多功能微動磨損試驗機的研制

張曉宇， 向友文， 袁新璐， 匡 陶， 詹 弘， 姜 成

（1.西南交通大學(xué)a.機械工程學(xué)院；b.分析測試中心，成都 610031；2.成都大學(xué)機械工程學(xué)院，成都 610106）

0 引言

微動是指兩個固體接觸表面之間發(fā)生極小位移幅值（通常在微米量級）的相對運動，它會引起零部件的咬合、松動，或污染源的形成等問題［1-2］。微動損傷普遍存在于各個領(lǐng)域，柴油機軸瓦處的微動磨損影響整機可靠性［3］；航空漸開線花鍵齒面間極易發(fā)生微動，降低航空傳動系的可靠性［4-5］；核電設(shè)備中的微動是不可避免的，微動是核電設(shè)備提前損傷失效的直接原因［6-7］；人工植入關(guān)節(jié)處容易形成微動摩擦幅，微動導(dǎo)致人工關(guān)節(jié)與宿主骨組織之間松動［8-9］。根據(jù)微動運行工況和條件，將微動分為微動磨損、微動疲勞和微動腐蝕［10］。微動磨損是導(dǎo)致微動疲勞和微動腐蝕的誘發(fā)因素，它是目前微動損傷領(lǐng)域研究的熱點。磨損試驗是揭示微動磨損機理的有效手段，而試驗機是研究微動磨損問題的關(guān)鍵設(shè)備。

Rtec公司研制具有超低溫工況，高溫工況，電化學(xué)腐蝕工況等多種類型微動磨損試驗機，最新的微動試驗機采用音圈電機驅(qū)動，位移幅值在5 μm ～5 mm之間［11］。Optimol 研制的SRV-Ⅳ型號微動磨損試驗機，可在振幅0 ～5 mm、載荷10 ～2000 N、頻率1 ～511 Hz、溫度-30 ～900 ℃范圍內(nèi)對各種油、脂、潤滑材料在微動或振動運動形式下減摩抗磨及抗疲勞性能的評定，模擬工況條件［12］。合肥工業(yè)大學(xué)研制的銷盤式摩擦試驗機，通過彈簧進行加載，加熱圈加熱工件實現(xiàn)高溫環(huán)境的試驗研究［13］。南京航空航天大學(xué)使用FTM200 摩擦磨損試驗機進行低溫環(huán)境下的微動磨損試驗，位移幅值為0 ～5 mm，該試驗機采用直線電磁驅(qū)動，半導(dǎo)體制冷片對試件進行降溫［14-15］。目前的微動磨損試驗機位移控制精度少數(shù)可達到微米級，可提供多種試驗工況，但是位移控制精度高且可實現(xiàn)多種工況的復(fù)合型多功能微動磨損試驗機較少。

為此，本文研制一臺位移控制精度達到微米級、能進行多種工況下微動磨損試驗的微動磨損試驗機，具有靜態(tài)載荷模塊、動態(tài)載荷模塊、高溫模塊和低溫模塊4 個功能模塊，準確可靠完成各工況下的微動磨損試驗。

1 試驗機簡介

1.1 工作原理

本文的多功能微動磨損試驗機采用壓電陶瓷驅(qū)動器作為微動位移的輸出源，配套的高壓壓電控制器可精準控制位移輸出量。利用伺服直線滑臺加載裝置對試驗樣品進行法向加載，高精度傳感器實時測定位移、摩擦力和正壓力信號。微動磨損試驗機工作原理圖見圖1 所示。利用NI 數(shù)據(jù)采集卡配合LABVIEW 軟件對壓電陶瓷驅(qū)動器，步進電機進行控制，對傳感器信號進行實時采集、記錄和顯示。

圖1 微動磨損試驗機工作原理

1.2 結(jié)構(gòu)組成

多功能微動磨損試驗機由機械系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等組成。

（1）機械系統(tǒng)。由機架、微動驅(qū)動裝置、樣品臺和法向加載裝置4 部分組成，結(jié)構(gòu)簡圖如圖2 所示。

（2）信號采集系統(tǒng)及控制系統(tǒng)。由傳感器、信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡等組成，采用電阻應(yīng)變片式位移傳感器、應(yīng)變片式正壓力傳感器和壓電式摩擦力傳感器分別測定微動位移、正壓力和摩擦力?？刂葡到y(tǒng)包含各類驅(qū)動器和計算機通信軟件，使用LABVIEW 軟件完成發(fā)生控制信號和數(shù)據(jù)處理、存儲、顯示的功能。圖3 所示為試驗機數(shù)據(jù)顯示界面，圖4 所示為多功能微動磨損試驗機實物圖。

