運動副硬顆粒磨損力學機制*

程鵬飛,武正權

(1.河南工學院 機械工程學院,河南 新鄉453003;2.新鄉市機電產品數字化設計與制造重點實驗室,河南 新鄉453003)

0 引言

顆粒磨損問題廣泛存在于機械摩擦與密封等工程領域,如煤炭破碎機、球磨機、金屬硬密封等。設備運行過程中,硬顆粒不可避免地介入到運動副內,使運動副表面發生快速磨損,造成設備過早損壞,是機械工程領域中亟待解決的問題之一[1,2]。

楊樹君等[3]發現密封界面間硬顆粒介入運動副界面是設備密封失效的主要原因之一,這對界面摩擦與密封意義重大。徐克寶等[4]研究了摩擦副顆粒磨損機理及軌跡,指出此過程對某一具體顆粒來說是局部或微小的,而對于無數的顆粒來說則是宏觀、巨大的。鄭金鵬等[5]研究了Al2O3硬質顆粒尺寸對其橡膠-金屬界面摩擦行為的影響,結果表明大尺寸硬顆粒會加速橡膠的磨損,小尺寸顆粒介入反而能減緩橡膠的磨損速度。盡管界面顆粒磨損研究意義明顯,但限于實驗條件的制約,此方面的研究仍有很多不足之處。

離散元(Discrete Element Method,DEM)是研究粉末顆粒物質內部力學特性的有效方法之一。通過PFC軟件平臺不僅可以得到顆粒間力傳遞路徑,還可以可視化其力鏈分布特征,目前已成為顆粒介質力學機理研究的主要技術手段。Xiu等[6]利用平行板顆粒流剪切模型分析了顆粒剪切膨脹對其力鏈演變的影響,結果表明顆粒剪切膨脹存在三階段,當其力鏈方向傾向于y軸時工件表面磨損加劇。Meng等[7]利用平行板顆粒剪切模型研究了軸承顆粒流潤滑力學機制,結果表明力鏈的穩定性與顆粒流動狀態密切關聯,力鏈波動越顯著則顆粒潤滑效果越差。Dai等[8]通過剪切試驗分析了顆粒摩擦與顆粒尺寸對其力學機制的影響,結果表明大尺寸顆粒剪切膨脹現象更為劇烈。Zhang等[9]采用離散元方法分析了粉末壓實過程中的力鏈特性,結果表明強力鏈大多位于摩擦力大的顆粒上。張煒與孟凡凈等[10,11]的研究結果表明,顆粒間摩擦與顆粒-側壁摩擦會對鐵粉壓制力鏈特征的演化存在明顯影響。

盡管界面顆粒介質力學機制研究文獻較多,然大多集中于顆粒潤滑方向,運動副硬顆粒磨損力學機制的研究目前仍鮮有報道。為此,本文將摩擦學實驗與離散元仿真相結合,對運動副界面硬顆粒磨損機理及力學機制進行探索,以為機械摩擦與密封裝置的性能提升奠定理論與技術基礎。

1 摩擦實驗與數值仿真

1.1 硬顆粒材料選擇

煤炭是我國的主要一次性能源,電力主要依靠燃燒煤炭來獲得。為了提高煤炭的燃燒效率,通常對煤炭進行破碎篩分。破碎過程中煤炭顆粒極易進入運動副間,造成破碎設備過早失效。為了研究顆粒硬度、摩擦因數等參數對運動副表面磨損的影響,在此選擇了不同硬度的煤炭及三氧化二鋁顆粒進行研究,實驗顆粒如圖1所示。

(a)三氧化二鋁 (b)煤炭 圖1 硬顆粒介質

1.2 摩擦磨損實驗

摩擦實驗在MWF-500往復式摩擦磨損試驗機(MWF-500,濟南華興試驗設備有限公司,濟南)上進行,下試樣為65Mn試件,用石蠟固定于摩擦試驗機載物槽內。上試件為氧化鋯陶瓷球,直徑6.5mm。實驗前在摩擦副界面間填充一定厚度的煤粉與三氧化二鋁顆粒(直徑約為28μm),摩擦行程6mm,速度為5mm/s,法向載荷30N,試驗時間10min。摩擦系數由試驗機軟件測量給出,試樣重復實驗3次,取其平均值作為最終實驗結果。實驗完成后用超景深顯微鏡(Leica DM2500徠卡顯微系統,德國)對表面磨損形貌進行觀測,目鏡倍數10×,物鏡倍數4×—1000×。

