基于制動器摩擦副銷-盤試驗的第三體摩擦磨損特性研究*

黃 琳 崔 昊 尹 劍 郝 強 沙智華 張生芳

(1.大連交通大學機械工程學院 遼寧大連 116028；2.大連華銳重工集團股份有限公司 遼寧大連 116013)

MOLLON[4]在二維平面應變條件下進行了硬質和軟質顆粒混合物的壓實和剪切模擬，研究了混合物第三體的材料比例對大應變下機械響應的影響。DENG等[5]研究了在干砂和濕砂條件下的三體磨料磨損行為，通過觀察磨損表面和磨損縱向截面，分析了第三體及金屬材料的磨損機制。范志勇等[6]發現摩擦過程中第三體顆粒容易產生圓形凹坑和比較光滑的犁溝，而鋒利的第三體顆粒會產生尖銳的溝槽。為準確分析第三體的位移變化、力學性能變化及受力狀況，惠陽等人[7]介紹了可移動元胞自動機法(MCA)并提出了改進方向。張超等人[8]研究了低溫環境下,制動壓力和制動速度對制動材料摩擦磨損與損傷行為的影響。第三體的硬度、強度、密度、形狀、尖銳程度和顆粒大小、數量等因素是影響制動器摩擦副摩擦磨損特性的重要原因[9]，對第三體顆粒特征的分析有助于揭示其對摩擦磨損的作用機制。

第三體顆粒在摩擦界面中不斷累積，在擠壓及剪切作用下形成第三體層使得界面摩擦機制變得更加復雜。韓曉明等[10]通過銷盤摩擦試驗研究了銅基粉末冶金材料的摩擦磨損特性，分析了摩擦壓力、第三體與界面磨損的影響關系。俞樹榮等[11]發現當施加在摩擦副上的載荷相對較小時，摩擦表面容易發生黏結現象，形成致密的第三體層。王鴻鼎等[12]通過分析磨損表面形貌變化，發現摩擦界面的致密第三體層能夠提高表面的減摩耐磨性。昌晶晶等[13]設計了三體摩擦界面傳熱特性試驗，研究了摩擦參數對三體界面接觸換熱系數的影響。孫建芳等[14]通過摩擦磨損試驗發現，表面形貌能夠影響干摩擦條件下摩擦表面的磨屑保持能力和表面接觸應力。

第三體影響下摩擦副摩擦磨損特性的研究，已取得較大進展。但風電制動器因其制動工況多變，第三體成分復雜且大小各異，風電制動器在第三體影響下摩擦副的摩擦磨損特性仍不清楚。本文作者以服役期內風電制動器摩擦副為研究對象，分析其表面第三體成分及尺度，并基于分析結果開展銷盤摩擦磨損試驗研究了上述第三體影響下摩擦副的摩擦磨損特性。

1 風電制動器摩擦副第三體成分及尺度研究

風電制動器依靠液壓驅動并靠近齒輪箱，容易滲入油液，同時在制動時摩擦副表面會產生磨屑，并且處于開放環境容易受到外來粉塵的侵入。通過對風電制動器摩擦副表面積累的第三體采樣，并經過丙酮溶解、超聲震碎、過濾蒸干等步驟，得到了第三體粉末。利用掃描電子顯微鏡對粉末狀第三體進行觀察分析，結果如圖1所示；利用能譜分析儀對粉末狀第三體進行成分分析，結果如表1所示。

圖1 第三體顆粒成分及組分分析結果Fig.1 The third body particle composition and composition analysis results：(a)copper particles；(b)iron particles；(c)carbon,iron and sand particles；(d)third body particles under scanning electron microscope

表1 第三體能譜分析結果Table 1 Third body energy spectrum analysis results

由表1能譜分析結果可以看出，第三體的成分以O、Fe、Cu、Si、Ca、C元素為主，其中Ca、Si、C和O元素來自于SiO2和CaCO3為主的沙石顆粒，其主要來自風機艙外環境；而Fe、Cu與O形成的氧化物顆粒主要是由制動摩擦副摩擦磨損產生。從圖1(d)中可以看出，大部分第三體顆粒形狀接近于不規則的立方體且比較圓滑，有少數顆粒有比較尖銳的棱角。顆粒物直徑集中在75～200 μm之間，結合圖1及能譜分析結果可知，鐵顆粒和沙石顆粒尺寸在75～200 μm之間。銅顆粒較小，尺寸在70 μm以下。圖1(c)Spectrum1中檢測到成分占比很高的C元素，這主要來源于潤滑油液在高溫下發生裂解生成的單質C，其反應如式(1)所示[15]。

