孫少妮，謝里陽，龍日升

（1.東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 沈陽 110819；2.煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 100013）

1 引言

限矩型液力偶合器和雙速電動(dòng)機(jī)是刮板輸送機(jī)的傳統(tǒng)起動(dòng)方式，其中限矩型液力偶合器受其尺寸和傳遞能力的限制，只用在小功率的場(chǎng)合。而雙速電動(dòng)機(jī)在我國(guó)應(yīng)用較多，適用功率在700 kW以下，其起動(dòng)過程分二級(jí)進(jìn)行，即先低速起動(dòng)再切換到高速。隨著驅(qū)動(dòng)功率的加大，傳統(tǒng)起動(dòng)方式存在起動(dòng)難、對(duì)電網(wǎng)電流沖擊大、多機(jī)驅(qū)動(dòng)功率不均衡以及過載沖擊和機(jī)械沖擊等突出問題。為此，當(dāng)前重型刮板輸送機(jī)的起動(dòng)方式已由傳統(tǒng)的硬起動(dòng)方式，發(fā)展為以閥控型偶合器、可控起動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置（CST）和變頻驅(qū)動(dòng)等為代表的軟起動(dòng)方式[1]。

其中，CST是基于液黏摩擦傳動(dòng)和可編程電液伺服控制技術(shù)的（多級(jí)齒輪減速）傳輸裝置，可實(shí)現(xiàn)大慣性負(fù)載的平滑起動(dòng)和分布式多驅(qū)動(dòng)單元的功率自動(dòng)平衡，大大降低帶載起動(dòng)的起動(dòng)電流，是未來重型刮板輸送機(jī)的重要軟起動(dòng)方式之一。但目前國(guó)內(nèi)重型刮板機(jī)用CST及其采用的紙基摩擦副全部依賴進(jìn)口。液黏摩擦傳動(dòng)單元是CST的核心，它包括多達(dá)24組的液黏摩擦傳動(dòng)副。摩擦副的可靠性和耐磨性直接決定了CST的整體性能。因此，為滿足CST裝置國(guó)產(chǎn)化的需要，有必要對(duì)CST進(jìn)口紙基摩擦副進(jìn)行深入研究，以突破CST的核心技術(shù)。

目前，仿生工程學(xué)利用自然界的生物體表形態(tài)來改善機(jī)械零部件的表面耐磨性能和疲勞性能已得到世界各國(guó)研究人員和機(jī)構(gòu)的關(guān)注，并成為當(dāng)前摩擦學(xué)研究的熱點(diǎn)[2-6]，這為高性能CST液黏傳動(dòng)摩擦副的研制提供了新的思路。

最近的研究表明，非光滑表面織構(gòu)技術(shù)可以顯著地提高材料的表面耐磨性能[7-10]。文獻(xiàn)[11]通過微動(dòng)摩擦和磨損試驗(yàn)，研究了不同仿生非光滑表面的耐磨性能。文獻(xiàn)[12]在摩擦副表面加工了多種不同的仿生非光滑表面形態(tài)，同時(shí)根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)理論，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，對(duì)不同表面形態(tài)摩擦副的摩擦特性進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，非光滑表面的耐磨性比光滑表面有顯著提高，磨損量可降低約6.7%。文獻(xiàn)[13]利用柱銷摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，研究了具有不同凹坑直徑和不同凹坑間距的非光滑表面對(duì)W9Gr4V摩擦磨損行為的影響。但關(guān)于高性能液黏傳動(dòng)摩擦副微觀表面形態(tài)及其耐磨性等方面的研究尚未見報(bào)道。

基于仿生非光滑表面織構(gòu)工程應(yīng)用理論，嘗試?yán)眉す馊鄯蟪练e和激光表面脈沖鉆孔兩種技術(shù)，獲取凸起形（増材型）和凹坑形（減材型）兩種仿生表面織構(gòu)來改變材料表面摩擦性能，仿生表面形態(tài)，如圖1所示。以提高液黏傳動(dòng)摩擦副耐磨性能的可行性。其中，針對(duì)激光熔敷沉積技術(shù)，研究了基板未預(yù)熱以及分別預(yù)熱到300℃和600℃時(shí)的沉積層特性，包括基板形變、表面形貌以及微觀組織等，以控制増材成形質(zhì)量。針對(duì)激光表面脈沖鉆孔技術(shù)，加工了具有不同凹孔直徑和凹孔間距的9種樣件，并利用萬能柱銷式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)比分析了非光滑表面試樣和光滑表面試樣的摩擦磨損性能。該研究為CST液黏傳動(dòng)摩擦副未來的國(guó)產(chǎn)化研制和優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