1.3 離散單元法仿真

離散元(Discrete Element Method,DEM)是研究粉末顆粒物質力學機理的最有效方法之一,在此利用已有PFC2D軟件建立了平行板剪切滑移硬顆粒磨損仿真模型,如圖2所示。

圖2 平行板剪切滑移硬顆粒磨損模型

模擬采用Hertz-Mindlin接觸模型,模型寬0.85mm、長1.7mm,三體顆粒數量1300個,顆粒粒徑21-41μm。顆粒在模型中均布,無黏性接觸。一體施加x向與旋轉約束,沿y軸負方向施加法向載荷。二體為無限長線性墻體,施加x軸正方向勻速剪切驅動。為保證顆粒能夠以同樣的速度與位置出現在模型另一側,模型邊界采用周期性條件。一體材料為65Mn,二體材料為陶瓷,三體顆粒分別為三氧化二鋁與煤炭顆粒。一體法向載荷為2.5 MPa,與顆粒接觸摩擦系數則通過初始化試驗進行確定,三體顆粒間摩擦系數則是通過DEM模型與摩擦學試驗綜合確定。

表1 一體、二體材料力學特性

表2 三體材料力學特性

2 實驗結果與分析

2.1 運動副界面摩擦系數

摩擦系數是界面摩擦學特性的主要衡量指標之一,直接反應界面間的硬顆粒接觸狀態與流動狀態。為此,采集了硬顆粒界面間的摩擦系數數據,見圖3所示。

(a)實時摩擦系數 (b)摩擦系數對比圖3 硬顆粒界面摩擦系數

由圖3可以看出,界面間硬質顆粒介質不同,其界面摩擦系數也不相同。煤炭顆粒界面的摩擦系數為0.109,三氧化二鋁顆粒界面的摩擦系數為0.318。表明顆粒介質特性對界面摩擦系數有著明顯的影響,煤炭顆粒硬度較低,界面摩擦系數較小,而三氧化二鋁顆粒硬度較高,界面摩擦系數明顯增大。

2.2 運動副表面磨損

磨損量是運動副摩擦學特征的另一主要衡量指標,直接決定零件的磨損壽命。在此采集了運動副表面磨損形貌,結果如圖4所示。

圖4 煤炭與三氧化二鋁硬顆粒表面磨損形貌

可以看出界面間硬顆粒介質不同,其表面磨損程度也不相同。煤炭顆粒的表面磨痕深度較淺,磨損程度低。三氧化二鋁顆粒磨痕寬度較大,磨損程度高。再者,兩種顆粒介質的磨痕特性也不相同,煤炭顆粒副表面磨痕具有類點蝕狀特征,也就是說表面主要以壓痕為主,刮擦劃痕很少;而三氧化二鋁顆粒的表面磨痕以刮擦磨痕為主,表明顆粒與摩擦副表面存在相對的滑動,硬顆粒在運動副表面產生了微切削效果。

綜上所述可以判定,運動副界面間兩種硬顆粒的流動形態存在差異。煤炭顆粒的滑移流動形態較弱,而三氧化二鋁顆粒以滑移流動為主。產生上述結果的原因為煤炭顆粒硬度低,表面粘性大,在運動副界面間不易流動;而三氧化二鋁顆粒硬度高,表面粘性小,容易形成滑移流動形態。為了驗證此推論,本文利用離散元方法進行了硬顆粒剪切滑移的力鏈特性研究。

3 數值仿真結果與分析

3.1 力鏈分布形態

圖5為煤炭與三氧化二鋁顆粒的力鏈特性數值仿真結果,圖5(a)為三氧化二鋁顆粒的力鏈分布特性,圖5(b)為煤炭顆粒的力鏈分布特性,可以看出兩種硬質顆粒的力鏈分布形態存在明顯差異。