CxHyOz→C(單質)+H2O+CO2

(1)

油液主要來源于液壓制動器及齒輪箱中油液的泄漏。由于風機在正常運行時，其高速軸轉速可達2 000 r/min左右，在離心力作用下，油液泄漏后容易在制動盤表面擴散，留下放射狀擴散痕跡，如圖2所示。

圖2 風電制動器摩擦副表面油液放射狀擴散痕跡Fig.2 Radial oil spreading traces on the surface offriction pairs of wind power brakes

泄漏的油液受到溫度、空氣、金屬催化等作用，發生氧化、聚合等反應而劣化。油變質腐蝕金屬摩擦副，氧化產生酸性物質又使油變稠，因此變質油對第三體顆粒物有黏附的作用。沙、鐵、銅等第三體顆粒并不具備單獨參與摩擦副相互摩擦的條件，因為風機正常運行時摩擦表面豎直，顆粒物不易駐留，另外制動盤轉速高達2 000 r/min，同時齒輪箱輪齒嚙合、軸承旋轉、風機的偏航等工況會產生高頻振動。在這些因素共同作用下，游離的第三體只有被黏性的變質油液粘附在摩擦副表面，才能參與摩擦，因此變質油是風電制動器摩擦副間存在三體磨損的關鍵影響因素。

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2 第三體作用下銷-盤摩擦磨損試驗

2.1 試驗設計

基于上述分析結果，試驗用第三體顆粒選擇粒徑50～70 μm銅顆粒和粒徑75～200 μm的鐵、沙顆粒，并使用液壓油和齒輪油的混合物，加熱使其氧化變質模擬風電制動過程中發揮附著作用的變質油。將變質油按體積比1∶1分別與沙、鐵、銅顆粒混合作為摩擦介質開展試驗。摩擦副采用銷-盤形式，銷-盤試樣的材料均與風電制動器摩擦副材料相同，盤試樣為Q345，直徑為54 mm，顯微硬度為334HV，銷試樣為以錫青銅為基體的銅基粉末冶金，直徑為4.8 mm，顯微硬度為185HV。采用銷試樣粘附混合物的方法對第三體和變質油混合物進行添加。試驗設備選擇MMW1A定速銷盤摩擦磨損試驗機，分別設置2組試驗研究第三體對盤試樣磨損的影響和對摩擦副摩擦因數的影響。第一組試驗設置如表2所示，研究3種第三體對盤試樣磨損的影響，并與不添加第三體的變質油作為摩擦介質的一組對照試驗進行對比。

表2 第三體對磨損影響的試驗設置Table 2 Test setup for the influence of the third body on wear

第二組試驗設置如表3所示，研究3種第三體對摩擦副摩擦因數的影響。試驗為一個完整的摩擦磨損試驗過程，包含磨合過程、穩定磨損過程和劇烈磨損過程，試驗力為50 N，試驗轉速為540 r/min。同時設置一組無第三體的干摩擦試驗為對照試驗。

表3 第三體對摩擦因數影響的試驗設置Table 3 Test setup for the influence of the third body on friction coefficient

2.2 試驗結果及分析

2.2.1 第三體對盤試樣磨損的影響

如圖3所示為銅、鐵、沙顆粒對盤試樣表面磨損情況的光學成像圖，橫向為加工痕跡，縱向為第三體造成的磨痕。

圖3 不同顆粒產生的表面磨損情況Fig.3 Surface wear caused by different particles：(a)sand particles;(b)iron particles;(c)copper particles;(d)dry friction

從圖3可以看出，鐵顆粒產生的磨痕比較深寬，但分布稀疏；而沙顆粒作為第三體產生的磨痕分布密集但寬度較窄；銅顆粒作為第三體對盤試樣造成的磨痕更淺；無第三體的干摩擦盤表面的磨損情況要輕于沙、鐵顆粒而重于銅顆粒。

