油潤(rùn)滑條件下滑動(dòng)摩擦表面三維形貌分形變化規(guī)律研究

左 雪,周元?jiǎng)P

(江蘇科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 鎮(zhèn)江 212003)

磨損表面三維形貌是摩擦副在相互作用過程中形成的微觀幾何形貌,它可以為機(jī)械設(shè)備的故障診斷、狀態(tài)識(shí)別和耐磨性能評(píng)價(jià)提供依據(jù),通常采用三維粗糙度參數(shù)進(jìn)行研究[1]．文獻(xiàn)[2]采用算術(shù)平均偏差Sa,均方根偏差Sq,最大谷深Sv,最大峰高Sp和表面總高St對(duì)鑄鐵和42CrMo4鋼在磨損過程中的表面三維形貌進(jìn)行表征．文獻(xiàn)[3]發(fā)現(xiàn)磨損前后表面形貌的混合特性參數(shù)Sdq和Sdr有密切關(guān)系．文獻(xiàn)[4]發(fā)現(xiàn)粗糙度參數(shù)表面軸承指數(shù)Sbi,核心流體保留指數(shù)Sci和山谷流體保留指數(shù)Svi與表面形貌的變化有關(guān),能夠準(zhǔn)確對(duì)磨損表面形貌進(jìn)行表征．文獻(xiàn)[5]采用低頻和高頻特征參數(shù)表征了船用柴油機(jī)缸套-活塞環(huán)在不同磨損階段的磨損表面形貌．結(jié)果表明,低頻特征參數(shù)反映了磨合表面的接觸面積,其值愈大,接觸面積愈大．高頻特征參數(shù)反映了磨合表面的粗糙度,其值愈大,粗糙度愈?。?這些粗糙度參數(shù)依賴于設(shè)備的采樣長(zhǎng)度和分辨率,與尺度相關(guān),即相同的磨損表面,不同的儀器會(huì)呈現(xiàn)不同的粗糙度值[6]．這就需要采用具有尺度獨(dú)立性的分形參數(shù)表征磨損表面三維形貌．

分形是一種具有自相似性和標(biāo)度不變性的現(xiàn)象,分形維數(shù)是分形的表征參數(shù)[7]．采用分形方法表征表面形貌,其結(jié)果具有確定性和唯一性[8-9]．文獻(xiàn)[10]認(rèn)為機(jī)加工表面和磨損表面具有自仿射性,采用分形理論可以表征磨損過程．文獻(xiàn)[11]運(yùn)用分形理論表征磨削表面,發(fā)現(xiàn)磨削表面具有自相似性和多尺度性．文獻(xiàn)[12]采用分形維數(shù)和尺度系數(shù)對(duì)磨合試驗(yàn)中的磨損表面輪廓進(jìn)行了表征．文獻(xiàn)[13]采用分形維數(shù),尺度系數(shù)和特征粗糙度表征磨損過程中表面形貌的變化規(guī)律文獻(xiàn)[14]發(fā)現(xiàn)，不僅表面輪廓具有分形特征，表面三維形貌也具有多尺度和自仿射等分形特點(diǎn)．文獻(xiàn)[15]針對(duì)三維表面形貌的非平穩(wěn)性和多尺度性,采用分形方法對(duì)不同磨損表面的灰度圖片進(jìn)行表征和識(shí)別．文獻(xiàn)[16]采用盒維數(shù)法計(jì)算了磨損表面三維形貌的分形維數(shù),發(fā)現(xiàn)表面形貌的分形維數(shù)與表面粗糙度有關(guān),粗糙度越小,分形維數(shù)越大．文獻(xiàn)[17]采用分形維數(shù)研究了缸套表面的三維形貌,發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)能反映三維形貌的不規(guī)則性和填充空間的能力．文獻(xiàn)[18]中采用分形理論研究表面三維形貌,結(jié)果發(fā)現(xiàn),分形維數(shù)能夠反映不同尺度下表面三維形貌在細(xì)節(jié)上的不規(guī)則性和自相似性的差異,從而準(zhǔn)確地對(duì)表面形貌進(jìn)行表征．文獻(xiàn)[19]發(fā)現(xiàn)分形維數(shù)變化周期的長(zhǎng)短可以反映材料表面形貌的耐磨性．周期越大,表示分形維數(shù)變化速率越慢,表面形貌保持時(shí)間越長(zhǎng),耐磨性能越好．雖然分形方法已經(jīng)應(yīng)用于磨損表面三維形貌的研究,但大多集中在磨損表面的靜態(tài)表征,對(duì)于整個(gè)磨損過程中表面三維形貌變化規(guī)律的研究較少,也沒有同時(shí)考慮兩配副表面三維形貌變化的研究．因此,采用分形方法研究整個(gè)磨損過程中摩擦副表面三維形貌分形維數(shù)的變化具有重要意義．