(a)三氧化二鋁

三氧化二鋁顆粒的力鏈分布相對集中,力鏈網格結構整體呈x軸傾斜狀態。煤炭顆粒的力鏈分布相對分散,大體方向偏向于y軸,力鏈網格結構整體呈y軸傾斜狀態。這主要是由于三氧化二鋁顆粒的硬度較高,表面粘性較小,顆粒間的接觸偏向于慣性運動,其系統運動偏向于x軸方向,處于快速流動力學狀態。而煤炭顆粒的硬度較低,表面粘性較大,偏向于粘彈性接觸,致使顆粒系統運動偏向于y軸堵塞動力學狀態。

3.2 顆粒剪切膨脹現象

圖6、圖7為煤炭與三氧化二鋁顆粒剪切膨脹數值仿真結果,圖6為三氧化二鋁顆粒,圖7為煤炭顆粒。

圖6 三氧化二鋁顆粒剪切膨脹現象

圖7 煤炭顆粒剪切膨脹現象

離散元中將顆粒“翻越”的過程稱為剪切膨脹現象,并且剪切膨脹過程具有周期性,能夠在顆粒系統剪切過程中不斷地發生。可以看出兩種硬質顆粒均出現了剪切膨脹現象,在剪切膨脹過程中力鏈的演變規律同時發生變化。在圖6(a)和圖7(a)的顆粒上升階段中,三氧化二鋁顆粒系統橫向的力鏈相比煤炭顆粒系統更多,顆粒之間形成了穩定的三角形狀力鏈結構,而煤碳顆粒系統則形成“Y”狀力鏈結構。在圖6(b)和圖7(b)的最高點階段中,三氧化二鋁顆粒系統的豎向力鏈偏向于流動方向,而煤碳顆粒系統的豎向力鏈方向與流動方向相反。說明了煤炭顆粒的剪切膨脹現象更明顯,其穩定性較差。

3.3 驅動面法向力

硬顆粒與驅動面的法向作用力直接影響運動副表面的摩擦與磨損,為進一步分析硬顆粒介質對運動副表面的作用,在此提取了驅動面法相載荷,見圖8所示。

圖8 驅動板所受法向力

可以看出,盡管兩種顆粒數值仿真模型所施加的法向載荷相同,但顆粒介質對驅動面的法向反力卻相差較大。三氧化二鋁顆粒在剪切膨脹的最高點時法向力具有較大的波動,但剪脹顆粒在下降過程中法向力會降到很低的水平。煤炭顆粒在剪切膨脹的最高點時法向力相對穩定,但剪脹顆粒在下降過程中的法向力要明顯大于同階段的三氧化二鋁顆粒。煤炭顆粒法向力整體處于較高水平,而三氧化二鋁的法向力雖小,但是在剪切膨脹的最高點時法向力波動較大。為此,堵塞的煤碳顆粒在高表面粘性的作用下凝聚成塊,在其剪切膨脹過程中硬化并對運動副表面產生了類點蝕狀磨痕。而三氧化二鋁硬度高,表面能低,在其快速穩定的流出摩擦副時,產生了刮擦磨痕。

4 結論

本文利用實驗與數值仿真相結合的方法對兩種硬度顆粒的運動副表面磨損力學機制進行了研究,得到了界面摩擦系數、磨損形貌、顆粒硬度與其力鏈特性的關聯規律,通過分析所得主要結論如下:

1)兩種顆粒介質的硬度對運動副界面摩擦系數與表面磨損形貌均有影響,三氧化二鋁顆粒的硬度較高,則界面摩擦系數與表面磨損量較大。煤炭顆粒的硬度較低,其磨損量較小且表面形貌特征也不同。煤炭顆粒主要為類點蝕磨損為主,而三氧化二鋁則為刮擦磨損為主。

2)煤炭顆粒在運動副間更容易發生剪切膨脹現象,其流動為堵塞動力學狀態。堵塞的煤碳顆粒在高表面粘性的作用下凝聚變硬,從而在運動副表面產生了類點蝕狀磨痕;而三氧化二鋁顆粒呈現慣性運動形態,在其快速穩定地流動時,產生了刮擦磨痕。