1 引 言
热喷涂技术是目前再制造工程领域内提高表面耐磨性最有效技术之一[1]。热喷涂层在汽车发动机缸体、曲轴的再制造修复、军工产品的战时抢修中所占的比例越来越大[2]。随着涂层工作时间的增长和服役工况的恶劣,由此产生了严重磨损,甚至涂层突然失效的现象,造成装备的重大事故。由此,对预测和研究零件表面涂层的磨损寿命提出了更高的要求。
目前,对涂层磨损性能的研究主要是对零件表面涂层摩擦系数、磨损量等磨损性能进行对比评价,缺乏涂层磨损失效时,根据磨损动态信息的变化规律检测磨损寿命值的功能。前期试验研究发现[3],涂层在加速磨损过程中,快速经历跑合磨损期、稳定磨损期以及剧烈磨损期,根据以上三个不同时期振动、温度、摩擦力和位移的变化规律,可找到涂层磨损失效时间判据点,从而得到涂层磨损寿命。因此,本文主要是设计一种适合在线检测涂层磨损寿命的试验机,特别是实时反映涂层从开始服役到最终失效整个磨损过程各种动态信息的变化规律。
2 试验机的设计
针对工程应用中再制造零部件表面涂层磨损寿命的评估要求,研制的磨损寿命试验机主要功能就是测量模拟不同条件下,再制造零部件表面涂层的磨损寿命。判断是否达到涂层磨损寿命主要有以下4个标准:摩擦温度剧烈上升、磨损垂直位移量达到预警值、振动量剧烈上升、摩擦力剧烈变化。鉴于此,涂层磨损寿命试验中需要测量的参数有:(1)对磨销与对磨盘之间的摩擦力;(2)涂层磨损的垂直位移量;(3)对磨销与对磨盘之间的振动量;(4)对磨销与对磨盘之间摩擦温度。试验机主要包括摩擦驱动部件、加载部件和信号测试采集部件。
2·1 摩擦驱动部件
摩擦驱动部件的作用是保证摩擦副主轴以一定转速平稳旋转,主要包括电机驱动系统控制驱动电机,驱动电机驱动主动轮旋转,主动轮与从动轮之间通过传动带连接,从动轮套设于摩擦副主轴外并带动其旋转,摩擦副主轴上设有对磨盘;选定额定功率为400W、转速范围0~4000r/min的无刷直流电机作为整个试验机的动力装置。采用48V电源供电,通过WS-32C高性能驱动器驱动电机,驱动电路原理如图1所示,使得电机实现正反转和无级变速功能,并保证运行平稳、振动小、噪音低。
试验机核心部分———摩擦副采用销-盘式接触,模拟实际工况中的面-面接触,摩擦副工作原理如图2所示。对磨盘为GCr15或陶瓷材料,通过电机带动旋转。对磨销采用调质45#钢,销底面为喷涂层。摩擦副主轴主要是受扭转力,根据轴受扭转时的强度校核条件确立轴的最小直径[ 4 ],并考虑与轴承的配合以及轴向定位。
2·2 加载部件
加载部件包括加载杠杆,加载杠杆上设有对磨销,对磨销位于对磨盘一侧;对磨销上端设有加载台;加载杠杆另一端设有转动块;一转动轴贯穿于转动块,且其下部连接有加载支座。
试验机加载系统的要求是能够对摩擦副提供稳定载荷。为了节约成本,试验机采用杠杆原理加载,载荷在试验过程中由两部分组成,一是由砝码(为图3中加载台与砝码支架之间部件)通过杠杆装置所施加的载荷,二是由杠杆系统的质量所产生的载荷。找出组成杠杆系统上的所有零件(包括传感器、对磨销和支承座等)的公共质心位置和质量,如图3所示,即可求得试验载荷P。为了测量摩擦力大小,将加载杠杆通过4个滚动轴承组合,设计加工可以实现上下左右转动装置,以便在试验过程中,通过测量加载杆转动量确定摩擦力大小。
2·3 信号测试采集部件
