液壓馬達球鉸副表面ZrO2涂層的摩擦學性能

寇保福，張登科，李振順，張漲，李瑞清，劉冠臣

(太原科技大學機械工程學院，山西太原 030000)

0 前言

低速大扭矩液壓馬達中的曲軸連桿式液壓馬達，具有結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、成本低等優(yōu)點，得到廣泛的應用。在以往的研究中，由于柱塞和連桿直接參與高壓油液的輸送過程，一般將它們視為關(guān)鍵摩擦副[1]。圍繞它們的動力學分析及熱流固耦合潤滑特性分析是過去研究者廣泛關(guān)注的重點，且已取得豐碩的研究成果，對工程設(shè)計產(chǎn)生了顯著的促進作用。然而，對于輸送油液過程的球鉸摩擦副[2]，長期以來被視為輔助摩擦副部件，目前只有少量的受力分析計算和運動學被提及，鮮見深入的分析與討論。球鉸副是液壓馬達中一對關(guān)鍵的摩擦副[3]，由柱塞球窩與連桿球頭構(gòu)成。該馬達利用曲柄滑塊機構(gòu)原理，由連桿將作用于柱塞上的液壓力轉(zhuǎn)換為驅(qū)動曲軸轉(zhuǎn)動的力矩，連桿一端與柱塞球窩鉸接，另一端通過滑塊與曲軸接觸。這兩對摩擦副均承受著很大的接觸比壓，同時又存在相對滑動，摩擦磨損嚴重[4]，在使用中經(jīng)常發(fā)生燒傷現(xiàn)象，是限制馬達性能提高的主要因素。同時滑塊底部一般設(shè)計成靜壓支撐方式，球鉸副摩擦形成的力矩阻礙了連桿的自由擺動，導致滑塊傾側(cè)[5]，容積效率降低甚至失效。因此該球鉸副必然會加劇磨損以及機械效率的損失，并且對油膜厚度和傾側(cè)產(chǎn)生很大的影響。雖然國內(nèi)外很多學者曾對這個問題作過一定的研究，但是研究相對較少，且球鉸副的摩擦磨損性能會制約液壓馬達的使用壽命和機械效率，一旦其發(fā)生破壞，便會引起較大的沖擊及噪聲，極易引起生產(chǎn)事故；同時，也會使柱塞球窩發(fā)生磨損，造成液壓元件的破壞且發(fā)熱，加劇磨損。鑒于以上實際工作狀況，球鉸副的潤滑研究具有重要的工程意義[6]。

近代以來，陶瓷因其高強度、高韌性、良好的耐磨性、耐高溫、耐腐蝕等特點，在航天、化工、生物醫(yī)學等領(lǐng)域得到了廣泛的應用[7-9]。周杰等人[10]通過研究不同陶瓷材料在海水環(huán)境下摩擦磨損，發(fā)現(xiàn)氧化鋯陶瓷與17-4PH配對的摩擦副表現(xiàn)出最低的摩擦因數(shù)和磨損量，磨損后的表面粗糙度最低。更適合作為海水徑向柱塞泵微型面接觸的摩擦副材料；李然等人[11]通過研究純水介質(zhì)下的大流量柱塞泵技術(shù)，發(fā)現(xiàn)氧化鋯陶瓷材料和氧化鋁材料有著相同耐磨性，但氧化鋯材料具有更優(yōu)良的斷裂韌性，更適合作為純水介質(zhì)下往復式柱塞泵的柱塞材料；譚業(yè)發(fā)等[12]通過研究氧化鋯陶瓷在不同溫度下摩擦磨損，發(fā)現(xiàn)氧化鋯陶瓷在200 ℃下摩擦表面形成針(軸)狀磨屑呈現(xiàn)“滾動軸承”效應，表現(xiàn)出最低的摩擦因數(shù)和磨損率；周澤華等[13]發(fā)現(xiàn)在水潤滑下的氧化鋯-氧化鋁層狀復合陶瓷涂層比干摩擦下有著更良好的潤滑性。如果將陶瓷應用于液壓馬達的球鉸副上，可以有效提高現(xiàn)有液壓馬達的機械效率和使用壽命。

作者在前人研究的基礎(chǔ)上，對連桿球頭采用大氣等離子噴涂氧化鋯涂層，采用球-盤式摩擦磨損試驗方法模擬球鉸副在液壓馬達中的運動，重點研究不同載荷和轉(zhuǎn)速下氧化鋯陶瓷球和304不銹鋼塊組成的球鉸副摩擦因數(shù)和磨損體積變化，并且通過磨痕表面形貌分析其深度和寬度，從而找到合適的工況來減小低速液壓馬達中球鉸副之間的摩擦磨損，為工程應用提供參考信息。

