低頻往復式微動磨損測試系統驅動頻率影響及其實驗研究

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)

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低頻往復式微動磨損測試系統驅動頻率影響及其實驗研究

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)

為了研究滿足現代化設備的連續工作條件以及在微型裝置的研制中減小微動磨損的要求,提出一種低成本通用式低頻往復式微動磨損測試系統。通過調節驅動電壓頻率控制運動平臺的滑動速度來測試不同摩擦副間的摩擦系數,并分析樣本間擺動頻率與摩擦系數的關系。開展了硅片、拋光鋁、鋼、玻璃和聚四氟乙烯與金屬鋼球構成摩擦副的微動摩擦測量實驗。結果表明,當擺動頻率小于磨損失效頻率時,在較小和較大載荷作用下,摩擦系數隨擺動頻率增加而近似線性下降;而在載荷較大時,低硬度的摩擦副的摩擦系數是隨著頻率增加而下降,其擺動頻率對摩擦系數的影響與文獻中的變化規律相一致,驗證了該系統的工作可靠性,且研究結果會對微動磨損的下一步研究提供重要的參考價值。

驅動頻率控制; 電磁力驅動裝置; 微動磨損; 法向載荷; 擺動頻率; 摩擦系數

0 引 言

微動磨損是由兩個物體接觸面間因出現周期性的微小振幅而造成損傷的一種磨損形式,會導致機構的使用壽命減少、運行精度和操作可靠性降低。工程中的微動磨損常出現在緊配合部位,難以及時發現和觀察,導致在一段時間后才出現損傷。現代化微型裝置如MEMS/NEMS系統、微型機器人和微型電機等,需要滿足越來越高的連續工作特性和自動化程度,以及復雜多變的工況條件,故微動磨損現象已經不容忽視。

有關微動磨損機理,早在1927年Tomlinson就指出,相對運動是產生微動的必要條件,特別是數量級為幾個納米的極小運動也能產生微動損傷。這種滑移幅值較小的微動問題已經成為當前研究的熱點,但試驗中遇到的一個關鍵問題是如何控制和測量這種運動的微小幅值。赫茲彈性接觸理論是解決球與平面靜態接觸問題的最佳方法,它證明了接觸面上施加切向力會在圓形接觸區外產生滑移,如果施加力產生振蕩,則在滑移區會出現微動現象。

由于發生在真實表面接觸情況下的微動現象非常復雜,故通常采用實驗方法來模擬和研究表面間的接觸情況。英國學者R.B.Waterhouse教授在《微動磨損與微動疲勞》一書中指出,微動磨損測試實驗主要是研究滑移幅值、法向載荷、振動頻率及微動狀態所處的工況(如接觸形式、振動模式及表面狀態等)對微動產生的影響。國內外學者通過大量實驗也已經證明,實際的兩固體界面只在一些較高的微凸體上發生接觸,并由這些不連續的微小接觸點變成了真實的接觸面積,在接觸時產生的變形主要取決于名義應力、表面粗糙度和材料常數等因素,受載接觸表面的變形可能是彈性變形或塑性變形。理想的兩異形固體表面接觸時,如果不考慮其受載后發生的彈性變形,則全部載荷可以認為都作用在一點或一條線上。根據這一假設條件得到的實際載荷作用點位移是不真實的,其原因是假設載荷集中作用于一點與實際情況不符合,故忽略接觸物體在接觸處的幾何形狀不能用來直接計算工程中的接觸問題。為此,根據Tomlinson的“微動滑移”概念和赫茲理論接觸模型,本文提出了一種微動磨損測試系統。選擇球與平面接觸工況,并設計了正弦電磁力驅動的低頻往復式運動平臺來模擬“微動滑移”。該系統可用于研究現代化設備中金屬、非金屬以及高分子聚合物等各種材料在滑移區內的微動狀態。

