梁 敖，卞永明，邵 杰，楊繼翔，劉廣軍

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 201804）

頂推施工方法是一種高效、安全、經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)代橋梁施工方法。由于不受地形或地質(zhì)條件的限制，可充分利用橋墩結(jié)構(gòu)，降低了對(duì)大型施工設(shè)備的需求，而被廣泛應(yīng)用于預(yù)應(yīng)力混凝土等截面連續(xù)橋梁或斜拉橋的施工建設(shè)中。在頂推施工中，利用引道等施工便利的場(chǎng)地完成鋼橋的拼裝或混凝土橋梁的預(yù)制，再通過(guò)頂推裝備將橋梁結(jié)構(gòu)移動(dòng)至最終位置［1-2］。目前許多研究學(xué)者主要關(guān)注施工中橋梁的應(yīng)力應(yīng)變及變形情況［3-4］或頂推時(shí)的自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究［5］，而對(duì)重載頂推裝備自身結(jié)構(gòu)零部件研究相對(duì)較少。但在頂推施工中，使用重載頂推裝備可有效降低橋墩承受的水平載荷，減小對(duì)橋梁底部的損傷，同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同步頂推［6］。換而言之，采用頂推裝備可以提高施工效率，增強(qiáng)施工質(zhì)量，降低施工成本。并且該裝置已廣泛應(yīng)用于諸多橋梁的施工中，如著名的九堡大橋［7］。因此，對(duì)頂推裝備自身零部件的研究顯得尤為重要。

重載頂推裝備主要由支撐頂升油缸、頂推移動(dòng)油缸、橫向調(diào)整油缸、滑動(dòng)副、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)等組成，如圖1 所示［8］。頂推裝備通過(guò)滑動(dòng)副的面-面接觸實(shí)現(xiàn)預(yù)定操作，滑移面的承載能力以及摩擦磨損性能決定了整個(gè)裝備的工作狀態(tài)，進(jìn)而影響了施工效率和可靠性。因此，滑動(dòng)副的材料及摩擦磨損機(jī)理受到了研究者們的關(guān)注。從1960年以來(lái)，聚四氟乙烯（PTFE）和不銹鋼就被廣泛用作橋梁支座［9-10］。PTFE 是一種含氟聚合物，屬于熱塑性材料，其低摩擦因數(shù)、高耐熱和自潤(rùn)滑等性能已得到認(rèn)可［11-12］，為頂推施工滑動(dòng)副的材料提供了很好的選擇性。許多研究學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)方法計(jì)算了其摩擦因數(shù)。例如，Dorafshan 等［13］主要測(cè)量了在不同潤(rùn)滑條件下PTFE支座的摩擦因數(shù)值，并進(jìn)行了對(duì)比分析。Ala 等［14］主要分析了接觸載荷和移動(dòng)距離對(duì)PTFE材料的磨損量和摩擦因數(shù)的影響。盡管PTFE材料自身有很多優(yōu)點(diǎn)，但仍有一些不足，如彈性不足，耐磨性和抗蠕變性能較差［15］。因此需要在PTFE里填充其余材料來(lái)改變其力學(xué)性能和抗磨損性能。對(duì)于PTFE 的改性，二硫化鉬（MoS2）由于自身分子結(jié)構(gòu)特征被視為有效的固體潤(rùn)滑劑［16］。Kawakame 和Bressan［17］發(fā)現(xiàn)用玻璃纖維（GF）和MoS2對(duì)PTFE改性后的復(fù)合材料在電機(jī)密封件中表現(xiàn)出了良好的耐磨性。大多數(shù)研究都是用摩擦因數(shù)以及磨損情況來(lái)評(píng)價(jià)PTFE復(fù)合材料的摩擦性能。對(duì)于頂推裝備滑動(dòng)副而言，了解其磨損演化過(guò)程及作用機(jī)理，進(jìn)而優(yōu)化材料的摩擦磨損性能，可以達(dá)到減少施工時(shí)間，提高施工效率的目的。然而，目前對(duì)這一領(lǐng)域的研究比較欠缺。

