某微型齒輪機(jī)構(gòu)的隨機(jī)振動(dòng)摩擦學(xué)試驗(yàn)研究

余啟航，李嚴(yán)，彭雪峰，耿少寅，蔡振兵

（1.西南交通大學(xué) 摩擦學(xué)研究所，成都 610031；2.東方電氣集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，成都 611731）

在現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，需要考慮在運(yùn)輸過程中隨機(jī)振動(dòng)對(duì)其性能的影響。研究發(fā)現(xiàn)，在隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下，通常會(huì)由于疲勞、摩擦磨損、共振以及振動(dòng)沖擊[1-6]使產(chǎn)品出現(xiàn)性能衰退，甚至失效。

某微型齒輪機(jī)構(gòu)長期在隨機(jī)振動(dòng)環(huán)境下服役，導(dǎo)致其關(guān)鍵摩擦副發(fā)生嚴(yán)重的摩擦磨損，使得整個(gè)輪系的摩擦力矩提升，機(jī)構(gòu)的延時(shí)時(shí)間超差，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品性能。因此需要運(yùn)用跑合來減少其性能的衰退速度，提高其可靠性和使用壽命[7-9]。微型齒輪機(jī)構(gòu)在使用過程中，關(guān)鍵摩擦副界面間會(huì)發(fā)生一定程度的摩擦磨損現(xiàn)象，尤其在其輪系各級(jí)的傳動(dòng)力較小的情況下，摩擦磨損會(huì)導(dǎo)致輪系整體的阻力增大，需要通過跑合對(duì)輪系的關(guān)鍵摩擦副表面進(jìn)行充分磨合，使其過渡到穩(wěn)定期延長其服役壽命。

近幾年針對(duì)跑合的機(jī)理和方法，國內(nèi)外學(xué)者在不同的工程領(lǐng)域做了大量的研究。Mario 等[10]研究發(fā)現(xiàn)，跑合初期接觸表面的粗糙峰會(huì)被逐漸磨平，并降低表面的粗糙度，同時(shí)發(fā)現(xiàn)溫度改變了接觸表界面的磨損形式，對(duì)跑合效果產(chǎn)生影響。Khonsari 等[11]研究了表面粗糙度、滑動(dòng)速度對(duì)跑合效果的影響，研究發(fā)現(xiàn)，粗糙度的減小，致使微凸體所承受的載荷逐漸減小、流體膜承載逐漸增大，滾動(dòng)速度的增加會(huì)致使表面生成油膜而降低磨損量。Lu 等[12]研究發(fā)現(xiàn)，軌道車輛制動(dòng)閘片摩擦塊在經(jīng)過跑合后，表界面的宏觀接觸面積增加，使其平均接觸應(yīng)力減小。Li 等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在潤滑油中添加納米級(jí)顆粒可以促進(jìn)油膜的形成，顯著提升跑合效率。Zhang 等[14]研究發(fā)現(xiàn)，使用魔芋葡甘聚糖溶液為潤滑劑進(jìn)行跑合后，可以通過水合分子層實(shí)現(xiàn)超低摩擦。Ding 等[15]研究發(fā)現(xiàn)，磨損穩(wěn)定階段摩擦系數(shù)信號(hào)的相位軌跡演化到一個(gè)特定的小空間，表明磨合吸引子的形成。收斂的跑合吸引子標(biāo)志著摩擦系統(tǒng)的穩(wěn)定性，穩(wěn)定值越大，磨合吸引子的收斂性越大，摩擦系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好。常規(guī)的跑合研究方法應(yīng)用在微型結(jié)構(gòu)機(jī)械產(chǎn)品上具有局限性，因而需要提出特殊的跑合研究方法。正交試驗(yàn)法常用于很多工程領(lǐng)域的多因素試驗(yàn)研究[16-20]，因此本文設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)方案研究振動(dòng)時(shí)間、OX和OZ兩個(gè)不同方向隨機(jī)振動(dòng)能量對(duì)微型齒輪機(jī)構(gòu)跑合效果的影響。

1 材料與試驗(yàn)方法

1.1 某微型齒輪機(jī)構(gòu)

