不同固體潤滑下人字閘門底樞摩擦特性的銷盤試驗(yàn)研究

徐 翔, 張祖悅, 王興華, 黃柏軍, 秦紅玲, 趙新澤*

(1. 三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 宜昌 443002;2. 三峽大學(xué) 石墨增材制造技術(shù)與裝備湖北省工程研究中心, 湖北 宜昌 443002;3. 河南科技大學(xué) 高端軸承摩擦學(xué)技術(shù)與應(yīng)用國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 河南 洛陽 471000)

人字閘門是水利樞紐重要的附屬結(jié)構(gòu)之一，兼顧了發(fā)電和航運(yùn)的正常運(yùn)行. 但是，其底樞的水下低速重載工況，導(dǎo)致油膜形成困難，其潤滑方式從油脂潤滑過渡到油脂-固體潤滑劑混合潤滑，為此，開展固體潤滑條件下人字閘門底樞摩擦副的摩擦磨損特性研究，對于延長閘門檢修周期具有重要的意義.

摩擦副比壓過大和潤滑不良是底樞運(yùn)轉(zhuǎn)重要的磨損原因[1]. 趙新澤等[2]采用Fang接觸模型對人字閘門底樞摩擦副進(jìn)行建模分析，研究了外載荷、底樞半徑、接觸間隙及摩擦副材料等參數(shù)對接觸特性的影響；秦紅玲等[3-4]對比了QAL9-4/40Cr和ZCuAl8Mn13Fe3/40Cr兩種閘門底樞摩擦副在不同接觸應(yīng)力的脂潤滑條件下的摩擦學(xué)特性，并對摩擦副QT600-3/40Cr進(jìn)行了摩擦學(xué)性能分析及磨損表面功率譜密度表征，表明銷試樣磨損表面具有明顯的主導(dǎo)空間頻率. 目前常見的固體潤滑劑主要有石墨、二硫化鉬和聚四氟乙烯等，王偉等[5]研究了石墨粉末在接觸副之間的潤滑膜形成和破壞過程；Morstein等[6]研究分析了石墨在高載荷下滑動摩擦的基本磨損機(jī)理；Suparno等[7]將石墨拋光技術(shù)應(yīng)用于火車車輪和鋼軌之間的接觸摩擦研究；黃國威等[8]構(gòu)筑了石墨-銅三維復(fù)合潤滑層結(jié)構(gòu)，并研究其在干摩擦和海水腐蝕下的摩擦學(xué)性能；黃仲佳等[9]在研究MoS2的潤滑性能時(shí)，闡述了填充孔固體潤滑技術(shù)的減磨機(jī)理；Stoyanov等[10]在研究極端接觸條件下銅基涂層摩擦學(xué)特性時(shí)發(fā)現(xiàn)，MoS2潤滑劑可減小Cu-Al涂層之間的摩擦系數(shù)；Shen等[11]研究了聚四氟乙烯與316L不銹鋼的摩擦磨損特性，分析了接觸副中聚四氟乙烯的轉(zhuǎn)移情況；胡超等[12]研究發(fā)現(xiàn)聚四氟乙烯(PTFE)的摩擦系數(shù)隨溫度升高而降低，磨損率隨溫度升高而升高；邱明等[13]將聚四氟乙烯作為自潤滑關(guān)節(jié)軸承織物襯墊的主要材料，對其摩擦面的微觀形貌和磨損機(jī)理進(jìn)行了分析.

本文中以三峽人字閘門底樞為研究對象，根據(jù)其結(jié)構(gòu)和運(yùn)行工況設(shè)計(jì)試驗(yàn)參數(shù)，以45鋼和錫青銅作為摩擦副材料，以石墨、二硫化鉬以及聚四氟乙烯作為固體潤滑介質(zhì)，開展摩擦磨損性能等效試驗(yàn)，并結(jié)合油液分析技術(shù)和三維表面形貌測試，分析其潤滑機(jī)理，以期減小底樞的摩擦磨損，延長底樞的使用壽命，為固體潤滑下閘門底樞摩擦副的固體潤滑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù).