圖1 重載頂推裝備結(jié)構(gòu)［8］Fig.1 Incremental launching equipment[8]

本文主要研究在輕載和重載無(wú)潤(rùn)滑條件下頂推裝置滑動(dòng)副的摩擦學(xué)性能及磨損機(jī)理。提出了一種模擬頂推裝置工作過(guò)程的試驗(yàn)臺(tái)。以頂推裝備實(shí)際使用的聚四氟乙烯（PTFE）/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）/二硫化鉬（MoS2）復(fù)合材料和0Cr18Ni9不銹鋼組成的滑動(dòng)副為研究對(duì)象，研究摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)次數(shù)的變化情況。從微觀角度觀察摩擦副磨損后的表面形貌，分析摩擦副表面磨損演變過(guò)程并揭示出磨損機(jī)理，為提高重載頂推裝備滑動(dòng)副的使用壽命提供了試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)材料

以PTFE/ABS/MoS2復(fù)合材料和0Cr18Ni9 不銹鋼作為摩擦副試件，其材料主要性能參數(shù)如表1所示。PTFE/ABS/MoS2復(fù)合材料是以高分子材料與不同單體共聚，經(jīng)各種添加劑改性和特殊合成工藝制成的自潤(rùn)滑復(fù)合材料。試驗(yàn)中，復(fù)合材料墊初始尺寸為400 mm×200 mm×30 mm，0Cr18Ni9 不銹鋼墊初始尺寸為1 500 mm×300 mm×5 mm，0Cr18Ni9不銹鋼板的化學(xué)成分如表2所示。

表1 試件的主要性能參數(shù)Tab.1 Main performance parameters of material

表2 0Cr18Ni9不銹鋼板化學(xué)成份Tab.2 Chemical composition of 0Cr18Ni9 stainless-steel

1.2 工作原理與試驗(yàn)裝置

重載頂推裝備如圖1 所示，裝備的上部結(jié)構(gòu)將與需要架設(shè)的鋼箱梁接觸，下部結(jié)構(gòu)固定在支撐橋墩上?；瑒?dòng)副布置在上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)之間，其中PTFE/ABS/MoS2復(fù)合材料板置于上部結(jié)構(gòu)底面，而不銹鋼板置于下部結(jié)構(gòu)頂面。頂推裝備的基本工作原理包括頂升、前進(jìn)、下降和回縮4 個(gè)步驟，如圖2 所示［18］，主要由支撐頂升油缸和頂推移動(dòng)油缸兩個(gè)執(zhí)行部件完成，在此過(guò)程中，PTFE/ABS/MoS2復(fù)合材料板在不銹鋼板上做往復(fù)移動(dòng)。具體工作步驟為：①多個(gè)支撐頂升油缸將鋼箱梁整體托起；②頂推移動(dòng)油缸推動(dòng)鋼箱梁與裝備上部結(jié)構(gòu)一同向前移動(dòng)；③降低支撐頂升油缸，使鋼箱梁擱置在臨時(shí)橋墩上，而與頂推裝備分離；④頂推移動(dòng)油缸回縮，頂推裝備上部結(jié)構(gòu)回到初始位置，再進(jìn)行下一工作循環(huán)過(guò)程。

圖2 重載頂推裝備基本工作原理［18］Fig.2 Basic principle of incremental launching equipment[18]

根據(jù)重載頂推裝備的基本工作原理，將滑動(dòng)副的工作流程簡(jiǎn)化，如圖3 所示。F為PTFE/ABS/MoS2復(fù)合材料板與不銹鋼板承受的法向載荷；復(fù)合材料板在水平外力F1f和F2f作用下在不銹鋼板上往復(fù)運(yùn)動(dòng)。

圖3 滑動(dòng)副的工作原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of operating principle of sliding pair

