陳天驊 宋晨飛 吳海紅 張 林 呂 斌 張永振

(1.河南科技大學高端軸承摩擦學技術與應用國家地方聯(lián)合工程實驗室 河南洛陽 471023；2.中船九江精達科技股份有限公司 江西九江 332008)

導電旋轉關節(jié)是實現(xiàn)2個相對旋轉運動部件間傳輸功率和信號的輸電裝置，屬于電傳輸關鍵核心部件，廣泛應用于航天、航空及新能源開發(fā)等領域[1-2]。傳統(tǒng)的導電旋轉關節(jié)通過環(huán)體與刷絲滑動摩擦的接觸方式實現(xiàn)電傳輸，該滑動電接觸形式在使用過程中表現(xiàn)出高摩擦因數(shù)、高磨損率、高電阻波動性、電弧損傷等缺點。為突破滑動電接觸的固有缺陷，美國發(fā)明了滾環(huán)導電旋轉關節(jié)，導電部件由內、外滾道及安裝在其中的彈性環(huán)組成[3-4]。通過彈性環(huán)一定的徑向壓縮量以保證適當?shù)慕佑|壓力，從而保持穩(wěn)定的電接觸和滾動摩擦接觸[5]。滾動導電部件在旋轉摩擦過程中完成電傳輸，是典型的載流摩擦副。

速度是影響載流摩擦性能的關鍵因素之一。BOUCHOUCHA等[6]研究了不同滑動速度對銅-不銹鋼配副摩擦的影響，結果表明較高的滑動速度會造成接觸表面氧化速率升高，減少了金屬之間的接觸，致使導電性能的惡化。XIE等[7]研究了不同滑動速度下AuAgCu電刷/鍍金對的滑動電接觸行為，發(fā)現(xiàn)高速滑動會引起振動和實際接觸面積的變化，導致接觸電壓降增大，產生明顯的電噪聲。HUANG等[8]研究了Ti3AlC2的載流摩擦行為，結果表明摩擦因數(shù)隨滑動速度的增大而增加?？梢?，轉速可影響滑動載流摩擦副表面黏著和氧化，并導致接觸失穩(wěn)和有效導電面積的波動，從而誘發(fā)載流摩擦性能惡化。LI等[9]在銅盤對滾的載流摩擦試驗中發(fā)現(xiàn)，轉速超過240 r/min(電流1 A)時剛性滾動接觸面出現(xiàn)電弧放電和電弧侵蝕，導致電流劇烈波動。HE等[10]研究了滾動速度對輪材料摩擦磨損性能的影響，發(fā)現(xiàn)隨著速度的提升，疲勞裂紋的擴展和深度均顯著增加。DING等[11]在輪軌滾動摩擦試驗中發(fā)現(xiàn)，隨著轉速的增加，輪材料黏著磨損增加，疲勞裂紋主要沿著較軟的鐵素體線生長；軌材料的裂紋則是轉向磨損表面，該結果與轉速升高后輪軌材料硬度比下降有關。因此，轉速對剛性對滾配副的摩擦接觸和載流摩擦接觸均產生影響。

然而，彈性環(huán)滾動載流摩擦副的運動形式既不是傳統(tǒng)的滑動，也并非剛性對滾；其滾動形式為從動滾動，存在公轉和自轉，載荷施加形式為彈性壓縮力，并非試驗機外加載荷。因此本文作者研究的載流摩擦副與上述文獻研究的載流摩擦副有顯著差異，不同轉速下彈性環(huán)滾動載流摩擦性能和材料損傷尚不清楚。為推動滾環(huán)導電旋轉關節(jié)的應用，有必要開展彈性環(huán)滾動載流摩擦基礎研究。

