陳軍，孫文博，耿愛農(nóng)

（五邑大學(xué) 智能制造學(xué)部，廣東 江門 529020）

摩擦磨損會使機(jī)械裝置零部件遭受緩慢而連續(xù)的破壞，是造成裝置失效最為常見的原因，摸清運(yùn)動副的摩擦磨損特性乃優(yōu)化零部件設(shè)計并繼而提高裝置工作可靠性的重要前提. 在分析機(jī)械零件摩擦磨損行為的過程中，摩擦磨損試驗(yàn)不可或缺，通過摩擦磨損試驗(yàn)可以了解各種因素對運(yùn)動副零部件磨損的影響，并可判斷和評價零部件的減摩抗磨性能，從中找到有效延拓零部件工作壽命的途徑. 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)是進(jìn)行零件摩擦磨損性能試驗(yàn)研究的關(guān)鍵[1]. 根據(jù)應(yīng)用場合的不同，磨損機(jī)分為通用摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)和特種摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)兩大類[2-3]，前者需制作專門形狀與尺寸的試驗(yàn)樣件，其應(yīng)用對象不特定但較擅長常規(guī)的通用摩擦磨損試驗(yàn)；后者則瞄準(zhǔn)實(shí)際零件與運(yùn)行工況，專注研究某些工況及結(jié)構(gòu)下零部件的摩擦學(xué)性能. 近年，隨著對零件特定減摩耐磨功能需求的日益增長，特種摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)獲得了快速發(fā)展，各式特定用途指向的磨損專機(jī)不斷涌現(xiàn)，極大地滿足了科研與生產(chǎn)的需求[4-7].

轉(zhuǎn)軸是房間空調(diào)器壓縮機(jī)的核心零部件，承擔(dān)著將電機(jī)動力傳輸至壓縮機(jī)滾動活塞的重要任務(wù)，由于受到扭矩和彎矩的聯(lián)合作用，其摩擦磨損特性關(guān)乎到壓縮機(jī)工作可靠性的好壞和工作壽命的長短，并嚴(yán)重影響著壓縮機(jī)的性能指標(biāo)（如反映能耗高低的COP 值）. 本文根據(jù)某企業(yè)的生產(chǎn)實(shí)際需求，設(shè)計面向房間空調(diào)器壓縮機(jī)轉(zhuǎn)軸的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，借以探索轉(zhuǎn)軸/軸套這對壓縮機(jī)核心運(yùn)動副的摩擦學(xué)行為，以期為企業(yè)提高壓縮機(jī)性能提供決策依據(jù).

1 總體方案設(shè)計

1.1 轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)特征與運(yùn)轉(zhuǎn)工況介紹

待測某型號空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)軸的結(jié)構(gòu)與布局如圖1 所示. 不難發(fā)現(xiàn)，在轉(zhuǎn)軸的一端設(shè)置有一個與壓縮機(jī)滾動活塞做轉(zhuǎn)動接觸配合的偏心軸頸，在偏心軸頸的兩端分布著與軸套做運(yùn)動配合的主軸承和副軸承，其中轉(zhuǎn)軸/主軸承構(gòu)成的運(yùn)動副是壓縮機(jī)諸運(yùn)動副中貢獻(xiàn)最多功耗與磨耗的摩擦副，故探明該運(yùn)動副轉(zhuǎn)軸外柱面的摩擦磨損規(guī)律是本次摩擦磨損專項試驗(yàn)的主要目的. 然而，由于目標(biāo)試驗(yàn)轉(zhuǎn)軸呈細(xì)桿狀，它與現(xiàn)有的通用型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)無法適配；而且為了盡量還原壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)工況，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動速度亦需達(dá)到約3000 r/min 的較高水平，這是校企現(xiàn)有摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)尚不能滿足的. 因此，要完成該型號空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)軸的摩擦磨損試驗(yàn)就必須制作專門的試驗(yàn)機(jī).