圖1 典型仿生表面形態(tài)Fig.1 Typical Biomimetic Surface Morphology

表1 Ni60A粉末和Q235基板的材料化學(xué)組分Tab.1 Chemical Composition of Ni60A Powder and Q235 Substrate

2 凸起型表面織構(gòu)激光沉積試驗(yàn)

考慮到激光熔敷沉積成形工藝的實(shí)用性和典型性以及CST液黏傳動(dòng)摩擦副的實(shí)際工作條件，最終選用200目的Ni60A合金粉末作為激光沉積材料，選用Q235鋼板作為激光沉積試驗(yàn)基板，基板尺寸為（100×50×10）mm。其中，Ni60A 合金粉末和Q235鋼板的化學(xué)組分，如表1所示。

試驗(yàn)采用激光金屬沉積成形設(shè)備，包括一臺(tái)2kW的CO2水冷連續(xù)激光器、數(shù)控設(shè)備（包括工控機(jī)、PCI-1240運(yùn)動(dòng)控制卡和三軸數(shù)控機(jī)床）、雙腔粉末儲(chǔ)存/送粉系統(tǒng)和同軸送粉頭。所有實(shí)驗(yàn)均在氬氣保護(hù)氛圍下進(jìn)行，具體工藝參數(shù)如下：激光功率800W，掃描速度5mm/s，激光的光點(diǎn)直徑1mm，送粉速率5g/min。每個(gè)試樣均只沉積三層，設(shè)計(jì)沉積層尺寸（50×4×3）mm。

上述條件下，在厚、薄基板上激光直接沉積得到的試樣，如圖2所示。室溫下沉積得到的試樣，如圖2（a）、圖2（b）所示。基板預(yù)熱至300℃時(shí)沉積得到的試樣，如圖2（c）、圖2（d）所示?；孱A(yù)熱至600℃時(shí)沉積得到的試樣，如圖 2（e）、圖 2（f）所示。當(dāng)基板初始溫度等于20℃，即室溫條件下時(shí)，基板上表面激光直接沉積過程的熱膨脹會(huì)被其下表面限制，這是沉積試樣負(fù)向彎曲變形的主要原因，如圖2（b）所示。在試樣冷卻過程中，沉積層內(nèi)部的熱量將被分散到外部環(huán)境中，其內(nèi)部的熱應(yīng)力逐漸轉(zhuǎn)變成拉應(yīng)力，并表現(xiàn)為收縮效應(yīng)，這將導(dǎo)致沉積試樣的正向彎曲變形，如圖2（f）所示。

圖2 不同基板預(yù)熱溫度下激光直接沉積試樣前視圖（厚基板vs薄基板）Fig.2 Deposited Parts at Different Baseplate Preheating Temperature（Thick Baseplate vs Thin Baseplate）

圖中：a、b—基板未預(yù)熱；c、d—基板預(yù)熱至 300℃；e、f—基板預(yù)熱至600℃。

此外，隨著預(yù)熱溫度的升高，沉積層的高度越來越高，正向彎曲變形的傾向也更顯著，如圖 2（b）、圖 2（d）和圖 2（f）所示。其原因是，基板預(yù)熱可以顯著降低基板與沉積試樣間的溫度梯度，更加均勻化的溫度場(chǎng)有助于減少試樣沉積過程因上表面被下表面約束而產(chǎn)生的負(fù)向彎曲變形趨勢(shì)。同時(shí)，基板預(yù)熱還可以顯著增加沉積過程的粉末有效沉積速率。這意味著單位時(shí)間內(nèi)將有更多的粉末被熔化和堆積，試樣沉積高度也將得到顯著增加。在后續(xù)的凝固和冷卻過程中，試樣內(nèi)部由熱應(yīng)力轉(zhuǎn)化而來的拉伸應(yīng)力將明顯加強(qiáng)，加上沉積試樣高度的增加，這將徹底抵消沉積過程初期的試樣負(fù)向彎曲變形傾向，并最終呈現(xiàn)出正向彎曲變形。因此，基板的最終變形趨勢(shì)是上述因素綜合作用的結(jié)果。基板預(yù)熱溫度越高，試樣的正向彎曲變形傾向就越明顯，沉積層的高度也更高。

