彈性接觸摩擦副的載流摩擦行為*

孫高昂 楊正海 倪 鋒 張永振

(1.河南科技大學(xué)高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室 河南洛陽(yáng) 471000；2.河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 河南洛陽(yáng) 471000)

彈性滑動(dòng)接觸電連接器種類(lèi)繁多，常見(jiàn)器件包括電刷、接插件、微小滑動(dòng)開(kāi)關(guān)等，在電力、電子、自動(dòng)控制、大型武器裝備等領(lǐng)域大量使用[1]。例如，一架飛機(jī)中僅電連接器的使用量可達(dá)數(shù)千件[2]，其中，大部分為彈性接觸。單一器件良好性能是相關(guān)設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)，為提高相關(guān)設(shè)備的可靠性，需要對(duì)彈性滑動(dòng)接觸電連接器開(kāi)展相關(guān)研究。

載流摩擦副失效是彈性滑動(dòng)接觸電連接器的核心問(wèn)題[3-4]，研究載流摩擦副的動(dòng)態(tài)行為與失效機(jī)制將為抑制載流摩擦副的失效提供理論支撐。對(duì)載流摩擦行為的研究發(fā)現(xiàn)，滑動(dòng)載流摩擦是一個(gè)機(jī)械摩擦與電流相互耦合作用的行為[5]，并受到摩擦副材料[6]、滑動(dòng)速度[7]、電流[8-9]、接觸載荷[10-11]與環(huán)境條件[12-13]等因素的影響，其主要失效形式為材料磨損與導(dǎo)電性能下降。但此類(lèi)研究多是基于銷(xiāo)-盤(pán)式、環(huán)-塊式等剛性摩擦副或線(xiàn)-滑塊等柔性摩擦副進(jìn)行的，對(duì)于彈性載流摩擦副，由于涉及到摩擦副的彈性形變與振動(dòng)，其動(dòng)態(tài)行為與失效機(jī)制變得更加復(fù)雜，需要進(jìn)一步研究。目前對(duì)于彈性載流摩擦副的動(dòng)態(tài)行為研究已經(jīng)取得了一定成果，發(fā)現(xiàn)接觸力不足、瞬斷[14-15]是彈性載流摩擦副的主要失效形式，但對(duì)于其失效機(jī)制，目前研究還不全面。

絲板式摩擦副作為典型的彈性接觸載流摩擦副，其彈性接觸參數(shù)易通過(guò)絲試樣的形狀來(lái)控制。因此本文作者在自制載流摩擦試驗(yàn)機(jī)上，以絲板式滑動(dòng)載流摩擦副為研究對(duì)象，采用不同直徑的金屬絲，研究了彈性接觸摩擦副的載流摩擦行為。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

絲試樣與板試樣全部采用T2純銅制作，試驗(yàn)前采用1200#的砂紙將表面氧化層去除，然后采用無(wú)水乙醇清理表面。為了防止砂紙打磨痕跡對(duì)試樣表面形貌分析時(shí)的干擾，板試樣安裝時(shí)，保持砂紙磨痕方向與試樣運(yùn)動(dòng)方向相互垂直。

1.2 試驗(yàn)裝置及參數(shù)

試驗(yàn)在自制載流摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)原理如圖1所示。將直徑為d的絲試樣彎曲成直徑為D的半圓，固定在專(zhuān)用夾具上，半圓形絲試樣與板試樣構(gòu)成滑動(dòng)載流摩擦副。夾具連接著力傳感器，可以實(shí)時(shí)記錄摩擦副的受力情況。試驗(yàn)開(kāi)始后載荷通過(guò)絲試樣施加，為了模擬摩擦副的實(shí)際載荷變化情況，試驗(yàn)開(kāi)始前通過(guò)絲試樣下壓施加一定載荷，在試驗(yàn)過(guò)程中固定絲試樣與板試樣高度方向位置，往復(fù)滑動(dòng)由板試樣完成，由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)絲杠、導(dǎo)軌推動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)。電源采用恒流源，電流從電源流出，依次經(jīng)過(guò)絲試樣、板試樣，流回電源。該試驗(yàn)機(jī)可以采集電流、電壓、載荷和摩擦力的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，并通過(guò)采集卡記錄在計(jì)算機(jī)中，供試驗(yàn)結(jié)束后分析使用。

圖1 試驗(yàn)原理Fig 1 Experimental principle

試驗(yàn)參數(shù)及選用范圍：滑動(dòng)距離10 mm，滑動(dòng)速度10 mm/s，循環(huán)周期為1 000次；絲試樣圓環(huán)直徑D分別取10、15 mm，絲試樣直徑d分別取0.4、0.6、0.8、1.0、1.2 mm，板試樣長(zhǎng)40 mm、寬40 mm、厚2 mm。載荷與電流則是根據(jù)赫茲接觸理論計(jì)算，對(duì)應(yīng)初始平均赫茲接觸壓力為600 MPa，初始電流密度為0.78 mA/μm2。

2 結(jié)果與分析

2.1 摩擦因數(shù)