圖3 試驗機數(shù)據(jù)顯示界面

圖4 多功能微動磨損試驗機實物

1.3 技術(shù)參數(shù)

多功能微動磨損試驗機可完成不同載荷、不同位移、不同位移頻率；多種試驗工況（動態(tài)載荷、高溫、低溫等）下的微動磨損試驗。試驗機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗機主要技術(shù)參數(shù)

2 功能模塊驗證

2.1 位移控制

位移是微動磨損最主要的影響因素之一，也是微動磨損試驗機最重要的技術(shù)指標［15］。在法向荷載為50 N，頻率為5 Hz 的條件下，開展不同位移幅值D（0.25 ～40 μm）的切向微動磨損試驗，測得的位移幅值和摩擦力F曲線如圖5 所示。結(jié)果表明該試驗機位移控制精度高，且數(shù)據(jù)波動小。

圖5 實驗測得不同位移幅值與摩擦力曲線

2.2 動態(tài)載荷模塊試驗

圖6 所示為動載荷試驗裝置結(jié)構(gòu)圖，該裝置可產(chǎn)生穩(wěn)定的法向動態(tài)接觸壓力，在靜載荷50 N 基礎(chǔ)上，施加幅值為12.87 N，頻率為10 Hz的動態(tài)載荷，然后進行D=10 μm的微動磨損試驗。試驗結(jié)果繪制切向摩擦力位移循環(huán)次數(shù)（Ft-D-N）曲線，如圖7 所示。由圖可知，法向動態(tài)載荷對摩擦界面的切向力產(chǎn)生影響，即摩擦力產(chǎn)生波動。

圖6 動載荷試驗裝置結(jié)構(gòu)

圖7 動態(tài)載荷下的切向摩擦力位移循環(huán)曲線

2.3 高溫模塊試驗

圖8 所示為高溫環(huán)境中微動試驗。由圖可見，高溫模塊的專用夾具工裝，通過高溫電熱管對樣品進行局部加熱，薄片溫度傳感器檢測樣品附近溫度，同時配合高精度PID溫控器實現(xiàn)精準控溫，使高溫試驗溫度誤差控制在±0.1 ℃范圍內(nèi)。圖9 所示為相同位移和載荷條件下，不同溫度（200、300、400 ℃）下鋯合金的微動磨損形貌圖。由圖可見，溫度升高，損傷面積有擴大趨勢。

圖8 高溫環(huán)境的微動試驗場景

圖9 不同溫度下鋯合金微動磨損形貌圖

2.4 低溫模塊試驗

圖10 所示為-10 ℃低溫環(huán)境中微動試驗場景。由圖可見，使用半導(dǎo)體制冷片對樣品周圍進行降溫，配合使用PID溫控器實現(xiàn)對溫度的精準控制。圖11 所示為相同試驗條件，銅合金材料在常溫與低溫環(huán)境下摩擦因數(shù)對比圖。由圖可見，低溫環(huán)境下的摩擦因數(shù)低于常溫，分析可能是低溫下水蒸氣凝結(jié)形成的水膜起到摩擦潤滑的作用。

圖11 常溫與低溫下摩擦因數(shù)對比圖

3 結(jié)語

本文自主研制的多功能微動磨損試驗機位移控制精度高，具有常溫靜載、動態(tài)載荷、高溫和低溫等多個功能模塊，通過試驗驗證了各個模塊可穩(wěn)定可靠的實現(xiàn)預(yù)期功能。結(jié)果表明：①該試驗機能準確輸出位移信號，傳感器抗干擾能力強，位移控制精度高；②該試驗機能穩(wěn)定可靠的完成常溫靜載、動態(tài)載荷、高溫和低溫工況下的微動磨損試驗，動態(tài)載荷輸出穩(wěn)定準確，高低溫工況下溫度誤差控制在±0.1 ℃范圍內(nèi)；③該試驗機輸出數(shù)據(jù)準確可靠，所得數(shù)據(jù)能真實反映材料的損傷特性。