低頻往復擺動式模擬平臺摩擦特性及實驗研究

王仲楠,王武義，張廣玉

(哈爾濱工業大學 機電工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

?

低頻往復擺動式模擬平臺摩擦特性及實驗研究

王仲楠,王武義，張廣玉

(哈爾濱工業大學 機電工程學院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

摘要：由于基于MEMS微構件摩擦測試技術存在局限性，開發了新型微摩擦測試系統，用于金屬、非金屬和高分子材料表面的摩擦特性研究。基于擺動平臺的工作原理及運動數學模型，設計了由電磁力驅動的可變頻率擺動機構，用于實現樣本的往復滑動；并應用新型微、納測量頭施加法向載荷。任意選取鋼、玻璃和聚四氟乙烯3種試樣，與金屬小鋼球構成不同的摩擦副，進行了變法向載荷、變擺動頻率的多次測量實驗，得到了各摩擦副中的瞬時摩擦力和瞬時摩擦系數。通過實驗分析發現，在微小法向載荷作用下，模擬平臺可以實現微動摩擦的相對滑動模擬，獲得的摩擦特性與文獻中的結論相一致，說明該低頻往復式微動磨損測試系統具有可靠性和工作穩定性。

關鍵詞：微動磨損；往復擺動平臺；法向載荷；滑動摩擦系數；擺動頻率

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160127.1137.018.html

微動是發生在法向加載力作用下兩個接觸表面之間微小的切向位移時。微動現象不僅會存在于機構中材料之間的微動磨損，也會由微動疲勞產生。微動會引起機械零部件的接觸表面受到破壞，也會引起裂紋的萌生、擴展與斷裂，最終導致機構無法正常運行。微動與其他的接觸方式不同, 往往存在于機構內緊配合部位，不易被發現。目前，微動摩擦學的研究越來越受到國內外學者的廣泛重視，已經成了摩擦學中的一個重要分支，在當今世界科學和經濟發展中具有非常重要意義。

對于MEMS/NEMS系統的材料微動磨損研究，影響的因素很多，如法向加載力和微動頻率的變化[1]以及不同材料表面的質量[2]。關于微動磨損的研究，當前主要是基于實驗的方法。例如，文獻[3]進行了微觀摩擦與表面形貌相關性研究，采用了美國CETR公司生產的UMT-2MT摩擦試驗機，加載范圍為0～10-3N，分辨率為0.1 mN，摩擦方式為直徑3 mm的氮化硅陶瓷球與圓盤的勻速直線運動；文獻[4]基于自制的微動磨損實驗裝置，觀察各種表面材料組合對微動磨損的影響。但是這類實驗設備比較昂貴。為此，英國華威大學的Derek教授領導他的團隊研制了通用于一般機構和MEMS/NEMS材料的微觀摩擦特性檢測的電磁加載微摩擦測量頭裝置及其試驗系統[3]。

本文在此研究的基礎上，結合摩擦學的測試方法和原理。介紹了一種新型微摩擦測試系統，開發了低頻往復擺動模擬運動平臺，并在該平臺上進行了金屬、非金屬和高分子材料的變載荷、變頻率的微動摩擦測試，分析了不同材料的摩擦特性規律，以檢驗系統工作的基本性能和可靠性。

1低頻往復式模擬平臺的設計

新型微摩擦測試系統主要由微摩擦測量頭裝置和低頻往復式模擬平臺組成，如圖1所示。其中，微摩擦測量頭[5]是由英國華威大學Dr.Alsoufi研發，主要用于樣本的切向、法向載荷加載以及瞬時摩擦力的測量。其原理是通過線圈電流控制與較硬的飽和磁鐵相互作用的磁場來產生作用在樣本上的垂直和側向力，以及利用無屏蔽非接觸式渦流傳感器測得的懸臂梁偏轉來計算摩擦力。該設計的優點在于適用于樣本的多種移動方式、達到100 nm的位移分辨率以及超過160 Hz的工作帶寬。

注：1.磁鐵線圈；2.非接觸式渦流傳感器；3.電磁力驅動器；4.擺動架； 5.樣本；6.激光位移傳感器　　　　　　圖1　新型微摩擦測試系統Fig.1　A novel micro-tribological testing system

