多功能摩擦磨損試驗機系統(tǒng)設計

包倩倩，趙楠楠，楊育林，楊向超

(1.燕山大學 a.機械工程學院；b.關節(jié)軸承共性技術航空科技重點實驗室，河北 秦皇島 066004；2.重慶長安汽車股份有限公司，重慶 404100)

摩擦磨損試驗機是研究自潤滑關節(jié)軸承摩擦副材料摩擦學性能的必備裝置。然而，隨著材料應用環(huán)境的變化，例如高速、高真空、高低溫、強腐蝕、強輻射等，對試驗機的專業(yè)化要求變得越來越高[1]。文獻[2]研制了一種超高壓磨損試驗機，最大壓強為14 MPa。文獻[3]設計了最高溫度為1 000 ℃的銷盤接觸形式高溫磨損試驗機。文獻[4]研制了具有多種接觸形式且可控氣壓的磨損試驗機。文獻[5]采用模塊化的設計思路研制出了MSTS-1型銷盤/球盤接觸形式的真空摩擦磨損試驗機。

在實驗室已有真空高低溫試驗艙的基礎上，利用模塊化設計思想研制了一種新型摩擦磨損試驗機，其可完成真空、高低溫和多種摩擦接觸形式的切換，可以更加全面地研究自潤滑關節(jié)軸承摩擦副材料在空間環(huán)境下的摩擦學性能。

1 試驗機的模塊化設計

1.1 產品型譜設計

對試驗機進行模塊化設計[6]前需要進行調研，確定產品的設計范圍。試驗工況主要包括載荷、速度、溫度和氣體環(huán)境等，具體設置見表1。

表1 試驗工況Tab.1 Test conditions

摩擦元素可分為固-固、固-液、固-氣3種形式；固-固摩擦元素又可分為滾動摩擦、滑動摩擦、微動摩擦和沖擊摩擦4種運動形式；摩擦副接觸形式主要為點、線、面3種接觸形式，具體如圖1所示。

圖1 摩擦副的接觸形式Fig.1 Contact forms of friction pair

將試驗工況作為產品型譜[7]的縱系列，矩陣的維數(shù)為6×5×4×3=360；將摩擦元素、摩擦副運動形式和接觸形式作為產品型譜的橫系列，其維數(shù)為3×4×9=108；將兩者組合即得到摩擦磨損試驗機的全系列型譜矩陣。

1.2 功能分析

試驗機的主要功能是在一定的氣體、溫度等環(huán)境下，在兩摩擦副試件間施加載荷使其接觸并產生相互作用力，通過外界能量使試件發(fā)生相對運動，進而獲取與摩擦學性能有關的信息，因此將試驗機劃分為模擬環(huán)境、摩擦和測控3個分功能。由于試驗機是在實驗室真空高低溫試驗艙的基礎上進行改造，因此環(huán)境模塊已具備，主要由試驗艙、真空和高低溫系統(tǒng)構成。摩擦部分需要施加載荷來實現(xiàn)兩試件間的相對運動，需配備動力裝置、傳動裝置、連接裝置、加載裝置、夾具系統(tǒng)和固定裝置。測控系統(tǒng)主要包括采集系統(tǒng)、計算機和控制系統(tǒng)。對各個子功能進行編號，得到試驗機功能分解圖，如圖2所示。

圖2 試驗機功能分解圖Fig.2 Function decomposition diagram of tester

1.3 模塊劃分

(1)

子功能的相關性可從性能關系、空間關系、裝配關系、物質交換關系、能量交換關系和信息交換關系6個方面進行考慮。影響系數(shù)則通過權重確定，采用1～9的標度對相關矩陣進行兩兩判斷和比較，1代表兩元素同等重要，9代表后者比前者極端重要，2～8代表兩元素判斷的中間值，元素i與元素j的影響系數(shù)和元素j與元素i影響系數(shù)互為倒數(shù)，結合實際和經驗，假設形成的判斷矩陣為

對于矩陣A，與之對應的特征方程為

AW=λmaxW。

(2)

求解得出上式的最大特征根λmax和特征向量W，通過歸一化處理得到的向量即為某因素相對于另一因素的重要性權值，進而得到某一因素相對于另一因素的權重值。用MATLAB對A進行計算得出權重為：w1=0.36，w2=0.25，w3=0.17，w4=0.09，w5=0.06，w6=0.07。