試驗(yàn)所用的微型齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和各零部件的材料見圖1 和表1。機(jī)構(gòu)整體由驅(qū)動(dòng)輪片和3 個(gè)特殊結(jié)構(gòu)的齒輪一、二、三以及最后一級(jí)的平衡擺銷構(gòu)成。運(yùn)行時(shí)，將驅(qū)動(dòng)輪片扭轉(zhuǎn)一定的角度，使扭簧儲(chǔ)能，釋放后根據(jù)輪系嚙合的關(guān)系，帶動(dòng)輪系運(yùn)轉(zhuǎn)，平衡擺銷與齒輪三發(fā)生滑動(dòng)和間斷性的碰撞，驅(qū)動(dòng)齒輪的前部伸出結(jié)構(gòu)會(huì)卡入限位滑塊處的凹槽中，使機(jī)構(gòu)形成自鎖狀態(tài)。從機(jī)構(gòu)開始運(yùn)行到機(jī)構(gòu)完成自鎖所用的時(shí)間即為機(jī)構(gòu)的延時(shí)時(shí)間參數(shù)，是工程應(yīng)用中的重要參數(shù)。平衡擺銷能夠延緩扭簧釋放能量的速度，起到調(diào)控延時(shí)時(shí)間的作用，其磨損程度直接影響微型齒輪機(jī)構(gòu)的延時(shí)時(shí)間性能。

表1 微型齒輪機(jī)構(gòu)各部件材料 Tab.1 Material of each component of the micro-gear mechanism

圖1 微型齒輪機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行過程 Fig.1 Schematic of the micro-gear mechanism and mechanism running process

1.2 跑合方法和分析測試

根據(jù)前期預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)的正交試驗(yàn)因素水平見表2。其中，隨機(jī)載荷譜的振動(dòng)能量是將功率譜密度函數(shù)每個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的PSD 值放大對(duì)應(yīng)的倍數(shù)，使振動(dòng)的等效能量增大。機(jī)構(gòu)沿著OX和OZ方向振動(dòng)的振動(dòng)載荷譜見表3（振動(dòng)方向如圖1 所示）。先進(jìn)行相應(yīng)的隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，然后進(jìn)行延時(shí)時(shí)間測試。隨后對(duì)齒輪機(jī)構(gòu)進(jìn)行拆卸、清洗及潤滑。清洗過程中，先使用120#汽油進(jìn)行15 min 超聲波清洗，然后使用120#汽油與4116-1 潤滑油的混合液對(duì)機(jī)構(gòu)零件表面進(jìn)行潤滑。為了檢驗(yàn)跑合效果，設(shè)計(jì)了跑合驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)。機(jī)構(gòu)在正交試驗(yàn)完成后，在標(biāo)準(zhǔn)工況振動(dòng)載荷譜（見表4）下振動(dòng)相同時(shí)間，并額外添加了3 臺(tái)沒有經(jīng)過跑合的機(jī)構(gòu)進(jìn)行對(duì)照。試驗(yàn)結(jié)束后，選取部分機(jī)構(gòu)拆卸，觀察關(guān)鍵摩擦副的微觀和宏觀形貌，測試平衡擺銷表面的磨損面積，以此作為評(píng)價(jià)跑合方法的重要參數(shù)。

表2 因素水平 Tab.2 Factors and levels

表3 隨機(jī)振動(dòng)載荷譜 Tab.3 Random vibration load spectrum

表4 跑合驗(yàn)證性試驗(yàn)隨機(jī)振動(dòng)載荷譜 Tab.4 Random vibration load spectrum under working conditions of mechanism

微型齒輪機(jī)構(gòu)專用延時(shí)時(shí)間測量設(shè)備示意圖如圖2a 所示，砝碼使機(jī)構(gòu)解鎖，傳感器自動(dòng)開始測定延時(shí)時(shí)間，裝置檢測到機(jī)構(gòu)停止不動(dòng)后，結(jié)束測試，并得到延時(shí)時(shí)間的測試結(jié)果。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)使用的是航天希爾IPA120H/1532M 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)（見圖2b）。試驗(yàn)結(jié)束后，使用JSM-6610 電子顯微鏡進(jìn)行微觀形貌測試，使用基恩士VHX-6000 超景深顯微系統(tǒng)在200 倍放大倍數(shù)下對(duì)機(jī)構(gòu)的平衡擺銷界面進(jìn)行觀察。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備 Fig.2 Test equipment: a) delay time test equipment;b) random vibration test system (IPA120H/15323M)

