仿生非光滑表面滑动摩擦磨损试验研究

来源：二三四教育网

2003年3月

农业机械学报

第34卷第2期

仿生非光滑表面滑动摩擦磨损试验研究3

任露泉　王再宙　韩志武

　　【摘要】　采用激光处理技术加工了几种具有非光滑特征的圆形45号钢试件,以正交试验方法设计耐磨性试验方案,在国产MM200型摩擦磨损试验机上研究具有不同非光滑表面特征的试件耐磨性规律。试验结果表明,在相同试验条件下,时间、负荷、速度、形态和分布对耐磨性均有影响,耐磨性按照凹坑、凸包、波纹、鳞片形态递减。

关键词:工程仿生学　非光滑　表面形态　滑动磨损　耐磨性中图分类号:TH117

文献标识码:A

ExpermentalResearchonSlidingWearofBionicNonsmoothedSurface

RenLuquan　WangZaizhou　HanZhiwu

(JilinUniversity)AbstractAccordingtotheinvestigationofbionics,thenonsmoothedtopographyofsomebiologyhastheeffectsonreducingsoiladhesionandslidingresistance.Thisistheresultoftheirevolution.Theproblemsofandoptimizationtoadaptthemselftotheenvironmentformillionsofyearsreducingsoiladhesionandslidingresistancehavebeensolvedinbiologyperfectly.Itwasfoundthattheclawsofsoilanimalsandthenonsmoothedsurfacesoftheirbodieshadthefunctionofreducingsoiladhesionandslidingresistance,andwaswearwell,whichprovidedusanewwayto.Theinvestigationsonthetopographicalfeatureandinvestigatewearresistanceofmaterials

tribologypropertyoftestsampleswithnonsmoothedtopographyof45steelmanufacturedbythe

laser2texturetechnique.ThetestswereconductedonaMM200frictionandweartesterandthetestschemewasdesignedbyusingtheorthogonalmethod.Theresultindicatedthatthetime,load,

speed,

topographyanddistributioninfluencedthewearresistanceunderthesame

Topography,

Slidingwear,Wear

experimentalcondition.

Keywords　Engineeringbionics,Nonsmoothed,

resistance

　　引言

近20年来,在磨损和耐磨性研究方面已有很大的进展,如:耐磨材料的研究和生产规模大大提高;耐磨材料的生产品种日趋增多和标准化,生产工艺不断改进;耐磨材料新技术、新工艺和新产品正在不断得到开发和应用[1]。但以往对耐磨的研究一直集

中在新型耐磨材料的研制与开发上,比较典型的是模仿生物材料组成上硬韧结合、结构上梯度渐变、合成时增强体原位内生、具有特殊耐磨功能表面及自适应能力等特点,设计与开发出铸渗表层梯度复合材料、锰钢梯度耐磨复合材料,以及ZG25、TiCp󰃗MnZGMn13基梯度耐磨表面复合材料等

。

仿生学研究发现,某些生物体表的非光滑具有

[2～7]

收稿日期:20011128

3国家自然科学基金重点项目(项目编号:59835200)和教育部博士点基金资助项目(项目编号:2000018505)任露泉　吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室　教授　博士生导师,130025　长春市王再宙　吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室　讲师韩志武　吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室　教授

　第2期任露泉等:仿生非光滑表面滑动摩擦磨损试验研究87

高效减阻的作用,这是生物经过亿万年进化、优化而逐渐形成的与生存环境相适应的特征[8]。在研究土壤动物非光滑表面减粘降阻规律的同时,发现这种非光滑表面具有很好的耐磨性,本文从非光滑表面形态的角度来研究其对耐磨性的影响。

性[9]。

模仿土壤动物非光滑表面的仿生减阻技术已经应用到推土机模型铲斗设计和实用型犁壁设计上,并取得了良好的减阻效果[10～12]。

2　试件设计与加工

根据试件加工条件,选取凹坑、凸包、波纹和鳞片4种非光滑形态,其非光滑表面数学模型及计算机模拟参见文献[13]。圆环试件尺寸为<40×<16×10,在中国科学院力学所用激光处理数控机床进行加工,其表面形态分别如图1所示。

