某微型齒輪機構的隨機振動摩擦學試驗研究

余啟航，李嚴，彭雪峰，耿少寅，蔡振兵

（1.西南交通大學 摩擦學研究所，成都 610031；2.東方電氣集團科學技術研究院有限公司，成都 611731）

在現代機械產品的結構設計中，需要考慮在運輸過程中隨機振動對其性能的影響。研究發現，在隨機振動環境下，通常會由于疲勞、摩擦磨損、共振以及振動沖擊[1-6]使產品出現性能衰退，甚至失效。

某微型齒輪機構長期在隨機振動環境下服役，導致其關鍵摩擦副發生嚴重的摩擦磨損，使得整個輪系的摩擦力矩提升，機構的延時時間超差，嚴重影響了產品性能。因此需要運用跑合來減少其性能的衰退速度，提高其可靠性和使用壽命[7-9]。微型齒輪機構在使用過程中，關鍵摩擦副界面間會發生一定程度的摩擦磨損現象，尤其在其輪系各級的傳動力較小的情況下，摩擦磨損會導致輪系整體的阻力增大，需要通過跑合對輪系的關鍵摩擦副表面進行充分磨合，使其過渡到穩定期延長其服役壽命。

近幾年針對跑合的機理和方法，國內外學者在不同的工程領域做了大量的研究。Mario 等[10]研究發現，跑合初期接觸表面的粗糙峰會被逐漸磨平，并降低表面的粗糙度，同時發現溫度改變了接觸表界面的磨損形式，對跑合效果產生影響。Khonsari 等[11]研究了表面粗糙度、滑動速度對跑合效果的影響，研究發現，粗糙度的減小，致使微凸體所承受的載荷逐漸減小、流體膜承載逐漸增大，滾動速度的增加會致使表面生成油膜而降低磨損量。Lu 等[12]研究發現，軌道車輛制動閘片摩擦塊在經過跑合后，表界面的宏觀接觸面積增加，使其平均接觸應力減小。Li 等[13]研究發現，在潤滑油中添加納米級顆粒可以促進油膜的形成，顯著提升跑合效率。Zhang 等[14]研究發現，使用魔芋葡甘聚糖溶液為潤滑劑進行跑合后，可以通過水合分子層實現超低摩擦。Ding 等[15]研究發現，磨損穩定階段摩擦系數信號的相位軌跡演化到一個特定的小空間，表明磨合吸引子的形成。收斂的跑合吸引子標志著摩擦系統的穩定性，穩定值越大，磨合吸引子的收斂性越大，摩擦系統的穩定性越好。常規的跑合研究方法應用在微型結構機械產品上具有局限性，因而需要提出特殊的跑合研究方法。正交試驗法常用于很多工程領域的多因素試驗研究[16-20]，因此本文設計正交試驗方案研究振動時間、OX和OZ兩個不同方向隨機振動能量對微型齒輪機構跑合效果的影響。

1 材料與試驗方法

1.1 某微型齒輪機構

試驗所用的微型齒輪機構的結構和各零部件的材料見圖1 和表1。機構整體由驅動輪片和3 個特殊結構的齒輪一、二、三以及最后一級的平衡擺銷構成。運行時，將驅動輪片扭轉一定的角度，使扭簧儲能，釋放后根據輪系嚙合的關系，帶動輪系運轉，平衡擺銷與齒輪三發生滑動和間斷性的碰撞，驅動齒輪的前部伸出結構會卡入限位滑塊處的凹槽中，使機構形成自鎖狀態。從機構開始運行到機構完成自鎖所用的時間即為機構的延時時間參數，是工程應用中的重要參數。平衡擺銷能夠延緩扭簧釋放能量的速度，起到調控延時時間的作用，其磨損程度直接影響微型齒輪機構的延時時間性能。

表1 微型齒輪機構各部件材料 Tab.1 Material of each component of the micro-gear mechanism

圖1 微型齒輪機構的結構和運行過程 Fig.1 Schematic of the micro-gear mechanism and mechanism running process

