滑－滾比與加工精度對鋼－鋼線接觸復合磨損量影響研究

王順，王聰慧，羅雙強，王麗慧

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滑－滾比與加工精度對鋼－鋼線接觸復合磨損量影響研究

王順，王聰慧*，羅雙強，王麗慧

（吉林大學 機械科學與工程學院，吉林 長春 130022）

在M2000A摩擦磨損試驗機上，稱重法研究了表面淬火處理的45#鋼－45#鋼線接觸摩擦副復合磨損量隨時間的變化。分析了滑－滾比和加工精度在接觸的不同階段對磨損量的影響。結果表明，磨損量隨相對滑動速度增加而增大；組成摩擦副的兩表面加工精度相同，則有利于降低磨損量。在同一摩擦副中，加工精度較低的表面磨損量較小。在機械零件復合接觸設計中，通過摩擦副中配對表面加工精度可以控制兩個表面的相對磨損量，但并不能改變摩擦副總磨損量。

滑－滾比；加工精度；復合磨損；磨損率

作為機械零件基本失效形式之一，磨損不僅影響機器及零件性能和壽命，也導致材料的嚴重浪費，人們從未停止過對磨損問題的研究。Archard[1]提出的粘著磨損理論是磨損研究的重要成果，許多研究都以該理論為基礎開展[2-4]。影響磨損的因素眾多而且復雜，國內(nèi)外研究者開展了材料[5]、速度[6]、載荷[7]以及環(huán)境[8]等方面的研究，但至今仍未建立廣泛適用的模型，零件的耐磨性設計僅僅采用條件性設計方法。磨損狀態(tài)是零件性能狀況的一個重要指標，王立勇等[9]采用測厚方法研究濕式離合器摩擦片磨損性能并估算磨損狀態(tài)。而滑－滾比和加工精度對磨損性能有著重要的影響[10-11]，已有的研究結論還存在許多爭議，需要進一步開展系統(tǒng)全面的研究工作，特別是在基礎理論尚未取得突破性進展的情況下，實驗研究顯得尤為重要。

本文以工程中廣泛使用的45#鋼－45#鋼線接觸摩擦副為研究對象，淬火處理接觸表面。在M2000A摩擦磨損試驗機上開展無潤滑線接觸復合磨損量隨時間變化研究，探討滑－滾比和加工精度對摩擦副磨損量的影響。

1 實驗設備、實驗方法及樣本制備

1.1 實驗設備和方法

如圖1示，磨損實驗在M2000A型摩擦磨損試驗機上完成。最大載荷為300 N，上試樣可以分別實現(xiàn)360和180 r/min兩種轉(zhuǎn)速，下試樣轉(zhuǎn)速則分別可以實現(xiàn)為400和200 r/min。

圖1 M2000摩擦磨損試驗機和試樣安裝圖

試驗機可以測量復合接觸摩擦副的摩擦力和磨損量，滑－滾比定義如下：

式中：1和2分別為下試樣和上試樣在接觸處的線速度，和分別為試樣的轉(zhuǎn)速和半徑。當＝0時，為純滾動；當＝±2時，為純滑動。試驗時可以通過改變上、下試樣的半徑實現(xiàn)不同滑－滾比接觸。