1 正弦電磁力驅動頻率及裝置

本文研制的低頻往復式微動磨損測試平臺是用于樣本表面間在往復滑動狀態下的摩擦性能檢測設備,配用英國華威大學計量實驗室設計的新型微摩擦測量頭[1-2],組成為一個通用式低頻往復微動磨損測試系統,如圖1所示。其中,新型微摩擦測量頭是用于提供測量實驗中法向載荷的施加和水平摩擦力的測量。

圖1 通用式低頻往復微動磨損測試系統

低頻往復式微動磨損測試平臺主要由激光位移傳感器、擺動架和電磁力驅動裝置組成。擺動架固定在實驗臺的水平方向上,用于承載測試樣本;它的一側與電磁力驅動裝置相連,另一側為激光位移傳感器。電磁力驅動裝置是由鑲嵌在擺動架一側的磁鐵(Φ=1 cm)和同側的螺管線圈,功率振蕩器以及數字式顯示裝置組成,通過調節功率振蕩器的頻率和幅值來驅動電磁力,從而控制擺動架的擺動頻率(速度)和滑移幅度。如圖2所示為測得的功率振蕩器工作頻率為1.67 Hz時的擺動架位移曲線s-t,最大擺動幅度0.375 mm(離開平衡位置距離),最大擺動速度為3.925 mm/s。激光位移傳感器采用波蘭Schmitt公司研發的AR200-6M,用于實時測量和監控擺動架的水平滑移振幅。低頻往復式微動磨損測試平臺的組成部件的性能參數如表1所示。

圖2 擺動頻率為1.67 Hz時擺動架s-t曲線

部件參數擺動架的質量/g33.5擺動架的剛度/(N/m)2680擺動架的固有頻率/Hz69.9功率振蕩器的工作頻率/Hz0～25功率振蕩器的電壓/V0～25傳感器的水平最大位移/mm6.35傳感器的分辨率/μm2

2 微動摩擦原理及其主要影響參數實驗研究

2.1 球-平面多次微凸體接觸面積與法向載荷和材料特性的關系

對于球-平面接觸區圓形接觸面積(見圖3[1]),多次微凸體的接觸,應用赫茲接觸模型簡化計算公式得到圓形接觸面積為

(1)

式中:a為圓形接觸面積;Fn為法向載荷;Re是所受壓力的球的半徑;Ee為彈性模數。Ee通過兩接觸固體的樣式模量Eball、Eflat和他們的泊松比vball、vflat求得

(2)

彎曲變形時的撓度δ為

(3)

赫茲接觸應力分布p為

(4)

(5)

圖3 球-平面接觸微動滑移與受力示意圖

2.2 滑動摩擦系數的影響因素

滑動摩擦是指相互接觸的兩個物體,在外力作用下發生的相對滑動運動。1699年,法國科學家G.Amontons受到達芬奇的著名假說啟發,通過大量的摩擦實驗發現,摩擦力總是等于法向載荷的1/3,而與摩擦材料的表面面積無關[11]。隨后,物理學家C.A.Coulumb在1785年進行了更為詳細的試驗研究后,肯定了Amontons得出的摩擦結論并建立了第四摩擦定律[12]。在古典摩擦定律中,摩擦系數對一定材料來說,是一個常數。然而,經過多年的研究探索,發現許多摩擦結論存在著局限性和不確切性。實際試驗表明,各種材料在不同工況下的摩擦系數是變化的。對于硬材料如(鉆石)或軟材料(如聚四氟乙烯)等,當壓力很大時,摩擦力并不與法向載荷成正比。例如,國內外許多著名學者研究了滑動速度對摩擦系數產生的影響。在不同的實驗條件下得出的結果很不一致。法國人B.Bochet通過機車車輛的制動試驗,得出了摩擦系數隨滑動速度變化的表達式[11]為

μ=K/(1+0.23v)。

(6)

式中:K為對不同材料的系數,例如對干煤鋼軌為0.45,對潮濕鋼軌為0.25;v為滑動速度m/s。而德國學者G.Franke提出的摩擦系數與速度的關系式[12]為

μ=μ0e-cv。

(7)