選取長度為3.6 mm、寬度為50 μm的區域的磨損表面進行三維形貌掃描，得到磨損形貌平均三維高度如圖4所示。

從圖4(a)中可見，沙顆粒引起的表面磨痕占整個表面寬度的50%，但大部分是小于5 μm的犁溝，深溝兩側存在約2 μm的脊緣，說明沙顆粒棱角鋒利且較硬，表現出較強的微觀切削作用。而從圖4(b)中可以看到，鐵顆粒引起的表面磨痕有一條犁溝，深約15 μm，深溝兩側存在約10 μm的脊緣，是沙顆粒引起的磨痕深度的3倍，這說明鐵顆粒的滾壓作用使盤試樣表面塑性變形。從圖4(c)中可以看到，銅顆粒造成的表面磨痕特別少，且犁溝淺,溝深約2 μm，是沙顆粒引起的磨痕深度的40%。這是因為，在摩擦副不斷滾壓下，硬度低的銅顆粒逐漸變圓滑，因而對摩擦副表面的磨損程度較輕。從圖4(d)中可以看出，無第三體顆粒的摩擦副表面磨痕較少，且犁溝的深度和數量略大于銅顆粒引起的深度和數量，但小于鐵顆粒、沙顆粒引起的磨痕深度。

圖4 不同顆粒產生的磨痕截面形貌Fig.4 Cross-section topography of wear scar caused bydifferent particles：(a)sand particles;(b)ironparticles;(c)copper particles;(d)dry friction

2.2.2 第三體對摩擦副摩擦因數的影響

圖5示出了干摩擦和第三體鐵顆粒作用下摩擦因數的對比。可以看出，從開始試驗到650 s，鐵顆粒作用下的摩擦因數小于干摩擦時的摩擦因數，且在此過程中，鐵顆粒作用下的摩擦因數數值從0.2到0.3呈波動上升趨勢，這是由于變質油在摩擦初期的潤滑作用，以及鐵顆粒的滾動減摩作用，使得摩擦因數數值略低且波動幅度不大。而在試驗時間650～850 s摩擦因數在0.3上下波動，波動幅度增大，這是由于在該階段磨屑不斷被變質油吸附形成第三體，第三體微觀切削摩擦表面，使摩擦副表面磨損加劇。850 s后鐵顆粒摩擦因數顯著增大，其值在0.65上下波動，波動幅值約0.5，為劇烈磨損階段，在該階段鐵顆粒對摩擦副表面造成較深的犁溝，最終使嚴重磨損的粗糙表面摩擦因數迅速攀升。

圖5 干摩擦和鐵顆粒作用下摩擦因數對比Fig.5 Comparison of friction coefficient betweendry friction and the action of iron particles

圖6示出了干摩擦和第三體沙顆粒作用下摩擦因數的對比。可以看出，試驗時間為0～60 s時，摩擦因數在0.1上下微小波動，這是由于變質油在摩擦初期的潤滑作用，以及沙顆粒的滾動減摩作用。在試驗前期，沙顆粒的存在使摩擦因數總體上小于干摩擦下的摩擦因數。試驗時間為60～1 600 s時，摩擦因數值從0.2逐漸上升到0.3，且波動幅度較大，這是由于沙顆粒刻劃摩擦副表面，使其表面摩擦狀態惡化。沙顆粒對摩擦副表面產生機械嚙合切削作用從500 s開始，此時沙顆粒作用下的摩擦因數與干摩擦下的摩擦因數曲線逐漸重疊，說明此時沙顆粒的微觀切削作用逐漸大于滾動減摩作用。當試驗時間達到1 700 s以后，摩擦因數劇烈增加，磨損嚴重，磨屑與沙顆粒通過油粘著在摩擦副表面參與摩擦。沙顆粒作用下的摩擦因數波動幅度明顯大于干摩擦下，說明沙顆粒的運動狀態非常不穩定，摩擦副中夾雜的大量沙顆粒在摩擦初期主要起滾動減摩作用，在摩擦后期主要起微觀嚙合切削作用。當沙顆粒的滾動減摩作用占主導時，摩擦因數降低；反之，摩擦因數升高。

圖6 干摩擦和沙顆粒作用下摩擦因數對比Fig.6 Comparison of friction coefficient betweendry friction and the action of sand particles