如圖2所示，磨損量采用感量為1毫克的電子天平測定試樣磨損質(zhì)量。每次測量之前，對測試樣進行清洗、干燥。

圖2 實驗用測量磨損的電子稱

1.2 試樣材料和制備

試樣材料為在工程中廣泛應用的45#鋼，表面淬火處理接觸表面。試樣設計及加工的試樣如圖3所示。

圖3 實驗測試試樣

2 結果及討論

2.1 滑－滾比影響

表1所示為滑－滾比影響研究的實驗參數(shù)。

表1 45#鋼－45#鋼摩擦副的滑－滾比影響研究實驗參數(shù)（載荷：200 N）

圖4為兩種滑－滾比下摩擦副上、下試樣磨損量隨時間變化的測量結果。圖中可見，滑－滾比絕對值越大，即接觸表面相對滑動速度越大，磨損量越大。盡管上、下試樣的材料和加工精度相同，但下試樣的磨損量遠遠大于上試樣。這主要是因為下試樣轉(zhuǎn)速快且外徑小，單位時間內(nèi)下試樣表面微凸體接觸頻率比上試樣高，溫升快，磨損率大，導致下試樣的磨損量比上試樣大。而且，隨時間增長，磨損量的差別不斷加大。磨損量大的下試樣磨損質(zhì)量加速增長，磨損量小的下試樣磨損量增長越來越緩慢。可以推斷，接觸時間繼續(xù)變長，下試樣磨損量不會再增加，摩擦副總磨損量主要來自下試樣。

圖4 滑－滾比對45#鋼－45#鋼摩擦副磨損量影響

圖5給出兩種滑－滾比情況下，上試樣和下試樣磨損量的比較。從圖5（a）發(fā)現(xiàn)，磨損最初階段兩個上試樣的磨損量出現(xiàn)負值，表面它們的質(zhì)量在增加，這是下試樣磨損顆粒粘附所致。在圖5（b）中，滑－滾比較大的下試樣磨損量隨時間呈線性增加，二者磨損量的差別隨時間不斷增大。

圖5 不同滑－滾比45#鋼－45#鋼摩擦副的上、下試樣磨損量分別比較

2.2 表面加工精度影響

本研究通過固定下試樣表面的加工精度，改變上試樣表面精度來研究表面加工對磨損量的影響。如表2給出了不同加工精度配對的45#鋼-45#鋼四個摩擦副磨損量實驗參數(shù)，滑－滾比＝-0.146。

圖6為根據(jù)表2參數(shù)測定的四對摩擦副磨損量隨時間變化曲線。可以發(fā)現(xiàn)，由加工精度相同表面配對的摩擦副磨損總量小于表面加工精度不同的摩擦副磨損量。而且，加工精度Ra＝1.6mm摩擦副總磨損量（圖6（a））與Ra＝3.2mm（圖6（d））摩擦副總磨損量在不同時間段內(nèi)也基本相同。表明，只要組成摩擦副表面的精度相同，其加工精度對摩擦副磨損總量沒有影響。從圖6（b）和（c）中發(fā)現(xiàn)，兩對摩擦副中的配對表面加工精度剛好相反，但它們總的磨損量也基本相等。只不過由于試樣表面精度及轉(zhuǎn)速不同，配對表面的相對磨損量不同。因此，在復合接觸表面設計中，可以通過改變表面加工精度來控制摩擦副中配對表面的相對磨損量。

由2.1可知，下試樣由于轉(zhuǎn)速較快，同樣加工精度時，其磨損量大于上試樣，這一點與圖6（a）和（b）的結果相同，盡管圖6（b）的上試樣表面加工精度較低些。但圖6（c）中，加工精度較低的下試樣磨損量卻遠低于上試樣，這和前面得到的結論剛好相反。這說明在加工精度不同表面組成的摩擦副中，加工精度較低的表面磨損量較小。至于圖6（d），加工精度相為3.2 μm的上下試樣，下試樣磨損量較低的原因是該試樣表面熱處理硬度略高于上試樣。

表2 45#鋼－45#鋼摩擦副的表面加工精度影響研究實驗參數(shù)（載荷：200 N）

圖6 不同粗糙度表面配對的45#鋼摩擦副上、下試樣磨損量比較

3 結論

在M2000A型摩擦磨損試驗機上研究了滑－滾比和表面加工精度對無潤滑線接觸45#鋼－45#鋼摩擦副磨損量影響隨時間的變化情況進行了研究。主要結論如下：

（1）隨著接觸表面相對滑動速度增加，磨損量相應增加。且磨損增量隨著接觸時間迅速增加。轉(zhuǎn)速較快表面的磨損量大于較低速表面。

（2）組成摩擦副的兩表面加工精度相同時，磨損總量小于加工精度不同的摩擦副。而且此時加工精度對摩擦副總磨損量基本沒影響。

（3）組成摩擦副的兩表面加工精度不相同時，較光滑表面磨損量大于較粗糙表面。在機械零件復合接觸設計中，通過配對表面加工精度設計可以控制兩個表面的相對磨損量，但并不能改變摩擦副總磨損量。

[1]J. F. Archard. Contact and Rubbing of Flat surfaces [J]. J. appl. Phys.，1953，24（8）.

