火箭橇滑塊高速重載磨損行為的研究進(jìn)展

摘 要：火箭橇試驗(yàn)是高超聲速技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)基礎(chǔ)，已成為世界范圍內(nèi)高端裝備博弈的熱點(diǎn)之一，開展火箭橇系統(tǒng)的運(yùn)維與損傷控制研究尤為重要。作為火箭橇與火箭滑軌連接的紐帶，滑塊是火箭橇試驗(yàn)在高速重載工況下可靠服役的關(guān)鍵。火箭橇滑塊在特定服役工況下的磨損，威脅著火箭橇試驗(yàn)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行和長壽命服役安全，更是制約火箭橇發(fā)展和應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸。因此，開展火箭橇滑塊高速重載磨損行為研究具有重要的理論價(jià)值和工程意義。本文首先介紹了國內(nèi)外火箭橇試驗(yàn)系統(tǒng)的發(fā)展沿革與現(xiàn)狀；進(jìn)而，基于試驗(yàn)、模擬仿真、試驗(yàn)與模擬仿真結(jié)合，綜述了火箭橇滑塊高速重載磨損行為的研究進(jìn)展。最后，著眼于模擬手段、高性能新型金屬材料設(shè)計(jì)與制備、表面防護(hù)涂層等展望了解決火箭橇滑塊磨損的可行途徑，旨在為極端工況下材料服役損傷行為與控制技術(shù)提供借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：火箭橇； 滑塊； 高速重載； 磨損行為

中圖分類號(hào)：V219 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.04.001

基金項(xiàng)目： 航空科學(xué)基金（20200029029001）；山西省科技合作交流專項(xiàng)（202204041101021）；山西省中央引導(dǎo)地方科技發(fā)展資金項(xiàng)目（YDZJSX20231A018）；陜西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2022JM-251）

高超聲速技術(shù)是未來大國間科技競逐的關(guān)鍵點(diǎn)，自20世紀(jì)90年代起，高超聲速技術(shù)進(jìn)入蓬勃發(fā)展時(shí)期，世界各國在高超聲速技術(shù)發(fā)展上持續(xù)發(fā)力，至今一直處于高速發(fā)展階段。作為發(fā)展高超聲速技術(shù)的關(guān)鍵之一，火箭橇試驗(yàn)安全性和長期穩(wěn)定性的研究是不可或缺的重點(diǎn)環(huán)節(jié)[1-2]。

火箭橇滑軌系統(tǒng)作為一種可控性和可靠性強(qiáng)、高精度地面動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)設(shè)備，以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為推進(jìn)系統(tǒng)，模擬試驗(yàn)件在空中的高速運(yùn)行狀態(tài)，主要用于研究航空航天等尖端武器裝備以及民用高新技術(shù)產(chǎn)品在超高速運(yùn)行時(shí)可能遇到的一系列技術(shù)問題，以提高試驗(yàn)件的可靠性，縮短研制周期，節(jié)約費(fèi)用開支。火箭橇動(dòng)態(tài)試驗(yàn)可以模擬試驗(yàn)件真實(shí)飛行的綜合試驗(yàn)環(huán)境，通過模擬飛行過程獲得大量易測且準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，并且試驗(yàn)的重復(fù)性、可操作性、可控性、維修保養(yǎng)等均優(yōu)于傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)[3]。

火箭橇滑軌系統(tǒng)依據(jù)其使用的滑軌數(shù)量和形式可分為多種類型，其中以單軌和雙軌火箭橇為主，兩者又各有優(yōu)勢和不足。雙軌火箭橇滑軌系統(tǒng)，顧名思義就是使用了兩條標(biāo)準(zhǔn)滑軌作為導(dǎo)向約束，其優(yōu)勢在于承載能力更大、系統(tǒng)穩(wěn)定性高，不足之處在于所占空間較大、易受空氣阻力影響，不適合超過Ma 3的試驗(yàn)，而單軌火箭橇滑軌系統(tǒng)僅僅使用了一條滑軌，其優(yōu)勢在于極大地削弱了氣動(dòng)阻力的影響進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)更高速度的試驗(yàn)，是完成超高速試驗(yàn)的首選火箭橇滑軌系統(tǒng)，但其弊端是承載能力有限、系統(tǒng)運(yùn)行過程中穩(wěn)定性差。

