滑－滚比与加工精度对钢－钢线接触复合磨损量影响研究

王顺，王聪慧，罗双强，王丽慧



滑－滚比与加工精度对钢－钢线接触复合磨损量影响研究

王顺，王聪慧*，罗双强，王丽慧

（吉林大学 机械科学与工程学院，吉林 长春 130022）

在M2000A摩擦磨损试验机上，称重法研究了表面淬火处理的45#钢－45#钢线接触摩擦副复合磨损量随时间的变化。分析了滑－滚比和加工精度在接触的不同阶段对磨损量的影响。结果表明，磨损量随相对滑动速度增加而增大；组成摩擦副的两表面加工精度相同，则有利于降低磨损量。在同一摩擦副中，加工精度较低的表面磨损量较小。在机械零件复合接触设计中，通过摩擦副中配对表面加工精度可以控制两个表面的相对磨损量，但并不能改变摩擦副总磨损量。

滑－滚比；加工精度；复合磨损；磨损率

作为机械零件基本失效形式之一，磨损不仅影响机器及零件性能和寿命，也导致材料的严重浪费，人们从未停止过对磨损问题的研究。Archard[1]提出的粘着磨损理论是磨损研究的重要成果，许多研究都以该理论为基础开展[2-4]。影响磨损的因素众多而且复杂，国内外研究者开展了材料[5]、速度[6]、载荷[7]以及环境[8]等方面的研究，但至今仍未建立广泛适用的模型，零件的耐磨性设计仅仅采用条件性设计方法。磨损状态是零件性能状况的一个重要指标，王立勇等[9]采用测厚方法研究湿式离合器摩擦片磨损性能并估算磨损状态。而滑－滚比和加工精度对磨损性能有着重要的影响[10-11]，已有的研究结论还存在许多争议，需要进一步开展系统全面的研究工作，特别是在基础理论尚未取得突破性进展的情况下，实验研究显得尤为重要。

本文以工程中广泛使用的45#钢－45#钢线接触摩擦副为研究对象，淬火处理接触表面。在M2000A摩擦磨损试验机上开展无润滑线接触复合磨损量随时间变化研究，探讨滑－滚比和加工精度对摩擦副磨损量的影响。

1 实验设备、实验方法及样本制备

1.1 实验设备和方法

如图1示，磨损实验在M2000A型摩擦磨损试验机上完成。最大载荷为300 N，上试样可以分别实现360和180 r/min两种转速，下试样转速则分别可以实现为400和200 r/min。

图1 M2000摩擦磨损试验机和试样安装图

试验机可以测量复合接触摩擦副的摩擦力和磨损量，滑－滚比定义如下：

式中：1和2分别为下试样和上试样在接触处的线速度，和分别为试样的转速和半径。当＝0时，为纯滚动；当＝±2时，为纯滑动。试验时可以通过改变上、下试样的半径实现不同滑－滚比接触。

如图2所示，磨损量采用感量为1毫克的电子天平测定试样磨损质量。每次测量之前，对测试样进行清洗、干燥。

图2 实验用测量磨损的电子称

1.2 试样材料和制备

试样材料为在工程中广泛应用的45#钢，表面淬火处理接触表面。试样设计及加工的试样如图3所示。

图3 实验测试试样

2 结果及讨论

2.1 滑－滚比影响

表1所示为滑－滚比影响研究的实验参数。

表1 45#钢－45#钢摩擦副的滑－滚比影响研究实验参数（载荷：200 N）

图4为两种滑－滚比下摩擦副上、下试样磨损量随时间变化的测量结果。图中可见，滑－滚比绝对值越大，即接触表面相对滑动速度越大，磨损量越大。尽管上、下试样的材料和加工精度相同，但下试样的磨损量远远大于上试样。这主要是因为下试样转速快且外径小，单位时间内下试样表面微凸体接触频率比上试样高，温升快，磨损率大，导致下试样的磨损量比上试样大。而且，随时间增长，磨损量的差别不断加大。磨损量大的下试样磨损质量加速增长，磨损量小的下试样磨损量增长越来越缓慢。可以推断，接触时间继续变长，下试样磨损量不会再增加，摩擦副总磨损量主要来自下试样。

图4 滑－滚比对45#钢－45#钢摩擦副磨损量影响

图5给出两种滑－滚比情况下，上试样和下试样磨损量的比较。从图5（a）发现，磨损最初阶段两个上试样的磨损量出现负值，表面它们的质量在增加，这是下试样磨损颗粒粘附所致。在图5（b）中，滑－滚比较大的下试样磨损量随时间呈线性增加，二者磨损量的差别随时间不断增大。