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)裝置

采用MMW-1A立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，該試驗(yàn)機(jī)加載力范圍10~1 000 N，主軸轉(zhuǎn)速范圍5~2 000 r/min，具有銷盤、球盤以及止推圈等多種摩擦副的安裝方式. 在本試驗(yàn)中使用銷盤磨損試驗(yàn)，上試樣為Φ5 mm×13 mm的銷試樣，材料為45鋼；下試樣為Φ54~16 mm×9 mm的盤試樣，材料為錫青銅. 盤試樣中心與銷試樣中心距離為14 mm，如圖1(a)所示.

1.2 加載參數(shù)

三峽人字閘門平均質(zhì)量850 t，單扇門葉的高度為36.75 m，門寬為20.20 m，運(yùn)行角度 θ約為70°，底樞半徑R為 500 mm. 當(dāng)運(yùn)行時(shí)間t為40 s，計(jì)算得到最大接觸應(yīng)力σmax=16.3 MPa 和最大線速度vmax=0.0152 m/s[14].試驗(yàn)時(shí)按最大接觸應(yīng)力和最大線速度進(jìn)行等效模擬試驗(yàn)，以試樣銷的面積作為兩者的接觸面積，根據(jù)銷試樣的面積可以獲得加載載荷F約為320 N，加載轉(zhuǎn)速n為10 r/min.

1.3 填充孔結(jié)構(gòu)

三峽人字閘門底樞軸瓦上設(shè)有大量直徑Φ40 mm，深度為10~15 mm的固體潤滑劑填充孔，整體填充孔的表面積約占軸瓦半球表面積的14%. 因此，按照相似理論，計(jì)算可得試樣填充孔直徑為Φ2.5 mm，深度為1.5 mm，數(shù)量為12個. 為保證固體潤滑劑在盤試樣的徑向上能與銷試樣充分接觸，同時(shí)避免相鄰填充孔之間的干擾，將填充孔設(shè)計(jì)為均布的內(nèi)外兩圈，外圈與內(nèi)圈邊緣均與磨痕相切，且位于磨痕內(nèi)部；位置最近的兩個填充孔相對于回轉(zhuǎn)中心相差10°，具體示意圖如圖1(b)所示.

1.4 試樣制備與試驗(yàn)流程

試樣銷的拋光打磨需先分別用400#、800#、1 500#和2000#的水磨砂紙將其打磨，隨后用無水乙醇超聲清洗，再將清洗后的試樣銷用拋光機(jī)拋光打磨，使其接觸表面的粗糙度Ra小于0.4 μm，最后將拋光后的試樣銷再次采用無水乙醇超聲清洗1次，即可獲得等效試驗(yàn)所需的銷試樣. 隨后，分別將石墨、二硫化鉬以及聚四氟乙烯粉末固體潤滑劑與粘結(jié)劑按照質(zhì)量比(15%：85%)混合后，形成三種固體潤滑劑的混合物，再將該混合物填充到盤試樣的填充孔內(nèi)，待混合固體潤滑劑在試樣盤表面涂抹均勻之后，將試樣盤(可以多塊一起)安放在裝夾板上，下夾板與試樣盤底部接觸，上夾板和試樣盤之間貼隔熱紙，使用螺栓固定上下裝夾板；然后在80 ℃恒溫固化12 h后，拆除裝夾板；隨后將試樣盤用400#的砂紙打磨掉試樣表面多余的混合固體潤滑劑涂層，后續(xù)同樣使用無水乙醇進(jìn)行超聲清洗，再經(jīng)過打磨和拋光，使得試樣盤上表面的表面粗糙度Ra小于0.4 μm，最后超聲清洗1次即可獲得等效試驗(yàn)所需盤試樣，如圖2所示. 將預(yù)處理后的試樣銷和試樣盤分別安裝在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的對應(yīng)位置，并在試樣盤的上表面和試樣銷的下表面涂抹1#鋰基脂，安裝涂抹完畢后依據(jù)計(jì)算得到的工況進(jìn)行加載試驗(yàn)，每次試驗(yàn)時(shí)間為1 h.

2 對比試驗(yàn)結(jié)果與分析

對磨損前后的試樣進(jìn)行摩擦系數(shù)、表面形貌、磨

Fig. 1 Test scheme (a) loading project (b) Filling hole distribution圖1 試驗(yàn)方案(a)加載方案(b)填充孔分布

Fig. 2 Experimental scheme of friction and wear圖2 摩擦磨損試驗(yàn)方案

損量以及鐵譜測試.