為了研究滑動(dòng)副的摩擦磨損性能，根據(jù)其工作原理提出了一個(gè)摩擦磨損試驗(yàn)裝置，其三維示意圖如圖4 所示。該試驗(yàn)裝置主要由加載系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、滑動(dòng)副和固定裝置等組成，其中不銹鋼板焊接在可往復(fù)移動(dòng)的鋼梁上，復(fù)合材料板放置在加載系統(tǒng)下面的固定裝置中；加載系統(tǒng)主要包括一個(gè)液壓油缸為滑動(dòng)副提供法向載荷；驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要包括一個(gè)水平液壓油缸為滑動(dòng)副提供水平驅(qū)動(dòng)力，使復(fù)合材料板可以在不銹鋼板上做連續(xù)往復(fù)水平滑動(dòng)。在滑動(dòng)過(guò)程中，水平方向唯一阻力來(lái)自PTFE/ABS/MoS2復(fù)合材料板與不銹鋼板之間的摩擦力。

圖4 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of wear test-bed

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

利用自行設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置進(jìn)行滑動(dòng)副的摩擦磨損機(jī)理分析。試驗(yàn)條件為：①在室溫下無(wú)潤(rùn)滑；②復(fù)合材料板在不銹鋼板上單次滑行距離為1 m，滑動(dòng)速度為0.05 m·s-1；③試件在輕載10 MPa 和重載30 MPa條件下，分別做三組滑動(dòng)試驗(yàn)，每組滑動(dòng)次數(shù)為1 000、2 000和3 000。

試驗(yàn)過(guò)程如下：

（1）搭建試驗(yàn)裝置，如圖5所示。所有試驗(yàn)裝置零部件均固定在混凝土地板上的鋼制反作用框架中；

圖5 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖Fig.5 Actual image of wear test-bed

（2）將驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和加載系統(tǒng)中的液壓油缸分別與動(dòng)力源泵站用油管連接；

（3）調(diào)試泵站中的溢流閥、調(diào)速閥以及試驗(yàn)裝置中的各個(gè)傳感器，以滿足試驗(yàn)條件；

（4）每組試驗(yàn)過(guò)程中，記錄水平液壓缸進(jìn)油口和回油口處的油壓值，用于計(jì)算分析摩擦因數(shù)變化趨勢(shì)，并記錄滑動(dòng)副表面的摩擦溫升。為保證試驗(yàn)結(jié)果的真實(shí)性，每組試驗(yàn)均重復(fù)3遍以上。

1.4 試件處理

所有試驗(yàn)組完成后，將復(fù)合材料板和0Cr18Ni9不銹鋼板分別切割成尺寸為30 mm×30 mm×30 mm 和30 mm×30 mm×5 mm 的試樣。利用FEG-250 掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）和 能 譜 儀（energy dispersive spectrometer，EDS）對(duì)試件磨損表面進(jìn)行觀察并分析了磨損區(qū)域化學(xué)元素的組成成分。由于復(fù)合材料屬于不導(dǎo)電的塑料合金，在利用掃描電鏡觀察之前，需對(duì)復(fù)合材料表面進(jìn)行鍍金處理。

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦因數(shù)