本文設計了低頻往復模擬平臺，其原理是由電磁力驅動擺動機構，并通過改變電壓信號頻率和幅值來控制機構的擺動頻率和振幅。它主要是由激光位移傳感器、擺動機構、電磁力驅動裝置和功率振蕩器組成。其中，激光位移傳感器主要是用于測量樣本的水平移動距離；電磁力驅動裝置能使擺動架在水平方向上往復擺動，并應用功率振蕩器來設定不同的摩擦測試條件。該平臺具體的設備參數為:驅動電壓信號頻率范圍從0～25 Hz，激光位移傳感器的可測行程為0～6.35 mm，擺動機構的剛度為2 680 N/m，擺動機構的共振頻率達到69.9 Hz，擺動臺的總質量為32.4 g。

圖1中標注的樣本[5]，上試樣可為圓球或圓筒，它固定于懸臂梁端部的樣本架上；下試樣的形狀可為一個平面或者圓筒，并與擺動機構固連。因此，通過更換上、下試樣，可以模擬樣本間不同摩擦副的摩擦，用于分析材料表面的摩擦特性。

2擺動平臺工作原理及運動數學模型

圖2中的下試樣與擺動架一起作往復運動。如圖3所示，垂直加載力Fn對上試樣加載，交變驅動載荷Fg作用于擺動架端部一側。擺動架在Fg驅動下，做往復式擺動運動，設其端部的軌跡為弧線，擺動角度為θ，將擺動架視作一個桿件。為了模擬實際微動工況，使得兩個接觸表面之間產生微小振幅的振動，設定Fg的信號形式為正弦周期信號：

(1)

式中：Fg為電磁驅動力；F0為振幅；f為頻率；φ為初始相位角，為計算方便，不妨取φ=0。

圖1中傳感器[6]輸出信號頻率應該等于電磁驅動力信號頻率f，其幅值等于擺動架擺動一個周期行程的1/2。下試樣受到的力有摩擦力Ff和電磁驅動力Fg。因當擺動角度θ較小時，sinθ≈θ，故可以認為下試樣與擺動臺一起近似作直線運動。

根據振動理論，擺動架(含下試樣)的運動是正弦力作用下的有阻尼受迫振動，其振動微分方程為

(2)

式中：m為往復擺動機構總質量,p為電磁驅動力的圓頻率。式(2)的解可以寫成：

(3)

式中：第1項x1(t)是非齊次方程式(2)的特解(受迫振動)；第2項代表齊次方程式(2)的通解(固有振動)；A和φ是由起始條件所決定的常數，同樣可設φ=0。由于系統中有摩擦，固有振動總會逐漸消失，而只剩下受迫振動，所以，x1(t)就是受迫振動的解，令x(t)=x1(t)，則

(4)

其中，

(5)

(6)

式中v(t)為擺動架的運動速度。已知x(t)和v(t)還可得到擺動架加速度a(t)：

(7)

由式(5)可以算出擺動架振幅。本文用激光傳感器直接測得擺動架位移振幅值，則由式(4)、(6)、(7)直接求出最大位移、最大速度、最大加速度值，并且可以看出，它們與Fg的圓頻率和振幅F0有關。

圖2　平臺裝置Fig.2　Diagram of reciprocating platform

圖3　擺動架及摩擦副受力Fig.3　Diagram of oscillation mechanism and friction pair

3摩擦特性測試實驗分析

在室溫為(22±1) ℃和相對濕度為(40±5)%的環境中，對新型微摩擦測試系統進行了標定和實驗條件設定，其結果為：法向載荷的施加范圍為0～60 mN，測法向載荷和摩擦力的傳感器靈敏度標定結果分別為42.730 μm/V和47.640 μm/V，懸臂梁的垂直和橫向加載標定剛度為1 917 N/m和1 930 N/m，擺動機構的半周期行程、最大擺動速度、最大加速度和半角分別為75 μm、341 μm/s、3.575 μm/s2和0.031 054°。

為了驗證本文設計的低頻往復式模擬平臺的工作穩定性和可靠性，需要通過摩擦測試實驗結果來分析樣本表面的摩擦特性。實驗中，上試樣為直徑?1 mm的小鋼球，下試樣選取了鋼、玻璃和聚四氟乙烯(PTFE)這三種不同的金屬、非金屬、高分子材料，尺寸均為10 mm×10 mm×1 mm。實驗前，應用Bruker公司提供的ContourGT-I型3D光學顯微鏡對樣本進行了3D表面測量實驗，如圖4、5所示，分別為鋼和PTFE表面形貌和參數，其中鋼的表面粗糙度為Ra=87.803nm，PTFE的表面粗糙度為Ra=2.221μm。