式中:μ0為靜摩擦系數,c為常數。前蘇聯專家克拉蓋爾斯基,曾根據選定速度范圍和壓力變化范圍做了相關的摩擦系數測試實驗,得到了摩擦系數與滑動速度的關系[13]為

μ=(a+bv)e-cv+d。

(8)

式中a、b、c、d是與摩擦材料及載荷大小有關的常數。

由式(8)得到圖4[13]表示的不同載荷下滑動速度與摩擦系數的關系曲線。在中等載荷時,當速度v較小,摩擦系數會隨著滑動速度的變化而達到一個最大值,負載越大和表面越硬的物體,摩擦系數的最大值就會越靠近坐標原點。然而,在更高的速度下,強烈的摩擦熱會改變材料表面接觸層的狀態,可能會使表層大面積呈熔化狀態,導致摩擦系數隨著滑動速度v的進一步增大而顯著降低。

圖4 不同載荷下滑動速度與摩擦系數的關系曲線

3 低載荷下變驅動電壓頻率的摩擦系數測試

測試實驗的目的在于通過調節驅動電壓頻率來獲得不同材料在設定載荷下的摩擦系數,進而分析電磁力驅動裝置和往復平臺之間有效的頻率控制范圍。

經對系統進行標定,得到測量頭的載荷范圍為0～60 mN,實驗中選取3個設定值(9.65、46.68、58.83 mN)來分別進行微動摩擦測試。尺寸為10×10×1 mm3的硅片、鋼、玻璃、拋光鋁和聚四氟乙烯5種不同材料,與直徑為1 mm的小鋼球構成不同的摩擦副。電磁線圈驅動頻率的范圍在1.5～10 Hz之間,在實驗中設定的驅動頻率為1.67 Hz,5 Hz和8 Hz。測試是在溫度為22 ℃和相對濕度為43%的密閉實驗室中進行的。根據圖4的關系曲線可以看出:

1)小載荷下,無論何種摩擦副,擺動頻率越高摩擦系數越小,特別是鋼和拋光鋁樣件的摩擦系數近似指數下降,與文獻[13]中摩擦系數與速度的關系式(2)相符。但是,在圖5中,對于金屬-非金屬摩擦副,在5 Hz后摩擦系數存在最小值,即擺動頻率-摩擦系數的變化曲線出現明顯的拐點頻率(5 Hz),然后摩擦系數值隨著頻率的增加反而變大,這說明當滑動速度很大時,由于釋放出很多熱量而使金屬-非金屬摩擦副(非金屬材料較軟)的摩擦表面發生了顯著變化,以至于摩擦系數會隨著滑動速度的增加而變大。該拐點應為載荷的極限點,而極限點就是磨損失效點。擺動頻率的增加意味著滑動速度的增加,因此在小載荷下,在磨損失效點前,摩擦系數會隨著滑動速度增加而下降,這與圖4中曲線“1”載荷下的情況恰恰相反。因此,如果在應用中能夠有效地控制加載擺動頻率,也就控制了滑動速度和摩擦系數。

圖5 載荷9.65 mN下擺動頻率-摩擦系數曲線

2)中等載荷下,對于硬度高的摩擦副,其擺動頻率-摩擦系數的變化曲線有最大值,而硬度低的摩擦副的擺動頻率-摩擦系數曲線有最小值。同樣,在磨損失效點5Hz附近出現拐點。由圖6可知,不同材料的摩擦副,在中等載荷的條件下,隨著擺動頻率的增加,擺動頻率-摩擦系數曲線會出現不同的變化趨勢。具體來說,拋光鋁、硅片和鋼的擺動頻率-摩擦系數曲線均呈現出拋物線形狀,會隨著擺動頻率的增加而達到一個最高點,隨后開始下降,在8Hz時會降到相近的范圍內。玻璃的摩擦系數曲線表現為下降趨勢,并從5 Hz時開始,基本穩定在摩擦系數值大約為0.006的位置上。而PTFE的摩擦系數曲線只有上升部分,不過這仍然與文獻[13]中的結論相一致,也就是說這種高分子材料的表面發生變化導致其摩擦系數隨著滑動速度的增加而依然呈現上升趨勢。根據前蘇聯專家克拉蓋爾斯基[13]的實驗結果,在不同載荷下,摩擦系數隨著滑動速度的增大都要通過一個最大值。因此,在中等載荷下條件下,硬度高的摩擦副的擺動頻率與摩擦系數的曲線依然能夠呈現出與圖4較相似的變化規律。

