干態(tài)下扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動運行及其損傷機理研究.pdf

1、在球/平面接觸條件下，微動磨損可分為四種基本運行模式，即：切向微動、徑向微動、扭動微動和轉(zhuǎn)動微動。目前絕大多數(shù)的研究集中于切向微動模式，實際的微動現(xiàn)象十分復(fù)雜，往往是兩種或兩種以上基本模式耦合作用的結(jié)果。但至今有關(guān)復(fù)合微動的研究報導(dǎo)較少，扭動和轉(zhuǎn)動相復(fù)合的微動模式則更少。開展扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動的研究，不僅對認識和深化復(fù)雜微動損傷機理有重要意義，而且也能為眾多領(lǐng)域抗微動損傷提供理論指導(dǎo)。
　　本研究基于高精度低速往復(fù)回轉(zhuǎn)電機系統(tǒng)、可調(diào)式電

2、機安裝傾斜裝置和6-D力學(xué)傳感器，發(fā)明并成功研制出新型扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動試驗裝置，真實模擬了球/平面接觸條件下的扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動，試驗結(jié)果有很好的可比性和再現(xiàn)性。
　　本文在不同傾斜角度、角位移幅值、載荷水平和循環(huán)次數(shù)下，系統(tǒng)地開展了不同典型材料(LZ50中碳鋼、7075鋁合金、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA))和兩種流體介質(zhì)(VG46潤滑油和純水)下的扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動試驗。在動力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，利用光學(xué)顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、電

3、子能譜(EDX)、光電子能譜(XPS)、原位納米力學(xué)測試系統(tǒng)、雙模式表面形貌儀等進行微觀分析，并結(jié)合摩擦振動和噪聲的檢測和有限元模擬，系統(tǒng)揭示了扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動的運行行為和損傷機理。
　　完成的主要研究內(nèi)容和取得的主要結(jié)論如下：
　　(一)不同材料的扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動運行行為和損傷機理
　　針對LZ50中碳鋼、7075鋁合金、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，系統(tǒng)研究了其扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動的運行和損傷行為。在大量實驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，總結(jié)了3

4、種基本類型的扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動的動力學(xué)曲線(Ft-θ曲線)，即直線型、橢圓型和平行四邊形型；研究建立了扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動的運行工況微動圖(RCFM)，結(jié)果表明傾斜角度、角位移幅值、循環(huán)次數(shù)、法向載荷及材料性質(zhì)等強烈地影響著扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動的運行區(qū)域和損傷行為；結(jié)果表明Ft/Fn時變曲線和摩擦耗散能時變曲線在一定程度上均可以反映微動的損傷特性和微動分量的支配程度；扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動呈現(xiàn)非對稱的損傷形貌，且扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動比單一模式的扭動或轉(zhuǎn)動微動更易導(dǎo)致材料的失效

5、；從表面損傷的角度看，剝層現(xiàn)象更加突出且偏愛于發(fā)生在中等傾斜角度下，相同角位移幅值下的磨痕最大深度和縱橫比均高于單一的扭動或轉(zhuǎn)動微動模式。此外，研究建立了針對扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動的表面損傷過程物理模型。
　　(二)扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動的局部疲勞與磨損的競爭機制
　　(1)對LZ50鋼剖面分析表明：白層(TTS)的分布明顯地受微動分量的影響，橫向裂紋易在微動白層和塑性變形區(qū)的界面形成，在磨損過程中自層的演變與疲勞裂紋的形成和接觸表面的疲勞剝落

6、機制有密切的關(guān)系。
　　(2)對7075鋁合金的剖面分析表明，在不同的微動區(qū)域損傷呈現(xiàn)完全不同的特征。在部分滑移區(qū)，復(fù)合微動作用下極易導(dǎo)致疲勞裂紋的萌生并主要沿平行于接觸表面方向擴展，該區(qū)域微動損傷主要表現(xiàn)為局部疲勞。在混合區(qū)，裂紋擴展特性非常復(fù)雜，當(dāng)微動損傷主要受扭動分量控制時，疲勞裂紋主要分布于環(huán)狀磨損區(qū)下，裂紋分叉現(xiàn)象嚴重；當(dāng)微動損傷主要受轉(zhuǎn)動分量控制時，疲勞裂紋主要位于接觸中心黏著區(qū)兩側(cè)，裂紋擴展方向相對單一并呈對稱特征。

7、在混合區(qū)，裂紋的擴展速率高于材料的磨損速率，微動損傷表現(xiàn)為局部疲勞明顯強于局部磨損。在滑移區(qū)，磨痕形貌主要呈“U”型凹坑狀，裂紋的擴展速率低于磨損率，無明顯的向基體內(nèi)擴展的裂紋形成。
　　(3)研究發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動狀態(tài)下可以形成兩類不同類型的局部隆起，并揭示了兩類不同隆起的形成機理，發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋的形成與接觸區(qū)局部隆起密切相關(guān)，分別建立了兩種微動分量控制下接觸區(qū)局部隆起及疲勞裂紋形成過程的物理模型。
　　(三)扭轉(zhuǎn)摩擦磨損的摩

8、擦振動與噪聲分析
　　為了建立損傷機制和摩擦振動/噪聲信號間的內(nèi)在聯(lián)系，進一步揭示扭轉(zhuǎn)復(fù)合微動的損傷機制，本研究利用摩擦振動/噪聲檢測對PMMA的扭轉(zhuǎn)摩擦磨損過程進行了分析，研究結(jié)果表明：
　　(1)在部分滑移狀態(tài)下，由于接觸界面的相對運動主要由彈性變形協(xié)調(diào)，微動作用并未激發(fā)出明顯的可檢測到的摩擦振動/噪聲信號。在完全滑移狀態(tài)下，發(fā)現(xiàn)材料的損傷行為與振動/噪聲信號間有密切的關(guān)系。如：表面損傷程度與摩擦振動/噪聲信號的事件數(shù)密

9、切相關(guān)；局部隆起加劇了切向的摩擦振動；疲勞裂紋的形成在一定程度上能有效抑制切向振動；磨粒磨損對噪聲和切向振動信號均有顯著的增強效應(yīng)等。通過小波分析發(fā)現(xiàn)，在不同的微動階段，振動和噪聲信號隨損傷機制的變化表現(xiàn)出完全不同的演變特征。
　　(2)研究發(fā)現(xiàn)，在微動和往復(fù)滑動狀態(tài)下，摩擦振動和噪聲信號也表現(xiàn)出截然不同的特征。主要變現(xiàn)在事件數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的演變；摩擦振動/噪聲信號幅值的大小和分布位置的變化等。研究發(fā)現(xiàn)摩擦振動/噪聲信號可以作為判定