圖4　不銹鋼試樣的表面形貌和參數Fig.4　Surface topography and parameters of steel specimen

圖5　PTFE試樣的表面形貌和參數Fig.5　Surface topography and parameters of PTFE specimen

3.1變法向載荷的瞬時滑動摩擦系數測試

設定電磁驅動力信號周期分別為250 ms(頻率為4 Hz)和400 ms(頻率為2.5 Hz)。每次實驗中，在樣本的卸載和加載后，均由異丙酮對上、下試樣進行清洗。測試系統采樣頻率為200 Hz，擺動循環次數設定為20 000，法向載荷分別設定為9.65、21.66、33.78、46.68、58.83 mN的5次加載。選取采集測試數據中的一個周期為計算樣本，計算出瞬時滑動摩擦系數-法向載荷曲線(見圖6、7)。

圖6　擺動頻率為2.5 Hz時摩擦系數與法向載荷的變化曲線Fig.6　The variation of CoF with normal load(f=2.5 Hz)

圖7　擺動頻率為4 Hz時摩擦系數與法向載荷的變化曲線Fig.7　The variation of CoF with normal load(f=4 Hz)

3.2變擺動頻率的瞬時滑動摩擦系數測試

增加擺動頻率，選取電磁驅動信號周期分別為400、250、200、160 ms(頻率依次為2.5、4、5、6.25 Hz)。選用與3.1節中相同的清洗條件、采樣頻率和擺動循環次數，并選取較高的法向載荷(46.68 mN和58.83 mN)進行測試，得到瞬時摩擦系數與擺動頻率的關系曲線(見圖8、9)。

圖8　法向載荷為46.68 mN時摩擦系數與擺動頻率變化曲線Fig.8　The curves between CoF and frequency(Fn=46.68 mN)

圖9　法向載荷為58.83 mN時摩擦系數與擺動頻率變化曲線Fig.9　The curves between CoF and frequency(Fn=58.83 mN)

3.3樣本的3D表面粗糙度測量實驗

在完成摩擦測試實驗后，對選取的樣本再一次進行了3D表面測量實驗，得到了鋼和PTFE表面形貌和參數值，如圖10、11所示，其中鋼的表面粗糙度為Ra=97.376nm，PTFE的表面粗糙度為Ra=2.056μm。

由以上實驗結果可以看出材料的表面形貌、法向載荷、擺動頻率對瞬時滑動摩擦系數的影響，分析如下：

1)法向載荷與瞬時摩擦系數之間的關系。在圖5、6中，無論是金屬和非金屬材料，在兩種不同的擺動頻率下，其瞬時滑動摩擦系數均隨著法向載荷的變小而迅速的上升，且當擺動頻率為2.5 Hz時，樣本的上升趨勢更為明顯。這與文獻[6-7]中的論述相一致。另外，高分子材料PTFE的滑動摩擦系數值相對較低，這與文獻[8-10]中闡述的“PTFE有較小的摩擦，易于劃損從而影響測量”的論述相符，且這種現象歸因于表面化學效應和較軟表面的改性。

2)擺動頻率與瞬時摩擦系數之間的關系。從圖8和圖9中可以看出，在法向載荷為46.68 mN時，隨著擺動頻率的增加，三種樣本基本維持在摩擦系數0.15～0.2；而在58.83 mN加載力的作用下，樣本的摩擦系數變化范圍更小。這與文獻[11]中摩擦系數不依賴于滑動速度的說法相吻合。

3)同一材料在不同表面粗糙度下進行實驗測量對摩擦系數的影響。通過對實驗前后，兩次樣本表面形貌的測量結果進行對比，發現樣本表面的粗糙度變化不是非常明顯。其中，PTFE可能受到劃損的影響，其表面粗糙度只是稍有變化。因此，證明了在微動摩擦測試中，樣本表面的磨損量幾乎可以忽略不計，對滑動摩擦系數影響較小。

由此看出，通過摩擦測試實驗，在分析樣本表面摩擦特性的基礎上，結合相關文獻的結論，驗證了本文設計的低頻往復式模擬平臺具有工作穩定性和使用可靠性。

圖10　不銹鋼試樣的表面形貌和參數(實驗后)Fig.10　Surface topography and parameters of 　　steel specimen (post-experiment)

圖11　PTFE試樣的表面形貌和參數(實驗后)Fig.11　Surface topography and parameters of 　　PTFE specimen (post-experiment)

4結論

本文在文獻[3]的基礎上，對新研制的低頻往復式模擬平臺，進行了微小法向載荷下不同材料的高副摩擦副的瞬時滑動摩擦系數測試實驗。在變法向載荷和不同的擺動頻率下，分析了樣本形貌、法向載荷和擺動頻率對瞬時滑動摩擦系數的影響。得到了如下結論：