摩擦因數(shù)是摩擦磨損研究的重要參數(shù)之一，可以反映特定條件下滑動(dòng)副的摩擦磨損特性［19］。圖6給出了滑動(dòng)副承受不同法向載荷時(shí)摩擦因數(shù)和摩擦表面溫升隨滑動(dòng)次數(shù)的變化曲線。從圖6中可以看出，在一定法向載荷下，摩擦因數(shù)呈先增大后減小的變化趨勢(shì)。在試驗(yàn)初始階段，摩擦因數(shù)隨著滑動(dòng)次數(shù)的增加先增大，達(dá)到最大值后開(kāi)始快速下降，最終趨于穩(wěn)定值。初始階段摩擦因數(shù)的增加是因?yàn)閷儆诰酆衔锏膹?fù)合材料具有一定的彈性特性，導(dǎo)致在施加法向載荷的情況下，復(fù)合材料板與對(duì)偶表面之間的實(shí)際接觸面積增加。隨著干摩擦次數(shù)的增加，復(fù)合材料表面上的接觸峰點(diǎn)發(fā)生塑性變形而從基體脫離，黏附在對(duì)偶表面不銹鋼板上或形成自由磨粒存在于摩擦副表面之間，這使得接觸表面上表面粗糙度增加，從而減小摩擦副的實(shí)際接觸面積，使摩擦因數(shù)降低。同時(shí)，在干摩擦過(guò)程中，由于無(wú)法及時(shí)釋放摩擦產(chǎn)生的熱量，復(fù)合材料表面發(fā)生軟化現(xiàn)象，復(fù)合材料被轉(zhuǎn)移到對(duì)偶表面而形成了轉(zhuǎn)移膜［20-21］。隨著轉(zhuǎn)移膜的增加，滑動(dòng)副的表面接觸轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合材料與其同質(zhì)表層之間的接觸，使得滑動(dòng)表面的摩擦因數(shù)趨于穩(wěn)定。除此之外，對(duì)于不同法向載荷下的摩擦因數(shù)而言，30 MPa 接觸載荷下的初始值高于10 MPa接觸載荷的初始值，但30 MPa法向載荷的最終值低于10 MPa 接觸載荷的最終值。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，隨著滑動(dòng)副承受法向載荷的增加，表面上實(shí)際接觸峰點(diǎn)增多，即復(fù)合材料與不銹鋼之間的實(shí)際接觸面積增加，因此在干摩擦的初始階段，輕載下摩擦因數(shù)小于重載下的摩擦因數(shù)。隨滑動(dòng)次數(shù)的增加，重載下滑動(dòng)副表面溫度升高得更快（圖6），這導(dǎo)致不銹鋼表面會(huì)更早地形成連續(xù)且較均勻的轉(zhuǎn)移膜，且接觸表面磨損更加嚴(yán)重，最終在30 MPa 法向載荷下摩擦因數(shù)下降得更快，也將得到更低的穩(wěn)定值。

圖6 不同載荷下摩擦因數(shù)及摩擦表面溫升隨滑動(dòng)次數(shù)的變化Fig.6 Friction coefficient and temperature rising of friction surface versus sliding times at different loads

2.2 輕載時(shí)滑動(dòng)副的磨損機(jī)理分析

摩擦因數(shù)不足以完全表征摩擦副的摩擦磨損行為，利用掃描電鏡觀察并分析了滑動(dòng)副磨損后的微觀表面形貌。圖7為在施加10 MPa法向載荷時(shí)，經(jīng)過(guò)1 000、2 000和3 000次干摩擦試驗(yàn)后滑動(dòng)副磨損表面的微觀形貌，其中復(fù)合材料的磨損表面形貌為圖7a、7b和7c，不銹鋼板的磨損表面形貌為圖7d、7e和7f。