不同基板預(yù)熱溫度下沉積試樣的表面形態(tài)，如圖3所示。其中，室溫下沉積得到的試樣，如圖3（a）、圖3（b）所示。基板預(yù)熱至300℃時(shí)沉積得到的試樣，如圖3（c）、圖3（d）所示。基板預(yù)熱至600℃時(shí)沉積得到的試樣，如圖 3（e）、圖 3（f）所示。如圖 3（a）和圖3（b）所示?；逦搭A(yù)熱時(shí)，沉積試樣表面有多條裂紋（圖中白線），且溝壑分明，凹凸不平，這表明沉積成形質(zhì)量較差，此時(shí)試樣表面粗糙度約為 100μm。而在圖 3（e）、圖 3（f）中，當(dāng)基板預(yù)熱至 600℃時(shí)，試樣表面沒有明顯的裂紋或溝壑，且試樣表面較豐滿，平滑。此時(shí)，試樣的表面粗糙度約為60μm。顯然，基板預(yù)熱可以顯著提高和改善試樣的成形質(zhì)量，尤其是成形表面質(zhì)量和表面粗糙度。

圖3 不同基板預(yù)熱溫度下激光直接沉積試樣的表面形態(tài)（厚基板vs薄基板）Fig.3 Surface Morphology of Parts Deposited at Different Baseplate Preheating Temperature（Thick Baseplate vs Thin Baseplate）

圖中：a、b—基板未預(yù)熱；c、d—基板預(yù)熱至 300℃；e、f—基板預(yù)熱至600℃

表2 非光滑試樣的表面結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Surface Structure Parameters of Non-Smooth Samples

圖4 激光加工的均勻分布凹坑型非光滑表面試樣Fig.4 Non-Smooth Surface Samples with Uniformly Distributed Pits by Laser Processing

3 凹坑型仿生表面摩擦試驗(yàn)

首先，根據(jù)銷-盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)實(shí)際安裝尺寸的要求，制備了鑄鐵材料的標(biāo)準(zhǔn)摩擦試驗(yàn)樣件，其中，樣件的外孔直徑54 mm，內(nèi)孔直徑38 mm，高度10 mm，然后利用激光脈沖鉆孔設(shè)備，在樣件的上表面加工具有不同直徑和間距且規(guī)則分布的凹坑。最終的樣品表面形貌，如圖4所示。具體的非光滑表面形態(tài)參數(shù)，如表2所示。每種表面形態(tài)（包括光滑表面）的樣件都制備3件，利用MMW-1型摩擦試驗(yàn)機(jī)來進(jìn)行樣件的摩擦磨損試驗(yàn)，利用L-200型光電分析天平測(cè)量樣件試驗(yàn)后的磨損質(zhì)量損失。具體試驗(yàn)條件如下：負(fù)荷0.98 MPa，測(cè)試時(shí)間5min，轉(zhuǎn)速480 r/min。

3.1 非光滑樣品的磨損量分析

不同凹坑直徑和凹坑間距的非光滑樣件與光滑試樣的平均磨損量結(jié)果，如表3所示。理論上講，相同的試驗(yàn)條件下，樣品的耐磨性能跟其磨損量具有負(fù)相關(guān)性，即如果一個(gè)樣件的磨損量越大，則表明其耐磨損性能越差。

由表3的平均磨損量數(shù)據(jù)來看，非光滑表面的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)樣件的耐磨損性能有很大影響。其中，樣件3的平均磨損量最小，這表明在實(shí)驗(yàn)條件下，樣件3具有最好的耐磨性能，此時(shí)它的凹坑間距為1 mm，凹坑直徑為0.8 mm。與此相反，樣件7的耐磨性能最差，它的凹坑間距為1.5mm，凹坑直徑為0.4mm。

磨損量隨凹坑間距的變化規(guī)律，如圖5所示。當(dāng)凹坑直徑一定時(shí)，樣件的磨損量隨著凹坑間距的變大而增大。當(dāng)凹坑間距等于1.5 mm時(shí)，樣件7、8和9的平均磨損量都超出了5mg，即非光滑表面試樣的耐磨性能與凹坑間距成反比。