1.2 跑合方法和分析測試

根據前期預試驗結果，設計的正交試驗因素水平見表2。其中，隨機載荷譜的振動能量是將功率譜密度函數每個頻率對應的PSD 值放大對應的倍數，使振動的等效能量增大。機構沿著OX和OZ方向振動的振動載荷譜見表3（振動方向如圖1 所示）。先進行相應的隨機振動試驗，然后進行延時時間測試。隨后對齒輪機構進行拆卸、清洗及潤滑。清洗過程中，先使用120#汽油進行15 min 超聲波清洗，然后使用120#汽油與4116-1 潤滑油的混合液對機構零件表面進行潤滑。為了檢驗跑合效果，設計了跑合驗證性實驗。機構在正交試驗完成后，在標準工況振動載荷譜（見表4）下振動相同時間，并額外添加了3 臺沒有經過跑合的機構進行對照。試驗結束后，選取部分機構拆卸，觀察關鍵摩擦副的微觀和宏觀形貌，測試平衡擺銷表面的磨損面積，以此作為評價跑合方法的重要參數。

表2 因素水平 Tab.2 Factors and levels

表3 隨機振動載荷譜 Tab.3 Random vibration load spectrum

表4 跑合驗證性試驗隨機振動載荷譜 Tab.4 Random vibration load spectrum under working conditions of mechanism

微型齒輪機構專用延時時間測量設備示意圖如圖2a 所示，砝碼使機構解鎖，傳感器自動開始測定延時時間，裝置檢測到機構停止不動后，結束測試，并得到延時時間的測試結果。隨機振動試驗使用的是航天希爾IPA120H/1532M 隨機振動試驗系統（見圖2b）。試驗結束后，使用JSM-6610 電子顯微鏡進行微觀形貌測試，使用基恩士VHX-6000 超景深顯微系統在200 倍放大倍數下對機構的平衡擺銷界面進行觀察。

圖2 試驗設備 Fig.2 Test equipment: a) delay time test equipment;b) random vibration test system (IPA120H/15323M)

2 結果及分析

2.1 正交試驗結果分析

本試驗研究選取的評價參數有2 個，第一個是延時時間變化量，第二個是平衡擺銷的磨損面積。其中，延時時間變化量直接反映了跑合效果的好壞，擺銷磨損面積反映了微型齒輪機構的整體磨損程度[21]。根據設計的試驗因素數和水平數，選取3 因素3 水平正交試驗表L9(34)，設計9 組試驗，每組分配3 臺機構，其中2 臺用于跑合后的延時時間變化量測定，1 臺用于關鍵摩擦副平衡擺銷磨損面積測試，試驗結果見表5 和圖3。

圖3 正交試驗結果統計分析 Fig.3 Statistical analysis chart of orthogonal test results: a) delay time change;b) wear area of balance pin

表5 正交試驗方案及結果 Tab.5 Scheme and result of orthogonal test

從試驗結果可知，與未經跑合比較，經過跑合后延時時間變化量低于未跑合的試驗組為3#、7#、8#。延時時間變化量最小的參數為各向振動時間 450 min，OX和OZ方向的振動能量分別為 6.79g和18.58g；最大的振動時間為90 min，OX和OZ方向的振動能量分別為3.92g和18.58g。平衡擺銷的磨損面積最大時的參數為各向振動時間810 min，OX和OZ方向的振動能量分別為6.79g和15.17g；最小時為各向振動時間810 min，OX和OZ方向的振動能量分別為3.92g和10.73g。

極差分析結果見表6 和7。極差R的大小代表影響試驗結果的主次程度，R越大，表明該因素對評價指標的影響越大。由結果可知，對于延時時間變化量，3 個影響因素對應的R值分別為0.589、0.399、0.521?？傻谜駝訒r間為主要影響因素，其次為OZ方向振動能量，影響程度最小的是OX方向振動能量。對于平衡擺銷的磨損面積，3 個影響因素的R值分別為11.25、5.82、8.91。則可得知振動時間為主要影響因素，其次為OZ方向振動量值，影響程度最小的是OX方向振動能量。