火箭橇沿滑軌滑動(dòng)是通過滑軌上的滑塊滑動(dòng)來進(jìn)行的，滑軌上的滑塊在設(shè)計(jì)上，不僅需要確保滑塊牢牢地扣住滑軌，使試驗(yàn)設(shè)備在滑軌上處于高速運(yùn)行的過程中不至于脫離，還需要保證滑塊與滑軌之間有一定程度的間隔，使滑塊成功在滑軌上滑行[4]。實(shí)際上，火箭橇動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過程是典型的高速重載荷試驗(yàn)，而其滑塊部件作為火箭橇與滑軌相接觸的重要連接紐帶，隨著火箭橇試驗(yàn)速度的提高，滑塊在滑軌上運(yùn)動(dòng)時(shí)將承受復(fù)雜、苛刻的干摩擦以及較大的負(fù)載正壓和沖擊力作用。試驗(yàn)過程中，正是由于不斷地振動(dòng)、沖擊載荷的增加，以及在干摩擦作用下生成大量的摩擦熱會(huì)進(jìn)一步引起熱應(yīng)力[5]集中從而加劇了磨損，且在與高速重載荷共同作用下導(dǎo)致滑塊出現(xiàn)塑性變形，這將制約動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過程的完成，因此對火箭橇滑動(dòng)過程中的摩擦磨損行為進(jìn)行研究，并對改進(jìn)滑塊摩擦磨損性能、兼顧耐磨性和減摩性以及提高其抗動(dòng)態(tài)沖擊性的研究顯得尤為必要。因此，滑塊材料的研究成為當(dāng)前開展高速和超高速火箭橇試驗(yàn)技術(shù)研究的關(guān)鍵方向之一。

1 試驗(yàn)研究

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外大多數(shù)研究學(xué)者以對火箭橇試驗(yàn)后的滑塊試樣進(jìn)行摩擦磨損分析為主，然而，火箭橇試驗(yàn)具有相當(dāng)高昂的經(jīng)濟(jì)成本和時(shí)間成本，這對于收集表征摩擦磨損現(xiàn)象所需的數(shù)據(jù)是不利的，且火箭橇試驗(yàn)所獲得的滑塊樣本量少、運(yùn)行環(huán)境等客觀不確定性因素較多，因此試驗(yàn)研究通常很難揭示高速滑行時(shí)滑塊摩擦磨損的演變歷程。圖1為火箭橇滑軌及滑塊受力示意圖。

2018年，俄羅斯科學(xué)家Gerasimov等[7]開展了火箭橇軌道設(shè)施高速滑動(dòng)過程中材料力學(xué)性能變化、塑性變形以及表面燒損情況的研究，研究發(fā)現(xiàn)滑塊高速滑動(dòng)所產(chǎn)生的摩擦熱有21%用于加熱燒損滑塊，其余熱量則由于熱傳導(dǎo)或輻射而損失，這導(dǎo)致了滑塊工作表面的力學(xué)性能降低以及發(fā)生劇烈塑性變形。

資料顯示，1992年楊興邦最早提到火箭橇滑動(dòng)摩擦?xí)?dǎo)致滑塊磨損，表示滑塊材料選擇及其與滑軌之間的間隙是十分重要的。然而，直到2010年關(guān)于滑塊磨損問題依舊沒有取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，王云[8]指出火箭橇滑塊和滑軌作為重要的基礎(chǔ)配套設(shè)施，解決火箭橇突破熱障后出現(xiàn)的滑塊磨損問題仍然是未來發(fā)展需要。

為了解決這一問題，諸多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)科學(xué)研究。楊忠誠等[9]于2013年針對火箭橇滑塊的選材，采用NM500耐磨鋼、0Cr18Ni9Ti不銹鋼分別與QU-100軌道材料進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)室溫時(shí)兩種鋼的磨損機(jī)制均存在磨粒磨損，而在400℃及以上高溫時(shí)均存在氧化磨損，但耐磨鋼在高溫時(shí)的耐磨性能比常溫下優(yōu)異，不銹鋼則出現(xiàn)了表面的嚴(yán)重氧化，因此，在相同溫度下，NM500耐磨鋼相較于0Cr18Ni9Ti不銹鋼具有更好的耐磨性能。2017年Liu Jun等[10]采用了銷盤試驗(yàn)分別對0Cr18Ni9Ti和T250兩種材料在不同工況下的耐磨性進(jìn)行了測試，并建立了在試驗(yàn)中評(píng)價(jià)滑塊磨損的等效轉(zhuǎn)換方法，結(jié)果表明T250具有更好的耐磨性，這為不同速度和載荷范圍內(nèi)火箭橇滑塊材料的選擇提供了參考。