1 試驗部分

1.1 試驗樣品與材料

因鈹青銅 (GB/T 5231—2001)具有優(yōu)異的彈性穩(wěn)定性、較高的強度以及較好的導電性能，文中選擇其為試驗摩擦副的原材料，具體的化學成分見表1。滾動載流摩擦副由內、外滾道和彈性滾環(huán)組成，文中試驗將內、外滾道的尺寸固定，直徑分別為64和130 mm，分別沿內滾道的外圓和外滾道的內圓面設計加工出幾何形式為等腰直角三角形的溝槽。彈性環(huán)呈圓形，其外徑為37.5 mm，寬度為5 mm，厚度為0.5 mm，見圖1。彈性環(huán)的直徑略大于內外滾道之間的徑向尺寸，裝卡后產生壓縮力。根據(jù)幾何尺寸關系，可以得到彈性環(huán)裝配后的壓縮變形量為2.5 mm。彈性環(huán)在確定壓縮量下與其所受壓縮力的關系為

圖1 彈性環(huán)尺寸及其與滾道接觸關系

表1 試驗材料鈹青銅QBe2.0化學成分

(1)

式中：E為材料的彈性模量；r為彈性環(huán)的外緣半徑；I為彈性環(huán)截面對對中性軸的慣性矩 (I=bt3/12，t為彈性環(huán)的厚度)。由式(1)計算可得彈性環(huán)所受彈性壓縮力為17.1 N。

1.2 滾動載流摩擦試驗

在FTM-CF100滾動載流摩擦試驗機的基礎上，設計工裝并裝卡彈性滾環(huán)，詳見圖2。將絕緣尼龍板固定在環(huán)境腔側壁，再將外導電環(huán)安裝于絕緣板上，使用錐形鋼套輔助安裝以保證導電外環(huán)與旋轉軸的同軸度。然后，使用緊固螺母將內導電環(huán)固定在旋轉軸上，內、外導電環(huán)同軸且滾道中心處于同一垂直面。將彈性環(huán)也裝入內、外導電環(huán)之間的徑向空間。彈性滾環(huán)的直徑要略大于內導電環(huán)與外導電環(huán)之間的徑向距離。彈性滾環(huán)受到擠壓而彎曲變形，隨之產生的彈性力使其與內、外導電環(huán)上的V形滾道緊密接觸。彈性力在滾道側壁法向分力為滾動接觸面的法向力。內導電環(huán)轉動時帶動彈性滾環(huán)在內、外導電環(huán)之間滾動。在驅動軸的末端配合安裝了一個型號為TQ-665的扭矩傳感器用于測量摩擦扭矩，未裝卡彈性環(huán)時對扭矩進行校準清零。使用恒壓直流電源并通過水銀導電環(huán)向摩擦副回路中提供直流電，電流通過水銀導電環(huán)、主軸、內滾道、彈性環(huán)、外滾道，然后通過導線返回電源，試驗初始電流為1.5 A。試驗時主驅動軸的轉速分別設置為240、300、400 和 600 r/min，對應的內滾道的線速度分別為0.80、1.00、1.34和2.01 m/s。試驗轉速與螺旋槳除冰裝置用導電環(huán)工況相符。如圖2 所示，彈性環(huán)與內外滾道之間存在4個接觸點受到摩擦力。一個滾道上的2個點承受變形彈力，另一滾道上的2個點承受該彈力的反作用力。根據(jù)幾何關系可得出每個接觸點的法向力Fn：

圖2 滾動載流摩擦副安裝示意

Fn=0.5F/sin45°

(2)

式中：F是彈性環(huán)變形產生的彈力，按照公式(1)求得。

經計算，試驗中彈性環(huán)與滾道接觸單點的法向力為12.31 N。單次試驗的轉數(shù)為108 000轉，該條件下摩擦因數(shù)和接觸電阻均達到穩(wěn)態(tài)運行。每次測試前，對彈性環(huán)接觸面依次用800、1 000、1 500目的碳化硅防水砂紙打磨，然后在Mp-2B金相拋光機上用3.5 μm金剛石懸浮液拋光；對滾道依次用 800、1 000和1 500目的碳化硅防水砂紙打磨。試驗過程中用攝像機(索尼FDR-AX400，上海索廣電子有限公司)對彈性環(huán)運動進行錄制，視頻采樣頻率為50 Hz。試驗在開放大氣條件下進行，室溫25 ℃，相對濕度50%。每個工況下的試驗重復5次。

