基于正交試驗聚酰亞胺摩擦學(xué)性能分析

閻紅娟，崔 皓，司麗娜，劉峰斌，袁美霞

（1.北方工業(yè)大學(xué)機械與材料工程學(xué)院，北京 100144；2.北京建筑大學(xué)機電與車輛工程學(xué)院，北京 100044）

引言

針對保持架在實際運轉(zhuǎn)過程中存在的磨損問題，利用正交試驗方法研究了多因素耦合對聚酰亞胺摩擦學(xué)性能影響，利用極差和方差分析法研究各因素的主次順序和顯著性，在此基礎(chǔ)上揭示了聚酰亞胺磨損機理，為空間軸承保持架的實際應(yīng)用提供理論支持[1]。

1 實驗方法

1.1 實驗原料及制備

聚酰亞胺材料購買于上海合成樹脂研究所，外圓直徑為Φ42 mm，內(nèi)孔直徑為Φ22 mm，厚度為5 mm。潤滑油選用4129 軸承潤滑油，40 ℃時運動黏度60 mm2/s，閃點為270 ℃，凝點為-57 ℃。

1.2 摩擦磨損試驗及表征

使用移液器將潤滑油滴到試樣表面，靜置12 h潤滑油充分浸入聚酰亞胺試樣。使用CFT-1 型多功能材料表面性能綜合測試儀對聚酰亞胺試樣進行往復(fù)摩擦磨損試驗，對磨球材料為GCr15，直徑為Φ6 mm，往復(fù)實驗長度為5 mm，實驗時間為30 min，潤滑條件、法向載荷、往復(fù)頻率按照正交試驗設(shè)計參數(shù)[2]。使用Pulisite 華志PTY-224/323 電子天平測量摩擦試驗前后的試樣質(zhì)量，使用奧林巴斯LEXT OLS4100 激光掃描顯微鏡觀察磨痕形貌，在磨痕不同位置測量磨痕截面輪廓，重復(fù)3 次計算平均值，作為磨痕截面積A，磨損體積V 為：

V=A×L （1）式中：A 表示磨痕截面積，L 表示實驗往復(fù)長度。

由磨痕體積根據(jù)經(jīng)典磨損方程計算磨損率W：

式中：V 表示磨損體積（mm3）；d 表示滑動距離（m），d=L×2×f×t，f 表示摩擦往復(fù)頻率；F 表示法向載荷（N）。

1.3 正交試驗方案

使用正交試驗方法研究多因素耦合對聚酰亞胺摩擦學(xué)性能影響，建立五因素四水平L16(45)正交試驗表，其中D、E 元素為空列。

根據(jù)正交試驗方案進行摩擦磨損試驗，每種試驗條件重復(fù)3 次，以摩擦系數(shù)、磨損率等為評價指標，利用極差和方差分析法研究各個因素對聚酰亞胺摩擦學(xué)性能的影響主次順序、水平、顯著性等。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 極差分析結(jié)果

由表1 中極差R 分析可知：以摩擦系數(shù)為考察指標時RA>RB>RC，因此影響聚酰亞胺材料摩擦系數(shù)主次順序是潤滑條件、法向載荷、往復(fù)頻率。以磨損率為考察指標時RA>RC>RB，因此影響聚酰亞胺材料磨損率因素的主次順序為潤滑條件、往復(fù)頻率、法向載荷[3]。

表1 摩擦試驗數(shù)據(jù)極差分析

為了能更直接的表現(xiàn)出試驗各個因素對摩擦系數(shù)的影響規(guī)律和趨勢，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制因素水平趨勢圖，圖1、b、c 是以摩擦系數(shù)為考察指標的潤滑條件、法向載荷、往復(fù)頻率水平變化趨勢圖。從中可以看出各因素水平不同時摩擦系數(shù)的變化，摩擦系數(shù)最小的各因素 水 平 分 別 為：A4B4C2，即潤滑條件為30 μl，法向載荷為20.0 N，往復(fù)頻率為1 400 次·min-1。摩擦系數(shù)最大的各因素水平分別為A1B1C1，即潤滑條件為干摩擦，法向載荷為12.5 N，往復(fù)頻率為1 200 次·min-1。

圖1 因素水平變化趨勢圖

圖2a、b、c 是以磨損率為考察指標時潤滑條件、法向載荷、往復(fù)頻率水平變化趨勢圖。從中可以看出各因素水平不同時磨損率的變化，磨損率最小的試驗條件為：A4B4C4，即潤滑條件為30 μl，法向載荷為20.0 N，往復(fù)頻率為1 800 次·min-1。磨損率最大的各因素水平分別為A1B1C1，即潤滑條件為干摩擦，法向載荷為12.5 N，往復(fù)頻率為1 200 次·min-1。

圖2 各因素水平變化趨勢圖

以摩擦系數(shù)和磨損率最小為考察指標，影響因素潤滑條件和法向載荷的水平一致，均為A4B4，即潤滑條件為30 μl，法向載荷為20.0 N。根據(jù)綜合平衡法往復(fù)頻率對磨損率影響較大，因此以磨損率為指標選擇往復(fù)頻率水平C4，即往復(fù)頻率為1 800 次·min-1。因此，摩擦系數(shù)和磨損率最小時，試驗條件為：A4B4C4。

以摩擦系數(shù)和磨損率最大為考察指標，兩個指標的分析結(jié)果一致，均為A1B1C1，即潤滑條件為干摩擦，法向載荷為12.5 N，往復(fù)頻率為1 200 次·min-1。

2.2 方差分析結(jié)果

計算各因素的偏差平方和、誤差平方和、自由度、均方值、統(tǒng)計量F 值填入表2、表3 中，影響聚酰亞胺材料摩擦系數(shù)和磨損率主次順序與方差分析結(jié)果相同，其中潤滑條件對摩擦系數(shù)影響顯著。

表2 摩擦系數(shù)為指標方差分析表

表3 磨損率為指標方差分析表

3 結(jié)論

選用潤滑條件、法向載荷、往復(fù)頻率作為影響因素，設(shè)計了三因素四水平正交試驗，以摩擦系數(shù)和磨損率為考察指標，使用極差分析法分析了影響因素的主次順序，使用方差分析各因素影響的顯著性[4]。

利用綜合平衡法分析多目標優(yōu)化試驗條件，摩擦系數(shù)最小的各因素水平分別為：A4B4C2；以磨損率為考察指標時，磨損率最小的試驗條件為：A4B4C4；根據(jù)綜合平衡法往復(fù)頻率對磨損率影響較大，因此以磨損率為指標選擇往復(fù)頻率水平C4。當(dāng)摩擦系數(shù)和磨損率最小時，試驗條件為：A4B4C4，即潤滑條件為30 μl，法向載荷為20.0 N，往復(fù)頻率為1 800 次·min-1，磨損機理主要是磨粒磨損。利用方差分析法分析了各因素影響顯著性，其中潤滑條件對摩擦系數(shù)和磨損率影響顯著。