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1、桨-毂轴承材料扭动微动磨损行为研究 周明琢 张耕培 卢文龙 张坡 刘晓军 彭和平 华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室 长江大学电子信息学院 江汉大学机电与建筑工程学院 摘 要： 采用面接触扭动微动形式, 以动力定位系统可调距螺旋桨桨-毂轴承摩擦副材料 (CuNiAl-42CrMo4) 为对象, 以不同的角位移幅值模拟海水波动影响下的微动磨损行为, 并结合扫描电子显微镜和超景深三维显微镜对磨痕形貌进行分析, 探究桨-毂轴承摩擦副材料扭动微动磨损规律。结果表明, 随着角位移幅值的增加, 扭动微动依次运行于部分滑移区、混合区、滑移区, 摩擦因数减小, 同时磨损量增加, 微动损伤中剥层机制所
2、占的比例逐渐增加, 且由于疲劳裂纹扩展的不利影响, 实际运行过程中要尽量避开混合区。关键词： 面接触; 扭动微动; 角位移幅值; 摩擦因数; 磨损机制; 作者简介：周明琢, 女, 1993 年生。华中科技大学机械科学与工程学院硕士研究生。主要研究方向为微动磨损。作者简介：张耕培 (通信作者) , 男, 1984 年生。长江大学电子信息学院讲师。E-mail:judge-。作者简介：卢文龙, 男, 1981 年生。华中科技大学机械科学与工程学院副教授、博士。作者简介：张坡, 男, 1988 年生。华中科技大学机械科学与工程学院博士研究生。作者简介：刘晓军, 男, 1968 年生。华中科技大学机械
3、科学与工程学院教授、博士研究生导师。作者简介：彭和平, 男, 1966 年生。江汉大学机电与建筑工程学院教授。收稿日期：2016-11-22基金：国家重点基础研究发展计划 (973 计划) 资助项目 (2014CB046705) Research on Torsional Fretting Wear Behaviors of Material in Hub BearingsZHOU Mingzhuo ZHANG Gengpei LU Wenlong ZHANG Po LIU Xiaojun PENG Heping State Key Lab of Digital Manufacturing E
4、quipment and Technology, Huazhong University of Science and Technology; School of Electronics and Information, Yangtze University; School of Mechatronics and Architecture Engineering, Jianghan University; Abstract： The torsional fretting wear behavior researches of CuNiAl against 42 CrMo4 in a contr
5、ollable pitch propeller of dynamic positioning system were carried out on flat-on-flat contact under various angular displacement amplitudes simulating sea waves.The fretting wear appearances were discussed combined with the micro-examinations of the wear scar with scanning electron microscope and u
6、ltra-depth three-dimensional microscope, and the rule of torsional fretting wear behavior researches of CuNiAl against 42 CrMo4 was investigated.The results indicate that with the increase of the angular displacement amplitudes the fretting running regimes change from partial slip regime to gross sl
7、ip regime, corresponding to the decrease of the friction coefficients.And the damages of the torsional fretting become more and more severe while delamination tend to be the major wear mechanism at the same time.The mixed fretting regime should be avoided on account of the crack propagation which go
8、es against the life time of the hub bearings.Keyword： flat-on-flat contact; torsional fretting; angular displacement amplitude; friction coefficient; wear mechanism; Received： 2016-11-220 引言扭动微动为紧密接触的配合件间幅度极小的相对扭转运动, 会导致配合面磨损以及疲劳裂纹的萌生和扩展等, 缩短构件使用寿命1, 多发于振动环境, 例如输送管道中的球阀、人工关节和连接紧固件等2-4。微动的接触形式分为点接触、线
