基于正交試驗聚酰亞胺摩擦學性能分析

閻紅娟，崔 皓，司麗娜，劉峰斌，袁美霞

（1.北方工業大學機械與材料工程學院，北京 100144；2.北京建筑大學機電與車輛工程學院，北京 100044）

引言

針對保持架在實際運轉過程中存在的磨損問題，利用正交試驗方法研究了多因素耦合對聚酰亞胺摩擦學性能影響，利用極差和方差分析法研究各因素的主次順序和顯著性，在此基礎上揭示了聚酰亞胺磨損機理，為空間軸承保持架的實際應用提供理論支持[1]。

1 實驗方法

1.1 實驗原料及制備

聚酰亞胺材料購買于上海合成樹脂研究所，外圓直徑為Φ42 mm，內孔直徑為Φ22 mm，厚度為5 mm。潤滑油選用4129 軸承潤滑油，40 ℃時運動黏度60 mm2/s，閃點為270 ℃，凝點為-57 ℃。

1.2 摩擦磨損試驗及表征

使用移液器將潤滑油滴到試樣表面，靜置12 h潤滑油充分浸入聚酰亞胺試樣。使用CFT-1 型多功能材料表面性能綜合測試儀對聚酰亞胺試樣進行往復摩擦磨損試驗，對磨球材料為GCr15，直徑為Φ6 mm，往復實驗長度為5 mm，實驗時間為30 min，潤滑條件、法向載荷、往復頻率按照正交試驗設計參數[2]。使用Pulisite 華志PTY-224/323 電子天平測量摩擦試驗前后的試樣質量，使用奧林巴斯LEXT OLS4100 激光掃描顯微鏡觀察磨痕形貌，在磨痕不同位置測量磨痕截面輪廓，重復3 次計算平均值，作為磨痕截面積A，磨損體積V 為：

V=A×L （1）式中：A 表示磨痕截面積，L 表示實驗往復長度。

由磨痕體積根據經典磨損方程計算磨損率W：

式中：V 表示磨損體積（mm3）；d 表示滑動距離（m），d=L×2×f×t，f 表示摩擦往復頻率；F 表示法向載荷（N）。

1.3 正交試驗方案

使用正交試驗方法研究多因素耦合對聚酰亞胺摩擦學性能影響，建立五因素四水平L16(45)正交試驗表，其中D、E 元素為空列。

根據正交試驗方案進行摩擦磨損試驗，每種試驗條件重復3 次，以摩擦系數、磨損率等為評價指標，利用極差和方差分析法研究各個因素對聚酰亞胺摩擦學性能的影響主次順序、水平、顯著性等。

2 實驗結果與討論

2.1 極差分析結果

由表1 中極差R 分析可知：以摩擦系數為考察指標時RA>RB>RC，因此影響聚酰亞胺材料摩擦系數主次順序是潤滑條件、法向載荷、往復頻率。以磨損率為考察指標時RA>RC>RB，因此影響聚酰亞胺材料磨損率因素的主次順序為潤滑條件、往復頻率、法向載荷[3]。

表1 摩擦試驗數據極差分析

為了能更直接的表現出試驗各個因素對摩擦系數的影響規律和趨勢，根據數據繪制因素水平趨勢圖，圖1、b、c 是以摩擦系數為考察指標的潤滑條件、法向載荷、往復頻率水平變化趨勢圖。從中可以看出各因素水平不同時摩擦系數的變化，摩擦系數最小的各因素 水 平 分 別 為：A4B4C2，即潤滑條件為30 μl，法向載荷為20.0 N，往復頻率為1 400 次·min-1。摩擦系數最大的各因素水平分別為A1B1C1，即潤滑條件為干摩擦，法向載荷為12.5 N，往復頻率為1 200 次·min-1。

圖1 因素水平變化趨勢圖

圖2a、b、c 是以磨損率為考察指標時潤滑條件、法向載荷、往復頻率水平變化趨勢圖。從中可以看出各因素水平不同時磨損率的變化，磨損率最小的試驗條件為：A4B4C4，即潤滑條件為30 μl，法向載荷為20.0 N，往復頻率為1 800 次·min-1。磨損率最大的各因素水平分別為A1B1C1，即潤滑條件為干摩擦，法向載荷為12.5 N，往復頻率為1 200 次·min-1。

圖2 各因素水平變化趨勢圖

以摩擦系數和磨損率最小為考察指標，影響因素潤滑條件和法向載荷的水平一致，均為A4B4，即潤滑條件為30 μl，法向載荷為20.0 N。根據綜合平衡法往復頻率對磨損率影響較大，因此以磨損率為指標選擇往復頻率水平C4，即往復頻率為1 800 次·min-1。因此，摩擦系數和磨損率最小時，試驗條件為：A4B4C4。

以摩擦系數和磨損率最大為考察指標，兩個指標的分析結果一致，均為A1B1C1，即潤滑條件為干摩擦，法向載荷為12.5 N，往復頻率為1 200 次·min-1。

2.2 方差分析結果

計算各因素的偏差平方和、誤差平方和、自由度、均方值、統計量F 值填入表2、表3 中，影響聚酰亞胺材料摩擦系數和磨損率主次順序與方差分析結果相同，其中潤滑條件對摩擦系數影響顯著。

表2 摩擦系數為指標方差分析表

表3 磨損率為指標方差分析表

3 結論

選用潤滑條件、法向載荷、往復頻率作為影響因素，設計了三因素四水平正交試驗，以摩擦系數和磨損率為考察指標，使用極差分析法分析了影響因素的主次順序，使用方差分析各因素影響的顯著性[4]。

利用綜合平衡法分析多目標優化試驗條件，摩擦系數最小的各因素水平分別為：A4B4C2；以磨損率為考察指標時，磨損率最小的試驗條件為：A4B4C4；根據綜合平衡法往復頻率對磨損率影響較大，因此以磨損率為指標選擇往復頻率水平C4。當摩擦系數和磨損率最小時，試驗條件為：A4B4C4，即潤滑條件為30 μl，法向載荷為20.0 N，往復頻率為1 800 次·min-1，磨損機理主要是磨粒磨損。利用方差分析法分析了各因素影響顯著性，其中潤滑條件對摩擦系數和磨損率影響顯著。