輕載下經(jīng)過(guò)1 000次滑動(dòng)后，滑動(dòng)副表面沒(méi)有出現(xiàn)明顯的磨損現(xiàn)象。在復(fù)合材料的磨損表面上僅僅發(fā)現(xiàn)了一些較淺的溝槽（圖7a），并且在不銹鋼表面上觀察到了一些塊狀較薄的轉(zhuǎn)移膜（圖7d）。除此以外，不銹鋼板表面原始的垂直于滑動(dòng)方向的表面紋理變得更加清晰可見(jiàn)，這也說(shuō)明轉(zhuǎn)移膜的形成并嵌入到不銹鋼粗糙表面中。從圖7b可以看出，當(dāng)滑動(dòng)次數(shù)達(dá)2 000次時(shí)，復(fù)合材料表面出現(xiàn)大量的犁溝現(xiàn)象，且在溝槽內(nèi)有些許微小的顆粒。這是由于經(jīng)多次滑動(dòng)接觸后，界面間的剪切力使復(fù)合材料表面上發(fā)生塑性變形的接觸峰點(diǎn)從基體表面脫落，脫落后部分成為自由顆粒存在于摩擦副表面之間，且有些經(jīng)過(guò)多次碾壓附著在對(duì)偶不銹鋼板表面上形成塊狀的轉(zhuǎn)移膜。圖7e 顯示出不銹鋼表面上存在了少量的溝槽，這是因?yàn)殡S著滑動(dòng)次數(shù)的增加，不銹鋼表面上轉(zhuǎn)移膜厚度增加，存在于滑動(dòng)副表面之間的自由磨粒對(duì)轉(zhuǎn)移膜進(jìn)行切割，而產(chǎn)生了犁溝現(xiàn)象。除此之外，通過(guò)對(duì)圖7e中的點(diǎn)A亮白色磨粒進(jìn)行能譜分析（圖8），檢測(cè)出元素C 和Mo 的含量很高，這也再次證實(shí)了黏附在不銹鋼表面上的磨粒是從復(fù)合材料板上剝離下來(lái)的。3 000次滑動(dòng)磨損試驗(yàn)后，復(fù)合材料表面出現(xiàn)明顯的磨損現(xiàn)象（圖7c）?？梢杂^察到從復(fù)合材料表面有脫落痕跡的邊界處發(fā)生明顯塑性變形，并出現(xiàn)清晰的分層現(xiàn)象。這是由于隨著滑動(dòng)次數(shù)的增加，接觸界面間溫度升高，復(fù)合材料表層發(fā)生軟化并與對(duì)偶表面發(fā)生黏著現(xiàn)象，使更多接觸峰點(diǎn)從基體脫落下來(lái)。與此同時(shí)，大量脫落的碎屑黏著在不銹鋼表面（如圖7f），且一些碎屑會(huì)在表面發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象。由此可以看出，在輕載下摩擦副主要發(fā)生了磨粒磨損和黏著磨損。

圖7 輕載下滑動(dòng)副磨損表面的掃描電鏡圖像（10 Mpa）Fig.7 SEM images of worn surfaces at light load (10 MPa)

圖8 2 000次磨損后不銹鋼表面圖像中A點(diǎn)能譜分析Fig.8 EDS analysis of zone A in the image of stainless-steel after 2000 wear times

黏著磨損意味著在發(fā)生滑動(dòng)接觸過(guò)程中，耐磨性較差材料表面上的接觸峰點(diǎn)由于受到剪切作用被剝離并黏著在對(duì)偶表面上，這也將改變對(duì)偶表面上的化學(xué)成分［22］。因此，利用能譜分析可以驗(yàn)證輕載下復(fù)合材料與不銹鋼板在干摩擦過(guò)程中發(fā)生了黏著磨損。

圖9是對(duì)輕載下不銹鋼板經(jīng)不同滑動(dòng)接觸次數(shù)后磨損表面的能譜分析，其中檢測(cè)到的主要元素含量占比如表3 所示。可以清楚地看出，與不銹鋼板原始化學(xué)成分（表1）相比，表面C 含量明顯增加，這證實(shí)了摩擦副表面之間已發(fā)生黏著磨損。而且隨著滑動(dòng)接觸次數(shù)的增加，檢測(cè)到表面磨損區(qū)域中C 含量也逐漸增大。經(jīng)3 000次試驗(yàn)后，不銹鋼磨損表面C 含量最高達(dá)6.49%。該結(jié)果表明，隨著滑動(dòng)次數(shù)增加，復(fù)合材料表面有更多的接觸峰點(diǎn)剝落并黏附在對(duì)偶面上，產(chǎn)生嚴(yán)重的黏著磨損。此外，磨損表面還含有大量的Fe和O元素，這說(shuō)明不銹鋼表面存在氧化層［23］。是因?yàn)樵陂L(zhǎng)時(shí)間摩擦過(guò)程中，滑動(dòng)副表面溫度會(huì)逐漸升高，致使Fe元素與大氣中的O元素結(jié)合生成氧化膜覆蓋在不銹鋼表面。

圖9 輕載下不銹鋼磨損表面能譜分析（10 MPa）Fig.9 EDS analysis of the whole micro-area for stainless-steel at light load(10 MPa)

表3 輕載時(shí)不同滑動(dòng)次數(shù)下不銹鋼磨損區(qū)域的化學(xué)成分Tab.3 Microcomponent analysis of stainless-steel with different micro-areas at light load (10 MPa)