1.3 樣品表征

使用精度為0.1 mg的電子天平 (FA224C)稱取彈性環(huán)試驗前后的質量來確定磨損量。使用光學金相顯微鏡(DMi 8c，Leica，德國)和掃描電子顯微鏡(SEM，TESCAN vEGA3SBH，捷克)分析表面損傷情況，并結合能譜儀 (EDS，EDAX octane SDD Series，美國)給出磨損表面的元素分布。為了解彈性環(huán)接觸區(qū)域下方材料的組織變形情況，將樣品切割后進行鑲嵌、打磨、拋光，之后用含有8 g CuCl2+ 92 mL NH3的混合溶液蝕刻5 s。為輔助磨損分析，采用ABAQUS軟件分析彈性環(huán)與滾道靜態(tài)接觸時的應力分布，選擇等效Mises應力作為輸出。

摩擦力功率計算公式為

P=fv

(3)

式中：f為總摩擦力；v為內滾道平均線速度。

電阻熱功率計算公式為

W=i2R

(4)

式中：i為測試電流；R為穩(wěn)態(tài)接觸電阻。

2 結果與分析

2.1 載流摩擦性能

圖3所示為不同轉速下穩(wěn)態(tài)階段的平均摩擦力與平均接觸電阻。隨著轉速的增加，摩擦力逐漸升高，240、300、400和600 r/min轉速下的摩擦力分別為3.8、6.3、6.4和7.6 N；接觸電阻逐漸降低，4種轉速下的接觸電阻分別為0.52、0.42、0.41和0.34 Ω。為了比較電流對摩擦力的影響，進行了600 r/min轉速下的無電流機械摩擦測試，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)平均摩擦力為4.13 N，低于有電流時的7.6 N。

圖3 不同轉速下穩(wěn)態(tài)階段摩擦力與接觸電阻

圖4所示為不同轉速下穩(wěn)態(tài)階段內滾道表面溫度，隨著轉速從240 r/min增加至600 r/min，表面溫度從34 ℃增加至41 ℃。由公式(3)、(4)計算得出，對應的摩擦力功率從3.04 W 增加至15.28 W，電阻熱功率從1.17 W降低至0.765 W。有/無電流對比試驗中，同等條件下的載流摩擦表面溫度高于機械摩擦溫度。內滾道溫升的熱源包括摩擦力做功和電阻熱，文中試驗條件下摩擦力做功對溫升起到了主導作用。額外的電阻熱可進一步促進接觸面金屬材料間的黏著作用，使載流摩擦力高于同等條件下的機械摩擦力[12-14]。

圖4 不同轉速下穩(wěn)態(tài)階段內滾道接觸表面溫度

為了解彈性環(huán)的磨損特性，對不同時段的磨痕寬度和磨損量進行測量，結果見圖5。隨著轉速的提升，磨痕寬度與磨損量逐漸增加。經過27 600轉后，磨痕寬度已經產生而此時磨損量極低甚至未檢測到。當轉數(shù)累積到一定程度后(超過42 000轉)才表現(xiàn)出明顯的質量損失。該結果表明，在摩擦初期接觸表面材料損傷主要以金屬塑性變形為主，未發(fā)生材料去除。試驗結束時測量得出，240、300、400和600 r/min轉速下對應的磨痕寬度分別為269.95、280.25、298.06和323.69 μm，載流磨損量為12.47～32.14 mg。600 r/min機械磨損量為28.79 mg。磨痕寬度的增加意味著摩擦接觸面積和導電接觸面積均有所增加，從而導致摩擦力上升與接觸電阻下降[15]。

圖5 不同轉速下不同轉數(shù)累積磨痕寬度(a)與磨損量(b)