由于判斷矩陣在構造過程中根據經驗賦值，因此需要對A進行一致性檢驗，一致性指標為

(3)

式中：n為判斷矩陣A的階數(shù)；IR為平均隨機一致性指標，矩陣計算1 000次得到的平均隨機一致性指標為1.58。當RC<0.1時，A滿足要求；當RC≥0.1時，A不滿足要求，需重新構造。計算得IC=0.02，RC= 0.01，該矩陣滿足一致性要求。

將求解出的6個權重值與(1)式相結合逐一計算出各子功能元之間的相關度，得到相關度矩陣R為

按照L=E-R變換得到距離矩陣L，找出L中非對角線上的2個最小元素，將這2個元素合并成為一個新類，然后刪去L中2個最小元素所對應的行和列，并且加入由新類最小距離所組成的行和列，形成一個新的n-1階矩陣L1，不斷重復以上過程，同時記錄下每次合并的功能元編號和最短距離，便可繪制出各功能元的聚類譜系圖[7]，如圖3所示。依據圖3對試驗機進行模塊劃分，劃分結果如圖4所示。

圖3 功能元的聚類譜系圖Fig.3 Hierarchical diagram of functional elements

圖4 模塊劃分結果Fig.4 Module Partitioning Results

1.4 變形模塊矩陣

根據接觸形式，將試驗機摩擦模塊設定為變形模塊。雖然摩擦副有9種，但該試驗機主要用于自潤滑關節(jié)軸承自潤滑襯墊摩擦磨損性能的研究，球-盤、銷-盤、環(huán)-塊、端面、半環(huán)應用較多，并且覆蓋了點線面接觸形式，因此將通過橫系列變形得到變形模塊矩陣簡化為：{端面，球盤，銷盤，環(huán)塊，半環(huán)}。

2 試驗機的系統(tǒng)設計

2.1 模擬環(huán)境模塊

實驗室高低溫真空試驗艙已具備環(huán)境模塊，具有真空抽氣系統(tǒng)和高低溫系統(tǒng)，能夠為試驗機提供真空、-50～50 ℃任意溫度保溫和高低溫交變環(huán)境，試驗艙外觀如圖5所示。

2.2 動力和支架模塊

由于電動機很難適應試驗艙內部環(huán)境，需將電動機外置。另外，因要嚴格控制設備的真空泄漏，故采用摩擦力很小的磁流體聯(lián)軸器，再經過密封聯(lián)軸和波紋管聯(lián)軸器與傳動主軸相連，將動力傳遞給摩擦模塊；臺架主軸則采用輕型、高精密、低摩擦主軸。支架模塊由臺架組成，采用臥式結構固定在試驗艙內。臺架及主軸如圖6所示。

2.3 摩擦模塊

由于銷-盤與球-盤摩擦副的運動形式相似，將這2種合并為一類，從而將摩擦模塊分為銷/球盤、環(huán)塊、端面和半環(huán)4種，主要包括夾具系統(tǒng)和加載系統(tǒng)，加載采用砝碼-杠桿的加載方式[8]。

2.3.1 銷/球盤接觸

銷/球盤摩擦副接觸形式及其裝配如圖7所示，銷/球盤通過自制螺母固定，銷/球盤通過壓環(huán)和螺釘固定在傳動軸上并隨軸一起轉動。由于銷/球盤接觸的載荷較大，因此需要杠桿將載荷放大，而加載方向為水平，需要引導輪和鋼絲將載荷方向轉換為豎直，通過鋼絲可以將砝碼放在不影響其他操作的位置。

圖7 銷/球盤接觸形式及其裝配Fig.7 Contact form of pin/ball disc and its assembly

2.3.2 環(huán)塊接觸

環(huán)塊摩擦副運動形式及其裝配如圖8所示，試樣塊為一個矩形塊，通過固定支架和壓塊固定，支架固定于圓環(huán)上方，試樣環(huán)通過螺釘和固定環(huán)與傳動軸連接做旋轉運動。環(huán)塊接觸形式的加載方向為豎直方向且加載力較小，可通過砝碼直接加載。