表6 延時時間增量的極差分析結果 Tab.6 Range analysis result of delay time increment

表7 擺銷磨損面積的極差分析結果 Tab.7 Range analysis result of wear area of balance pin

2.2 跑合參數對延時時間的影響

根據正交試驗的極差分析結果得到振動時間的影響趨勢，如圖4 所示。從圖4a 中可知，振動時間為450 min 時，延時時間變化量達到最低1.121 s，并且在90～450 min 變化較快，在450～810 min 變化緩慢。說明最優的跑合振動時間為450 min，超過450 min 會導致微型齒輪機構的性能逐漸失效。從圖4b 中可知，隨著振動能量的增加，延時時間變化量呈現一直減小的趨勢。這是由于OX方向振動時，摩擦副界面的接觸形式致使其磨損進程較慢，因而沒有出現最小值。理論上，繼續增加振動能量可以加快磨損進程，在增加到某個較大的能量值時，會出現拐點。從圖4c 中可知，隨著振動能量的增加，延時時間增量出現了先減小、后增大的趨勢，振動能量為15.17g時達到最小值。OZ振動方向作為微型齒輪機構的磨損敏感方向，對摩擦副的磨損影響較為顯著，能量的增大導致各摩擦副界面的相對位移和載荷增大。當振動能量較小時，跑合效果一般；振動能量較大時，導致摩擦副過度磨損，使機構加速進入失效階段[22]。

圖4 各因素對延時時間變化量的影響 Fig.4 Trend graph of effects of various factors on variation of delay time: a) vibration time;b) random vibration energy in the OX direction;c) random vibration energy in the OZ direction

2.3 跑合參數對磨損面積的影響

根據正交試驗的極差分析結果得到的平衡擺銷磨損面積影響趨勢如圖5 所示。從圖5a 中可知，隨著振動時間的增加，磨損面積呈現先減小、后增加的趨勢，在90～450 min 變化較為緩慢，在450～810 min 變化較快，并且在振動時間為450 min 時到達最小值。根據跑合理論，不同工況下其最佳表面狀態不同，當達到與工況相適應的表面狀態時，其磨損速率會達到最小。因此，最優的跑合振動時間即為磨損面積最小的振動時間450 min。從圖5b 中可得知，隨著振動能量的增加，磨損面積逐漸增大，并且在振動能量3.92g～5.54g與5.54g～6.79g這2 個區間，磨損面積增速有變大的趨勢。由于OX方向的振動能量較小，對微型齒輪機構摩擦副界面磨損的影響不顯著，因而并不能從磨損面積的變化判斷其最優參數。圖5c中，磨損面積隨著振動能量增加而呈現增加趨勢，但是在振動能量為 15.17g～18.58g內的磨損速率已經開始趨于緩慢，小于10.73g～15.17g的磨損速率，說明振動能量為15.17g時，表界面的磨損速率開始趨于緩慢。

圖5 各因素對平衡擺銷磨損面積的影響 Fig.5 Trend diagram of effects of various factors on wear area of balance pin: a) vibration time;b) random vibration energy in the OX direction;c) random vibration energy in the OZ direction

2.4 齒輪機構的磨損機制分析

跑合過程是表界面變化的過程，振動時間對表界面的變化影響最大是由于機械力作用循環次數的增加，微型齒輪機構的摩擦磨損對OZ方向的振動能量較敏感，是接觸形式和振動能量大小的雙重作用導致的。OX方向的振動會導致微型齒輪機構的限位滑塊 由于慣性而上下滑動，使驅動齒輪往復轉動，各摩擦界面的摩擦磨損不充分，因此低振動能量的OX方向振動對機構各摩擦副界面磨損的影響不顯著。OZ方向振動時，各摩擦副界面處于持續接觸狀態，此時各摩擦副界面在OZ方向上發生了滑動摩擦磨損，如圖6 所示。

圖6 OZ 方向振動引發的滑動磨損 Fig.6 Schematic diagram of sliding wear caused by vibration in the OZ direction