圖1 某型號空調(diào)壓縮機(jī)布局示意圖與轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)圖

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)總體布局設(shè)計

考慮轉(zhuǎn)軸待測主軸頸外表面為圓柱面，借鑒現(xiàn)代摩擦磨損試驗(yàn)專機(jī)的設(shè)計理念[8-10]，所設(shè)計的摩擦磨損單元必須要盡量接近實(shí)際待測運(yùn)動副的幾何特征、運(yùn)動特征和載荷特征，本文采用“軸-V形作用塊”線接觸摩擦副試驗(yàn)方式來布設(shè)試驗(yàn)機(jī)的摩擦單元. 另外，考慮到實(shí)際工作時滾動活塞傳遞給轉(zhuǎn)軸主軸頸的壓力負(fù)荷應(yīng)與壓縮機(jī)的實(shí)際工況相匹配，為獲得穩(wěn)定且能精細(xì)調(diào)節(jié)的試驗(yàn)載荷，本文采用柱塞倍增載荷方式來等效模擬壓縮機(jī)實(shí)際工況下轉(zhuǎn)軸的受力環(huán)境，一方面借助柱塞倍數(shù)放大+黃油介質(zhì)傳遞來精細(xì)施加試驗(yàn)載荷；另一方面通過程序化設(shè)定來調(diào)控試件轉(zhuǎn)軸的運(yùn)轉(zhuǎn)工況；此外，為加快試驗(yàn)進(jìn)程，本試驗(yàn)機(jī)還需能施加超載受力以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)軸試件快速磨損. 基于此，本文設(shè)計了面向圖1 的某型號空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)軸的摩擦磨損試驗(yàn)專機(jī)，圖2 是該專機(jī)的總剖面圖和支撐總成的示意圖，它包括驅(qū)動電機(jī)、底座、驅(qū)動輸入端、支撐總成、加載總成、軸端預(yù)緊總成、試件轉(zhuǎn)軸+V形作用塊摩擦單元等若干核心零部件及總成.

圖2 摩擦磨損試驗(yàn)專機(jī)剖面圖及支撐總成單元布局示意圖

本試驗(yàn)機(jī)三大總成的功用如下：

1）支撐總成的任務(wù)是轉(zhuǎn)動支撐目標(biāo)試件轉(zhuǎn)軸，既需承受加載總成施加的負(fù)荷，又需讓轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動著接受來自驅(qū)動電機(jī)的動力. 鑒于目標(biāo)試件轉(zhuǎn)軸為剛度較小的細(xì)長桿狀零件，為了防止施加試驗(yàn)載荷時出現(xiàn)過度彎撓的狀況，本文采用軋輥式轉(zhuǎn)動支撐來提高目標(biāo)試驗(yàn)轉(zhuǎn)軸的支承剛度，即采用4個滾動軸承和2 個過渡滾輪組成軋輥式轉(zhuǎn)動支撐方案，其中每兩個滾動軸承用一根副軸串接為一組，一共兩組，并由它們協(xié)同構(gòu)成可轉(zhuǎn)動支撐的底輥，目標(biāo)試件轉(zhuǎn)軸則穿插在兩個過渡滾輪上并形成壓輥，壓輥架搭在兩個底輥的上方，如此即可使來自加載總成的強(qiáng)大試驗(yàn)荷載走最短路徑傳遞至底座，并化解其派生的彎矩.

2）加載總成的任務(wù)是根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程提供壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)工況需要模擬的載荷. 本文采用柱塞倍增載荷方式，即首先通過旋緊加載彈簧產(chǎn)生出初級加載力、然后采用2 個不同直徑柱塞并借助黃油介質(zhì)對初級加載力進(jìn)行放大，接著利用試件轉(zhuǎn)軸+V 形作用塊摩擦單元中的V 形作用塊對加載載荷再次放大，最終等效模擬出實(shí)際工況下轉(zhuǎn)軸的受力環(huán)境.

3）軸端預(yù)緊總成的任務(wù)是使摩擦磨損專機(jī)能夠快捷換裝不同的試件轉(zhuǎn)軸，同時有效保障試件轉(zhuǎn)軸可靠地與驅(qū)動電機(jī)始終保持聯(lián)接，以提高試驗(yàn)的效率與可靠性. 需要指出的是，本專機(jī)采用試件轉(zhuǎn)軸+V 形作用塊作為摩擦單元，采用V 形作用塊，一來可以保證受力的穩(wěn)定性；二來可以利用V 形作用塊楔形構(gòu)造派生出的力的放大效應(yīng)；同時V 形作用塊與目標(biāo)試件轉(zhuǎn)軸之間存在兩條同步接觸、同等效應(yīng)的線接觸摩擦構(gòu)造，可以加快試件的磨損進(jìn)程.

