張逸青

(福建龍溪軸承(集團(tuán))股份有限公司， 福建 漳州 363000)

關(guān)節(jié)軸承作為通用的機(jī)械零件，在軍工、航天、高鐵等高精尖科技領(lǐng)域的需求量越來(lái)越大，對(duì)其可靠性、使用壽命以及摩擦磨損性能的要求也越來(lái)越嚴(yán)格。如果用于直升機(jī)螺旋槳等部位的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，以及汽車(chē)、高速鐵路列車(chē)的減振、剎車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)中的機(jī)械零件發(fā)生摩擦磨損導(dǎo)致失效，后果將不可預(yù)想[1-4]。

重載荷往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的主要功能是對(duì)標(biāo)準(zhǔn)試樣進(jìn)行往復(fù)摩擦試驗(yàn)，目前大部分往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)所能提供的載荷都比較小，不能有效反映關(guān)節(jié)軸承材料在重載荷(接觸應(yīng)力達(dá)到200～500 MPa)條件下的摩擦磨損性能。而且，近年來(lái)隨著一些復(fù)合自潤(rùn)滑材料、粉末冶金材料、雙金屬材料性能的提升，往往在實(shí)際工作中需要承受重載，有必要分析其在重載荷條件下的減摩耐磨特性和綜合使用性能，因此對(duì)重載荷往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的研究設(shè)計(jì)極為重要。

1 試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)原理

為滿(mǎn)足重載(10～500 kN)、高摩擦及高轉(zhuǎn)速(2 700 r/min)的要求，重載荷往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)相對(duì)于普通試驗(yàn)機(jī)主要有以下改進(jìn)：

1) 試樣夾持臺(tái)根據(jù)強(qiáng)度計(jì)算進(jìn)行了尺寸放大，并在U形加載框架上部加裝鋼制拉桿，通過(guò)后裝式封閉，防止重載張開(kāi)式變形；

2)試驗(yàn)機(jī)在重載和快速往復(fù)運(yùn)行中，會(huì)產(chǎn)生更大的摩擦熱，導(dǎo)致試驗(yàn)部件溫度升高。在動(dòng)試樣夾頭與摩擦力測(cè)量的載荷傳感器之間增加冷卻水套隔離摩擦熱。

試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。動(dòng)試樣的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)通過(guò)曲軸滑塊機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，動(dòng)、靜試樣采用平面接觸的滑動(dòng)摩擦形式，在設(shè)定試樣材料、往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度、加載載荷和潤(rùn)滑條件后進(jìn)行試樣的摩擦磨損試驗(yàn)，評(píng)測(cè)試樣的摩擦學(xué)性能。

1—減速帶；2—減速器；3—曲軸箱座；4—曲軸；5—連桿；6—滑動(dòng)軸；7—滑塊；8—載荷傳感器；9—?jiǎng)釉嚇幼?0—?jiǎng)印㈧o試樣；11—靜試樣固定座；12—液壓加載缸

該試驗(yàn)機(jī)機(jī)械部分主要包括變頻電動(dòng)機(jī)、減速器、曲軸連桿組成的傳動(dòng)系統(tǒng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，試樣裝夾機(jī)構(gòu)和液壓加載機(jī)構(gòu)等。試驗(yàn)機(jī)通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)亩鴰?dòng)皮帶輪，并通過(guò)減速器減速后帶動(dòng)曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)，曲軸滑塊機(jī)構(gòu)用于實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)軸的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)試樣座則通過(guò)載荷傳感器連接盤(pán)與滑塊相連實(shí)現(xiàn)動(dòng)試樣和靜試樣的往復(fù)直線摩擦運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)機(jī)工作過(guò)程中，往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度可通過(guò)調(diào)整變頻器參數(shù)控制，試驗(yàn)載荷可以通過(guò)液壓部分調(diào)節(jié)。通過(guò)載荷傳感器、溫度傳感器和位移傳感器可以測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中的摩擦力、加載載荷、溫度和磨損量。