圖8 環(huán)塊接觸形式及其裝配Fig.8 Contact form of ring block and its assembly

2.3.3 端面接觸

端面摩擦副運動形式及其裝配如圖9所示。

圖9 端面接觸形式及其裝配Fig.9 Contact form of end face and its assembly

圓盤通過螺釘與支架固定，圓環(huán)通過螺栓與主軸連接做旋轉運動，為防止圓環(huán)與主軸產生滑動脫落，在主軸端面安裝2個圓柱銷。端面載荷方向為豎直方向，與銷盤/球盤加載方向相同，從而實現(xiàn)方向轉換裝置和砝碼裝置的互換。

2.3.4 半環(huán)接觸

半環(huán)摩擦副運動形式及其裝配如圖10所示，將上、下2個環(huán)塊固定在滑塊上，并保證其與中間的短軸接觸，短軸與傳動軸連接做旋轉運動。載荷垂直施加于上滑塊上，由于半環(huán)接觸形式主要用于評價軸承襯墊摩擦磨損性能，因此需要較大的載荷，杠桿放大倍數(shù)為8。

圖10 半環(huán)接觸形式夾具示意圖Fig.10 Diagram of semi-ring contact form fixture

2.3.5 傳動接口設計

模塊化產品中模塊的可組合性和互換性主要體現(xiàn)在接口上。對于摩擦模塊的更換，首先要實現(xiàn)摩擦模塊與臺架之間的接口連接。銷/球盤模塊中需要控制盤試樣的端面跳動，環(huán)塊模塊需要控制環(huán)試樣的軸向跳動，因此這2種模塊要保證與主軸的同軸度，采用錐面錐度為7:24的連接方式。端面則采用直口連接。各模塊的接口如圖11所示。

圖11 接口連接示意圖Fig.11 Diagram of interface connection

2.4 測控模塊

試驗機需要檢測的參數(shù)有試件的摩擦因數(shù)、磨損量，試驗艙溫度和電動機轉速。溫度和轉速可直接通過相應的傳感器直接獲取，磨損量通過儀器離線檢測，摩擦因數(shù)通過μ=M/(rF)間接獲得，其中：M為摩擦扭矩；r為摩擦半徑；F為作用載荷，扭矩和作用載荷分別通過扭矩傳感器和力傳感器獲得。

3 試驗驗證

為驗證試驗機試驗數(shù)據的重現(xiàn)性和可比性，選用不同的試驗條件(表2)進行3組驗證試驗。每組數(shù)據測試3次得到3條摩擦因數(shù)曲線，并分別與相同試驗條件下MMU-5G端面摩擦磨損試驗機、低速重載襯墊摩擦磨損試驗機(半環(huán))、CETR摩擦磨損試驗機(銷盤)的試驗結果進行對比。具體數(shù)值及對比見表3，摩擦因數(shù)曲線如圖12—圖14所示。

圖12 端面接觸形式摩擦因數(shù)曲線Fig.12 Friction coefficient curve of end face contact form

圖13 半環(huán)接觸形式摩擦因數(shù)曲線Fig.13 Friction coefficient curve with semi-ring contact form

圖14 銷盤接觸形式摩擦因數(shù)曲線Fig.14 Friction coefficient curve of pin disc contact form

表2 試驗條件Tab.2 Test conditions

表3 試驗結果Tab.3 Test results

綜上分析可知：1)多功能摩擦磨損試驗機所得3條摩擦因數(shù)曲線的走勢基本相同，各曲線的平均值也相差較小，證明試驗機有較好的重現(xiàn)性；2)與專用試驗機在相同條件下的誤差也較小，均在允許范圍，說明自行設計的試驗機接觸形式均符合要求。

4 結束語

以真空高低溫試驗艙為基礎，采用模塊化設計方法構建了摩擦磨損試驗機型譜圖，對其進行了功能分析和模塊劃分，并組建了以摩擦副接觸形式為特征的功能變換矩陣。介紹了銷盤/球盤、環(huán)塊、端面、半環(huán)4種變形摩擦模塊的系統(tǒng)構成，并對試驗機進行了試驗驗證，試驗結果表明：摩擦磨損試驗裝置能夠進行多種摩擦形式摩擦磨損試驗，具有良好的可靠性，同時實現(xiàn)了一機多用的目的。

目前，該試驗機已經投入使用，用于測量自潤滑關節(jié)軸承自潤滑襯墊在各種工況下的摩擦學性能。該試驗機加載過程中需要人工搬動砝碼，操作不便，后續(xù)將嘗試采用自動控制的加載方式，研制出更高效的試驗機。