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a.機械工程學院；b.分析測試中心，成都 610031；2.成都大學機械工程學院，成都 610106）

0 引言

微動是指兩個固體接觸表面之間發生極小位移幅值（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生微動，降低航空傳動系的可靠性［4-5］；核電設備中的微動是不可避免的，微動是核電設備提前損傷失效的直接原因［6-7］；人工植入關節處容易形成微動摩擦幅，微動導致人工關節與宿主骨組織之間松動［8-9］。根據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］。微動磨損是導致微動疲勞和微動腐蝕的誘發因素，它是目前微動損傷領域研究的熱點。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鍵設備。

Rtec公司研制具有超低溫工況，高溫工況，電化學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］。合肥工業大學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高溫環境的試驗研究［13］。南京航空航天大學使用FTM200 摩擦磨損試驗機進行低溫環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動，半導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多種工況的復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，具有靜態載荷模塊、動態載荷模塊、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 數據采集卡配合LABVIEW 軟件對壓電陶瓷驅動器，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 結構組成

多功能微動磨損試驗機由機械系統、信號采集系統及控制系統等組成。

（1）機械系統。由機架、微動驅動裝置、樣品臺和法向加載裝置4 部分組成，結構簡圖如圖2 所示。

（2）信號采集系統及控制系統。由傳感器、信號調理器、數據采集卡等組成，采用電阻應變片式位移傳感器、應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。控制系統包含各類驅動器和計算機通信軟件，使用LABVIEW 軟件完成發生控制信號和數據處理、存儲、顯示的功能。圖3 所示為試驗機數據顯示界面，圖4 所示為多功能微動磨損試驗機實物圖。

圖3 試驗機數據顯示界面

圖4 多功能微動磨損試驗機實物

1.3 技術參數

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（動態載荷、高溫、低溫等）下的微動磨損試驗。試驗機的主要技術參數見表1。

表1 試驗機主要技術參數

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。結果表明該試驗機位移控制精度高，且數據波動小。

圖5 實驗測得不同位移幅值與摩擦力曲線

2.2 動態載荷模塊試驗

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

圖6 動載荷試驗裝置結構

圖7 動態載荷下的切向摩擦力位移循環曲線

2.3 高溫模塊試驗

圖8 所示為高溫環境中微動試驗。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溫控器實現精準控溫，使高溫試驗溫度誤差控制在±0.1 ℃范圍內。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 ℃低溫環境中微動試驗場景。由圖可見，使用半導體制冷片對樣品周圍進行降溫，配合使用PID溫控器實現對溫度的精準控制。圖11 所示為相同試驗條件，銅合金材料在常溫與低溫環境下摩擦因數對比圖。由圖可見，低溫環境下的摩擦因數低于常溫，分析可能是低溫下水蒸氣凝結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對比圖

3 結語

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定可靠的實現預期功能。結果表明：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該試驗機能穩定可靠的完成常溫靜載、動態載荷、高溫和低溫工況下的微動磨損試驗，動態載荷輸出穩定準確，高低溫工況下溫度誤差控制在±0.1 ℃范圍內；③該試驗機輸出數據準確可靠，所得數據能真實反映材料的損傷特性。