表面粗糙度对微动摩擦特性的影响
鲤 1年第28卷第5期
表面粗糙度对微动摩擦特性的影响
石心余。刘启跃
(西南交通戈学 机械工程学院,四川 成都 610031)
摘耍:通过实验研究,探讨了表面粗糙度对微动摩擦特性影响的作用 表面粗糙度高时接触表面之问的摩擦系数会有明
显增加:在微动状志下表面粗糙度对表面磨损影响不戈
关键词:表面彤貌;微动;摩擦系数
中圄分娄号:THI17 l 文献标识码:A 文章编号:1006一o316(200~)05—0026—03
Effect of the roughness of surface on...
鲤 1年第28卷第5期
面粗糙度对微动摩擦特性的影响
石心余。刘启跃
(西南交通戈学 机械
学院,四川 成都 610031)
摘耍:通过实验研究,探讨了表面粗糙度对微动摩擦特性影响的作用 表面粗糙度高时接触表面之问的摩擦系数会有明
显增加:在微动状志下表面粗糙度对表面磨损影响不戈
关键词:表面彤貌;微动;摩擦系数
中圄分娄号:THI17 l 文献标识码:A 文章编号:1006一o316(200~)05—0026—03
Effect of the roughness of surface on fretting
S H】Xin~vu。L兀J Oi—gue
(School of Mechanical EIlginee血g,Southwest Jiaotong University Chengdu 61003]I Chli~a)
Alraract:Frettingtestsikad been carried outfordifferertt LI曲 surface The effect ofthedisplacement amplJtut!e onfretting behaviour has
beenim'estgnted A11aly出 0ffretting condition~z~aminntiotts revealtkat,thefretting coefficient offriction increasewith surfaceliaca~as—
ing _andthereislittle effect on scat"for differentmL surface.
Key
s:roosh sttrface;fretting ;coefficient offriction
表面粗糙度对机器零部件的摩擦、磨损特性有
着十分重要的影响。当两表面相接触时,其真实接
触面积相对名义接触面积只是很小的一部分。因
此,在这些接触的微凸体之间会产生材料的塑性流
动,这一方面使得接触的微凸体被挤人其相邻的凹
谷部分,使表面变得逐渐平滑,增强表面的承载能
力;另一方面,表面接触微凸体间的塑性变形,容易
造成粘着冷焊作用,引起粘着磨损。
微动是发生于接触表面之间振幅极小的往复运
动 。j。影响微动摩擦特性的参数较多,而有关表面
粗糙度对微动摩擦特性影响的研究文献并不多。本
文通过实验研究,探讨了表面粗糙度对微动摩擦特
性影响的作用,认为在微动过程中,表面粗糙度对接
触表面的摩擦力有一定的影响,但对接触表面的磨
损影响不大。
1 试验简介
试验是在西南交通大学的DELTAL~B.NENE型
微动疲劳试验机上进行。摩擦副是采用球与平面接
触,运动形式为平移。试件材料为45 钢和滚球轴
承钢GCrI5(表 1)。
表 1 材料的化学成份及机械性能
试验工作中选用的平板试件表面粗糙度是利用
表面不同处理方法而得:试样 I表面为抛光处理;试
样2表面是600 砂纸打磨处理;试样 3表面是用
360 砂纸打磨处理。利用 TALYSURF-6形貌仪测试
得到4种试样的表面粗糙度参数如表2所示。
试验过程中记录了不同循环次数的表面摩擦力
与位移幅值变化的曲线,即为摩擦特性三维图(摩擦
力一位移一循环次数),数据处理与记录利用计算机
与试验同步进行。
表2 试件 2表面粗糙度参数
牦莩暑羿 2石00心1亲-0(tl 257一),女.蕈庆^。工程师,主要从事摩擦学研究
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机微 2001年第28卷第 5期
2 试验结果与讨论
2.1 微动区域
大量的试验表明微动存在 3种基本的摩擦力
(F )一位移(D)变化图 :① —D曲线基本封闭,
呈直线形,其力学特性符合Mindlin理论 ,接触表
面处的位移主要由弹性变形控制;②F,一D曲线完
全打开,呈平行四边形,接触表面处发生较大的相对
运动(滑移);③F,一D曲线处于以上二者之间,似
椭圆形,除弹性变形外,尚有接触表层的塑性变形或
表面之间的部分滑移发生。微动过程主要由以上 3
种基本的摩擦力(F )一位移(D)图组成,并由此可
将微动分为不同的微动区域。
图1(a)和图1(b)是法向载荷值 F =300N,运
动频率f=1Hz,循环次数 Ⅳ为 1∥,平板试件是iii=样
1,位移幅值分别为 D=±5lun和 D=±2fm1时的微
动摩擦特性三维图。由于金属表面有污染膜的存
在,微动初始阶段摩擦系数较低,随着循环次数增
多,表面污染膜破坏,部分金属接触表面开始直接接
触,表面之间粘着摩擦力增加。图 1(a)中(D=±
5 m)初始时切向力与位移幅值的循环是四边形,但
经过几次循环后表面污染膜破坏,随着部分金属表
面直接接触,摩擦力增加,切向力与位移幅值的循环
近似为线性封闭的,接触表面间处于粘着状态,称为
部分滑移区域的微动;图 1(b)是位移幅值 D=±
2『』m时的摩擦特性三维图,切向力与位移幅值的曲
线循环始终是四边形循环,接触区域始终处于滑移
状态,称为滑移区域的微动。
图】 不同位移幅值时的微动摩擦特性三维图( .=3tJON,,=1Hz)
2.2 部分滑移区域表面粗糙度对微动的影响
表面粗糙度对表面变形量有较大的影响,在相
同的载荷作用下,当表面粗糙度大时,支承面积减
小,真实接触面积降低,表面微凸体塑性变形量增
加,粘着摩擦力增大。
图2是法向载茼值 F =300N,运动频率 ,=
1l-lz,循环次数 Ⅳ为 1 ,位移幅值分别为 D:-4-
5Ⅲ ,不同表面粗糙度对摩擦系数影响的曲线图
图中表明,表面粗糙度增大导致了摩擦系数提高。
作者认为出现这种情况主要是微动在部分滑移区域
一
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/ ·,⋯ }0= ·-
:下!