将PC机、数据采集系统及相应的软件应用于加速寿命预测试验机中,可以实时地对试验中所需的参量进行测量,并可以对加速寿命数据进行复杂的处理,实时显示、存储和打印输出试验结果数据,极大程度地改善了试验机的测量系统,减少了实验人员的工作量[5]。试验机测试部分主要包括硬件检测系统和软件检测系统两部分。硬件检测系统的信号测试采集部件包括霍尔传感器、温度传感器、加速度传感器、压力传感器、位移传感器。霍尔传感器位于轴承端盖上,通过摩擦副主轴上安装的磁铁旋转,测量摩擦副转数。温度传感器位于对磨销上,实时反映磨损区温度。加速度传感器位于加载杠杆端部,用于捕捉涂层在磨损不同阶段振动信号的变化规律。压力传感器安装于试验机L型支架上抵住加载杠杆,通过压力传感器,检测出由对磨销和对磨盘之间摩擦产生的加载杆转动力,该转动力即为摩擦力。测量涂层在磨损过程中垂直位移量是评价涂层磨损寿命的重要指标之一,将位移传感器位于砝码支架上,该砝码支架与加载台连接,位移传感器测量涂层垂直磨损位移。上述各传感器通过数据转换装置传到计算机处理,对于实时在线磨损寿命检测系统,不但要求它能完成数据的实时采集,而且要求它能实现对数据实时处理和涂层磨损失效时提供预警显示的功能,以便试验人员可以观察到试验的实时变化状况,并分析试验结果。
3 试验机的性能试验
3·1 涂层的制备
采用装备再制造技术国防科技重点实验室自行研制的HAS-2高速电弧喷枪和CMD-AS-3000型电弧喷涂系统进行3Cr13涂层喷涂制备。在磨销底端表面喷涂3Cr13涂层,喷涂电压35V,喷涂电流160A,压缩空气0·7MPa,喷涂距离150mm,即在基体表面得到厚度约为500μm-600μm的3Cr13涂层[6]。通过机械磨削,使涂层达到一定厚度。将对磨销通过螺母紧固在加载杠杆上,选择合适的加载砝码,调整各路传感器的位置,启动测试软件系统,通过软件的系统校准、报警设置,完成试验前准备,具体试验参数如表1所示。
3·2 试验结果
在试验机设计、制造和调试结束后,对试验机进行性能验证。对试验机各路传感器实时采集参数进行分析(如图4)。从摩擦力(可以换算为摩擦系数)和振动量的变化来看,试验机测定的参数规律,摩擦系数和振动量在经历跑合磨损和稳定磨损期后,在剧烈磨损期时出现了突变的特征;从磨损位移和磨损温度变化来看,在剧烈磨损期增加速度明显高于稳定磨损期,以上说明试验机测量的结果是可信的。
4 结 论
(1)提出在磨损寿命试验机中引入位移传感器和加速度传感器,通过对试验中采集的磨损位移和振动量分析,增加了判断涂层磨损失效的特征参量(目前以摩擦系数、磨损量为主),丰富了准确获取喷涂层磨损寿命的手段。
(2)实时的数据采集系统对振动、温度、摩擦力和磨损位移信号实时采集,绘制实时曲线,生成试验报告方便对磨损寿命的提取,为试验后续研究提供原始数据。
(3)试验机结构紧凑,稳定性好。不仅可以完成长时间的常规磨损寿命试验,也可通过调整摩擦副设置,完成不同加速条件的加速磨损试验。
参考文献
[1] 徐滨士.再制造与循环经济[M].北京:科学出版社,2007:7-8.
[2] 徐滨士,刘世参,王海斗.大力发展再制造产业[J].求是,2005,(12): 46-47.
[3] 濮春欢,徐滨士,王海斗,等.干摩擦条件下3Cr13涂层的加速磨损机理研究[J].摩擦学学报,2009,29(4):368-373.
[4] 徐龙祥,欧阳祖行.机械设计[M].北京:航空工业出版社, 1999: 126~127.
[5] 刘毅斌,王毅.摩擦磨损试验机在线检测系统[J].应用与实践,2004, 6: 42~44.
[6] 徐滨士,朱绍华.表面工程的理论与技术[M].北京:国防工业出版社, 2001: 254~255.
本文作者：孙明友 郭恩玉 濮春欢 杨世龙