圖2所示為絲徑0.8 mm、環(huán)徑10 mm試樣與平板試樣配副，在往復(fù)行程10 mm、載荷1.23 N、電流1.605 A條件下的摩擦因數(shù)動(dòng)態(tài)變化曲線(xiàn)?？梢钥闯觯Σ烈驍?shù)在前200 s快速增加，在200 s后在1上下波動(dòng)，波動(dòng)幅度超過(guò)0.5，波動(dòng)較大。試驗(yàn)初期，表面氧化膜因?yàn)樗苄巫冃魏屠鐪献饔帽黄茐模Σ粮敝g形成二體接觸，表面黏著迅速增加，摩擦因數(shù)迅速增加。在大約200 s后，表面氧化膜被完全破壞，摩擦因數(shù)不再上升，因?yàn)轲ぶp，摩擦因數(shù)波動(dòng)較大。

圖2 絲徑0.8 mm、環(huán)徑10 mm絲試樣與平板試樣配副時(shí)的動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)Fig 2 Dynamic friction coefficient when wire sample ofdiameter of 0.8 mm and ring diameter of 10 mmmatched with the plate sample

圖3所示為平均摩擦因數(shù)隨絲徑的變化曲線(xiàn)。可以看出，隨著絲徑的增加，總體上平均摩擦因數(shù)保持在1左右，變化不大。環(huán)徑為10 mm，絲徑分別為0.4、0.6 mm時(shí)，平均摩擦因數(shù)較小，只有0.25左右，原因可能是載荷較小，試驗(yàn)過(guò)程中未能破碎接觸表面氧化膜，摩擦副之間黏著傾向小。

圖3 平均摩擦因數(shù)隨絲徑的變化Fig 3 Variation of average friction coefficient with wire diameter

2.2 接觸載荷

圖4所示為絲徑0.8 mm、環(huán)徑10 mm試樣與平板試樣配副，在往復(fù)行程10 mm、載荷1.23 N、電流1.605 A條件下接觸載荷的動(dòng)態(tài)變化曲線(xiàn)。

圖4 絲徑0.8 mm、環(huán)徑10 mm絲試樣與平板試樣配副時(shí)的動(dòng)態(tài)接觸載荷Fig 4 Dynamic contact load when wire sample of diameter of0.8 mm and ring diameter of 10 mm matchedwith the plate sample

由圖4可以看出，接觸載荷呈現(xiàn)“L”形下降趨勢(shì)，前200 s接觸載荷快速下降。從100～150 s的動(dòng)態(tài)接觸載荷細(xì)節(jié)圖可知，最大接觸載荷為設(shè)定載荷的1.2倍，最小僅為0.2倍，接觸載荷波動(dòng)較大，且存在周期性。通常磨損和應(yīng)力松弛可能導(dǎo)致彈性接觸摩擦副載荷下降，而應(yīng)力松弛是高溫條件下或長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)力釋放的結(jié)果，因此認(rèn)為圖4中接觸載荷下降是摩擦副高度方向磨損令摩擦副彈性變形量減小導(dǎo)致的。隨著磨損的進(jìn)行，磨斑面積增加，磨損速度下降，試樣高度方向磨損呈現(xiàn)“Г”形增長(zhǎng)趨勢(shì)，接觸載荷與試樣高度方向磨損存在高度負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此接觸載荷呈現(xiàn)“L”形下降趨勢(shì)。從保持正常接觸壓力，從而維持摩擦副正常性能角度看，應(yīng)抑制載荷過(guò)度下降，即減少試樣高度方向的磨損量。載荷波動(dòng)大且存在周期性可能是在摩擦副運(yùn)動(dòng)路徑上存在障礙，摩擦副運(yùn)動(dòng)到此產(chǎn)生較大彈性變形，導(dǎo)致載荷出現(xiàn)周期性大幅度波動(dòng)。

圖5所示為載荷保持率(平均載荷與給定載荷的比值)隨絲徑變化的曲線(xiàn)?？梢钥闯?，隨著絲徑的增加載荷保持率呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著絲徑的增加，摩擦副剛度上升，磨損后其彈性變形力損失更多，因此有效載荷比呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖5 載荷保持率隨絲徑的變化Fig 5 Variation of load retention rate with wire diameter

2.3 接觸電阻

圖6所示為絲徑0.8 mm、環(huán)徑10 mm試樣與平板試樣配副，在往復(fù)行程10 mm、載荷1.23 N、電流1.605 A條件下動(dòng)態(tài)接觸電阻的變化曲線(xiàn)?？梢钥闯?，初期接觸電阻較為穩(wěn)定，在 0.1 Ω以下，從230 s之后，雖然大部分時(shí)間接觸電阻處于0.1 Ω以下，但是常有超過(guò)0.3 Ω的大接觸電阻出現(xiàn)，其持續(xù)時(shí)間很短，只有十幾毫秒。一般認(rèn)為，接觸電阻超過(guò)0.3 Ω，即可認(rèn)為接觸異常，接觸對(duì)失效(摩擦副導(dǎo)電性能失效)，由于失效時(shí)間很短因此稱(chēng)其為瞬斷失效。