滑塊選材問題終究是由于滑塊磨損機(jī)制不同而產(chǎn)生磨耗差異，因此厘清滑塊磨損機(jī)制也是必要的。2016年薛進(jìn)進(jìn)等[11]以當(dāng)前使用的高速火箭橇滑塊材料30CrMnSiNi2A為研究對象，進(jìn)行了中速條件（30～60m/s）下的摩擦磨損試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高，滑塊材料性能嚴(yán)重惡化，高溫耐磨性較差，但摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定。2019年汪笑鶴等[12]分析了火箭橇動(dòng)態(tài)試驗(yàn)后銅合金滑塊的表面形貌，分析發(fā)現(xiàn)滑塊表面明顯的溫度梯度變化致使組織結(jié)構(gòu)變化，導(dǎo)致出現(xiàn)以磨粒磨損和黏著磨損為主的磨損機(jī)制，此外產(chǎn)生的劃痕沿著滑動(dòng)方向呈現(xiàn)彼此平行分布，且在部分區(qū)域出現(xiàn)不規(guī)則的撕裂狀表面，大多數(shù)劃痕側(cè)面存在材料堆積，即明顯的塑性變形。2020年王瑋華等[6]分析了0Cr18Ni9Ti滑塊歷經(jīng)938m/s、850kg高速重載后的摩擦磨損失效機(jī)理，發(fā)現(xiàn)滑塊在重載荷和摩擦熱綜合作用下是以磨粒磨損和疲勞磨損為主要、黏著磨損和氧化磨損為次要的失效機(jī)理，且由于摩擦熱引起的加工硬化導(dǎo)致硬度在1.6mm厚度范圍內(nèi)由表向里呈梯度降低變化。

在苛刻服役條件下，為避免滑塊出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，既要提高滑塊耐磨性又要解決滑塊減摩問題，在滑塊表面制備減摩耐磨涂層成為重要的手段之一[13]。2018年雷逸舟[14]研究了火箭橇滑塊表面制備含Ni包MoS2粉末的Cr3C2-25NiCr復(fù)合涂層在高溫下的減摩耐磨性，研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合涂層呈現(xiàn)出出色的減摩性能并有效降低了摩擦因數(shù)。

2020年，蘇靜雨等[15]為了實(shí)現(xiàn)減輕在高速干摩擦條件下火箭橇滑塊由于顆粒磨損以及摩擦熱而引起的磨損和燒蝕，使用超聲速火焰噴涂技術(shù)在滑塊材料VascoMax 300鋼表面制備了NiCr-Cr3C2耐磨涂層，并加入不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的Ni包覆MoS2粉末進(jìn)行涂層性能優(yōu)化，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)粉末加入量在16%～24%時(shí)涂層綜合效果最好，且制備的涂層不僅起到了減摩耐磨的作用，也緩解了滑塊表面的溫升，進(jìn)而有效抑制了熱損傷的發(fā)生。

2021年，呂濤[16]以火箭橇滑塊基體材料0Cr18Ni9Ti不銹鋼和QAl9-4鋁青銅為研究對象，利用等離子噴涂技術(shù)在基體材料表面制備了良好機(jī)械結(jié)合的鎳-石墨涂層，分析并比較了兩種滑塊材料及其有涂層時(shí)的干摩擦磨損性能和潤滑情況下的磨損性能，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)室溫低速低載荷或高載荷下涂層的體積磨損量均低于兩種滑塊基體材料，涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的減摩耐磨性，而在潤滑條件下，由于潤滑油膜提供了減摩效果并降低了材料磨損，滑塊材料體積磨損量均低于干摩擦?xí)r的磨損量。減摩耐磨涂層無疑是解決火箭橇滑塊磨損問題的手段，但與基體結(jié)合強(qiáng)度不高的涂層往往會(huì)發(fā)生涂層剝落，產(chǎn)生的硬質(zhì)涂層顆粒反而會(huì)加劇滑塊表面的磨損。

2 模擬仿真研究

伴隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的高速發(fā)展，基于計(jì)算機(jī)模擬分析的方法逐漸被應(yīng)用于火箭橇滑塊的摩擦學(xué)問題研究。