1 摩擦磨損試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在環(huán)-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn),如圖1．環(huán)試樣的材料為軸承鋼GCr15,硬度為685 HB．盤試樣的材料為黃銅H70,硬度為109 HB．環(huán)試樣的內(nèi)徑為24 mm,外徑為34 mm,盤試樣的外徑為46 mm,接觸區(qū)域的名義接觸面積為455.3 mm2．采用兩因素的全因素方法進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)的兩個(gè)因素分別為載荷和速度,其中速度由轉(zhuǎn)速和半徑計(jì)算得到．載荷的兩個(gè)水平分別為0.85，1.31 MPa;速度的兩個(gè)水平分別為0.46，0.76 mm/s．試驗(yàn)總共進(jìn)行4組,具體的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案如表1．試驗(yàn)前,添加型號(hào)為API CD15W-40的潤(rùn)滑油0.6 ml,試驗(yàn)過程中不再補(bǔ)給潤(rùn)滑油．

圖1 環(huán)-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)Fig.1 Ring-on-disc tribometer

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 1 Design of experiments

1.2 試驗(yàn)方法

為了同時(shí)采集盤試樣和環(huán)試樣的表面三維形貌,采用分階段換試樣的方法進(jìn)行試驗(yàn)．首先,進(jìn)行一次確定時(shí)間的磨損試驗(yàn);然后,更換一對(duì)新的摩擦副,并延長(zhǎng)磨損時(shí)間進(jìn)行第二次試驗(yàn);以此類推,直至最后一次試驗(yàn)的摩擦副表面發(fā)生劇烈磨損．每組試驗(yàn)結(jié)束后,依次采集盤試樣和環(huán)試樣的表面三維形貌,可得整個(gè)磨損過程中摩擦副的表面三維形貌．

2 摩擦副磨損表面三維形貌的變化規(guī)律

采用基恩士生產(chǎn)的三維激光共聚焦顯微鏡VK-X250K采集磨損表面的三維形貌．主要通過激光向XYZ方向超高速掃描表面,可實(shí)現(xiàn)對(duì)磨損表面的低噪音、高分辨的非接觸測(cè)量．測(cè)量的綜合倍率范圍為60～28 800倍,高度的顯示分辨率為0.5 nm．測(cè)量環(huán)和盤試樣采用的倍率為400倍,測(cè)量的視野范圍為2 596 μm×538 μm．

2.1 盤試樣表面形貌的變化

將不同工況下的磨損表面放入超聲波清洗器,使用酒精進(jìn)行清洗．干燥后,采用三維激光共聚焦顯微鏡測(cè)量磨損表面的三維形貌．每個(gè)磨損表面分別沿半徑方向測(cè)量3個(gè)不同的區(qū)域,用于后續(xù)表面分形維數(shù)的計(jì)算．為節(jié)省篇幅,僅列出試驗(yàn)4在不同時(shí)間段盤試樣的部分表面三維形貌,如圖2．