1 試驗部分

1.1 液壓馬達球鉸副工作原理及試驗模型

液壓系統(tǒng)的介質(zhì)是液壓油。很多液壓閥芯都是球形的，如球閥、梭閥、單向閥等。液壓馬達是液壓系統(tǒng)常用的壓力源。圖1介紹了低速液壓馬達的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。其中球鉸副是曲軸連桿液壓馬達中重要的傳力副，球鉸結(jié)構(gòu)為面接觸式，即連桿頭與柱塞球窩相配合，容易造成潤滑條件差、摩擦生成的熱不易散失等，且球鉸副之間的摩擦磨損是周期性的。

圖1 低速液壓馬達的內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.1 Internal structure of low speed hydraulic motor

為了研究低速液壓馬達的陶瓷連桿頭與球窩組成的球鉸副之間的摩擦磨損性能，將其簡化為球塊摩擦副。如圖2所示：摩擦副由陶瓷的負載球體和固定的矩形鋼塊構(gòu)成，試驗中，它們始終浸泡在液壓油中。

圖2 模擬實際工況的試驗模型Fig.2 Experiment model for simulating actual working condition

1.2 試驗材料制備

采用在鋼球表面鍍上陶瓷層的方法制備了用于實驗的陶瓷球。主要采用成熟的PVD磁控濺射鍍膜技術(shù)，在鋼球表面形成致密氧化鋯涂層。相關(guān)設(shè)備如圖3所示。

圖3 磁控濺射鍍膜設(shè)備Fig.3 Magnetron sputtering coating equipment

磁控濺射是一種物理氣相沉積(PVD)技術(shù)。一般的濺射法可以用來制備金屬、半導體、絕緣體等材料，具有設(shè)備簡單、易于控制、鍍膜面積大、附著力強等優(yōu)點。磁控濺射通過在目標陰極表面引入磁場并利用磁場限制帶電粒子來提高濺射速率。濺射鍍膜是一種在真空中用帶電粒子轟擊目標表面，使轟擊后的粒子沉積在基材上的技術(shù)。由于濺射原子與正離子交換動能后以數(shù)十電子伏能量濺射出來，因此濺射原子具有較高的能量，有利于提高原子在沉積過程中的擴散能力，提高沉積結(jié)構(gòu)的密度，并使涂層與基材具有較強的附著力。

1.3 試驗設(shè)備和參數(shù)

此次試驗使用的儀器設(shè)備是美國的Rtec instruments生產(chǎn)的MFT-5000高集成多功能摩擦磨損試驗機，如圖4所示。試樣包括兩部分：下試樣是304鋼塊，尺寸為φ50.8 mm×6 mm；上試樣為氧化鋯陶瓷球，直徑為6 mm。試驗開始前對試樣進行預處理，打磨至粗糙度Ra=0.05 μm，隨后用酒精進行超聲清洗并擦干保存以便后續(xù)試驗使用。試驗施加的載荷分別是50、100、150 N(低速液壓馬達常用載荷)，轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為50、100、150 r/min，旋轉(zhuǎn)半徑統(tǒng)一設(shè)定為17 mm，磨損時間為30 min，溫度為室溫，所有試驗均重復3次，試驗數(shù)據(jù)取平均值。由于球鉸副是液壓油通過連桿阻尼孔流出進行潤滑，故試驗使用液池，在液池中添加液壓馬達通用的液壓油，使得試驗過程中陶瓷球與不銹鋼一直處于液壓油中，以便于模擬液壓馬達中的球鉸副在液壓油中的摩擦磨損情況。

在摩擦磨損試驗后，使用白光干涉三維表面輪廓儀對磨痕形貌及深度進行觀測，以此來記錄其磨損參數(shù)，方便后續(xù)試驗數(shù)據(jù)計算。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)