2.1 摩擦系數(shù)

摩擦系數(shù)由試驗(yàn)機(jī)自動記錄. 圖3所示為1 h內(nèi)不同固體潤滑劑下，摩擦系數(shù)隨時(shí)間的變化曲線圖. 由圖3可知，二硫化鉬作為固體潤滑劑時(shí)，其瞬時(shí)摩擦系數(shù)在500 s時(shí)出現(xiàn)急劇上升，經(jīng)過80 s左右趨于穩(wěn)定，但波動依然較大；聚四氟乙烯作為固體潤滑劑時(shí)，其瞬時(shí)摩擦系數(shù)呈緩慢上升趨勢，總體波動較??；石墨作為固體潤滑劑時(shí)，瞬時(shí)摩擦系數(shù)波動介于二硫化鉬和石墨之間. 三者在1 h內(nèi)的平均摩擦系數(shù)分別為0.25、0.18和0.09.

2.2 表面形貌

采用ST400三維表面形貌儀對磨痕進(jìn)行分析，掃描區(qū)域?yàn)? mm×6 mm，步長為10 μm，采樣頻率為400 Hz，在掃描區(qū)域內(nèi)選取0.5 mm×0.5 mm的矩形區(qū)域作為采樣區(qū)域，具體采樣位置如圖4所示.

Fig. 3 Friction coefficient of pin-on-disk using different solid lubricants圖3 使用不同固體潤滑劑銷盤試驗(yàn)的摩擦系數(shù)

Fig. 4 Sampling location (taking the graphite as an example)圖4 采樣位置(石墨為例)

Fig. 5 Three-dimensional topography of different regions at the sampling location: the sampling locations of (a1)(b1) and (c1) are region A; the sampling locations of (a2), (b2) and (c2) are region B; the sampling location of (a3), (b3) and (c3) are region C圖5 采樣位置不同區(qū)域的三維形貌圖：(a1)(b1)和(c1)采樣位置為A區(qū)域；(a2)(b2)和(c2)采樣位置為B區(qū)域； (a3)(b3)和(c3)采樣位置為C區(qū)域

圖5所示為采樣位置不同區(qū)域的三維形貌圖，為方便比較，其基準(zhǔn)統(tǒng)一為試樣底部，A為固體潤滑劑填充孔區(qū)域，B為磨痕區(qū)域，C為原始區(qū)域. 由于填充工藝的問題，填充孔內(nèi)潤滑劑的起伏波動較大，此處不做過多分析. 磨損前后的表面形貌特征參數(shù)列于表1中. 從表1中數(shù)據(jù)可知，相比于磨損前的表面參數(shù)，除石墨潤滑條件下，其表面均方根值Sq和表面算術(shù)平均值Sa出現(xiàn)下降外，其他數(shù)值均呈現(xiàn)上升趨勢. 可能是因?yàn)檫x用的石墨材料比較柔軟，在受壓情況下出現(xiàn)碎裂，填充到接觸表面的微凹體之間，導(dǎo)致相關(guān)參數(shù)的數(shù)值降低；而二硫化鉬和聚四氟乙烯的粉末硬度較高，由于接觸副的磨損，致使表面參數(shù)數(shù)值升高.

表1 三種固體潤滑劑試驗(yàn)前后的表面形貌參數(shù)值Table 1 Surface morphology parameters of three solid lubricants before and after the test

2.3 磨損量

由于試驗(yàn)中銷盤摩擦副屬于軟硬接觸，對于硬質(zhì)銷幾乎無磨損，本試驗(yàn)中僅檢測盤試樣的磨損：首先通過電子天平稱量填充復(fù)合固體潤滑劑的試樣盤的質(zhì)量并記錄，其次將稱重后的試樣放置在摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行等效磨損試驗(yàn)，銷盤試樣在等效試驗(yàn)之后，在試驗(yàn)盤的接觸面上形成1個圓環(huán)狀的磨損槽，如圖4所示. 對于磨損試驗(yàn)后的試樣，收集試樣上的油脂，用于鐵譜分析，然后將試樣放入超聲波清洗儀內(nèi)，清洗試樣表面黏附的雜質(zhì)，對清洗后的試樣盤再次進(jìn)行稱重并記錄，前后兩次的質(zhì)量差即為試樣的磨損量Δm.