9、接触、面接触, 不同的接触形式对应不同的接触压力、接触刚度和磨屑, 进而表现出不同的微动运行行为, 针对不同的研究对象应选择适当的实验方式。目前的微动磨损研究中, 点接触形式的研究较为成熟, 文献5-7采用简化的球/平面模型, 对微动过程中载荷、角位移幅值的影响进行了大量相关的实验, 涉及 LZ50、1045 钢、Ti6Al7Nb 等多种材料, 并结合润滑、涂层以及微动运行工况进行了研究。涉及具体的工况则微动接触的形式各有不同, 文献8以点接触的形式研究了风力发电机转盘轴承的微动磨损情况, 并结合实际工况将微动运行形式转化为润滑脂参与的切向、径向复合微动磨损;文献9采用线接触的方式研究了冲击载
10、荷和不同温度作用下的 690 合金管的微动磨损特性;文献10选择球壳接触模型人工颈椎间盘的扭动微动磨损行为进行了研究;文献11采用面接触的形式研究了植入髋关节的微动腐蚀行为;文献12同样采用平面/平面的接触形式进行了聚四氟乙烯扭动微动磨损行为研究。轴承是机械装备中的核心连接元件。文献13-19的研究表明, 海洋石油井潜油泵可倾瓦止推轴承、船用动力定位系统可调距螺旋桨的桨-毂轴承, 其磨擦磨损特性, 将严重影响相关装备在运行过程中的平稳性和使用寿命。由此, 本文结合桨-毂轴承摩擦副的实际工况, 采用面接触扭动微动实验方式, 以角位移幅值变化模拟海水的波动影响, 研究可调距螺旋桨桨-毂结合面 Cu
11、NiAl-42CrMo4 摩擦副在极端的干摩擦条件下的扭动微动磨损行为, 探索其微动运行机制和损伤机理。1 实验部分图 1 中, 桨-毂结合面 1 在离心力的作用下紧密接触, 且由于受到海水波动、机构中间隙以及液压油的弹性黏性的影响, 导致扭动微动磨损, 其微动磨损的距离甚至达到了滑动磨损的 5 倍, 且随着磨损量的增大使结合面 2 处的间隙增大, 导致 O 形密封圈密封失效, 严重影响了可调距螺旋桨的寿命。本文据此设计了扭动微动磨损实验装置。图 1 可调距螺旋桨的装配图 Fig.1 Assembly of a controllable pitch propeller 下载原图1.1 实验装置
12、实验在自制的面接触扭动微动磨损实验机上进行, 实验装置示意图见图 2, 主要由扭矩传感器、上试样夹具、环形上试样、盘状下试样、下试样夹具、驱动电机构成。实验过程中, 通过增减砝码控制载荷, 通过数据采集系统控制回转电机以一定的频率和角位移幅值 运转, 同时通过连接在上试样夹具上的扭矩传感器记录微动过程中的摩擦扭矩 T, 实时显示每一个循环里摩擦扭矩随角位移幅值的变化情况。另一方面, 在面接触的情况下, 为了增大接触面压强, 加快磨损实验的进度, 应减小接触面的面积, 同时保证接触的稳定性, 避免跳变, 故将上试样设计为两个对称的八分之一圆环20, 如图 2 左下所示。图 2 面接触扭动微动磨损
13、实验机示意图 Fig.2 Schematic of torsional fretting wear test rig tester for flat-on-flat configuration 下载原图1.2 材料和方法实验材料的选择基于可调距螺旋桨桨-毂结合面的实际情况, 上试样选用曲柄销盘对应的材料 42CrMo4, 其化学成分如表 1 所示, 屈服强度 550MPa, 抗拉强度800MPa, 弹性模量 2.1210MPa;下试样选用桨毂所用的材料 CuNiAl, 其化学成分如表 2 所示, 屈服强度 250MPa, 抗拉强度 650MPa, 弹性模量 121GPa。所有试样均经过机械研磨
14、和抛光, 表面粗糙度 Ra 约为 1m, 且实验前用酒精进行超声清洗并干燥。表 1 42CrMo4 成分表 Tab.1 Composition of 42CrMo4 下载原表 表 2 CuNiAl 成分表 Tab.2 Composition of CuNiAl 下载原表 扭动微动实验法向载荷 Fn依据可调距螺旋桨桨-毂结合面在一定转速下承受的离心力计算所得, 近似取为 10N;实际工况中桨毂结合面在海水波动的影响下, 微动幅值在 0500m 之间19, 相应地, 实验中的角位移幅值 依次设定为0.1、0.5、1.5、3;循环次数 N=20 000。实验环境为大气, 温度 23左右, 相对湿度
15、RH 为 40%45%。实验后, 用光学显微镜 (OM) 和 Quanta650 FEG 场发射扫描电子显微镜 (SEM) (工作电压 10kV) 对磨痕形貌进行观察, 并用超景深三维显微镜对磨损体积进行测量。2 结果与讨论2.1 微动运行区域特性大量扭动微动磨损实验结果表明, 接触表面间的摩擦扭矩和角位移幅值 (T-) 曲线是反映微动运行区域特性的重要信息2, 而角位移幅值则是影响扭动微动磨损的重要参量。图 3 所示为不同角位移幅值下随循环周次变化的摩擦扭矩-角位移幅值曲线。图 3 不同角位移幅值下随循环次数变化的 T- 曲线 Fig.3 T-curves under different n
16、umber of cycles and angular displacements 下载原图当角位移幅值 =0.1时, 如图 3a 所示, 三种载荷下的 T- 曲线都呈现近似直线形, 接触界面之间的相对位移主要通过材料的弹性变形和极少量的塑性变形协调, 摩擦扭矩较小且前后变化不大, 微动运行于部分滑移区。当角位移幅值 =0.5时, 如图 3b 所示, 在循环的早期阶段, T- 曲线为平行四边形, 且于约 1000 次循环后有向椭圆形转变的趋势, 即微动运行状态由完全滑移状态向部分滑移状态转变, 微动运行于混合区。这是由于前期主要受表面层的影响, 且塑性变形较小, 但随着循环次数的增加, 由于加工硬化的影响, 材料塑性变形的难度增加, 使微动由完全滑移状态向部分滑移状态转变。当角位移幅值 进一步增大到 1.5直至 3, 如图 3c 和图 3d 所示, T- 曲线在 20 000 次循环中始终呈