圖5是不同載荷和轉(zhuǎn)速下陶瓷和304鋼組成的球鉸副摩擦因數(shù)變化(取30 min內(nèi)摩擦因數(shù)平均值來代表整個過程中的摩擦因數(shù))。試驗發(fā)現(xiàn)：相同轉(zhuǎn)速下隨著載荷的增加，摩擦因數(shù)先減小后增大，并且在100 r/min時的摩擦因數(shù)最?。幌嗤d荷下隨著轉(zhuǎn)速的增加，摩擦因數(shù)逐漸增大。50 N時的載荷比較小，此條件下球鉸副形成的潤滑油膜沒有被破壞，并且對球鉸副起到了保護和潤滑的作用，而液壓馬達中的實際工況中油膜都會受到破壞，因此不能采用50 N-100 r/min模擬實際工況；而100 N-100 r/min最接近實際工況，并且摩擦因數(shù)最小，為0.059 6。相同載荷下摩擦因數(shù)隨轉(zhuǎn)速的變化情況：當載荷100 N時，50 r/min下的摩擦因數(shù)為0.012 8，100 r/min下的摩擦因數(shù)為0.059 6,相比50 r/min時的摩擦因數(shù)增大了3.65倍，150 r/min下的摩擦因數(shù)為0.068 4，相比100 r/min時的摩擦因數(shù)只增大了15%，可以得出轉(zhuǎn)速對摩擦因數(shù)的影響很顯著，并且相同載荷下隨著轉(zhuǎn)速的增大，摩擦因數(shù)增大的幅度在減小，逐漸趨于穩(wěn)定；載荷為150 N時，50 r/min下的摩擦因數(shù)為0.012 3，100 r/min下的摩擦因數(shù)為0.065 4，相比50 r/min時增大了4.32倍，150 r/min下的摩擦因數(shù)為0.072 6，相比100 r/min時的摩擦因數(shù)增大了11%，變化趨勢與100 N時的結(jié)果相同。說明摩擦因數(shù)隨著轉(zhuǎn)速的增大而增大，并且會趨于穩(wěn)定，因為轉(zhuǎn)速的增大會破壞之前形成的潤滑油膜，油膜被破壞后使得陶瓷與不銹鋼直接接觸，導致摩擦因數(shù)增大，而陶瓷具有耐磨等優(yōu)點，所以摩擦因數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定。而在相同轉(zhuǎn)速下摩擦因數(shù)隨載荷的變化情況：當轉(zhuǎn)速為100 r/min時，50 N下的摩擦因數(shù)為0.065 3,100 N時的摩擦因數(shù)為0.059 6，相比50 N時的摩擦因數(shù)減小了8.7%，150 N下的摩擦因數(shù)為0.065 4，相比100 N時的摩擦因數(shù)增大了9.7%；當轉(zhuǎn)速為150 r/min時，50 N下的摩擦因數(shù)為0.074 7,100 N下的摩擦因數(shù)為0.068 4，相比50 N時的摩擦因數(shù)減小了8.4%，150 N時的摩擦因數(shù)為0.072 6，相比100 N時的摩擦因數(shù)增大了6.1%。說明隨載荷增大，摩擦因數(shù)先減小后增大，但是從整體上比較，載荷對摩擦因數(shù)的影響很小。從圖5可以看出：轉(zhuǎn)速對摩擦因數(shù)的影響比較大。由此可知轉(zhuǎn)速較大時也伴隨著嚴重的能量流失和消耗，會使柱塞球窩與連桿球頭之間的磨損增大，使得液壓馬達的壽命大大縮減，故考慮使用鍍陶瓷的液壓元件時，必須著重考慮轉(zhuǎn)速的影響。

圖5 不同載荷和轉(zhuǎn)速下的摩擦因數(shù)Fig.5 Friction coefficient under different loads and speeds

2.2 磨損量

圖6是陶瓷與不銹鋼摩擦磨損后磨痕的二維和三維形貌，將二維磨痕形貌利用Gwyddion軟件繪制磨痕的輪廓曲線，繼而通過曲線測量出磨痕的寬度和深度，并以此來計算磨痕的磨損量。圖6(a)是磨痕二維形貌圖，圖6(c)是與之對應的三維形貌(只列舉了一部分磨痕)。圖7是不同工況下陶瓷與不銹鋼摩擦磨損后磨痕的輪廓曲線，為了方便計算和比較，可將磨痕近似為半圓柱體。表1是球鉸副在不同載荷和轉(zhuǎn)速下的磨損量。經(jīng)過對比發(fā)現(xiàn)，磨痕的深度和寬度隨著轉(zhuǎn)速和載荷的增加都逐漸增大，其中磨損量最小的是50 N-50 r/min和100 N-50 r/min。50 N-50 r/min下的磨損深度約為6.1 μm，寬度為0.283 mm； 100 N-50 r/min下的磨損深度為8.93 μm，寬度約為0.576 mm，二者磨損相差0.365 mm3，由于50 N載荷較小，所以選擇100 N-50 r/min作為理想工況，也是磨損最小的。150 N-50 r/min下鋼塊的磨損深度和寬度分別為13.07 μm和0.673 mm，50 N-100 r/min、50 N-150 r/min、100 N-100 r/min與150 N-100 r/min這4種工況下磨損量相差不多；而磨損最嚴重的是150 N-150 r/min下工況，其磨損深度最大為26.53 μm，寬度大約為1.739 mm，總磨損量約為3.392 mm3。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著載荷和轉(zhuǎn)速的增大，球鉸副中不銹鋼表面磨損情況也隨之增大，50 r/min下不同載荷的磨損量遠低于100、150 r/min轉(zhuǎn)速下最低載荷的磨損量，說明陶瓷與鋼組成的球鉸副在液壓油中的摩擦磨損主要受轉(zhuǎn)速的影響，且轉(zhuǎn)速對摩擦因數(shù)和磨損量的影響都遠大于載荷的影響。由于在表面鍍陶瓷，使得載荷對球鉸副摩擦磨損影響減小，只受到轉(zhuǎn)速的影響，可以在較低的轉(zhuǎn)速下增加載荷，這樣不僅提高了球鉸副的壽命，也能提供液壓馬達需要的載荷，滿足不同工況的需求。