2 結(jié)果及分析

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

本試驗(yàn)研究選取的評(píng)價(jià)參數(shù)有2 個(gè)，第一個(gè)是延時(shí)時(shí)間變化量，第二個(gè)是平衡擺銷的磨損面積。其中，延時(shí)時(shí)間變化量直接反映了跑合效果的好壞，擺銷磨損面積反映了微型齒輪機(jī)構(gòu)的整體磨損程度[21]。根據(jù)設(shè)計(jì)的試驗(yàn)因素?cái)?shù)和水平數(shù)，選取3 因素3 水平正交試驗(yàn)表L9(34)，設(shè)計(jì)9 組試驗(yàn)，每組分配3 臺(tái)機(jī)構(gòu)，其中2 臺(tái)用于跑合后的延時(shí)時(shí)間變化量測定，1 臺(tái)用于關(guān)鍵摩擦副平衡擺銷磨損面積測試，試驗(yàn)結(jié)果見表5 和圖3。

圖3 正交試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析 Fig.3 Statistical analysis chart of orthogonal test results: a) delay time change;b) wear area of balance pin

表5 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果 Tab.5 Scheme and result of orthogonal test

從試驗(yàn)結(jié)果可知，與未經(jīng)跑合比較，經(jīng)過跑合后延時(shí)時(shí)間變化量低于未跑合的試驗(yàn)組為3#、7#、8#。延時(shí)時(shí)間變化量最小的參數(shù)為各向振動(dòng)時(shí)間 450 min，OX和OZ方向的振動(dòng)能量分別為 6.79g和18.58g；最大的振動(dòng)時(shí)間為90 min，OX和OZ方向的振動(dòng)能量分別為3.92g和18.58g。平衡擺銷的磨損面積最大時(shí)的參數(shù)為各向振動(dòng)時(shí)間810 min，OX和OZ方向的振動(dòng)能量分別為6.79g和15.17g；最小時(shí)為各向振動(dòng)時(shí)間810 min，OX和OZ方向的振動(dòng)能量分別為3.92g和10.73g。

極差分析結(jié)果見表6 和7。極差R的大小代表影響試驗(yàn)結(jié)果的主次程度，R越大，表明該因素對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響越大。由結(jié)果可知，對(duì)于延時(shí)時(shí)間變化量，3 個(gè)影響因素對(duì)應(yīng)的R值分別為0.589、0.399、0.521?？傻谜駝?dòng)時(shí)間為主要影響因素，其次為OZ方向振動(dòng)能量，影響程度最小的是OX方向振動(dòng)能量。對(duì)于平衡擺銷的磨損面積，3 個(gè)影響因素的R值分別為11.25、5.82、8.91。則可得知振動(dòng)時(shí)間為主要影響因素，其次為OZ方向振動(dòng)量值，影響程度最小的是OX方向振動(dòng)能量。

表6 延時(shí)時(shí)間增量的極差分析結(jié)果 Tab.6 Range analysis result of delay time increment

表7 擺銷磨損面積的極差分析結(jié)果 Tab.7 Range analysis result of wear area of balance pin

2.2 跑合參數(shù)對(duì)延時(shí)時(shí)間的影響

根據(jù)正交試驗(yàn)的極差分析結(jié)果得到振動(dòng)時(shí)間的影響趨勢，如圖4 所示。從圖4a 中可知，振動(dòng)時(shí)間為450 min 時(shí)，延時(shí)時(shí)間變化量達(dá)到最低1.121 s，并且在90～450 min 變化較快，在450～810 min 變化緩慢。說明最優(yōu)的跑合振動(dòng)時(shí)間為450 min，超過450 min 會(huì)導(dǎo)致微型齒輪機(jī)構(gòu)的性能逐漸失效。從圖4b 中可知，隨著振動(dòng)能量的增加，延時(shí)時(shí)間變化量呈現(xiàn)一直減小的趨勢。這是由于OX方向振動(dòng)時(shí)，摩擦副界面的接觸形式致使其磨損進(jìn)程較慢，因而沒有出現(xiàn)最小值。理論上，繼續(xù)增加振動(dòng)能量可以加快磨損進(jìn)程，在增加到某個(gè)較大的能量值時(shí)，會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)。從圖4c 中可知，隨著振動(dòng)能量的增加，延時(shí)時(shí)間增量出現(xiàn)了先減小、后增大的趨勢，振動(dòng)能量為15.17g時(shí)達(dá)到最小值。OZ振動(dòng)方向作為微型齒輪機(jī)構(gòu)的磨損敏感方向，對(duì)摩擦副的磨損影響較為顯著，能量的增大導(dǎo)致各摩擦副界面的相對(duì)位移和載荷增大。當(dāng)振動(dòng)能量較小時(shí)，跑合效果一般；振動(dòng)能量較大時(shí)，導(dǎo)致摩擦副過度磨損，使機(jī)構(gòu)加速進(jìn)入失效階段[22]。