2.3 重載時(shí)滑動(dòng)副的磨損機(jī)理分析

圖10為在重載下（30 MPa法向載荷），經(jīng)1 000、2 000 和3 000 次干摩擦試驗(yàn)后，通過(guò)掃描電鏡觀察的滑動(dòng)副磨損表面微觀形貌。其中圖10a、10b 和10c是復(fù)合材料的磨損表面形貌，很明顯地觀察到其表面有嚴(yán)重磨損現(xiàn)象；圖10d、10e和10f是不銹鋼板的磨損表面形貌。

與輕載下呈現(xiàn)磨損現(xiàn)象不同，重載經(jīng)1 000次干摩擦試驗(yàn)后，復(fù)合材料的磨損表面出現(xiàn)些許小磨粒和細(xì)小裂紋（圖10a）。這是因?yàn)樵谥剌d作用下，從復(fù)合材料板上剝落的大磨屑在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中又被碾壓成更小的磨粒黏附在摩擦副表面。同時(shí)，在對(duì)偶面不銹鋼上也看到了黏附在表面的磨損碎片，且由于往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的剪切作用，附著在不銹鋼表面上的碎屑出現(xiàn)了沿著滑動(dòng)方向被“拉起”的現(xiàn)象（圖10d）。此時(shí)滑動(dòng)副主要表現(xiàn)的磨損機(jī)理是黏著磨損。經(jīng)2 000次滑動(dòng)接觸后，復(fù)合材料板和不銹鋼板的磨損表面微觀形貌如圖10b 和10e 所示?？梢郧逦乜闯鰪?fù)合材料表面發(fā)生嚴(yán)重塑性變形，而且表面出現(xiàn)很多更寬更深的磨損裂紋，這意味著表面細(xì)小裂紋已開(kāi)始擴(kuò)散，磨損加劇。隨著磨損次數(shù)的增加，不銹鋼板表面的轉(zhuǎn)移膜變厚，在往復(fù)滑動(dòng)過(guò)程中摩擦副之間的自由磨屑對(duì)轉(zhuǎn)移膜進(jìn)行切割使得不銹鋼表面出現(xiàn)少量淺溝槽痕跡（圖10e）。

試驗(yàn)增加至3 000次時(shí)，通過(guò)掃描電鏡觀察到的復(fù)合材料和不銹鋼磨損表面微觀形貌如圖10c、圖10f所示。隨著滑動(dòng)次數(shù)的增加，復(fù)合材料的磨損表面變得越來(lái)越嚴(yán)重，可以觀察到表面出現(xiàn)大量較深的垂直于滑動(dòng)方向的裂縫。這是由于長(zhǎng)時(shí)間反復(fù)接觸，滑動(dòng)副表面溫度連續(xù)升高，復(fù)合材料表層區(qū)域成為主要能量聚集、耗散處，使表層材料發(fā)生軟化的同時(shí)強(qiáng)度也有所降低，進(jìn)而表面磨損加劇。因此，裂紋的萌生和擴(kuò)展在復(fù)合材料表面上連續(xù)不斷地發(fā)生。同時(shí)，通過(guò)觀察不銹鋼的磨損表面形貌，發(fā)現(xiàn)磨粒切割轉(zhuǎn)移膜引起的犁溝數(shù)量變多且深度增加。此外，相比于輕載下的磨損表面，不銹鋼表面呈現(xiàn)出連續(xù)而均勻的轉(zhuǎn)移膜，而不是黏附在表面上的大塊磨屑。這是由于重載下反復(fù)摩擦過(guò)程中，滑動(dòng)副之間的切向作用力大于磨屑在不銹鋼表面上的附著力，從而使磨屑再次從不銹鋼板表面上剝落。也正是因?yàn)椴讳P鋼表面上的這層較厚、連續(xù)且均勻的轉(zhuǎn)移膜，使摩擦副不同材料的滑動(dòng)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合材料與其同質(zhì)表層之間的接觸，使其具有較低的摩擦因數(shù)。這同時(shí)也驗(yàn)證了30 MPa 法向載荷下的摩擦因數(shù)最終穩(wěn)定值低于10 MPa 法向載荷下的摩擦因數(shù)穩(wěn)定值（圖6）。