此外，磨損量可以根據(jù)表面的磨損深度來表示.同樣以石墨潤滑劑為例，在磨損后的盤試樣上選取3個徑向截面，三維表面形貌掃描所得到的表面高度差如圖6所示.

Fig. 6 Wear depth of plate sample’s different sections using graphite as a lubricant圖6 石墨潤滑下盤試樣不同截面的磨損深度

由于掃描部位的定位差異，導(dǎo)致圖6中橫坐標(biāo)的起始位置不同，但3個截面的相對高度大致一樣，為此，其磨損深度定義為

式中hh和hl分別為未磨損和磨損部位的表面相對高度，其范圍為圖6中任一曲線的最高兩點(diǎn)的徑向位置，最高點(diǎn)的數(shù)據(jù)計(jì)入hh；nh和nl分別為未磨損和磨損部位的表面的測量點(diǎn)數(shù)，由此可計(jì)算出：

根據(jù)圖6和計(jì)算結(jié)果，以截面1所處位置作為參考截面. 由于3個盤試樣高度的差異大于表面形貌的差異，為了清楚描述高度的細(xì)節(jié)變化情況，將3條曲線的最低點(diǎn)定為0，三種潤滑劑的相對磨損深度如圖7所示.從圖7可以看出，由于磨損試驗(yàn)時(shí)銷盤之間的相互擠壓，造成盤試樣磨痕兩邊出現(xiàn)了凸起，其中二硫化鉬的凸起相對較大；此外，內(nèi)圈的磨損相對較深，外圈的磨損相對平緩. 三種潤滑劑的磨損深度列于表2中. 從表2中可以看出，無論是磨損深度還是磨損重量，石墨潤滑下的盤試樣磨損量最小，而二硫化鉬潤滑下的盤試樣磨損量最大.

表2 試樣盤在不同潤滑劑下的磨損量Table 2 Wear losses of plate samples using different lubricants

2.4 鐵譜分析

Fig. 7 Wear depth of plate samples using different lubricants圖7 不同潤滑劑盤試樣磨損深度

使用FFM3分析式鐵譜儀和BX51顯微鏡對磨損產(chǎn)物進(jìn)行檢測和分析. 圖8中(a)、(b)和(c)分別為二硫化鉬、石墨和聚四氟乙烯試樣的鐵譜圖. 采用二硫化鉬作為潤滑劑時(shí)，其試樣經(jīng)摩擦磨損試驗(yàn)后所形成的金屬磨粒(后面簡稱磨粒)中有少量粒徑大小為10~50 μm的磨粒，且存在極少量粒徑大于50 μm的磨粒，其磨損形式為黏著磨損和疲勞磨損，且以黏著磨損為主. 采用石墨作為固體潤滑劑時(shí)，磨粒的粒徑明顯小于前兩者，其磨粒中并無粒徑大于50 μm的磨粒存在，且存在極少量磨粒粒徑大小在10~50 μm之間的磨粒，其磨損形式僅為黏著磨損. 采用聚四氟乙烯作為固體潤滑劑時(shí)，其磨粒的情況與二硫化鉬作為固體潤滑劑時(shí)的情況相似，其磨粒中有少量粒徑大小為10~50 μm的磨粒，且存在極少量粒徑大于50 μm的磨粒，其磨損形式為黏著磨損和疲勞磨損，且以黏著磨損為主.

由于二硫化鉬摩擦系數(shù)本身較高，并且在高溫環(huán)境下會出現(xiàn)增磨現(xiàn)象，摩擦磨損試驗(yàn)過程中溫度上升，試樣間的磨損也隨之上升，故二硫化鉬的摩擦系數(shù)和磨損量均為三者中最大；而聚四氟乙烯由于其本身的摩擦系數(shù)較低，用作固體潤滑劑時(shí)導(dǎo)致試樣間的摩擦系數(shù)比采用石墨的試樣要低，但是其黏著性較差，不能很好地吸附在試樣表面，導(dǎo)致其不能在試樣表面形成有效的潤滑膜，因此聚四氟乙烯試樣磨損量高于石墨試樣，并且聚四氟乙烯試樣的磨損形式為黏著磨損和疲勞磨損，而填充石墨試樣的磨損形式僅為單一的黏著磨損.