為進一步驗證磨痕寬度對載流摩擦性能的影響，選取磨痕寬度分別為234.48、272.05、284.01和289.82 μm的磨損樣品，在轉速240 r/min和電流1.5 A下開展載流摩擦測試。試驗時長10 min，不引入額外磨損，保持磨痕寬度不變。隨著磨痕寬度從234.48 μm增加到289.92 μm(增幅為23.6%)，載流摩擦力從5.11 N增加到5.67 N，增幅約9.9%；接觸電阻從0.48 Ω降低到0.38 Ω，降幅約21.2%(見圖6)。圖5中不同轉速下的磨痕寬度從269.95 μm增加至323.69 μm，增幅為19.9%；對應摩擦力增幅約50.0%，接觸電阻降幅約為32.6%?？梢?，在磨痕寬度增幅相近的條件下，相同轉速下(240 r/min)的摩擦力增幅(9.9%)小于變速條件下(240～600 r/min)的摩擦力增幅(50.0%)。因此，轉速自身對摩擦力大小也有影響，后文將討論影響機制。高的摩擦力會導致摩擦接觸區(qū)承受更大的剪應力，通過觀察晶粒變形情況(見圖7)，可評估損傷表層的塑性變形程度。隨著轉速從240 r/min升高至600 r/min，接觸表面下方的塑性流動現(xiàn)象加劇，晶粒變形嚴重，流動層厚度從無增加至約30 μm。

圖6 不同磨痕寬度下摩擦力(a)與接觸電阻(b)

圖7 不同轉速下載流摩擦測試后彈性環(huán)縱截面金相組織

2.2 表面損傷

圖8所示為不同轉速下測試后的彈性環(huán)磨損形貌。在低轉速240 r/min，表面呈現(xiàn)出輕微的起伏以及少量的微小裂紋。當轉速升高到300 r/min時，表面微裂紋增多，并出現(xiàn)了局部的嚴重金屬流變。隨著轉速升高到400 r/min時，可以看到層片狀的金屬從接觸表面剝落。當轉速達到600 r/min時，出現(xiàn)大面積的層片狀的金屬剝落，表明摩擦副發(fā)生了嚴重的疲勞現(xiàn)象。圖8中表面疲勞嚴重程度的變化規(guī)律與圖7中次表層塑性變形程度一致。

圖8 不同轉速下載流測試后彈性環(huán)磨損形貌

圖9所示為基于EDS的不同轉速下磨損表面氧、銅含量及O∶Cu原子個數(shù)比。隨著轉速的提升，彈性環(huán)磨損表面O∶Cu原子比從0.088 1降至0.047 7。該結果說明轉速升高加劇表面材料去除，表面氧化物在摩擦過程中脫落，有利于降低接觸電阻。

圖9 基于EDS的不同轉速下磨損表面O∶Cu原子個數(shù)比

2.3 彈性環(huán)磨損機制分析

為進一步了解彈性環(huán)摩擦過程中的磨損演變規(guī)律，利用有限元軟件ABAQUS對滾環(huán)載流摩擦副進行靜力學分析。在Solidworks中建立彈性環(huán)載流摩擦副的三維模型并導入ABAQUS軟件。設置材料參數(shù)：彈性模量為128 GPa，泊松比為0.3，密度為8.2 g/cm3。選擇靜態(tài)通用(Static General)分析步，建立有限元分析項目。劃分網(wǎng)格時，選擇六面體結構化網(wǎng)格，單元類型為C3D8R，彈性環(huán)與滾道之間采用面-面接觸模式。用位移方式對彈性環(huán)施加2.5 mm的壓縮量，彈性環(huán)與內滾道均只有徑向自由度，外滾道為底部固定約束。彈性環(huán)裝配后應力仿真結果如圖10所示，應力最大處位于內、外表面且靠近與滾道接觸區(qū)域。此時彈性環(huán)外表面受拉，最大應力值達到1 140 MPa，與滾道接觸區(qū)域的應力值也接近1 000 MPa。而鈹青銅對應的抗拉強度約為1 250 MPa，非比例極限σp0.2約為1 200 MPa[16]。因此，靜止狀態(tài)下的彈性環(huán)不會發(fā)生塑性變形。一旦彈性環(huán)開始滾動，摩擦力必然會加劇接觸區(qū)所受剪應力，導致接觸區(qū)材料塑性變形、疲勞和剝落。文中不同轉速下試驗的初始接觸狀態(tài)一致而最后的磨損狀態(tài)不一致，該現(xiàn)象與不同轉速下摩擦力的差異有關。圖6的結果表明，磨痕寬度對相同轉速條件下的摩擦力影響有限，因此可以推測摩擦力與轉速本身有較大關聯(lián)。