2 試驗(yàn)機(jī)智能測(cè)試系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)組成

往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)的主要功能框架如圖2所示。根據(jù)試驗(yàn)機(jī)所需完成的功能，工作中需要測(cè)量的物理量有：加載載荷、動(dòng)態(tài)摩擦力、靜試樣摩擦表面和側(cè)面溫度、試樣磨損量、往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)以及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。根據(jù)被測(cè)物理量的實(shí)際情況選擇合適的傳感器，通過(guò)傳感器將被測(cè)對(duì)象變化的原始物理信號(hào)轉(zhuǎn)為電信號(hào)并傳遞至二次儀表中，經(jīng)過(guò)信號(hào)的整流、放大處理以及A/D轉(zhuǎn)換后在控制柜儀表盤(pán)上顯示。處理后的測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)PCI-9111數(shù)據(jù)采集卡和CP-134多串口卡與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，通過(guò)試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)過(guò)程中試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理、顯示、存儲(chǔ)以及打印等功能。

圖2 試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)主要功能框架圖

2.2 測(cè)試系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

選擇Visual Basic 6.0集成軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)和基于C++的可視化開(kāi)發(fā)工具Visual C++6.0進(jìn)行試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。軟件從數(shù)據(jù)采集卡和多串口卡上獲取試驗(yàn)參數(shù)信息，經(jīng)過(guò)內(nèi)部的數(shù)據(jù)變換、濾波等處理后，將結(jié)果以數(shù)據(jù)和曲線2種形式顯示在軟件界面上，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)庫(kù)文件中，方便隨時(shí)查看、打印。

如圖3所示，該測(cè)控系統(tǒng)軟件的全部功能由20個(gè)人機(jī)交互友好的界面構(gòu)成，其中測(cè)試系統(tǒng)主界面主要顯示試驗(yàn)過(guò)程中各種測(cè)量參數(shù)實(shí)時(shí)數(shù)值以及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)曲線趨勢(shì)。從測(cè)試界面可轉(zhuǎn)向報(bào)警設(shè)置界面、載荷設(shè)置界面、轉(zhuǎn)速設(shè)置界面、實(shí)時(shí)報(bào)表界面、歷史趨勢(shì)界面或瞬態(tài)波形顯示界面。

圖3 試驗(yàn)機(jī)測(cè)控系統(tǒng)軟件界面分布圖

3 動(dòng)態(tài)摩擦力的分析與處理

3.1 動(dòng)態(tài)摩擦力數(shù)學(xué)模型的建立

在動(dòng)態(tài)摩擦力數(shù)學(xué)模型的建立過(guò)程中，由于試驗(yàn)中加速度的存在，并且運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量較大，會(huì)產(chǎn)生一定的慣性力，將對(duì)傳感器的測(cè)量產(chǎn)生影響，造成一定的誤差。因此有必要對(duì)慣性力進(jìn)行計(jì)算，得到準(zhǔn)確的動(dòng)態(tài)摩擦力數(shù)學(xué)模型，減小測(cè)量誤差。

假定試驗(yàn)機(jī)偏心軸偏心距即曲柄長(zhǎng)度為b，連桿長(zhǎng)度為l，角速度為ω，通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)位移的二次求導(dǎo)可以得到加速度a(t)的數(shù)學(xué)模型為

(1)

則由慣性力定義可得慣性力為

Fa=ma(t)，

(2)

式中:m為對(duì)結(jié)果有影響的運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量，主要指動(dòng)試樣座質(zhì)量和拉應(yīng)力傳感器在空載時(shí)可測(cè)的動(dòng)態(tài)質(zhì)量。由此得到有效的動(dòng)態(tài)摩擦力的數(shù)學(xué)模型為

(3)