圖6 絲徑0.8 mm、環(huán)徑10 mm絲試樣與平板試樣配副時(shí)的動(dòng)態(tài)接觸電阻Fig 6 Dynamic contact resistance when wire sample ofdiameter of 0.8 mm and ring diameter of 10 mmmatched with the plate sample

圖7示出了某一次瞬斷失效處的載荷與電阻變化曲線(xiàn)，可以看出，瞬斷與載荷的波動(dòng)存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以推測(cè)整個(gè)瞬斷的過(guò)程為：絲試樣運(yùn)動(dòng)過(guò)程中遇到阻礙，絲試樣產(chǎn)生較大彈性變形，通過(guò)阻礙后，絲試樣的彈性變形不能立即恢復(fù)，導(dǎo)致摩擦副出現(xiàn)短暫分離，電流通道斷開(kāi)，導(dǎo)致瞬斷失效。

圖7 異常電阻Fig7 Abnormal resistance

圖8所示為相同條件下板式樣磨痕的局部三維形貌，可以看到，磨損溝槽不均勻，也不連續(xù)，甚至不完全在一條直線(xiàn)上，且在行程中間存在堆積物?？梢詳喽ǎ?yàn)槟p的不均勻，摩擦過(guò)程中彈性金屬絲運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)，出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)和跳躍，從而導(dǎo)致瞬斷失效。

圖8 板試樣磨損三維形貌Fig 8 3D wear morphology of plate sample

圖9所示為平均電阻隨絲徑大小變化曲線(xiàn)?？梢钥闯?，隨著絲徑的增加平均接觸電阻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。這是因?yàn)?，隨著絲徑的增加，摩擦副之間的接觸面積增加，電流導(dǎo)通通道增加，從而令接觸電阻減小。

圖9 平均接觸電阻隨絲徑的變化Fig 9 Variation of average contact resistance with wire diameter

2.4 磨損率與磨損形貌

圖10所示為絲徑大小對(duì)磨損體積的影響?？梢钥闯?，整體上磨損體積隨著絲徑的增加，呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)。由于初始平均接觸壓力相同，隨著絲徑的增加，摩擦副接觸面積增加，因此磨損量呈上升趨勢(shì)。

圖10 絲徑對(duì)磨損率的影響Fig 10 Effect of wire diameter on wear rate(a)wear volume of wire samples;(b)wear volumeof metal plate samples;(c)combined wear volume

圖11所示為部分板試樣磨痕處的局部形貌。圖11(a)所示為與環(huán)徑10 mm、絲徑0.6 mm絲試樣對(duì)磨的板試樣的磨痕形貌，可以看到磨痕處只有輕微的犁溝和塑性變形，未發(fā)現(xiàn)明顯的黏著磨損，因此該條件下摩擦因數(shù)較小。圖11(b)所示為與環(huán)徑10 mm、絲徑0.8 mm絲試樣對(duì)磨的板試樣的局部磨痕形貌，可發(fā)現(xiàn)表面有明顯的電弧燒蝕痕跡，有大量的熔融噴濺，這說(shuō)明試驗(yàn)過(guò)程中絲板摩擦副出現(xiàn)過(guò)短暫分離，從而導(dǎo)致電弧產(chǎn)生。圖11(c)所示為與環(huán)徑10 mm、絲徑1.0 mm絲試樣對(duì)磨的板試樣的局部磨痕形貌，可以看到表面存在嚴(yán)重的黏著磨損和磨粒磨損，并且磨痕軌跡不是完全平直，存在彎曲和不連續(xù)的現(xiàn)象，這說(shuō)明絲試樣運(yùn)動(dòng)過(guò)程中發(fā)生了扭轉(zhuǎn)和彈跳。

圖11 與不同絲試樣配副的板試樣的磨痕表面形貌Fig 11 Wear scar surface morphology of plate samples matched with different wire samples (a) mild wear(against wire sample of 0.6 mmdiameter);(b) arc ablation(against wire sample of 0.8 mm diameter);(c) severe wear(against wire sample of 1.0 mm diameter)

3 結(jié)論

(1)對(duì)于絲板式彈性載流摩擦副，隨著絲徑的增加，載荷保持率與接觸電阻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，磨損體積呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，磨損高度呈增加趨勢(shì)，磨損形式為黏著磨損和磨粒磨損和電弧燒蝕。

(2)彈性接觸載流摩擦副失效形式主要是瞬斷，其原因是運(yùn)行中彈性器件的彈跳和扭轉(zhuǎn)導(dǎo)致摩擦副短暫分離從而失效。彈性器件產(chǎn)生彈跳和扭轉(zhuǎn)的主要原因是非均勻磨損、磨屑堆積、彈性器件變形。

(3)為提高彈性接觸摩擦副壽命，保證合理的實(shí)際接觸載荷，應(yīng)控制載荷保持率，減小試樣高度方向磨損量；同時(shí)，提高摩擦副運(yùn)行的平順性，減少?gòu)椥云骷椞?、扭轉(zhuǎn)等引起的瞬斷失效。