扭動(dòng)微動(dòng)條件下的磨損與疲勞競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制研究項(xiàng)目摘要

扭動(dòng)微動(dòng)是在交變載荷下接觸副產(chǎn)生微幅扭轉(zhuǎn)（角度幅值不超過幾度）的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在很多回轉(zhuǎn)部件中較常見，如球窩關(guān)節(jié)、球閥、車輛心盤等，國內(nèi)外的研究至今不夠系統(tǒng)，特別是微動(dòng)白層的形成機(jī)制和微動(dòng)疲勞裂紋的萌生擴(kuò)展機(jī)制。本研究將首先建立合理的磨損預(yù)測(cè)公式和表面摩擦模型，利用數(shù)值模擬實(shí)現(xiàn)對(duì)扭動(dòng)微動(dòng)界面的幾何演化、表面非均勻動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)的影響的預(yù)測(cè)分析，同時(shí)結(jié)合實(shí)驗(yàn)研究，建立不同材料的扭轉(zhuǎn)微動(dòng)的運(yùn)行工況微動(dòng)圖、損傷響應(yīng)微動(dòng)圖和微動(dòng)白層的形成及演變過程，揭示不同接觸方式的扭動(dòng)微動(dòng)在材料損傷機(jī)制上的差異。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合磨痕和剖面形貌分析，研究扭動(dòng)微動(dòng)條件下摩擦白層的形成機(jī)制，材料局部磨損與疲勞之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，進(jìn)而揭示裂紋萌生與白層的相互作用關(guān)系，以及磨損和疲勞的相互競(jìng)爭(zhēng)機(jī)理。本研究不僅具有重要的科學(xué)價(jià)值和理論意義，而且對(duì)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(dǎo)意義。

扭動(dòng)微動(dòng)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(fù)運(yùn)動(dòng)。扭動(dòng)微動(dòng)現(xiàn)象廣泛存在于航空業(yè)、生物摩擦學(xué)、機(jī)車零部件等各個(gè)王業(yè)領(lǐng)域中，不易察覺，但是危害損傷性極大。本項(xiàng)目首先在配置高精度低速往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)的CETR UMT-2型多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，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(duì)5083鋁合金以及7050鋁合金扭動(dòng)微動(dòng)特性的影響。隨后基于接觸問題有限元方法對(duì)扭動(dòng)微動(dòng)開展數(shù)值分析，研究關(guān)鍵微動(dòng)參數(shù)對(duì)接觸表面及次表面的應(yīng)力應(yīng)變分布的影響。從力學(xué)角度分析扭動(dòng)微動(dòng)磨損損傷特性，并將力學(xué)行為和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行對(duì)比分析；并利用有限元軟件用戶子程序引入接觸表面隨時(shí)間和空間各項(xiàng)同性變化的摩擦系數(shù)，對(duì)扭動(dòng)微動(dòng)磨損進(jìn)行數(shù)值模擬。同時(shí)開展涂層扭動(dòng)微動(dòng)有限元分析，通過與基體力學(xué)行為的比較，探討固體潤滑涂層在抗扭動(dòng)微動(dòng)磨損中應(yīng)用的可行性。并且建立了一種可以有效預(yù)測(cè)粗糙表面下，考慮材料耗散的扭動(dòng)微動(dòng)磨損的數(shù)值模型，采用半解析法計(jì)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(dòng)微動(dòng)磨損中的接觸問題，提高了計(jì)算的效率。

兩個(gè)接觸表面由于受相對(duì)低振幅振蕩運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的磨損叫做微動(dòng)磨損。它產(chǎn)生于相對(duì)靜止的接合零件上，因而往往易被忽視。微動(dòng)磨損的最大特點(diǎn)是在外界變動(dòng)載荷作用下，產(chǎn)生振幅很小（小于100μm，一般為2～20 μm）的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(jié)合上產(chǎn)生的磨損。微動(dòng)磨損使配合精度下降，使配合部件緊度下降甚至松動(dòng)，連接件松動(dòng)乃至分離，嚴(yán)重者引起事故。此外，也易引起應(yīng)力集中，導(dǎo)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(yīng)力作用產(chǎn)生重復(fù)變形，導(dǎo)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(dòng)軸承的滾動(dòng)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(diǎn)或痘斑狀凹坑，就是疲勞磨損所形成。

機(jī)件出現(xiàn)疲勞斑點(diǎn)之后，雖然設(shè)備可以運(yùn)行，但是機(jī)械的振動(dòng)和噪聲會(huì)急劇增加，精度大幅度下降，設(shè)備失去原有的工作性能。因此，所生產(chǎn)的產(chǎn)品的質(zhì)量下降，機(jī)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(dòng)摩擦面上，兩摩擦面接觸的地方產(chǎn)生了接觸應(yīng)力，表層發(fā)生彈性變形。在表層內(nèi)部產(chǎn)生了較大的切應(yīng)力（這個(gè)薄弱區(qū)域最易產(chǎn)生裂紋）。由于接觸應(yīng)力的反復(fù)作用，在達(dá)到一定次數(shù)后，其表層內(nèi)部的薄弱區(qū)開始產(chǎn)生裂紋，屆時(shí)，在表層外部也因接觸應(yīng)力的反復(fù)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?，是在材料的表面一層產(chǎn)生了裂紋。因?yàn)樽畲笄袘?yīng)力與壓應(yīng)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(gè)新表面之間，由于潤滑油的楔入，使裂紋內(nèi)壁產(chǎn)生巨大的內(nèi)壓力，迫使裂紋加深并擴(kuò)展，這種裂紋的擴(kuò)展延伸，就造成了麻點(diǎn)剝落。由此可見，接觸應(yīng)力才是導(dǎo)致疲勞磨損的主要原因。降低接觸應(yīng)力，就能增加抵抗疲勞磨損的強(qiáng)度。當(dāng)然改變材質(zhì)也可以提高疲勞強(qiáng)度。此外，潤滑劑對(duì)降低接觸應(yīng)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(yīng)力值。當(dāng)摩擦面有充分的油量時(shí)，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(yīng)力值。

持續(xù)的機(jī)械振動(dòng)應(yīng)力將引起電連接器中插針與插孔發(fā)生微動(dòng)磨損，相應(yīng)出現(xiàn)的電接觸故障亦是導(dǎo)致電連接器功能失效的根本原因之一。本項(xiàng)目通過聯(lián)合非線性有限元法與移動(dòng)元胞自動(dòng)機(jī)自組織技術(shù)建立電連接器接觸對(duì)宏觀、微觀微動(dòng)磨損分析模型，研究電連接器接觸對(duì)微動(dòng)條件下表面形貌、成分及電接觸特性演化過程的分析技術(shù)。開發(fā)機(jī)械振動(dòng)條件下電連接器微動(dòng)特性綜合測(cè)試分析系統(tǒng)，最終確定機(jī)械振動(dòng)引起電連接器微動(dòng)磨損的失效機(jī)理、關(guān)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(jié)論對(duì)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(shí)用價(jià)值，同時(shí)對(duì)于電連接器結(jié)構(gòu)優(yōu)化以及所用電接觸材料優(yōu)選亦將具有借鑒意義。