时,接触表面间处于粘着状态,表面粗糙度愈高,微
凸体变的更尖锐,将增大接触表面的塑性应变率,导
致表面之间的冷焊粘着摩擦力增加。
对于部分滑移区域的微动,接触区域是由二部
分组成,即中心圆的粘着区域和边缘圆环的滑移区
域,中心粘着区域无相对滑移,金属表面无磨损,但
边缘处有相对滑移,故边缘圆环有少量的磨损。图
3是图2工况下磨痕廓形曲线,测试仪器为TALY.
SURF-6形貌仪。图中发现在干态时,位移幅值为 D
=±5tan时,表面基本不磨损。表面只有塑性变形压
痕,随着表面粗糙度的增加,磨痕深度和宽度基本保
持不变。
试 样 l
— —
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一
图2 不同表面粗糙度对摩擦系数影响的曲线图(D=± 删) 围3 不同表面粗糙度对表面磨痕的影响(D=±5inn)
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2.3 滑移区域表面粗糙度对微动的影响
图4是法向载荷值 F :300N,运动频率 r=
1Hz,循环次数 Ⅳ为 l ,位移幅值分别为 D=±
5}m,不同表面粗糙度对摩擦系数影响的曲线图。
在滑移接触状态,表面粗糙度不同时对摩擦系数有
一 定程度的影响,表面粗糙度较大时,摩擦系数值略
高~些。
Numt~r of c Ie
图4 不同表面粗糙度对摩擦系数
影响的曲线圈(D=±20 )
滑移区域微动主要为3个阶段,即初始阶段、过
渡阶段和稳定阶段。过渡阶段损伤机理极为复杂,
在过渡阶段前期,随着原有的氧化膜挤碎、磨破,金
属表面直接接触面积增多.形成了广泛的冷焊点,粘
着摩擦力迅速上升,随着微动循环作用次数增加,冷
焊点疲劳破坏,形成磨屑,接触表面变粗糙,新的表
面不断形成粘着、破裂,之后随着松散的磨屑逐渐增
加,一定程度上妨碍了金属表面的直接接触,冷焊点
减小,粘着摩擦力开始下降,表面之间磨粒磨损作用
增强,微动处于过渡阶段后期,当表面之间完全被磨
粒垫分离开时,此时表面摩擦力趋于稳定,微动过程
逐步进入稳定阶段。在稳定阶段磨粒磨损和疲劳磨
损是共同作用的,即由于二金属表面之问被大量的
磨屑隔离,金属表面不再直接接触,粘着磨损作用消
失。而大量的磨粒在微动过程中,因氧化而细化,形
成一些小的滚珠,在二金属表面上来回滚动,氧化的
机搏 200】年第 28卷第 5期
磨粒极硬,在软的表面将划伤表面,产生划痕;而在硬
的表面,则囡多次循环的作用使表面产生疲劳磨损。
图 5是图4工况下磨痕廓形曲线。图中发现位
移幅值为D=±20inn时,与图3工况比较表面磨损
较大,有一个深坑,即微动幅值对接触表面磨损影响
较大。随着表面粗糙度的增加,磨痕深度和宽度基
本保持不变。
图5 _不同表面扭糙度对表面磨痕的影响( =±cove)
3 结论
上述分析表明表面粗糙度是影响激动摩擦特性
的一个较为重要的参数,但它对微动摩擦特性的影
响视情况不同而不同:在部分滑移区域,表面粗糙度
的变化对摩擦力会造成较大的变化,表面粗糙度高
时摩擦系数明显增加;在滑移区域,表面粗糙度的变
化对摩擦力的影响相对较小。在微动状态下表面粗
糙度对表面磨损影响不大。
参考文献:
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业出版社.1987.
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(上接第 25而) :
c : c 一 +2_5//
同样,回转支承的最太当量静负荷为对两边滚球分别
按式(6)和式(7)或式(8)和式(9)计算后取其最大值。
显然,根据连接方式的不同以及载荷方向的不
同计算公式是不一样的。例如液压挖掘机回转支承
的载荷主要是上部转台和工作装置的重量以及作业
时在铲斗切削刃处的挖掘反力,挖掘反力的方向和
大小是变化的,因此回转支承的载荷也变化,应该按
照具体工况下载荷的情况采用对应的计算公式,否
则一律采用式(1)可能使结果偏大或偏小。
同样,对于交叉滚拄式回转支承承载能力的计
算方法也存在类似需要注意的问题。
参考文献:
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I
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f10】.
[4]何挤大学 单斗挖掘机[J】.北京_畔一国建筑工业出版社,1992
g号 苫 Jo gu
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