微型齒輪機構在振動時間為270 min 時，不同振動方向和振動能量條件下所觀察到的各摩擦副的磨痕形貌如圖7 和圖8 所示。從圖7 和圖8 中可知，OX方向的振動結束后，各摩擦副沒有顯著變化，而OZ方向的振動試驗結束后，各摩擦副的界面發生了 嚴重的磨損，并沿振動方向出現了被擠推到磨痕周圍的油泥和磨屑，可見微型齒輪機構各摩擦副的磨損對OZ方向的振動較為敏感。隨著OZ振動能量的增加，振動臺施加的試驗推力增大，以及振動過程中的最大位移增加，將間接導致接觸面的載荷、滑動速度以及磨損面積的增加，從而顯著影響跑合表面的磨損程度[23]。

圖7 在OX 方向振動時間為270 min、振動能量為 6.79g 條件下摩擦副的表面形貌 Fig.7 Surface morphology of friction pair under the condition of vibration time of 270 min in the OX direction and vibration energy of 6.79 g: a) balance pin;b) gear shaft end;c) tooth surface of gear shaft

圖8 在OZ 方向振動時間為270 min、振動能量為 18.58g 條件下摩擦副的表面形貌 Fig.8 Surface morphology of friction pair under the condition of vibration time of 270 min in the OZ direction and vibration energy of 18.58 g: a) balance pin;b) gear shaft end;c) tooth surface of gear shaft

從延時時間變化量試驗結果來看，8#參數組合下的結果最小，跑合效果最好，研究其表界面的摩擦磨損行為對工程應用具有重大意義。將8#試驗后的微型齒輪機構拆卸進行觀察，齒輪副表和擺銷表面的微觀形貌如圖9、10 所示。在放大倍數500 倍的條件下能夠觀察到齒輪副表界面存在很多的犁溝，而在平衡擺銷上有大量細小的磨屑堆積，兩者的磨損形式都屬于磨粒磨損（如圖9 所示）。微型齒輪機構中的齒輪副的磨損是金屬表面間的摩擦磨損，接觸面凹凸峰的相互切削作用相對劇烈。平衡擺銷的磨損為金屬與非金屬（PEEK）間的摩擦磨損，并且PEEK 材料本身具有自潤滑性，因而在摩擦磨損過程中沒有劇烈的切削作用。

圖9 8#試驗條件下的關鍵摩擦副SEM（500 倍）形貌 Fig.9 SEM images of key friction pair under 8# test conditions: a) gear III;b) balance pin

在1 500 倍下觀察可以發現，齒輪副輪齒表面存在大量的剝落坑和剝落物，并且剝落碎片的形狀以及剝落坑的形成方向與OZ振動方向一致（如圖10 所示），進一步證明了OX方向的振動對表界面的影響不顯著。跑合過程初期，表界面一般伴隨著較為劇烈的機械作用，接觸表面的凹凸體會由于剪切力的作用產生大量的剝落和犁溝，形成一定量的磨屑以及脫落物。磨屑進入接觸區，增加了接觸表面的切向力，不斷產生新的表面，進一步對表界面進行跑合[24-26]。

圖10 8#試驗條件下齒輪三齒面的SEM（1 500 倍）形貌 Fig.10 SEM images (1 500 times) of gear three tooth surface under 8# test conditions

3 結論

本文基于隨機振動設備，通過正交試驗研究了振動時間、OX和OZ方向的振動能量對微型齒輪機構跑合效果以及磨損程度的影響規律，并通過極差分析得到最優的跑合方法，主要結論如下：

1）正交試驗結果表明，3 個因素對微型齒輪機構的跑合影響主次為振動時間＞OZ方向振動能量＞OX方向振動能量。

2）根據延時時間變化量以及平衡擺銷磨損面積，綜合選取的最優跑合方法參數為振動時間450 min，OX方向振動能量6.79g，OZ方向振動能量15.17g。

3）微型齒輪機構的磨損對OZ方向的振動較敏感，原因是OZ方向的振動有利于摩擦副界面充分持續地進行滑動摩擦磨損過程，并且OZ方向的隨機振動會促進表面材料的剝落，進一步對新鮮表面進行跑合，達到較好的跑合效果。