Fig. 8 Ferrographic images of each sample圖8 各試樣的鐵譜圖

3 連續(xù)試驗(yàn)結(jié)果與分析

將試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比與分析，綜合摩擦系數(shù)、表面形貌、磨損量和鐵譜分析結(jié)果可知，在試驗(yàn)工況下，石墨是三者之中摩擦磨損綜合性能最好的固體潤滑劑，由此進(jìn)行了連續(xù)13 h的摩擦磨損連續(xù)試驗(yàn). 每隔1 h，將試樣從試驗(yàn)機(jī)上拆下，清洗稱重后再涂抹鋰基脂，進(jìn)行下一階段摩擦磨損試驗(yàn)，得到的試驗(yàn)結(jié)果如圖9和圖10所示.

圖9所示為石墨潤滑下銷盤試驗(yàn)連續(xù)13 h下的瞬時(shí)摩擦系數(shù)和平均摩擦系數(shù). 從圖9中可以看出：瞬時(shí)摩擦系數(shù)隨試驗(yàn)的進(jìn)行有一定的波動，第1次和第2次的最大值和最小值相差較大，處于銷盤磨損的磨合階段；第3次到第9次的波動相對較小，此時(shí)固體潤滑膜已經(jīng)形成，處于穩(wěn)定磨損階段；第9次之后由于固體潤滑膜的破壞，摩擦系數(shù)相應(yīng)有所增加. 圖10所示為平均摩擦系數(shù)和磨損量隨試驗(yàn)次數(shù)的變化規(guī)律，其總體趨勢均為先減小后增大.摩擦系數(shù)從第1次的0.18逐漸下降到第5次的0.10，然后上升至第13次的0.19，其中第7次的摩擦系數(shù)(0.12)略高；同樣，磨損量從第1次的3 mg下降到第7次的0.85 mg，然后上升至第13次的2.92 mg，而第6次和第9次的磨損量相對較大，此時(shí)對應(yīng)圖9中的瞬時(shí)摩擦系數(shù)變化較大，可能是由于重復(fù)裝夾定位有誤差，銷試樣與盤試樣上少量未磨損區(qū)域開始磨損造成的.

Fig. 9 Friction coefficient of continuous friction-wear test using graphite as a lubricant圖9 石墨潤滑下連續(xù)摩擦磨損試驗(yàn)的摩擦系數(shù)

Fig. 10 Average friction coefficient and wear of continuous friction-wear test using graphite as a lubricant圖10 石墨潤滑下連續(xù)摩擦磨損試驗(yàn)的平均摩擦系數(shù)和磨損量

4 結(jié)論

a. 以三峽閘門為對象，設(shè)計(jì)了銷盤的尺寸以及盤試樣上的固體潤滑劑填充孔結(jié)構(gòu)，選擇在加載載荷為F=320 N，加載轉(zhuǎn)速為n=10 r/min下開展試驗(yàn)研究.

b. 分別以石墨、二硫化鉬以及聚四氟乙烯粉末作為固體潤滑劑，三者1 h內(nèi)的平均摩擦系數(shù)大小為二硫化鉬＞石墨＞聚四氟乙烯；磨損量(磨損質(zhì)量和磨損深度)為二硫化鉬＞聚四氟乙烯＞石墨.

c. 鐵譜分析顯示石墨潤滑下的金屬磨粒較少，存在極少量的粒徑大小在10~50 μm之間的磨粒，其他均小于10 μm，磨損形式僅為單一的黏著磨損；二硫化鉬和聚四氟乙烯潤滑下有少量10~50 μm的磨粒存在，且存在粒徑大于50 μm的磨粒，其磨損形式有黏著磨損和疲勞磨損；綜合認(rèn)為石墨是三者中性質(zhì)較優(yōu)的固體潤滑劑.

d. 以石墨為固體潤滑劑，根據(jù)13 h的連續(xù)磨損試驗(yàn)顯示，平均摩擦系數(shù)和磨損量的總體趨勢隨試驗(yàn)時(shí)間均呈先減小后增大趨勢，第5次的平均摩擦系數(shù)最小，為0.10，第13次的平均摩擦系數(shù)最大，為0.19；第7次磨損量最小，為0.85 mg，第1次磨損量最大，為3 mg.