2009年，Burton等[17]首先對滑塊、滑塊襯墊和軌道頂部的原始樣品和使用樣品的表面高度輪廓進(jìn)行了詳細(xì)測量，來保留幾乎所有重要的表面特征（包括粗糙度特征），隨后使用ABAQUS軟件建立了滑塊與滑軌相互作用問題的二維有限元模型，進(jìn)而研究了摩擦因數(shù)對模型特征和物理變量（載荷）的依賴關(guān)系，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)粗糙度越高，摩擦因數(shù)也會(huì)越大，而隨著壓力的增加，滑塊磨損形式將發(fā)生變化，摩擦因數(shù)對壓力的依賴性也變得更為復(fù)雜。2011年，Huber[18]基于歐拉-拉格朗日方法對速度區(qū)間在200～ 1500m/s的霍洛曼滑軌摩擦副進(jìn)行了磨損模擬，獲得的磨損體積僅為實(shí)際值的49.31%～80.87%，盡管模擬結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差較大，但考慮到實(shí)際值受諸多外界因素的影響，而模擬值是基于理想情況、不考慮外界因素所得的，因此模擬結(jié)果依然具有一定的可信度。

預(yù)測磨損的發(fā)生及其變化是必要的，但在實(shí)際情況下，高速摩擦往往伴隨大量摩擦熱的產(chǎn)生，升高的溫度會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)機(jī)械磨損，因此為了了解火箭橇滑塊滑動(dòng)進(jìn)程中所產(chǎn)生的熱環(huán)境，2015年，Palazotto等[19]通過建立的三維有限元分析模型系統(tǒng)地研究了滑塊和軌道的熱力學(xué)損傷行為，考慮了20m/s、200m/s以及1500m/s三種滑動(dòng)速度條件，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)滑塊和滑軌表面的損壞過程和模式非常依賴于滑動(dòng)速度和滑塊溫度，在20m/s時(shí)滑塊的磨損損壞情況逐漸嚴(yán)重，此時(shí)滑塊表面會(huì)產(chǎn)生犁狀連續(xù)劃痕，而當(dāng)速度在200m/s及以上時(shí)，滑塊表面開始顯示出刨削型的損傷模式，同時(shí)在軌道的凹槽中出現(xiàn)了切碎的材料去除。

2016年，Alban等[20]采用二維ABAQUS有限元模型模擬火箭橇滑塊材料內(nèi)的熱傳導(dǎo)，并將對流空氣動(dòng)力學(xué)效應(yīng)應(yīng)用于所建立的二維有限元模型中，獲得了較為完整的滑塊材料溫度分布，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于摩擦熱的影響使得滑塊底部（即與滑軌相接觸的面）溫度隨時(shí)間的增加而明顯增加，而在越靠近滑塊頂部位置的溫度反而受對流空氣的影響逐漸降低。

近年來高熵合金材料的優(yōu)異性能被發(fā)掘，尤其以難熔高熵合金為例，其在高溫高壓等苛刻條件下具有高溫抗氧化性、耐磨性以及優(yōu)異的綜合力學(xué)性能[21-22]，這為火箭橇滑塊的選材問題提供了更好的解決方案。2018年，丁欣愷等[23]針對火箭橇滑塊材料需滿足能夠承受高溫高壓等極端條件問題，采用第一性原理計(jì)算方法研究了NbMoTaWVx（0≤x≤1.5）（x為V在該合金中的含量）高熵合金在平穩(wěn)態(tài)條件下的相結(jié)構(gòu)和彈性力學(xué)性質(zhì)，計(jì)算發(fā)現(xiàn)V組元的增加會(huì)導(dǎo)致合金相的穩(wěn)定性降低、理論強(qiáng)度下降，但內(nèi)在塑性有所提高，且彈性各向異性幾乎不會(huì)發(fā)生改變。

李雪潔等[24]的研究為新一代高超聲速火箭橇滑塊材料的研發(fā)提供了一定的參考，他們在2022年同樣基于第一性原理探究了Ti、Zr、Hf以及Sn等替代元素（Ti/Zr/Hf/Sn/W） NbMoTaV高熵合金塑韌性的影響，計(jì)算結(jié)果表明，替代元素會(huì)降低合金成鍵穩(wěn)定性和共價(jià)性，進(jìn)而引起母合金材料彈性性能降低，且（Ti/Zr/Hf/Sn）NbMoTaV合金材料的強(qiáng)度均低于WNbMoTaV合金。高熵合金的優(yōu)異使用性能毋庸置疑，但相應(yīng)加工工藝的可行性和高昂價(jià)格限制了其更廣泛的應(yīng)用。