圖4 各因素對(duì)延時(shí)時(shí)間變化量的影響 Fig.4 Trend graph of effects of various factors on variation of delay time: a) vibration time;b) random vibration energy in the OX direction;c) random vibration energy in the OZ direction

2.3 跑合參數(shù)對(duì)磨損面積的影響

根據(jù)正交試驗(yàn)的極差分析結(jié)果得到的平衡擺銷磨損面積影響趨勢如圖5 所示。從圖5a 中可知，隨著振動(dòng)時(shí)間的增加，磨損面積呈現(xiàn)先減小、后增加的趨勢，在90～450 min 變化較為緩慢，在450～810 min 變化較快，并且在振動(dòng)時(shí)間為450 min 時(shí)到達(dá)最小值。根據(jù)跑合理論，不同工況下其最佳表面狀態(tài)不同，當(dāng)達(dá)到與工況相適應(yīng)的表面狀態(tài)時(shí)，其磨損速率會(huì)達(dá)到最小。因此，最優(yōu)的跑合振動(dòng)時(shí)間即為磨損面積最小的振動(dòng)時(shí)間450 min。從圖5b 中可得知，隨著振動(dòng)能量的增加，磨損面積逐漸增大，并且在振動(dòng)能量3.92g～5.54g與5.54g～6.79g這2 個(gè)區(qū)間，磨損面積增速有變大的趨勢。由于OX方向的振動(dòng)能量較小，對(duì)微型齒輪機(jī)構(gòu)摩擦副界面磨損的影響不顯著，因而并不能從磨損面積的變化判斷其最優(yōu)參數(shù)。圖5c中，磨損面積隨著振動(dòng)能量增加而呈現(xiàn)增加趨勢，但是在振動(dòng)能量為 15.17g～18.58g內(nèi)的磨損速率已經(jīng)開始趨于緩慢，小于10.73g～15.17g的磨損速率，說明振動(dòng)能量為15.17g時(shí)，表界面的磨損速率開始趨于緩慢。

圖5 各因素對(duì)平衡擺銷磨損面積的影響 Fig.5 Trend diagram of effects of various factors on wear area of balance pin: a) vibration time;b) random vibration energy in the OX direction;c) random vibration energy in the OZ direction

2.4 齒輪機(jī)構(gòu)的磨損機(jī)制分析

跑合過程是表界面變化的過程，振動(dòng)時(shí)間對(duì)表界面的變化影響最大是由于機(jī)械力作用循環(huán)次數(shù)的增加，微型齒輪機(jī)構(gòu)的摩擦磨損對(duì)OZ方向的振動(dòng)能量較敏感，是接觸形式和振動(dòng)能量大小的雙重作用導(dǎo)致的。OX方向的振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致微型齒輪機(jī)構(gòu)的限位滑塊 由于慣性而上下滑動(dòng)，使驅(qū)動(dòng)齒輪往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)，各摩擦界面的摩擦磨損不充分，因此低振動(dòng)能量的OX方向振動(dòng)對(duì)機(jī)構(gòu)各摩擦副界面磨損的影響不顯著。OZ方向振動(dòng)時(shí)，各摩擦副界面處于持續(xù)接觸狀態(tài)，此時(shí)各摩擦副界面在OZ方向上發(fā)生了滑動(dòng)摩擦磨損，如圖6 所示。

圖6 OZ 方向振動(dòng)引發(fā)的滑動(dòng)磨損 Fig.6 Schematic diagram of sliding wear caused by vibration in the OZ direction

微型齒輪機(jī)構(gòu)在振動(dòng)時(shí)間為270 min 時(shí)，不同振動(dòng)方向和振動(dòng)能量條件下所觀察到的各摩擦副的磨痕形貌如圖7 和圖8 所示。從圖7 和圖8 中可知，OX方向的振動(dòng)結(jié)束后，各摩擦副沒有顯著變化，而OZ方向的振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)束后，各摩擦副的界面發(fā)生了 嚴(yán)重的磨損，并沿振動(dòng)方向出現(xiàn)了被擠推到磨痕周圍的油泥和磨屑，可見微型齒輪機(jī)構(gòu)各摩擦副的磨損對(duì)OZ方向的振動(dòng)較為敏感。隨著OZ振動(dòng)能量的增加，振動(dòng)臺(tái)施加的試驗(yàn)推力增大，以及振動(dòng)過程中的最大位移增加，將間接導(dǎo)致接觸面的載荷、滑動(dòng)速度以及磨損面積的增加，從而顯著影響跑合表面的磨損程度[23]。