圖7示出了干摩擦和第三體銅顆粒作用下摩擦因數的對比。可以看出，在整個試驗過程中銅顆粒作用下的摩擦因數始終小于干摩擦下的摩擦因數，這說明銅顆粒起減摩作用。在0～1 000 s之間，由于變質油在摩擦初期的潤滑作用及銅顆粒的減摩作用，使得摩擦因數較小,平均值約為0.1，而波動幅值約為0.05；在1 000～1 700 s之間，摩擦副磨合磨損階段過渡到穩定磨損階段，所以摩擦因數逐漸平穩，其值約為0.15，而波動幅值約為0.08，因此銅顆粒作為第三體摩擦特性非常不利于摩擦副制動。銅顆粒作用下摩擦因數到達劇烈磨損階段的速度大幅落后于干摩擦下，這是因為銅顆粒粒徑小而且數量多，在試驗力的作用下銅顆粒產生的壓力較小，因此對摩擦副的磨損效果非常小，并且抑制了摩擦副磨屑的產生。

圖7 干摩擦和銅顆粒作用下摩擦因數對比Fig.7 Comparison of friction coefficient between dryfriction and the action of copper particles

圖8示出了沙顆粒與鐵顆粒作用下的摩擦因數曲線。可以看出，在700 s之前，沙顆粒作用下的摩擦因數大于鐵顆粒作用下的摩擦因數，且波動幅度更劇烈，這說明沙顆粒容易破壞摩擦狀態的穩定性。這可能是因為沙顆粒造成摩擦副表面磨痕比較密集，摩擦副摩擦過程中微觀貼合狀態變化較大。從試驗后期的摩擦因數曲線可以看出，沙顆粒相較于鐵顆粒達到劇烈磨損時間更晚，說明沙顆粒對摩擦副磨損的程度不及鐵，雖然沙顆粒容易造成較密集的磨痕，但磨痕深度不及鐵顆粒。由于沙顆粒與鐵顆粒的粒徑相同，因此可以推斷摩擦磨損的差異來源于沙與鐵的顆粒屬性的差異。

圖8 沙顆粒與鐵顆粒作用下摩擦因數對比Fig.8 Comparison of friction coefficient under theaction of sand particles and iron particles

綜上，鐵顆粒會加劇摩擦副磨損而縮短其使用壽命，沙顆粒會導致制動過程中摩擦力矩大幅波動，銅顆粒會導致制動力的不足。因此，上述第三體對于風機的制動均有不利影響，對于風機制動器來說，非常有必要采取措施來盡量減少第三體在摩擦副表面的附著。首先，應當減少油液的泄漏，因為沒有變質油的吸附，第三體很難在高轉速強振動的摩擦副表面駐留；其次，應當加強機艙密封以減少沙塵的侵入；另外，應當定期清理摩擦副表面，并檢查摩擦副磨損情況，發現較為嚴重的磨損時應及時打磨或更換摩擦副。

3 結論

通過銷盤摩擦磨損試驗，研究了沙顆粒、鐵顆粒和銅顆粒等第三體影響下摩擦副的摩擦磨損特性。得出以下結論：

(1)銅顆粒造成的磨損很小，并降低了摩擦副的摩擦因數，沙顆粒和鐵顆粒會導致摩擦副的摩擦因數逐漸升高。其中鐵顆粒主要起到犁溝作用，使摩擦表面發生變形，沙顆粒主要起到微觀切削作用，造成摩擦表面磨痕密集。在不添加第三體顆粒、摩擦介質僅為變質油的對照試驗中，摩擦副磨損程度比銅顆粒作用下的嚴重，但輕于鐵顆粒和沙顆粒作用下。

(2)鐵顆粒會使摩擦副最快到達劇烈磨損階段，這是因為鐵顆粒容易對摩擦副造成較深的犁溝和脊緣；沙顆粒會造成摩擦因數的大幅波動，同時也會使摩擦副較快到達劇烈磨損；銅顆粒會大幅降低摩擦因數，并使摩擦副磨損狀況大大減輕。

(3)鐵顆粒會加劇摩擦副磨損而縮短其使用壽命，沙顆粒會導致制動過程中摩擦力矩大幅波動，銅顆粒會導致制動力的不足。由于第三體顆粒對于風機的制動的不利影響，應采取必要措施盡量減少第三體在摩擦副表面的附著。