2020年，馮瑞雪等[25]使用某有限元模擬軟件建立了由火箭橇滑塊與滑軌組成的高速干摩擦滑動(dòng)摩擦副的熱-結(jié)構(gòu)耦合場模型，探討了滑塊磨損過程中含Ni包覆MoS2/ Cr3C2-25NiCr涂層對溫度變化的影響，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)有涂層相比于無涂層時(shí)，滑塊最高溫度下降了27.4%。

在計(jì)算機(jī)模擬分析方面。2011年，肖虹等[26]采用流體場分析了火箭橇動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過程中的氣壓分布，模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著速度的增大，火箭橇貼近滑軌的空間范圍內(nèi)高壓區(qū)域逐漸擴(kuò)大。雖未直接研究滑塊的磨損，但對于解釋實(shí)際情況下滑塊磨損要比理想情況下更嚴(yán)重提供了依據(jù)，這是由于高壓區(qū)域產(chǎn)生的高壓力對滑塊磨損造成了直接影響，高壓力有時(shí)甚至?xí)哂诨鸺磷陨硭休d的重量，使得滑塊承受更高的縱向載荷，嚴(yán)重惡化滑塊的磨耗[27]。

而在2014年王伯陽等[28]使用某有限元模擬軟件建立了火箭橇動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過程中滑塊與滑軌間滑動(dòng)摩擦熱，即結(jié)構(gòu)耦合場三維分析模型（見圖2），并考慮了摩擦因數(shù)以及材料熱物性參數(shù)的變化，模擬分析了滑塊在運(yùn)動(dòng)時(shí)的溫度場和應(yīng)力場變化，結(jié)果表明，材料熱物性參數(shù)以及摩擦因數(shù)變化對模擬結(jié)果有很大影響，在距接觸表面6mm處應(yīng)力集中且產(chǎn)生大量摩擦熱，以致于滑塊在該區(qū)域更容易受到破壞。

摩擦因數(shù)變化與速度變化息息相關(guān)，2017年房明等[29]對某型號(hào)火箭橇進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析、建模和流體場模擬，得到了火箭橇動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過程中摩擦因數(shù)關(guān)于速度的計(jì)算公式，計(jì)算值與試驗(yàn)值之間的最大誤差僅為2.87%。摩擦因數(shù)計(jì)算公式為本文后續(xù)開展溝槽型織構(gòu)的模擬奠定了基礎(chǔ)。2022年周學(xué)文等[30]建立了滑塊滑軌非線性接觸力學(xué)模型，并考慮了軌道的不平順性和滑塊的磨損問題，結(jié)合Newmar k-β方法和Newton-Raphson局部迭代方法，求解了非線性方程，并獲得了火箭橇在軌動(dòng)力特性數(shù)值解。計(jì)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，火箭橇滑塊磨損主要發(fā)生在高速運(yùn)行階段，此階段的磨損量占到了整個(gè)磨損階段的84%。對于高速重載下滑塊磨損特性的演變過程，嚴(yán)凱等[31]基于Archard磨損模型和彈塑性變形理論，利用有限元開展了0Cr18Ni9Ti- U71Mn火箭橇摩擦副在高速重載下磨損行為的數(shù)值模擬。結(jié)果表明，在高速重載條件下，通過控制載荷可以有效減少火箭橇滑塊的磨損，延長滑塊的服役壽命。同時(shí)，他們對溝槽型織構(gòu)化火箭橇滑塊磨損行為進(jìn)行了有限元模擬[32]，結(jié)果為表面織構(gòu)對火箭橇滑塊的積極作用提供了理論支撐。

3 試驗(yàn)與模擬仿真結(jié)合

總體而言，國內(nèi)外學(xué)者對火箭橇滑塊磨損問題的研究手段主要為實(shí)測試驗(yàn)分析和計(jì)算機(jī)模擬分析，因此接下來也將根據(jù)這兩種分析手段闡述滑塊磨損研究進(jìn)展。美國作為火箭橇數(shù)量最多的國家，自1969年起就對火箭橇滑塊磨損問題開展了廣泛研究，且國外大多數(shù)學(xué)者并非純粹地使用模擬軟件進(jìn)行仿真，為了考量模擬結(jié)果與實(shí)際情況的相符度，需要對實(shí)際情況加以分析探討[33]。