圖6 磨痕的二維和三維形貌

從圖5中得出100 N-100 r/min的工況下的摩擦因數(shù)最小，但是通過觀察磨痕輪廓和磨損量柱狀圖，發(fā)現(xiàn)100 N-50 r/min的磨損量最小，并且與150 N-50 r/min的工況下磨損量對比，減小了89%。綜合摩擦因數(shù)和磨損量，主要考慮轉(zhuǎn)速的影響，所以選擇100 N-50 r/min作為球鉸副的理想工況。

圖7 磨痕的輪廓曲線Fig.7 Contour curves of wear mark：(a)50 N-50 r/min; (b)100 N-50 r/min;(c)150 N-50 r/min; (d)50 N-100 r/min;(e)100 N-100 r/min; (f)150 N-100 r/min;(g)50 N-150 r/min; (h)100 N-150 r/min;(i)150 N-150 r/min

表1 不同載荷和轉(zhuǎn)速下的磨損量Tab.1 Wear amount under different loads and speeds

此外，圖7是不同條件下鋼塊表面磨痕表面形貌?？梢园l(fā)現(xiàn)：在較低載荷和速度下，磨痕底部較為光滑，磨痕兩側(cè)有磨屑積留和較淺犁痕，這說明此時的陶瓷和鋼的磨損機制主要為微犁削和塑性變形；隨著滑動速度不斷增大，磨痕兩側(cè)逐漸光滑，犁痕逐漸變淺，這是由于隨著速度增大，摩擦面易形成流體動力潤滑，使得摩擦接觸面的犁溝在摩擦過程中變淺；當載荷不斷增大時，磨痕內(nèi)部遍布大量犁痕，如150 N載荷下，這說明此時的磨損機制主要為磨粒磨損和犁削。這是由于隨著載荷的增大，過高的接觸壓力導致摩擦接觸面磨損量增大，磨屑大量生成。而磨屑在摩擦磨損中被不斷擠壓崩碎，以致磨屑未排布在磨痕邊緣。同時部分磨屑積留磨痕底部，會隨著陶瓷球一起滑動，導致摩擦接觸面潤滑油膜的破壞和磨痕內(nèi)部遍布犁溝，增大了磨損量。

3 結(jié)論

(1)研究發(fā)現(xiàn)載荷和轉(zhuǎn)速都會影響ZrO2陶瓷與304鋼組成的球鉸副之間的摩擦因數(shù)和磨損量，但球鉸副在液壓馬達中受轉(zhuǎn)速的影響遠超于載荷。綜合以上，在較低載荷和轉(zhuǎn)速下，ZrO2陶瓷與304鋼組成的球鉸副減摩抗磨效果最好，并且載荷為100 N和轉(zhuǎn)速50 r/min工況下，摩擦因數(shù)達到最優(yōu)。在此工況下，可以有效提高球鉸副以及液壓元件壽命，并且液壓馬達的工作效率也有提高。

(2)隨著載荷增大，球與盤組成的球鉸副的摩擦因數(shù)先減小后增大并趨于穩(wěn)定。載荷為100 N時摩擦因數(shù)最小，載荷從50 N變化到100 N時，摩擦因數(shù)降低了9%；隨著轉(zhuǎn)速增大，球與盤組成的球鉸副的摩擦因數(shù)逐漸增大，并且轉(zhuǎn)速為50 r/min時摩擦因數(shù)最小。當轉(zhuǎn)速從50 r/min增大到150 r/min時，摩擦因數(shù)增大了4倍多。二者增減的幅度可以看出轉(zhuǎn)速的影響更顯著。

(3)磨損體積隨著載荷和轉(zhuǎn)速的增加而增大。50 N-50 r/min時的磨損體積最小，為0.184 mm3，150 N-50 r/min時的磨損體積為0.940 mm3，相比50N時增大了4.11倍； 50 N-150 r/min時的磨損體積為0.903 mm3，與50 r/min相比增大了近4倍。