圖6 載荷46.68 mN下擺動頻率-摩擦系數曲線

3)較大載荷下,擺動頻率-摩擦系數曲線近似線性下降。由圖7可以看出,在載荷58.83mN作用下,除聚四氟乙烯外,其余4種不同樣件(硅片、鋼、拋光鋁和玻璃)在最小擺動頻率1.67Hz(即最小滑動速度)時測得的摩擦系數值為最大,隨著載荷和速度的變化而呈現出上升曲線、拋物線狀或者(指數)下降趨勢。然后,它們的摩擦系數值會隨著擺動頻率的不斷增加近似線性地減小,這與圖4中曲線“4”的結果較吻合。不過,PTFE的摩擦系數曲線依然只呈現上升趨勢,這與在較小載荷和中等載荷時的變化是一致的。因此,無論法向載荷的大小如何,球-PTFE摩擦副間滑動摩擦系數曲線變化類似,擺動頻率-摩擦系數曲線有最小值,在磨損失效點5Hz附近出現拐點。

圖7 載荷58.83 mN下擺動頻率-摩擦系數曲線

4 結 論

本文設計并研制了電磁力驅動裝置,通過調節驅動信號頻率來控制低頻往復式擺動平臺的滑動速度。任選了5種金屬和非金屬樣本與小鋼球構成不同的摩擦副,在變電磁力信號頻率和變載荷的條件下進行了多次摩擦測試實驗,得到了樣本擺動頻率與摩擦系數的關系曲線。當擺動頻率小于磨損失效頻率時,在較小和較大載荷作用下,摩擦系數隨擺動頻率增加而近似線性下降;在載荷較大時,低硬度的摩擦副的摩擦系數隨著頻率增加而下降,而硬度高的摩擦副的摩擦系數卻有相反的結果。由此說明,在設定的測試環境中(溫度和濕度)中,低頻往復式微動磨損測試系統驅動電壓頻率可以有效地控制微動磨損測試中的滑動速度。本文的研究結果對今后在微動磨損研究領域提供參考。

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(編輯：劉琳琳)

Experimental research on driving frequency influence of low-frequency reciprocating fretting wear testing system

WANG Zhong-nan, WANG Wu-yi, ZHANG Guang-yu

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

In order to meet the requirements of continuous operation to modernized equipments and reduction of fretting wear for micro-device manufacture, a low-cost universal low-frequency reciprocating fretting wear test system was developed. Oscillation reciprocating of reciprocating platform was controlled by adjusting the frequency of driving voltage to measure the coefficient of friction (CoF) for different friction pair, and analysis the variation of CoF with oscillation frequency. The micro-friction measurement were carried on with silicon wafer, polished aluminum, steel, glass and polytetrafluoroethylene (PTFE) against a steel ball. The experiments showed that CoF decreases linearly with the increase of oscillation frequency at the lower and higher applied load before the wear failure frequency occurred. Moreover, the friction coefficient for friction pair with the lower hardness shows a similar decline curve and variation of friction coefficient with oscillation frequency is consistent with the published literature. It is concluded that the test system is available and results will be provided as an important reference for future research in the field of fretting wear.

driving frequency control; magnet-coil force actuator; fretting wear; normal load; reciprocating frequency; coefficient of friction

2014-11-03

王仲楠(1984—)，男，博士研究生，研究方向為微系統測試與摩擦特性研究；

王武義(1957—)，男，教授，博士生導師，研究方向為微系統測試與摩擦特性研究、超聲波技術；

王仲楠

10.15938/j.emc.2016.01.016

TH 117.1

A

1007-449X(2016)01-0105-05

張廣玉(1962—)，男，教授，博士生導師，研究方向為微系統測試與摩擦特性研究、機電一體化技術。