张晓宇， 向友文， 袁新璐， 匡 陶， 詹 弘， 姜 成

（1.西南交通大学a.机械工程学院；b.分析测试中心，成都 610031；2.成都大学机械工程学院，成都 610106）

0 引言

微动是指两个固体接触表面之间发生极小位移幅值（通常在微米量级）的相对运动，它会引起零部件的咬合、松动，或污染源的形成等问题［1-2］。微动损伤普遍存在于各个领域，柴油机轴瓦处的微动磨损影响整机可靠性［3］；航空渐开线花键齿面间极易发生微动，降低航空传动系的可靠性［4-5］；核电设备中的微动是不可避免的，微动是核电设备提前损伤失效的直接原因［6-7］；人工植入关节处容易形成微动摩擦幅，微动导致人工关节与宿主骨组织之间松动［8-9］。根据微动运行工况和条件，将微动分为微动磨损、微动疲劳和微动腐蚀［10］。微动磨损是导致微动疲劳和微动腐蚀的诱发因素，它是目前微动损伤领域研究的热点。磨损试验是揭示微动磨损机理的有效手段，而试验机是研究微动磨损问题的关键设备。

Rtec公司研制具有超低温工况，高温工况，电化学腐蚀工况等多种类型微动磨损试验机，最新的微动试验机采用音圈电机驱动，位移幅值在5 μm ～5 mm之间［11］。Optimol 研制的SRV-Ⅳ型号微动磨损试验机，可在振幅0 ～5 mm、载荷10 ～2000 N、频率1 ～511 Hz、温度-30 ～900 ℃范围内对各种油、脂、润滑材料在微动或振动运动形式下减摩抗磨及抗疲劳性能的评定，模拟工况条件［12］。合肥工业大学研制的销盘式摩擦试验机，通过弹簧进行加载，加热圈加热工件实现高温环境的试验研究［13］。南京航空航天大学使用FTM200 摩擦磨损试验机进行低温环境下的微动磨损试验，位移幅值为0 ～5 mm，该试验机采用直线电磁驱动，半导体制冷片对试件进行降温［14-15］。目前的微动磨损试验机位移控制精度少数可达到微米级，可提供多种试验工况，但是位移控制精度高且可实现多种工况的复合型多功能微动磨损试验机较少。

为此，本文研制一台位移控制精度达到微米级、能进行多种工况下微动磨损试验的微动磨损试验机，具有静态载荷模块、动态载荷模块、高温模块和低温模块4 个功能模块，准确可靠完成各工况下的微动磨损试验。

1 试验机简介

1.1 工作原理

本文的多功能微动磨损试验机采用压电陶瓷驱动器作为微动位移的输出源，配套的高压压电控制器可精准控制位移输出量。利用伺服直线滑台加载装置对试验样品进行法向加载，高精度传感器实时测定位移、摩擦力和正压力信号。微动磨损试验机工作原理图见图1 所示。利用NI 数据采集卡配合LABVIEW 软件对压电陶瓷驱动器，步进电机进行控制，对传感器信号进行实时采集、记录和显示。

图1 微动磨损试验机工作原理

1.2 结构组成

多功能微动磨损试验机由机械系统、信号采集系统及控制系统等组成。

（1）机械系统。由机架、微动驱动装置、样品台和法向加载装置4 部分组成，结构简图如图2 所示。

（2）信号采集系统及控制系统。由传感器、信号调理器、数据采集卡等组成，采用电阻应变片式位移传感器、应变片式正压力传感器和压电式摩擦力传感器分别测定微动位移、正压力和摩擦力。控制系统包含各类驱动器和计算机通信软件，使用LABVIEW 软件完成发生控制信号和数据处理、存储、显示的功能。图3 所示为试验机数据显示界面，图4 所示为多功能微动磨损试验机实物图。

图3 试验机数据显示界面

图4 多功能微动磨损试验机实物

1.3 技术参数

多功能微动磨损试验机可完成不同载荷、不同位移、不同位移频率；多种试验工况（动态载荷、高温、低温等）下的微动磨损试验。试验机的主要技术参数见表1。

表1 试验机主要技术参数

2 功能模块验证

2.1 位移控制

位移是微动磨损最主要的影响因素之一，也是微动磨损试验机最重要的技术指标［15］。在法向荷载为50 N，频率为5 Hz 的条件下，开展不同位移幅值D（0.25 ～40 μm）的切向微动磨损试验，测得的位移幅值和摩擦力F曲线如图5 所示。结果表明该试验机位移控制精度高，且数据波动小。

图5 实验测得不同位移幅值与摩擦力曲线

2.2 动态载荷模块试验

图6 所示为动载荷试验装置结构图，该装置可产生稳定的法向动态接触压力，在静载荷50 N 基础上，施加幅值为12.87 N，频率为10 Hz的动态载荷，然后进行D=10 μm的微动磨损试验。试验结果绘制切向摩擦力位移循环次数（Ft-D-N）曲线，如图7 所示。由图可知，法向动态载荷对摩擦界面的切向力产生影响，即摩擦力产生波动。

图6 动载荷试验装置结构

图7 动态载荷下的切向摩擦力位移循环曲线

2.3 高温模块试验

图8 所示为高温环境中微动试验。由图可见，高温模块的专用夹具工装，通过高温电热管对样品进行局部加热，薄片温度传感器检测样品附近温度，同时配合高精度PID温控器实现精准控温，使高温试验温度误差控制在±0.1 ℃范围内。图9 所示为相同位移和载荷条件下，不同温度（200、300、400 ℃）下锆合金的微动磨损形貌图。由图可见，温度升高，损伤面积有扩大趋势。

图8 高温环境的微动试验场景

图9 不同温度下锆合金微动磨损形貌图

2.4 低温模块试验

图10 所示为-10 ℃低温环境中微动试验场景。由图可见，使用半导体制冷片对样品周围进行降温，配合使用PID温控器实现对温度的精准控制。图11 所示为相同试验条件，铜合金材料在常温与低温环境下摩擦因数对比图。由图可见，低温环境下的摩擦因数低于常温，分析可能是低温下水蒸气凝结形成的水膜起到摩擦润滑的作用。

图11 常温与低温下摩擦因数对比图

3 结语

本文自主研制的多功能微动磨损试验机位移控制精度高，具有常温静载、动态载荷、高温和低温等多个功能模块，通过试验验证了各个模块可稳定可靠的实现预期功能。结果表明：①该试验机能准确输出位移信号，传感器抗干扰能力强，位移控制精度高；②该试验机能稳定可靠的完成常温静载、动态载荷、高温和低温工况下的微动磨损试验，动态载荷输出稳定准确，高低温工况下温度误差控制在±0.1 ℃范围内；③该试验机输出数据准确可靠，所得数据能真实反映材料的损伤特性。