1　仿生非光滑减粘降阻

土壤动物不同形状的非光滑表面是为适应不同种类的土壤性质进化而成的,无论是凸包、凹坑,还是鳞片,其断面都呈现波纹形,只是具体表现形式不同而已,但其最终作用都能减小界面接触面积,破坏水膜连续性,减小粘附,降低摩擦阻力,提高耐磨

图1　非光滑表面形态特征

(a)凹坑非光滑　(b)凸包非光滑　(c)波纹非光滑　(d)鳞片非光滑

3　试验方法

311　试验因素水平

数据的平均值。

4　试验结果分析

将每个试件每次试验重复3次,试验数据及结果如表2。

　　图2为转速200r󰃗负荷294N时磨损量随min、时间变化曲线,图3为通过分析数据得出磨损率随时间变化曲线。

试件的非光滑表面特征形态为凹坑、凸包、波纹和鳞片4种,考虑到分布、转速、负荷、时间等因素的影响,分别分析2个水平,见表1。

表1　试验因素与水平

水平

形态

1234

因素

(°)负荷󰃗分布󰃗N4590

98294

转速󰃗r・min-200400

时间󰃗min

3060

凹坑凸包波纹鳞片

312　正交试验设计及试验方法

图2　4种非光滑形态与未处理45号钢磨损量对比曲线

由表1可知,试验是4×2的五因素不等水平

试验,因此选用L8(4×24)正交试验[14],正交试验方案见表2所示。为进一步比较非光滑形态对耐磨性的影响,同时进行了未经激光处理试样的对比试验。

试验在国产MM200型摩擦磨损试验机上进行,采用环块配副方式,块为硬质合金,环为具有非光滑表面形态的45号钢试样。每一次试验更换新的试样和硬质合金。为了同时比较试件的磨损程度,试件均进行60min磨损试验,并每间隔10min测量一次。采用FA2004电子天平称其质量,磨损分别用磨损失重和磨损速率表示,且取3个相同试件试验

图3　4种非光滑形态与未处理45号钢磨损率对比曲线

图4为转速400r󰃗负荷98N时磨损量随min、

时间变化曲线,图5为通过分析数据得出磨损率随时间变化曲线。

88农　业　机　械　学　报表2　试验方案、试验数据及结果

试验号

12345678

yj1yj2yj3yj4yj1yj2yj3yj4

2003年　

形态

11223344011163　01251401133533012545330105815011257010667665011272665010691165A1

分布

1212121201320366014354

负荷

12122121013533　01402466

转速

122112210146303301292733

时间

122121120122523301530533

平均磨损量󰃗g

010059011104011369011145011031010304010744011801

01160183012177

011766501201233012315165011463665

011126165012652665

级差Rj最优水平主次因素最优组合

01057517B

01124583

010951500

E,C,D,A,BA1B1C1D2E1

011526500

征对耐磨性是有影响的,并且对于不同的试验条件

影响是不同的。由于磨损试验影响因素较多,对磨损影响比较大,同时引起误差因素比较多,因此本次试验没有按照正交试验优化进行方差分析,仅进行了级差分析。

级差分析结果表明,各因素对耐磨性影响的主次分别为时间、负荷、转速、形态和分布,同时通过因素A的最优水平可知,凹坑具有更好的耐磨性。

图4　4种非光滑形态磨损量对比曲线

5　结论

(1)试件表面的非光滑形态对耐磨性有影响,而

且不同的非光滑形态对耐磨性的影响是不同的。

(2)在相同试验条件下,对耐磨性影响程度由高

图5　4种非光滑形态磨损率对比曲线

　　分析图2至图5可以看出,非光滑表面形态特　　

参

到低的因素依次为:时间、负荷、转速、形态和分布;由最优水平可知,4种非光滑形态表面耐磨性的影响大小分别为凹坑、凸包、波纹和鳞片。

文

献

考

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(下转第92页)

92农　业　机　械　学　报2003年　

性振动微分方程组进行了求解,揭示了在没有外部激励的情况下,由系统时变刚度引起的内部激励也

参

考

会使传动系统发生振动。

文献

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(上接第88页)

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