2008年Cameron等[34]以壓力和速度的乘積將低速磨損試驗(yàn)與高速應(yīng)用相聯(lián)系，并使用了由桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的用于分析超高速?zèng)_擊動(dòng)力學(xué)問題的仿真軟件來評(píng)估高速磨損，并考慮了速度、溫度、軌道涂層以及粗糙度的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在平滑鋼軌情況下環(huán)氧樹脂涂層的存在會(huì)顯著降低接觸界面溫度，另外從動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)中解析地確定了火箭橇滑塊的磨損，通過分析模型確定的磨損量產(chǎn)生了符合實(shí)際的結(jié)果。

同年Chmiel[35]利用某有限元軟件對霍洛曼滑軌摩擦副在低速時(shí)的磨損進(jìn)行了預(yù)測，采用了兩種方法來確定磨損量，即分別為基于傳統(tǒng)的Archard磨損方程的宏觀增量方法以及基于失效準(zhǔn)則的微觀材料性能方法，結(jié)果均發(fā)現(xiàn)仿真磨損結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)相符，并且較小的時(shí)間步長和精細(xì)的網(wǎng)格提高了計(jì)算的準(zhǔn)確度，其中增量法得到了準(zhǔn)確的結(jié)果，但存在許多數(shù)值問題，而微觀材料性能法是一種可行的解決辦法。

1987年，Barker等[36]對特定工況條件下的滑塊鑿削進(jìn)行了計(jì)算，與試驗(yàn)觀察結(jié)果一致，并結(jié)合實(shí)際試驗(yàn)分析了鑿削磨損的形成機(jī)理。2009年，Cinnamon等[37]修正了二維模擬程序計(jì)算模型，對鑿削磨損的形成過程進(jìn)行了模擬，通過材料本構(gòu)試驗(yàn)和熱力學(xué)性能測試的研究發(fā)現(xiàn)，軌道的不平整度在鑿削磨損的過程中有著重要影響，模擬結(jié)果與實(shí)際試驗(yàn)相對應(yīng)。2019年，饒翼[38]基于火箭橇運(yùn)行階段的理論分析，通過試驗(yàn)和模擬仿真相互結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了火箭橇軌道系統(tǒng)耦合的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律，探索了滑軌與滑塊耦合作用關(guān)鍵影響因素敏感性，并獲得了各因素的影響程度排序。影響火箭橇前滑塊動(dòng)力響應(yīng)因素的顯著性依次為火箭橇的運(yùn)行速度、滑塊剛度、滑軌剛度；對火箭橇后滑塊動(dòng)力響應(yīng)影響較為顯著的因素依次為火箭橇的運(yùn)行速度、滑軌剛度和滑塊剛度。

基于有限元法，2023年楊經(jīng)緯等[39]建立了火箭橇滑塊的三維鑿削磨損模型，在熱力耦合場下對鑿削過程進(jìn)行了模擬。結(jié)果表明，在初始航向速度和溫度條件下，當(dāng)豎向速度超過1.75m/s時(shí)，將發(fā)生鑿削磨損；在初始航向速度和豎向速度條件下，溫度超過400℃時(shí)，鑿削磨損發(fā)生。在初始航向速度條件下，鑿削磨損率隨著豎向速度和溫度的提高而增大；而當(dāng)航向速度由1200m/s提升到1800m/s時(shí)，臨界豎向速度由1.65m/s增大至3.00m/s，臨界溫度由400℃提高到800℃，臨界夾角由0.079°上升至0.096°。結(jié)果顯示，通過降低滑靴豎向速度和溫度，可以有效避免鑿削磨損的發(fā)生。

4 結(jié)論與展望

火箭橇是在專用軌道上利用火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作動(dòng)力推動(dòng)火箭滑車高速前進(jìn)以獲取試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)裝備。火箭橇滑塊在高速重載服役條件下的磨損嚴(yán)重威脅著火箭橇的可靠運(yùn)行和服役安全，更是制約火箭橇發(fā)展和應(yīng)用的技術(shù)瓶頸之一。當(dāng)前滑塊在高速重載的情況下存在嚴(yán)重的氧化磨損、疲勞磨損、磨粒磨損、黏著磨損。對此，在滑塊的材料選擇以及表面防護(hù)方面，國內(nèi)外學(xué)者通過試驗(yàn)取得了有效的成果，同時(shí)通過模擬仿真手段對復(fù)雜條件下滑塊的磨損形式進(jìn)行了預(yù)測及分析，并對表面涂層及滑塊材料選擇進(jìn)行了有效評(píng)估。本文分別從試驗(yàn)和模擬仿真的角度陳述了相關(guān)研究進(jìn)展，鑒于高速重載極端工況的復(fù)雜性，火箭橇滑塊的磨損問題仍然有待進(jìn)一步探究。