圖7 在OX 方向振動(dòng)時(shí)間為270 min、振動(dòng)能量為 6.79g 條件下摩擦副的表面形貌 Fig.7 Surface morphology of friction pair under the condition of vibration time of 270 min in the OX direction and vibration energy of 6.79 g: a) balance pin;b) gear shaft end;c) tooth surface of gear shaft

圖8 在OZ 方向振動(dòng)時(shí)間為270 min、振動(dòng)能量為 18.58g 條件下摩擦副的表面形貌 Fig.8 Surface morphology of friction pair under the condition of vibration time of 270 min in the OZ direction and vibration energy of 18.58 g: a) balance pin;b) gear shaft end;c) tooth surface of gear shaft

從延時(shí)時(shí)間變化量試驗(yàn)結(jié)果來看，8#參數(shù)組合下的結(jié)果最小，跑合效果最好，研究其表界面的摩擦磨損行為對(duì)工程應(yīng)用具有重大意義。將8#試驗(yàn)后的微型齒輪機(jī)構(gòu)拆卸進(jìn)行觀察，齒輪副表和擺銷表面的微觀形貌如圖9、10 所示。在放大倍數(shù)500 倍的條件下能夠觀察到齒輪副表界面存在很多的犁溝，而在平衡擺銷上有大量細(xì)小的磨屑堆積，兩者的磨損形式都屬于磨粒磨損（如圖9 所示）。微型齒輪機(jī)構(gòu)中的齒輪副的磨損是金屬表面間的摩擦磨損，接觸面凹凸峰的相互切削作用相對(duì)劇烈。平衡擺銷的磨損為金屬與非金屬（PEEK）間的摩擦磨損，并且PEEK 材料本身具有自潤滑性，因而在摩擦磨損過程中沒有劇烈的切削作用。

圖9 8#試驗(yàn)條件下的關(guān)鍵摩擦副SEM（500 倍）形貌 Fig.9 SEM images of key friction pair under 8# test conditions: a) gear III;b) balance pin

在1 500 倍下觀察可以發(fā)現(xiàn)，齒輪副輪齒表面存在大量的剝落坑和剝落物，并且剝落碎片的形狀以及剝落坑的形成方向與OZ振動(dòng)方向一致（如圖10 所示），進(jìn)一步證明了OX方向的振動(dòng)對(duì)表界面的影響不顯著。跑合過程初期，表界面一般伴隨著較為劇烈的機(jī)械作用，接觸表面的凹凸體會(huì)由于剪切力的作用產(chǎn)生大量的剝落和犁溝，形成一定量的磨屑以及脫落物。磨屑進(jìn)入接觸區(qū)，增加了接觸表面的切向力，不斷產(chǎn)生新的表面，進(jìn)一步對(duì)表界面進(jìn)行跑合[24-26]。

圖10 8#試驗(yàn)條件下齒輪三齒面的SEM（1 500 倍）形貌 Fig.10 SEM images (1 500 times) of gear three tooth surface under 8# test conditions

3 結(jié)論

本文基于隨機(jī)振動(dòng)設(shè)備，通過正交試驗(yàn)研究了振動(dòng)時(shí)間、OX和OZ方向的振動(dòng)能量對(duì)微型齒輪機(jī)構(gòu)跑合效果以及磨損程度的影響規(guī)律，并通過極差分析得到最優(yōu)的跑合方法，主要結(jié)論如下：

1）正交試驗(yàn)結(jié)果表明，3 個(gè)因素對(duì)微型齒輪機(jī)構(gòu)的跑合影響主次為振動(dòng)時(shí)間＞OZ方向振動(dòng)能量＞OX方向振動(dòng)能量。

2）根據(jù)延時(shí)時(shí)間變化量以及平衡擺銷磨損面積，綜合選取的最優(yōu)跑合方法參數(shù)為振動(dòng)時(shí)間450 min，OX方向振動(dòng)能量6.79g，OZ方向振動(dòng)能量15.17g。

3）微型齒輪機(jī)構(gòu)的磨損對(duì)OZ方向的振動(dòng)較敏感，原因是OZ方向的振動(dòng)有利于摩擦副界面充分持續(xù)地進(jìn)行滑動(dòng)摩擦磨損過程，并且OZ方向的隨機(jī)振動(dòng)會(huì)促進(jìn)表面材料的剝落，進(jìn)一步對(duì)新鮮表面進(jìn)行跑合，達(dá)到較好的跑合效果。