2 載荷施加計算分析

在摩擦磨損試驗(yàn)過程中，施加載荷的大小不僅直接影響磨損量的產(chǎn)出效率，而且能決定試驗(yàn)耗時的多寡. 更為重要的是，載荷施加還必須與壓縮機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)工況相匹配. 因此，載荷施加策略包括載荷大小及施加規(guī)程. 與傳統(tǒng)采用杠桿加載方式不同，本文摩擦磨損專機(jī)的載荷施加由加載總成完成，即由加載彈簧來產(chǎn)生初級加載力，以大幅減少試驗(yàn)專機(jī)的空間占位. 考慮到實(shí)際轉(zhuǎn)軸的磨損量十分微小（屬于微米級別），因磨損量反饋所導(dǎo)致的加載彈簧長度變化量十分有限（僅數(shù)十微米的量程變化），由磨損量而引起的加載負(fù)荷變化非常微小，故采用彈簧形式來產(chǎn)生并恒持試驗(yàn)載荷是可行的，這樣做有利于試驗(yàn)載荷的精細(xì)調(diào)節(jié)，并能大大減少試驗(yàn)專機(jī)的尺寸. 試驗(yàn)專機(jī)的設(shè)計參數(shù)如表1 所示，下面通過計算來獲取試驗(yàn)載荷的關(guān)鍵參數(shù).

表1 摩擦磨損試驗(yàn)專機(jī)的主要結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)

設(shè)加載彈簧的初始加載力為F0，壓力指示表顯示的壓力數(shù)值為p（亦即內(nèi)腔黃油的壓力），則加載彈簧初始加載力F0與表壓p之間的關(guān)系為：

本試驗(yàn)同時采用兩組V 形作用塊，那么增力活塞向下產(chǎn)生的壓力分配到每一組V 形作用塊的作用力F1為：

每組V 形作用塊有兩個作用面，由圖2 容易計算出單側(cè)作用面受到的壓力F′為：

于是V 形作用塊單個作用面對試驗(yàn)主軸的反作用力亦即正壓力FN的大小為：

初始加載力F0可以采用V 形作用塊/轉(zhuǎn)軸接觸處的赫茲應(yīng)力σH來進(jìn)行表征. 由于V 形作用塊采用硬質(zhì)合金制作，其磨損量可忽略不計，于是得赫茲應(yīng)力σH[11]為：

其中，赫茲接觸應(yīng)力σH應(yīng)該與主軸承承載面上的接觸應(yīng)力σB進(jìn)行比擬. 為縮短試驗(yàn)時間，依照企業(yè)經(jīng)驗(yàn)取σH≥ 100σB. 在這里，以轉(zhuǎn)軸和軸套各磨損2 μm 作為磨損極限、并以企業(yè)提供的實(shí)測最大氣體作用力進(jìn)行計算，可得σB= 8.244 MPa，于是有

本文以式（6）確定摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)施加載荷的大小，并以此作為設(shè)計加載彈簧的依據(jù). 事實(shí)上，按此載荷施加方法，在實(shí)際試驗(yàn)中獲得微米級的磨損量所需時間為5 ～7 d，并且按此施加載荷進(jìn)行磨損試驗(yàn)時沒有發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)轉(zhuǎn)軸出現(xiàn)異常燒傷拉傷的現(xiàn)象，較好地滿足了企業(yè)的需求.

3 結(jié)論

本文設(shè)計并制作了專門的摩擦磨損試驗(yàn)專機(jī)，針對目標(biāo)試件轉(zhuǎn)軸的具體結(jié)構(gòu)特征以及實(shí)際運(yùn)行工況，專機(jī)采用獨(dú)特的軋輥式轉(zhuǎn)動支撐方式和柱塞倍增載荷加載方式，較好地解決了小直徑、低剛度、高轉(zhuǎn)速的細(xì)長桿件類試件的摩擦磨損試驗(yàn)難題，實(shí)現(xiàn)了試件轉(zhuǎn)軸施加載荷及運(yùn)轉(zhuǎn)工況的精細(xì)調(diào)控，并快捷可靠地獲得了目標(biāo)試驗(yàn)轉(zhuǎn)軸的有效摩擦磨損數(shù)據(jù)，從而為企業(yè)研發(fā)長壽命低能耗的壓縮機(jī)提供了有價值的攻關(guān)線索. 本文設(shè)計的試驗(yàn)專機(jī)遵循了現(xiàn)代摩擦磨損試驗(yàn)專用機(jī)的設(shè)計原則，實(shí)踐證明其各項指標(biāo)符合企業(yè)的實(shí)際要求，能完成目標(biāo)型號空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)軸的專項摩擦磨損試驗(yàn)任務(wù)，其設(shè)計思路可以應(yīng)用于類似結(jié)構(gòu)與工況的其他試件的摩擦學(xué)試驗(yàn)，從這個角度看，本文的設(shè)計方案豐富了現(xiàn)有特種摩擦磨損試驗(yàn)專機(jī)的種類，因而具有一定的工程應(yīng)用價值.