[2]Telliskivi T. Simulation of wear in a rolling–sliding contact by a semi-Winkler model and the Archard’s wear law[J]. Wear，2004，256（S7-8）：817-831.

[3]王超，胡亞輝，譚雁清，崔洪胤. 基于Archard磨損理論的滑動導軌磨損率預測模型研究[J]. 潤滑與密封，2014，39（8）：73-76.

[4]林高用，馮迪，鄭小燕，楊偉，孫利平. 基于Archard理論的擠壓次數(shù)對模具磨損量的影響分析[J]. 中南大學學報（自然科學版），2009，40（5）：1245-1254.

[5]唐漢玲，曾燮榕，熊信柏，李龍，鄒繼兆. 短切碳纖維含量對C_(sf)/SiC復合材料摩擦磨損性能的影響[J]. 材料科學與工程學報，2008，26（4）：501-505.

[6]肖鵬，熊翔，任蕓蕓. 制動速度對C/C-SiC復合材料摩擦磨損性能的影響[J]. 摩擦學學報，2006，26（1）：12-17.

[7]葛毅成，易茂中. 載荷、時間、速度對C/C復合材料摩擦磨損行為的影響[J]. 中國有色金屬學報，2006，16（2）：241-246.

[8]劉勇，羅崇泰，葉鑄玉，等. MoS_2/石墨濺射涂層在真空中不同載荷下的摩擦磨損行為研究[J]. 潤滑與密封，2007，32（11）：131-132.

[9]王立勇，陳曦，李樂，李浩. 濕式離合器摩擦片磨損量實驗與測試方法研究[J]. 儀器儀表學報，2016，37（S）：28-33.

[10]張德坤，段俊杰. GCr15 球-盤點接觸摩擦副的滑滾摩擦磨損特性研究[J]. 徐州工程學院學報（自然科學版），2014，29（4）：7-12.

[11]黃建龍，吳建宏，黨興武. 表面粗糙度對GCr15/35CrMo摩擦副摩擦磨損特性的影響[J]. 表面技術，2013，42（4）：62-64.

Effects of Roll-Slide Ratio and Machine Precision Wear Volume of Steel-Steel Rubbing Pair in Composite Line Contacts

WANG Shun，WANG Conghui，LUO Shuangqiang，WANG Lihui

( School of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China )

On M2000A-type tribometer, Composite wear volume of 45#steel-45#steel rubbing pairs in line contacts was measured by weight method. Effects of contact roll-slide ratio and machine precision of contact surfaces on wear volume were analyzed. The results suggest that wear volume increases with relative sliding velocity. And a rubbing pair, which consists of two surfaces with the same machine, shows lower wears volume. In a rubbing pair, a surface with lower precision shows lower wears volume. In composite contact design, relative wear volumes of two mating surfaces in a rubbing pair may be controlled by designing the two surfaces' precision, but the total volume of the pair wear can be altered.

roll-slide ratio；machine precision；composite wear；wear ratio

TH161+.5

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.006

1006－0316 (2018) 01－0029－05

2017－07－14

吉林大學網(wǎng)絡虛擬實驗項目——科技成果轉(zhuǎn)化類（VE2015012）

王順（1972－），男，吉林磐石人，博士，副教授，主要研究方向為機械設計及理論；羅雙強（1988－），男，湖北荊州人，碩士，主要研究方向為機械設計及理論；王麗慧（1972－），女，吉林九臺人，碩士，高級工程師，主要研究方向為實驗測試技術。

通訊作者：王聰慧（1979－），女，遼寧法庫人，博士，副教授，主要研究方向為機械設計及理論。