圖10 重載下滑動(dòng)副磨損表面的掃描電鏡圖像（30 Mpa）Fig.10 SEM images of worn surfaces at heavy load (30 MPa)

通過(guò)觀察并分析滑動(dòng)副磨損表面微觀形貌，可以發(fā)現(xiàn)在無(wú)潤(rùn)滑的30 MPa 法向載荷下的摩擦磨損試驗(yàn)中，滑動(dòng)副主要表現(xiàn)出的磨損機(jī)理是疲勞磨損和黏著磨損。

不銹鋼表面的能譜分析如圖11 所示，其中圖11a、圖11b、圖11c 分別是對(duì)圖10d、圖10e、圖10f 磨損表面整個(gè)區(qū)域進(jìn)行的能譜分析。表4列出了不同測(cè)試區(qū)域的主要元素含量。同樣地，發(fā)現(xiàn)不銹鋼板表面元素C 的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其原始含量，這證實(shí)了不銹鋼板表面存在轉(zhuǎn)移膜現(xiàn)象，以及摩擦副之間發(fā)生了黏著磨損。此外，隨著滑動(dòng)次數(shù)的增加，元素C含量也會(huì)升高。從表3、表4 的對(duì)比可以看出，在相同滑動(dòng)次數(shù)下，承受30 MPa法向載荷的不銹鋼板磨損表面元素C 含量會(huì)相對(duì)低一些，這是由于重載下磨損表面黏附的從復(fù)合材料表面剝離的塊狀碎屑較少。在相同滑動(dòng)次數(shù)下，30 MPa法向載荷的不銹鋼板磨損表面上元素O和Fe 含量占比會(huì)高于10 MPa法向載荷的不銹鋼板磨損表面上元素O 和Fe 含量占比。這是由于重載會(huì)產(chǎn)生更高的表面溫升，在大氣條件下，較高的溫度導(dǎo)致氧氣更容易與不銹鋼磨損表面中的元素結(jié)合形成氧化層。

圖11 重載下不銹鋼磨損表面能譜分析（30 MPa）Fig.11 EDS analysis of the whole micro-area of stainless-steel at heavy load(30 MPa)

表4 重載時(shí)不同滑動(dòng)次數(shù)下不銹鋼磨損區(qū)域的化學(xué)成分Tab.4 Microcomponent analysis of stainless-steel with different micro-areas at heavy load (30 MPa)

3 結(jié)論

（1）重載頂推裝備滑動(dòng)副在承受相同法向載荷下，隨著滑動(dòng)接觸次數(shù)的增加，摩擦因數(shù)呈先增大再減小最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢(shì)。且重載下摩擦因數(shù)的起始值高于輕載下摩擦因數(shù)的起始值，但最終穩(wěn)定值比輕載下最終穩(wěn)定值低。

（2）輕載時(shí)頂推裝備滑動(dòng)副在干摩擦條件下，隨著滑動(dòng)接觸次數(shù)的增加，有大量碎屑不斷從復(fù)合材料表面剝離并黏附在對(duì)摩面上，同時(shí)在對(duì)摩面上形成轉(zhuǎn)移膜，磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為磨粒磨損和黏著磨損。

（3）重載時(shí)頂推裝備滑動(dòng)副在干摩擦條件下，隨著滑動(dòng)接觸次數(shù)的增加，復(fù)合材料表面出現(xiàn)大量較深的垂直于滑動(dòng)方向的裂縫，同時(shí)在對(duì)摩面上出現(xiàn)連續(xù)且均勻的轉(zhuǎn)移膜，由不同材料之間的滑動(dòng)摩擦磨損逐漸轉(zhuǎn)變成同種材料的對(duì)摩，磨損機(jī)制主要表現(xiàn)為疲勞磨損和黏著磨損。