從圖中可以看出,初始表面形貌每個(gè)波峰的左側(cè)是兩個(gè)峰值較小的小波峰和兩個(gè)深度較淺的小波谷,右側(cè)是一個(gè)較深的波谷;波峰尖銳,峰值高,波谷明顯,寬度窄,如圖2(a)．磨損60 min后,大波峰頂端被磨掉,變成較寬的平面,如圖2(b)，這個(gè)階段為表面形貌的磨合磨損階段．磨損180 min后,大波峰平面進(jìn)一步變寬,波谷無(wú)變化,如圖2(c)．磨損420 min后,大波峰平面寬度穩(wěn)定,波谷寬度變窄,深度變淺,如圖2(d)，這個(gè)階段為表面形貌的穩(wěn)定磨損階段．磨損650 min后,表面形貌發(fā)生變化,左側(cè)區(qū)域波谷被填充,變成復(fù)雜的粗糙表面,右側(cè)區(qū)域表面形貌波峰平面寬度保持穩(wěn)定,如圖2(e)．磨損830 min后,表面形貌發(fā)生劇烈變化,波峰波谷相間的車削紋理消失,左側(cè)區(qū)域峰谷沒有明顯差異,右側(cè)區(qū)域產(chǎn)生3個(gè)深度較淺的小犁溝和1個(gè)又寬又深的大犁溝,如圖2(f)，這個(gè)階段為表面形貌的劇烈磨損階段．

圖2 試驗(yàn)4不同時(shí)間段盤試樣磨損表面三維形貌圖Fig.2 Three-dimensional topography of disc worn surface for different time segments in test 4

2.2 環(huán)試樣表面形貌的變化

圖3為與圖2所對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)4中不同時(shí)間段環(huán)試樣的部分表面三維形貌．從圖中可以看出,初始環(huán)試樣表面形貌為典型的磨削紋理,具有明確的方向性,高度分布均勻,如圖3(a)．磨損60 min后,中間區(qū)域形貌的高度值變大,如圖3(b)，這個(gè)階段為表面形貌的磨合磨損階段．磨損180 min后,表面形貌上附著很多高度不同的顆粒,如圖3(c)．磨損420 min后,表面形貌高度值減小,如圖3(d)，這個(gè)階段為表面形貌的穩(wěn)定磨損階段．磨損650 min后,表面上聚集大量高度不同的顆粒,形貌變的粗糙,不在均勻一致,如圖3(e)．磨損830 min后表面附著的顆粒逐漸增加,形貌變的更加粗糙和不均勻,如圖3(f)，這個(gè)階段為表面形貌的劇烈磨損階段．

圖3 試驗(yàn)4不同時(shí)間段環(huán)試樣磨損表面三維形貌圖Fig.3 Three-dimensional topography of ring worn surface for different time segments in test 4

3 摩擦副表面三維形貌的分形變化規(guī)律

3.1 盤試樣表面形貌分形維數(shù)的變化

盤試樣和環(huán)試樣表面是各向異性的,采用3D-RMS法[20]計(jì)算4組試驗(yàn)中盤試樣和環(huán)試樣表面三維形貌的分形維數(shù)．圖4為磨損過程中盤試樣表面三維形貌分形維數(shù)變化規(guī)律的誤差圖．

圖4 盤試樣表面三維形貌分形維數(shù)變化規(guī)律Fig.4 Variation law of fractal dimension for disc surfaces

從圖中可以看出,4組試驗(yàn)中,表面三維形貌分形維數(shù)的變化有相同的規(guī)律,均是先增大,然后在小范圍內(nèi)上下波動(dòng),最后減?。栽囼?yàn)4為例,從0到180 min,盤試樣表面三維形貌的分形維數(shù)從2.642增加到2.717;從180 min到540 min,盤試樣表面三維形貌的分形維數(shù)在2.717和2.734之間波動(dòng);從540 min到830 min,盤試樣表面三維形貌的分形維數(shù)從2.734減小為2.631．通過與圖2盤試樣的表面三維形貌的變化規(guī)律對(duì)比發(fā)現(xiàn),分形維數(shù)的增大,穩(wěn)定和減小分別對(duì)應(yīng)于盤試樣表面的磨合磨損,穩(wěn)定磨損和劇烈磨損階段．

3.2 環(huán)試樣表面形貌分形維數(shù)的變化

圖5為環(huán)試樣表面三維形貌分形維數(shù)變化規(guī)律的誤差圖．

圖5 環(huán)試樣表面三維形貌分形維數(shù)變化規(guī)律Fig.5 Variation law of fractal dimension for ring surfaces