1)金屬和非金屬材料，在兩種不同的擺動頻率下產生的摩擦系數變化與文獻[6-7]中的論述相一致。而PTFE的較低摩擦系數是由于材料表面化學效應和較軟表面改性的原因而易于劃損。

2)在法向載荷為46.68 mN和58.83 mN時，得到與文獻[11]中的摩擦系數不依賴于滑動速度的相一致的論證結果。

3) 同一材料在不同表面粗糙度下的磨損量幾乎可以忽略不計，對滑動摩擦系數影響較小。

以上結論表明了往復擺動平臺可以模擬金屬或非金屬固體摩擦副的微動振動，在微小法向載荷作用下，低頻往復擺動微動磨損測試平臺的摩擦特性與文獻中的結論相一致，樣本的磨損測試實驗可靠，通過增加擺動頻率還可以進行一定的加速壽命試驗。而對于提高精度測試、優化摩擦副結構和增加試樣類型等儀器方面的改進還需進一步的研究。

參考文獻：

[1]KU I S Y, REDDYHOFF T, CHOO J H, et al. A novel tribometer for the measurement of friction in MEMS[J]. Tribology international, 2010, 43(5/6): 1087-1090.

[2]CHETWYND D G, ALSOUFI M S. A novel micro-friction measuring-head using force-feedback compensation[C]//6th International Symposium on Precision Engineering Measurements and Instrumentation. Hangzhou, China, 2010: 754417-9.

[3]LAI Tianmao, HUANG Ping. Study on microscale adhesion between solid surfaces with scanning probe[J]. Science China technological sciences, 2013, 56(12): 2934-2952.

[4]CHO Y J, KIM T W. Measurement of wear and friction coefficients for the prediction of fretting wear[J]. Journal of the korean society of tribologists and lubrication engineers, 2012, 28(3): 124-129.

[5]ALSOUFI M S, CHETWYND D G. A novel design of multi-function micro-tribometer for MEMS/NEMS materials [C]// The 4th Saudi International Conference. Manchester, UK, 2010.

[6]Bhushan B. Nanotribology and nanomechanics[J]. Wear, 2005, 259(7-12): 1507-1531.

[7] BRAIMAN Y, BARHEN J, PROTOPOPESCU V. Control of friction at the nanoscale[J]. Physical review letters, 2010, 90(9): 094301.

[8]MYSHKIN N K, PETROKOVETS M I, KOVALEV A V. Tribology of polymers: Adhesion, friction, wear, and mass-transfer[J]. Tribology international, 2005, 38(11/12): 910-921.

[9]WEI C, WANG C I, TAI F C, et al. The effect of CNT content on the surface and mechanical properties of CNTs doped diamond like carbon films[J]. Diamond and related materials, 2010, 19(5/6): 562-566.

[10]REES B L. Static friction of bulk polymers over a temperature range[J]. Research, 1957, 10: 331-338.

收稿日期：2014-12-15.

基金項目：長江學者和創新團隊發展計劃(IRT1228).

作者簡介：王仲楠(1984-), 男, 博士研究生； 通信作者：王武義, E-mail: wangwuyi@hit.edu.cn.

doi:10.11990/jheu.201412051

中圖分類號：TH117.1； TH703.8； TH873.6

文獻標志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)04-0614-05

Tribological investigation of a low-frequency reciprocating platform

WANG Zhongnan, WANG Wuyi, ZHANG Guangyu

(School of Mechatronics Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

Abstract：In order to overcome limitations of tribological testing techniques for MEMS micro-components, a novel micro-tribometer testing system for determining tribological properties on metal, non-metal, and polymer surfaces has been developed. Based on the operating principle of a reciprocating platform and related mathematical motion models, a variable frequency oscillating mechanism driven by an electromagnetic coil was designed to achieve reciprocating sliding of samples and a new measuring head was applied for normal loads. Steel, glass, and PTFE against a metal ball were used arbitrarily to test the developed device repeatedly under various normal loads and oscillation frequencies. The transient friction force and friction coefficients for different friction pairs were measured. Experimental results show that the developed low-frequency reciprocating platform can simulate relative sliding of fretting friction under small milli-Newton normal loads. The obtained experimental results are consistent with those of other studies, which means the low-frequency reciprocating platform can stably operate and is reliable for use in research on tribological properties.

Keywords：fretting wear; reciprocating platform; normal load; coefficient of friction; oscillation frequency

網絡出版日期：2016-01-27.

王武義(1957-), 男, 教授;

張廣玉(1962-), 男, 教授，博士生導師.