表3 非光滑試樣和光滑試樣的摩擦磨損情況Tab.3 Wear Loss of Non-Smooth Samples and Smooth Samples

圖5 磨損量隨凹坑間距的變化Fig.5 Wear Loss Versus Pits-Distance

磨損量隨凹坑直徑的變化規(guī)律，如圖6所示。對(duì)比表3和圖6可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)凹孔直徑等于0.8 mm時(shí)，試樣的平均磨損量顯著降低。當(dāng)凹坑間距保持不變時(shí)，凹孔直徑越大，樣件的磨損量越小。即在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，非光滑表面樣件的耐磨性能與凹孔直徑成正比。

圖6 磨損量隨凹坑直徑的變化Fig.6 Wear Loss Versus Pit Diameter

此外，如表3所示，在相同條件下，光滑表面樣件的平均磨損量約6.8mg，與非光滑表面樣件的耐磨性相比，磨損量遠(yuǎn)大于所有的非光滑表面樣件。因此，非光滑表面可以顯著提高樣件的耐磨性能。如取材料非光滑表面與光滑表面耐磨性能的增量比為Q，則Q應(yīng)滿足：

式中：K1—非光滑樣件的平均磨損量；K2—光滑樣件的平均磨損量。由表3可知，樣件3的K1等于4.4mg，而K2等于6.8mg，所以其非光滑與光滑表面的耐磨性增量比率Q=（6.8-4.4）/6.8=35.29%。

3.2 動(dòng)摩擦系數(shù)分析

動(dòng)摩擦系數(shù)是材料和機(jī)械零部件摩擦磨損過程不可忽略的一個(gè)重要參數(shù)。具有不同非光滑表面形貌的樣件，其平均動(dòng)摩擦系數(shù)與光滑樣件的平均動(dòng)摩擦系數(shù)，如表4所示。

光滑樣件的平均摩擦系數(shù)等于0.391，如表4所示。而幾乎所有非光滑表面樣件的平均動(dòng)摩擦系數(shù)都比光滑樣件的?。蛹?除外）。其中，樣件3的平均動(dòng)摩擦系數(shù)最小，等于0.368。材料表面動(dòng)摩擦系數(shù)的減小并不影響其傳動(dòng)性能，在一定程度上，它反而更有利于提高摩擦副的耐磨性能。綜合來講，不同非光滑表面形貌樣件的動(dòng)摩擦系數(shù)具有與其磨損量相同的變化趨勢(shì)。

表4 非光滑試樣和光滑試樣的動(dòng)摩擦系數(shù)Tab.4 Dynamic Friction Coefficient of Non-Smooth and Smooth Samples

4 結(jié)論

提出以仿生非光滑表面來改善和提高CST液黏傳動(dòng)摩擦副機(jī)械耐磨性能的思路。利用激光直接沉積和激光脈沖鉆孔技術(shù)兩種増材和減材方法，分別制備了凸起形和凹坑形兩種具有不同表面結(jié)構(gòu)的摩擦試樣。結(jié)合表面形貌分析和摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果，可得如下結(jié)論：

（1）基板預(yù)熱有助于提高激光沉積試樣的表面質(zhì)量，包括表面形貌、裂紋擴(kuò)展控制以及材料與基板結(jié)合位置的晶粒細(xì)化等。600℃是一個(gè)較佳的預(yù)熱溫度；對(duì)于未來CST用高性能表面織構(gòu)摩擦副的制造，采取基板預(yù)熱是改善成形過程變形和提高表面質(zhì)量的重要手段。

（2）與宏觀光滑試樣相比，具有表面織構(gòu)形態(tài)的試樣具有更好的耐磨性能。試驗(yàn)條件下，當(dāng)織構(gòu)孔間距等于1 mm，孔直徑等于0.8mm時(shí)，樣件具有更好的表面耐磨性能。

這為CST液黏傳動(dòng)摩擦副的研究和試制提供了新的方向。未來，將圍繞工藝參數(shù)優(yōu)化、不同的仿生非光滑表面形態(tài)、不同的表面沉積材料以及非光滑表面結(jié)構(gòu)對(duì)熱疲勞、接觸疲勞等影響展開研究。