图5 不同滑－滚比45#钢－45#钢摩擦副的上、下试样磨损量分别比较

2.2 表面加工精度影响

本研究通过固定下试样表面的加工精度，改变上试样表面精度来研究表面加工对磨损量的影响。如表2给出了不同加工精度配对的45#钢-45#钢四个摩擦副磨损量实验参数，滑－滚比＝-0.146。

图6为根据表2参数测定的四对摩擦副磨损量随时间变化曲线。可以发现，由加工精度相同表面配对的摩擦副磨损总量小于表面加工精度不同的摩擦副磨损量。而且，加工精度Ra＝1.6mm摩擦副总磨损量（图6（a））与Ra＝3.2mm（图6（d））摩擦副总磨损量在不同时间段内也基本相同。表明，只要组成摩擦副表面的精度相同，其加工精度对摩擦副磨损总量没有影响。从图6（b）和（c）中发现，两对摩擦副中的配对表面加工精度刚好相反，但它们总的磨损量也基本相等。只不过由于试样表面精度及转速不同，配对表面的相对磨损量不同。因此，在复合接触表面设计中，可以通过改变表面加工精度来控制摩擦副中配对表面的相对磨损量。

由2.1可知，下试样由于转速较快，同样加工精度时，其磨损量大于上试样，这一点与图6（a）和（b）的结果相同，尽管图6（b）的上试样表面加工精度较低些。但图6（c）中，加工精度较低的下试样磨损量却远低于上试样，这和前面得到的结论刚好相反。这说明在加工精度不同表面组成的摩擦副中，加工精度较低的表面磨损量较小。至于图6（d），加工精度相为3.2 μm的上下试样，下试样磨损量较低的原因是该试样表面热处理硬度略高于上试样。

表2 45#钢－45#钢摩擦副的表面加工精度影响研究实验参数（载荷：200 N）

图6 不同粗糙度表面配对的45#钢摩擦副上、下试样磨损量比较

3 结论

在M2000A型摩擦磨损试验机上研究了滑－滚比和表面加工精度对无润滑线接触45#钢－45#钢摩擦副磨损量影响随时间的变化情况进行了研究。主要结论如下：

（1）随着接触表面相对滑动速度增加，磨损量相应增加。且磨损增量随着接触时间迅速增加。转速较快表面的磨损量大于较低速表面。

（2）组成摩擦副的两表面加工精度相同时，磨损总量小于加工精度不同的摩擦副。而且此时加工精度对摩擦副总磨损量基本没影响。

（3）组成摩擦副的两表面加工精度不相同时，较光滑表面磨损量大于较粗糙表面。在机械零件复合接触设计中，通过配对表面加工精度设计可以控制两个表面的相对磨损量，但并不能改变摩擦副总磨损量。

[1]J. F. Archard. Contact and Rubbing of Flat surfaces [J]. J. appl. Phys.，1953，24（8）.

[2]Telliskivi T. Simulation of wear in a rolling–sliding contact by a semi-Winkler model and the Archard’s wear law[J]. Wear，2004，256（S7-8）：817-831.

[3]王超，胡亚辉，谭雁清，崔洪胤. 基于Archard磨损理论的滑动导轨磨损率预测模型研究[J]. 润滑与密封，2014，39（8）：73-76.

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Effects of Roll-Slide Ratio and Machine Precision Wear Volume of Steel-Steel Rubbing Pair in Composite Line Contacts

WANG Shun，WANG Conghui，LUO Shuangqiang，WANG Lihui

( School of Mechanical Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China )

On M2000A-type tribometer, Composite wear volume of 45#steel-45#steel rubbing pairs in line contacts was measured by weight method. Effects of contact roll-slide ratio and machine precision of contact surfaces on wear volume were analyzed. The results suggest that wear volume increases with relative sliding velocity. And a rubbing pair, which consists of two surfaces with the same machine, shows lower wears volume. In a rubbing pair, a surface with lower precision shows lower wears volume. In composite contact design, relative wear volumes of two mating surfaces in a rubbing pair may be controlled by designing the two surfaces' precision, but the total volume of the pair wear can be altered.

roll-slide ratio；machine precision；composite wear；wear ratio

TH161+.5

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.01.006

1006－0316 (2018) 01－0029－05

2017－07－14

吉林大学网络虚拟实验项目——科技成果转化类（VE2015012）

王顺（1972－），男，吉林磐石人，博士，副教授，主要研究方向为机械设计及理论；罗双强（1988－），男，湖北荆州人，硕士，主要研究方向为机械设计及理论；王丽慧（1972－），女，吉林九台人，硕士，高级工程师，主要研究方向为实验测试技术。

通讯作者：王聪慧（1979－），女，辽宁法库人，博士，副教授，主要研究方向为机械设计及理论。