扭動微動條件下的磨損與疲勞競爭機制研究

扭動微動磨損是在交變載荷作用下發(fā)生在相互接觸表面的角位移幅值極小的往復運動。扭動微動現(xiàn)象廣泛存在于航空業(yè)、生物摩擦學、機車零部件等各個王業(yè)領域中，不易察覺，但是危害損傷性極大。本項目首先在配置高精度低速往復轉動臺的CETR UMT-2型多功能摩擦磨損試驗機上進行實驗，采用球（GCrl5鋼球）一平面（鋁合金平面）接觸模型，分別探討了角位移幅值、法向載荷、循環(huán)次數(shù)等參數(shù)對5083鋁合金以及7050鋁合金扭動微動特性的影響。隨后基于接觸問題有限元方法對扭動微動開展數(shù)值分析，研究關鍵微動參數(shù)對接觸表面及次表面的應力應變分布的影響。從力學角度分析扭動微動磨損損傷特性，并將力學行為和實驗現(xiàn)象進行對比分析；并利用有限元軟件用戶子程序引入接觸表面隨時間和空間各項同性變化的摩擦系數(shù)，對扭動微動磨損進行數(shù)值模擬。同時開展涂層扭動微動有限元分析，通過與基體力學行為的比較，探討固體潤滑涂層在抗扭動微動磨損中應用的可行性。并且建立了一種可以有效預測粗糙表面下，考慮材料耗散的扭動微動磨損的數(shù)值模型，采用半解析法計算接觸區(qū)的壓力分布，采用離散卷積快速傅里葉變換和共軛梯度法可以有效的求解扭動微動磨損中的接觸問題，提高了計算的效率。

扭動微動是在交變載荷下接觸副產(chǎn)生微幅扭轉（角度幅值不超過幾度）的相對運動，在很多回轉部件中較常見，如球窩關節(jié)、球閥、車輛心盤等，國內外的研究至今不夠系統(tǒng)，特別是微動白層的形成機制和微動疲勞裂紋的萌生擴展機制。本研究將首先建立合理的磨損預測公式和表面摩擦模型，利用數(shù)值模擬實現(xiàn)對扭動微動界面的幾何演化、表面非均勻動態(tài)摩擦因數(shù)的影響的預測分析，同時結合實驗研究，建立不同材料的扭轉微動的運行工況微動圖、損傷響應微動圖和微動白層的形成及演變過程，揭示不同接觸方式的扭動微動在材料損傷機制上的差異。在此基礎上，結合磨痕和剖面形貌分析，研究扭動微動條件下摩擦白層的形成機制，材料局部磨損與疲勞之間的競爭關系，進而揭示裂紋萌生與白層的相互作用關系，以及磨損和疲勞的相互競爭機理。本研究不僅具有重要的科學價值和理論意義，而且對高速鐵路輪軸冷切斷裂和人工心臟瓣膜磨損等的工程問題的解決具有重要指導意義。

兩個接觸表面由于受相對低振幅振蕩運動而產(chǎn)生的磨損叫做微動磨損。它產(chǎn)生于相對靜止的接合零件上，因而往往易被忽視。微動磨損的最大特點是在外界變動載荷作用下，產(chǎn)生振幅很?。ㄐ∮?00μm，一般為2～20 μm）的相對運動，由此發(fā)生摩擦磨損。例如在鍵連接處、過盈配合處、螺栓連接處、鉚釘連接接頭處等結合上產(chǎn)生的磨損。微動磨損使配合精度下降，使配合部件緊度下降甚至松動，連接件松動乃至分離，嚴重者引起事故。此外，也易引起應力集中，導致連接件疲勞斷裂。

摩擦表面材料微觀體積受循環(huán)接觸應力作用產(chǎn)生重復變形，導致產(chǎn)生裂紋和分離出微片或顆粒的磨損稱為疲勞磨損。如滾動軸承的滾動體表面、齒輪輪齒節(jié)圓附近、鋼軌與輪箍接觸表面等，常常出現(xiàn)小麻點或痘斑狀凹坑，就是疲勞磨損所形成。

機件出現(xiàn)疲勞斑點之后，雖然設備可以運行，但是機械的振動和噪聲會急劇增加，精度大幅度下降，設備失去原有的工作性能。因此，所生產(chǎn)的產(chǎn)品的質量下降，機件的壽命也要迅速縮短。

出現(xiàn)疲勞磨損的主要原因是在滾動摩擦面上，兩摩擦面接觸的地方產(chǎn)生了接觸應力，表層發(fā)生彈性變形。在表層內部產(chǎn)生了較大的切應力（這個薄弱區(qū)域最易產(chǎn)生裂紋）。由于接觸應力的反復作用，在達到一定次數(shù)后，其表層內部的薄弱區(qū)開始產(chǎn)生裂紋，屆時，在表層外部也因接觸應力的反復作用而產(chǎn)生塑性變形，材料表面硬化，最后產(chǎn)生裂紋?？偠灾窃诓牧系谋砻嬉粚赢a(chǎn)生了裂紋。因為最大切應力與壓應力的方向呈45°角，所以，裂紋也都是與表面呈45°角。在裂紋形成的兩個新表面之間，由于潤滑油的楔入，使裂紋內壁產(chǎn)生巨大的內壓力，迫使裂紋加深并擴展，這種裂紋的擴展延伸，就造成了麻點剝落。由此可見，接觸應力才是導致疲勞磨損的主要原因。降低接觸應力，就能增加抵抗疲勞磨損的強度。當然改變材質也可以提高疲勞強度。此外，潤滑劑對降低接觸應力有重要作用，高黏度的油不易從摩擦面擠掉，有助于接觸區(qū)域壓力的均勻分布，從而降低了最高接觸應力值。當摩擦面有充分的油量時，油膜可以吸收一部分沖擊能量，從而降低了沖擊載荷產(chǎn)生的接觸應力值。

持續(xù)的機械振動應力將引起電連接器中插針與插孔發(fā)生微動磨損，相應出現(xiàn)的電接觸故障亦是導致電連接器功能失效的根本原因之一。本項目通過聯(lián)合非線性有限元法與移動元胞自動機自組織技術建立電連接器接觸對宏觀、微觀微動磨損分析模型，研究電連接器接觸對微動條件下表面形貌、成分及電接觸特性演化過程的分析技術。開發(fā)機械振動條件下電連接器微動特性綜合測試分析系統(tǒng)，最終確定機械振動引起電連接器微動磨損的失效機理、關鍵影響因素及電接觸性能退化規(guī)律。本研究的分析方法與所得的結論對于提高電連接器可靠性及耐環(huán)境能力具有重要的理論意義與實用價值，同時對于電連接器結構優(yōu)化以及所用電接觸材料優(yōu)選亦將具有借鑒意義。