圖10 彈性環(huán)裝配后應力仿真結果

對應大多數(shù)滾動摩擦測試，轉速的增高一般會導致摩擦力下降，其主要原因是高速轉動下較高的表面溫度提升了氧化程度，致使表面易形成氧化膜，可弱化金屬之間的黏著作用[9]。然而文中試驗中的摩擦力卻呈現(xiàn)出相反的結果。由于裝配后的彈性環(huán)產生的彎曲應力以及與滾道的接觸應力是確定的，因此產生摩擦磨損演變差異的主要原因便是彈性環(huán)運動特性的不同。圖11所示為彈性環(huán)運動示意圖，內滾道沿逆時針轉動，彈性環(huán)在內滾道的驅動下沿逆時針進行公轉，同時又繞著自身的質心自轉。不同轉速下內滾道的驅動將造成彈性環(huán)不同的運動行為。根據(jù)內、外滾道的運動特點，文中設靜坐標系OXY和動坐標系o′xy，分別建立在外滾道和內滾道上。為了解內滾道對彈性環(huán)驅動點上彈性環(huán)上一點B的運動特點，先通過計算彈性環(huán)質心A的速度，再得出點B處的速度。取彈性環(huán)的質心A為動點，可以得到如下關系：

vB=ve+vr+vBA

(5)

(6)

式中：vB為點B在OXY中的速度；ve為牽連運動速度(即內滾道接觸點在OXY中的線速度)；vr為點A在o′xy中的速度(即點A相對于動坐標系的線速度差)；vBA為OXY中點B相對點A的速度；ωi為彈性環(huán)自轉角速度。

其中參量vr是影響彈性環(huán)運動特點的重要參考指標，體現(xiàn)內滾道驅動對彈性環(huán)運動的影響程度。

(7)

根據(jù)彈性環(huán)公轉視頻，得出隨著轉速的提升彈性環(huán)質心公轉角速度ωA分別為76、96.5、126和188 r/min。將上述數(shù)值代入式(6)計算得到，隨著轉速的升高，彈性環(huán)質心相對于內滾道之間的速度差明顯增大(見圖12)，這一結果表明彈性環(huán)繞點O的實際公轉在減少，產生了運動滯后。即，內滾道轉速提升帶來的有效驅動在降低，說明彈性環(huán)滾動過程中滑動占比升高。然而滑動占比的增加將不可避免地導致滑滾比的升高，并最終造成摩擦副接觸應力的改變和材料磨損發(fā)生變化[17-18]。

3 結論

通過改變內滾道轉速實現(xiàn)不同驅動轉動，進而研究彈性環(huán)在不同驅動下的載流摩擦性能。通過對表面形貌、磨損率、接觸應力以及運動分析，揭示了轉速對載流摩擦材料損傷和導電性能的影響機制，主要結論如下：

(1)隨著內滾道轉速升高，摩擦力增大，接觸電阻下降，磨損量增大。同等轉速下載流摩擦力高于機械摩擦力。

(2)磨痕寬度增幅相近的條件下，相同轉速下的摩擦力增幅小于變速條件下的摩擦力增幅。轉速增加引起的摩擦力增高與高轉速下彈性環(huán)滑滾增加也有關系。

(3)隨著內滾道轉速升高，接觸表面疲勞磨損嚴重，次表層塑性變形明顯，表面材料剝落導致高轉速磨損面氧化程度下降。