不同載荷下的粉末潤滑機理及理論分析

孔俊超，徐 兵，吳海兵，錢森森，朱宗強

（巢湖學院機械工程學院，合肥 238000）

0 引言

固體粉末潤滑具有適用溫度范圍廣、易冷卻、無油、低摩擦系數等優(yōu)點，可實現嚴酷而特殊工況的潤滑，因而在航空、航天等領域得到廣泛應用[1-2]。目前很多學者開始對粉末潤滑相關課題進行研究[3-5]，而微凸體分布的隨機性、粉末顆粒結構的非均勻性、運動的時變性等使得分析粉末潤滑的力學特性較為困難[6-7]。

目前已有學者開展粉末潤滑界面的載荷和表面形貌對粉末潤滑界面的力學性能分析[8-9]，這些研究大多為試驗研究，較少分析載荷對粉末潤滑力學性能的影響。而粉末潤滑界面的實際載荷不同，其力學特性必定不同，因此有必要對不同載荷下的摩擦界面模擬，分析不同載荷下界面的壓力和摩擦力分布。

本文首先分析不同載荷時粉末層破壞過程的四個階段；再采用真實接觸面積比定量表征粉末層的破壞情況；最后建模分析不同載荷下的界面力學特性，即承載和摩擦力分布，分析載荷對粉末層的局部破壞、局部破壞擴散現象的影響。

1 試驗

1.1 試驗方案設計

圖1為粉末潤滑試驗機的示意圖。上試件（銅合金H62方片）尺寸為40 mm×40 mm×1 mm，目數為400砂紙打磨得到的上試樣平均粗糙度由HTSURF1000型輪廓儀測得為1.038 μm。圖2（a）為HT-SURF1000型輪廓儀。下試件（7105磨砂有機玻璃），其尺寸為30 mm×5 mm×1 mm。下試件作直線往復運動，行程為1 m。平均粒徑35 μm的松散石墨粉末均勻分布在上、下試件的接觸界面。通過增減加載桿上的砝碼可調整載荷大小。

圖1 粉末潤滑試驗機的示意圖

如圖2（b），通過配有CCD數碼相機的倒置光學顯微鏡，利用Image Measure軟件采集并儲存接觸界面的粉末層分布圖像，分析接觸表面的摩擦磨損情況。

1.2 試驗結論

對滑移速率為0.5m/s，粉末量為5 g的粉末潤滑界面的粉末層破壞過程進行試驗研究。試驗過程的恒定載荷分別為5N、20N，粉末層破壞過程如圖3（a）、（b）。不論載荷大小，粉末層的破壞階段一致，包括粉末完整期、局部破壞、局部破壞擴散、完全破壞四個階段[7]。如圖3（a），載荷較?。?N）時，粉末層的局部破壞較慢，而粉末層的局部擴散較快；而如圖3（b），載荷較大（20N）時，粉末層破壞較慢，而粉末層的局部擴散較慢。

圖2 粉末潤滑觀察和測量的試驗設備

圖3 粉末潤滑層破壞過程

1.3 真實接觸面積比

真實接觸面積比是上、下試件接觸界面的實際接觸面積與名義接觸面積比值[10]。采用粉末層的覆蓋面積與名義接觸面積比值來表示真實接觸面積比，可定量分析試件的磨損情況[7,11]。

粉末層的真實接觸面積比求解過程為：首先利用MATLAB對采集的粉末層分布圖像，如圖3（a）、（b），進行灰度處理、二值化處理；再利用閾值分割迭代法[12]計算二值化圖像的真實接觸面積比，如圖4。

圖4 真實接觸面積比變化曲線

如圖4所示，載荷較小（5N）時，起始階段（0-20s），真實面積比較大，為85%，易形成粉末潤滑層，潤滑效果較好；20s之后，試件的真實接觸面積比迅速下降，為60%，粉末潤滑層破壞，潤滑效果較差。而載荷較大（20N）時，起始階段（0-20s），真實面積比較大，為85%，易形成粉末潤滑層，潤滑效果較好；20s之后，試件的真實接觸面積比迅速下降，為45%，粉末潤滑層破壞，潤滑效果較差。說明試件表面載荷或大或小粉末潤滑層都能形成，潤滑效果越好，而載荷大小對粉末潤滑層的破壞有重要影響，載荷大，粉末潤滑層真實接觸面積比迅速下降，即粉末潤滑迅速破壞，磨損越嚴重。

2 理論分析

圖5為不同載荷下的試件接觸界面壓力和摩擦力分布圖。載荷較小時，如圖5（a），粉末層的承載能力小，承載峰值較少，承載不均勻，容易發(fā)生載荷集中，粉末層局部破壞嚴重；對應圖3的起始階段（0-20s），載荷較大時，局部破壞階段較嚴重。如圖5（b），粉末層的剪切力小，出現粉末層局部破壞后，由于上下試件之間發(fā)生相對滑移且剪切力較小粉末層破壞緩慢，因此試件表面粉末層破壞不嚴重，試件不容易磨損；對應圖3的局部破壞擴散階段（20s以后），載荷較大時，局部破壞擴散階段嚴重。

載荷較大時，如圖5（c），粉末層的承載能力大，承載峰值較多，承載均勻，不容易發(fā)生載荷集中，粉末層局部破壞并不嚴重；對應圖3的起始階段（0-20s），載荷較大時，局部破壞階段并不嚴重。如圖5（d），粉末層的剪切力大，出現粉末層局部破壞后，由于上下試件之間發(fā)生相對滑移且剪切力較大粉末層破壞迅速，因此試件表面粉末層破壞嚴重，試件容易磨損。局部破壞擴散階段，明顯粉末層破壞嚴重；對應圖3的局部破壞擴散階段（20s以后），載荷較大時，局部破壞擴散階段嚴重。

圖5 不同載荷的力學分布圖

3 結論

根據對不同載荷下的粉末潤滑過程的試驗探究及理論分析，得到以下幾點結論：

1）不同載荷下，粉末層的破壞形式基本一致，包括完整、局部破壞、局部破壞擴散、完全破壞四個階段。載荷較少，粉末層局部破壞迅速，而局部破壞擴散階段較慢；載荷較大，粉末層局部破壞較慢，而局部破壞擴散較迅速。

2）真實接觸面積比定量表征粉末層的破壞過程，載荷較大，局部破壞擴散階段真實面積比較小，粉末潤滑層易破壞，潤滑效果較差；而載荷較小，試件粉末層不易形成，但不易破壞。

3）建模分析不同載荷下的承載和摩擦力分布，載荷較小則承載較小且承載峰值較少，承載不均勻，容易發(fā)生載荷集中，粉末層局部破壞嚴重，真實接觸面積比迅速下降。載荷較大，承載較大且承載峰值較多，承載均勻，粉末層破壞不嚴重，潤滑效果好。而載荷較大則剪切力較大，粉末層局部破壞后，上下試件之間發(fā)生相對滑移且剪切力較大粉末層迅速破壞，粉末層局部破壞擴散較快，真實接觸面積比迅速下降。