從圖中可以看出,4組試驗(yàn)中,環(huán)試樣表面三維形貌分形維數(shù)的變化有相同的規(guī)律,均是先減小,然后維持穩(wěn)定,最后逐漸減?。栽囼?yàn)4為例,從0到180 min,環(huán)試樣表面三維形貌的分形維數(shù)從2.95降低為2.928;從180 min到540 min,分形維數(shù)在2.917和2.928之間波動(dòng);從540 min到830 min,三維形貌的分形維數(shù)從2.928減小為2.891．通過與環(huán)試樣表面三維形貌的變化對(duì)比發(fā)現(xiàn),在磨合磨損階段,環(huán)試樣表面三維形貌的分形維數(shù)逐漸減小,在穩(wěn)定磨損階段,三維形貌的分形維數(shù)維持穩(wěn)定,在劇烈磨損階段,三維形貌的分形維數(shù)逐漸減小．

3.3 分析與討論

分形維數(shù)能夠反映磨損表面三維形貌的復(fù)雜程度,不規(guī)則程度以及整體與局部的自相似程度[21-22]．分形維數(shù)越大,表面三維形貌越復(fù)雜,精細(xì)結(jié)構(gòu)越多,整體與局部的自相似性越強(qiáng)．

初始盤表面形貌為車削紋理,周期性明顯,則分形維數(shù)較小;環(huán)表面形貌為磨削紋理,精細(xì)結(jié)構(gòu)多,則分形維數(shù)較大．在磨合磨損階段,盤表面上較高的波峰逐漸被磨掉,變成較寬的承載平面,且隨著磨損時(shí)間的增加,承載平面的面積逐漸增大,形貌上的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)不斷增加,則分形維數(shù)逐漸增大．由于環(huán)的硬度遠(yuǎn)大于盤,在摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),黃銅材料粘著并轉(zhuǎn)移至環(huán)的表面,導(dǎo)致表面粗糙,精細(xì)結(jié)構(gòu)減小,形貌的分形維數(shù)降低．

在穩(wěn)定磨損階段,盤表面的磨損量逐漸減小,承載平面的面積和形貌的復(fù)雜性逐漸維持穩(wěn)定,則分形維數(shù)的變化趨于穩(wěn)定．而環(huán)表面和盤表面相互匹配和適應(yīng),隨著盤表面分形維數(shù)增大并維持穩(wěn)定,環(huán)表面形貌的分形維數(shù)也趨于穩(wěn)定．

在劇烈磨損階段,潤(rùn)滑油發(fā)黑變質(zhì),如圖6．盤表面發(fā)生嚴(yán)重的粘著磨損,產(chǎn)生大量犁溝,波谷的深度和寬度增大,表面細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)被破壞,整體和局部的自相似減弱,則分形維數(shù)減?。?/p>

圖6 劇烈磨損后的盤試樣表面照片F(xiàn)ig.6 Photograph of disc specimen after severe wear

由于盤表面粘著磨損產(chǎn)生的銅屑不斷遷移到環(huán)表面上,環(huán)表面上的黏著物不斷增加,細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)減少,則分形維數(shù)減?。虼?磨損過程中表面三維形貌分形維數(shù)的變化規(guī)律能夠反映磨損表面在細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)和復(fù)雜程度上的變化．

4 結(jié)論

運(yùn)用分形方法研究了盤和環(huán)表面三維形貌在磨損過程中的變化規(guī)律．在環(huán)-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行了分階段換試樣的磨損過程試驗(yàn),使用激光共聚焦顯微鏡采集盤和環(huán)表面的三維形貌,采用3D-RMS法計(jì)算了摩擦副表面三維形貌的分形維數(shù)．主要研究結(jié)論如下:

(1) 在磨損過程4種工況下,盤表面三維形貌分形維數(shù)的變化規(guī)律為先增大,然后在小范圍內(nèi)上下波動(dòng),最后減小;環(huán)表面三維形貌分形維數(shù)的變化規(guī)律為先減小,然后維持穩(wěn)定,最后減小．

(2) 通過與摩擦副表面三維形貌的變化對(duì)比可知,盤和環(huán)表面形貌分形維數(shù)變化的3個(gè)階段分別對(duì)應(yīng)于表面的磨合磨損階段、穩(wěn)定磨損階段和劇烈磨損階段．磨損表面形貌的分形研究揭示了摩擦系統(tǒng)的非線性行為,并對(duì)磨損狀態(tài)識(shí)別具有指導(dǎo)意義．