式中：Fc為拉壓力傳感器實(shí)際測(cè)量值。

3.2 動(dòng)態(tài)摩擦力的數(shù)據(jù)處理

由于噪聲干擾，通過(guò)傳感器實(shí)際測(cè)量的動(dòng)態(tài)摩擦力信號(hào)減去對(duì)應(yīng)慣性力后，需運(yùn)用MATLAB軟件對(duì)實(shí)時(shí)摩擦力信號(hào)進(jìn)行頻域分析，其功率譜密度如圖4所示。從圖中可以看出，在2 Hz左右摩擦力信號(hào)的功率譜密度最大，即其所占比重最大。20 Hz以上的頻率功率譜密度小，大多是減速器傳動(dòng)齒輪的機(jī)械噪聲諧波干擾以及50 Hz的工頻干擾[5]，影響摩擦力數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。因此，應(yīng)選擇截止頻率為20 Hz的數(shù)字濾波器濾除干擾信號(hào)，得到相對(duì)理想的波形。

圖4 濾波前摩擦力信號(hào)功率譜密度圖

運(yùn)用MATLAB軟件，將濾波前的動(dòng)態(tài)摩擦力信號(hào)經(jīng)過(guò)Butterworth數(shù)字濾波器進(jìn)行濾波處理，得到濾波前后的動(dòng)態(tài)摩擦力信號(hào)如圖5所示。從圖中可以看出，濾波后的信號(hào)更加平滑，能夠真實(shí)反映動(dòng)態(tài)摩擦力的實(shí)時(shí)情況。再對(duì)經(jīng)過(guò)濾波的動(dòng)態(tài)摩擦力信號(hào)進(jìn)行均方根計(jì)算，得到各個(gè)周期摩擦力的有效值，并將其顯示在測(cè)控系統(tǒng)主界面上。

4 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證試驗(yàn)機(jī)測(cè)試系統(tǒng)在2 700 r/min高轉(zhuǎn)速和400 kN重載(受試驗(yàn)材料限制)條件下的性能，在動(dòng)試樣采用GCr15，30℃環(huán)境溫度及60%濕度條件下對(duì)不同靜試樣進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，具體試驗(yàn)條件見(jiàn)表1。通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)文件得到的摩擦力、載荷以及摩擦因數(shù)相對(duì)于時(shí)間的曲線如圖6所示。

表1 試驗(yàn)條件

通過(guò)摩擦力及摩擦因數(shù)數(shù)據(jù)曲線可以看出，在摩擦的初始時(shí)期，摩擦副處于磨合階段，摩擦力與摩擦因數(shù)較大，而后摩擦副進(jìn)入穩(wěn)定滑動(dòng)階段，摩擦因數(shù)逐漸穩(wěn)定。而在PTFE針織布試驗(yàn)的后階段，由于轉(zhuǎn)速增加，摩擦副材料破壞，摩擦溫度升高，摩擦力與摩擦因數(shù)逐漸增大，符合滑動(dòng)摩擦變化規(guī)律，說(shuō)明此試驗(yàn)機(jī)的測(cè)控系統(tǒng)真實(shí)地實(shí)時(shí)反映了試驗(yàn)材料的摩擦磨損性能，并且穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性、可靠性良好。

圖 6 試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

所研制的摩擦摩損試驗(yàn)機(jī)具有對(duì)試樣施加重載的能力，試樣最大承受載荷為500 kN，并可在10～150次/min的往復(fù)頻率內(nèi)評(píng)測(cè)材料在不同潤(rùn)滑條件下的摩擦學(xué)性能。

搭建的試驗(yàn)機(jī)智能測(cè)試系統(tǒng)可以動(dòng)態(tài)地測(cè)量摩擦力、摩擦因數(shù)、溫度和載荷等參數(shù)，開(kāi)發(fā)的人機(jī)交互友好的測(cè)試系統(tǒng)軟件可以對(duì)這些動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并實(shí)時(shí)地在計(jì)算機(jī)上顯示，測(cè)量準(zhǔn)確可靠。