xiàn)了一些明顯的“亮斑”，F(xiàn)觀測點(diǎn)的亮斑更多，通過與資料對比分析可知，這些亮斑是下試件基體材料中添加的碳纖維由于摩擦磨損暴露在了表面.

2.3 試件表面粗糙度及磨損量分析

2.3.1粗糙度測試方法

激光共聚焦顯微鏡對粗糙度采用非接觸式的檢測方法，在共聚焦掃描過程中可以檢測到高低不同的位置，通過軟件合成則可得到被觀察物的表面粗糙狀態(tài)，繼而通過軟件計算得到粗糙度值. 粗糙度具有多種表征方式，本研究采用輪廓算術(shù)平均偏差Ra表示粗糙度.Ra值是通過計算取樣長度內(nèi)輪廓偏距絕對值的算術(shù)平均值得到. 在測量中，取樣的長度越長，統(tǒng)計出來的數(shù)值就越有代表性. 因此，在每一個觀測點(diǎn)處劃分出互相垂直的16條取樣線，其分布情況如圖9所示，將取樣線上的粗糙度統(tǒng)計值求取平均值作為該觀測點(diǎn)的粗糙度.

圖9 觀測點(diǎn)粗糙度采樣截面示意圖Fig.9 Schematic diagram of roughness sampling point

2.3.2摩擦表面不同觀測點(diǎn)粗糙度分析

將各試驗組中每個下試件的四組觀測點(diǎn)中對應(yīng)半徑相同的觀測點(diǎn)粗糙度進(jìn)行平均, 得到A到F6個平均值，并與試驗前對應(yīng)的表面粗糙度統(tǒng)計值做對比分析. 將凹坑開口直徑不同但凹坑截面形狀相同的試驗組數(shù)據(jù)統(tǒng)計在一起. 各試驗組平均粗糙度值分布統(tǒng)計如圖10所示.

從圖10可見，摩擦磨損試驗前試件表面的粗糙度相對較高，試驗后各試驗組表面的粗糙度基本都出現(xiàn)了下降趨勢. 試驗前各觀測點(diǎn)的粗糙度分布相對均勻，這是由于機(jī)加工過程中，保證下試件上表面整體的粗糙度. 經(jīng)過一段時間的摩擦磨損后，由于上試件對下試件的磨合作用，下試件未加工凹坑處的粗糙度整體降低，試件表面更加光滑，這和各觀測點(diǎn)的顯微圖像的表現(xiàn)是一樣的. 摩擦磨損試驗后，各組試件上不同位置的粗糙度的差值變大，其中比較明顯的有凹坑開口直徑為1.0 mm的圓錐形試驗組A位置統(tǒng)計值和F位置統(tǒng)計值，粗糙度相差約為10. 從粗糙度的分布情況也可以判斷出有不同的磨損機(jī)理作用在摩擦系統(tǒng)中. 凹坑截面形狀為半球形的試驗組的下試件各點(diǎn)的粗糙度分布規(guī)律性相對明顯，沿試件半徑向外的方向粗糙度出現(xiàn)總體下降的趨勢.

圖10 各試驗組下試件表面粗糙度分布Fig.10 Surface roughness of each specimens

2.3.3平均磨損量分析

為分析各試驗組上下試件試驗過程中的物質(zhì)轉(zhuǎn)移規(guī)律，用高精度電子天平對試件進(jìn)行多次稱量統(tǒng)計. 通過稱量發(fā)現(xiàn)上試件的質(zhì)量在試驗前后變化很小，而下試件的質(zhì)量變化較明顯，這是由配副材料的性質(zhì)決定的，上試件材料431不銹鋼因為其硬度相較下試件兩種材料碳纖維和PEEK大很多，在這一摩擦系統(tǒng)中基本沒有出現(xiàn)磨損. 將同一試驗組試件試驗前后的質(zhì)量統(tǒng)計值做一個差值繪制柱狀統(tǒng)計圖，如圖11所示.

圖11 各對偶副下試件磨損量Fig.11 Wear weight of each specimen

從圖11可見，各組設(shè)計了仿生凹坑的試驗組的下試件磨損量都比光滑表面試驗組的磨損量要小. 其中圓柱形凹坑的磨損量變化比較有規(guī)律，隨著單個凹坑開口半徑的增大，其磨損量出現(xiàn)遞減的趨勢，當(dāng)單個凹坑開口直徑增大到1.7 mm時，磨損量幾乎減小到光滑表面磨損量的一半. 圓錐形凹坑不同開口直徑試驗組下試件的平均磨損量較低，這一工況下的抗磨效果最佳，特別是按此設(shè)計規(guī)律設(shè)計的單個凹坑開口直徑為1.0 mm時，其磨損量是所有試驗組中最低的. 設(shè)計半球形凹坑的四組試驗中，隨著凹坑開口直徑的增大，下試件平均磨損量出現(xiàn)了遞增的趨勢，當(dāng)單個凹坑的開口直徑達(dá)到1.7 mm時，下試件磨損量接近了光滑表面.

3 結(jié)語

1) 造成摩擦副磨損的機(jī)理主要有磨粒磨損、 粘著磨損以及溝犁磨損. 摩擦副間設(shè)計的凹坑型非光滑表面起到了降低摩擦系數(shù)、 加快摩擦系統(tǒng)平衡和減少磨損量的作用.

2) 仿生非光滑表面具有降低摩擦副摩擦系數(shù)的作用. 其中，開口直徑為1.0 mm的圓錐形凹坑仿生非光滑表面更有利于存儲磨屑，能起到更好地降低摩擦系數(shù)的效果.

3) 仿生非光滑表面具有降低摩擦副磨損的作用. 其中，仿生非光滑表面開口直徑為1.0 mm的圓錐形凹坑能起到更好的減少磨損的作用.