（1）開展三體磨損的微觀模擬。高速重載干摩擦工況下，火箭橇滑塊接觸面因劇烈摩擦引起顯著的性狀變化，以致于形成疏松的顆粒狀膜或致密的片狀膜（即第三體）。第三體的行為及其狀態(tài)嚴(yán)重地影響材料的摩擦磨損。然而，當(dāng)前的試驗(yàn)手段難以捕捉到第三體的動(dòng)態(tài)演化規(guī)律及其對接觸界面磨損的影響，且有限元法偏向于從宏觀角度展示接觸界面的變形以及熱分布等信息，精確地模擬第三體的動(dòng)力學(xué)行為尚且存在困難。因此開展第三體的模擬，特別是通過基于離散元法的軟件、基于分子動(dòng)力學(xué)的軟件或可實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)元胞自動(dòng)機(jī)法的軟件，有望實(shí)現(xiàn)第三體的動(dòng)力學(xué)行為的有效模擬，進(jìn)而從微觀角度分析火箭橇滑塊的磨損問題。

（2）高熵合金一體化滑塊或制備冶金結(jié)合多層涂層。高熵合金的價(jià)格昂貴無可非議，然而其優(yōu)異的性能更是毋庸置疑，采用低成本3D打印、避免高昂價(jià)格元素的摻入，結(jié)合計(jì)算模擬、高通量計(jì)算以及第一性原理計(jì)算等方法已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了高熵合金的多方位研究，因此高熵合金一體化滑塊是發(fā)展趨勢。

（3）此外，也可采用全新的接觸界面設(shè)計(jì)策略在滑塊接觸面上制備冶金結(jié)合多層涂層。相較于單層涂層，多層涂層已經(jīng)被證實(shí)可以顯著地提高機(jī)械部件的耐磨性及其長期服役性，且冶金結(jié)合多層涂層體系在設(shè)計(jì)方面具有極高的靈活性，隨著深入探究多層涂層的設(shè)計(jì)及其制備過程中諸多工藝參數(shù)對其摩擦學(xué)性能的影響，有望獲得具有優(yōu)越性能的多層涂層體系。

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Research Progress on Wear Behavior of Rocket Sled Slider under High Speed and Heavy Load Conditions

Li Xiaokai1， Yan Kai1， Wu Lin1， Lin Naiming1， Wang Zhenxia1， Wang Weihua2， Zeng Qunfeng3， Wu Yucheng4 1. Taiyuan University of Technology， Taiyuan 030024， China

2. AVIC Aerospace Life-Support Industries， Co.，Ltd.， Xiangyang 441003， China

3. Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China

4. Hefei University of Technology， Hefei 230009， China

Abstract： The rocket skid test is technical foundation of hyper-sonic technology. Up to now it has been considered as one of the research and development hotspots in the field of high-end equipment around the world. It is particularly important to conduct the study on operation and maintenance， and damage control of the rocket skid system. As link between the rocket sled and the rocket rails， the rocket sled sliders are also the key factor for highly reliable service of rocket sled test under high speed and heavy load. The wear damage of rocket sled slider under certain service conditions not only would threaten the reliable operation and long service life safety of rocket sled system， but also has been considered as the technical bottleneck that restricting the development and application of rocket sled system. Hence， there are important theoretical value and engineering significance to investigate the wear behavior of rocket sled slider under high speed and heavy load conditions. In this review， development history and present situation of rocket sled system at home and abroad was firstly introduced. Research progress on wear behavior of rocket sled slider under high speed and heavy load conditions has been presented on basis of experimentation， simulation and combination of experimentation with simulation. Three feasible strategies of simulation methods， design and preparation of new metallic materials with high performance， surface protective coating have been prospected. This paper is expected to create a database that could offer reference for service damage behavior and control techniques of materials under extreme conditions.

Key Words： rocket sled； slider； high speed and heavy load； wear behavior