CST液黏传动摩擦副表面织构技术研究

关键词：液黏传动；表面织构；耐磨性能；激光直接沉积技术

中图分类号：TH16；TH117.1文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2018）12-0117-04

Research of Surface Texture Technique Used on

CST Hydro-Viscous Drive Friction Pair

SUN Shao-ni 1，XIE Li-yang 1，LONG Ri-sheng 2

（1.School of Mechanical Engineering and Automation ，Northeastern University ，Liaoning Shenyang 110819，China ；

2.Shanxi Key Laboratory of Fully Mechanized Coal Mining Equipment ，Shanxi Taiyuan 100013，China ）

Abstract ：The Controlled Start Transmission （CST ）equipment provides a feasible way to realize the soft starting ，overload

protection ，and multi-driver power-balance of scraper conveyors.The Hydro-viscous Drive Unit

（HDU ），which consists of multiple sets of friction pairs ，is the core component of CST.The wear resistance and reliability of friction pairs is the decisive factor for the performance.In order to replace the current imported paper -based friction pair of CST ，based on powder metallurgy and laser surface engineering technology ，the biomimetic non -smooth surface was proposed to improve the mechanical wear resistance of friction pair.By means of laser direct deposition and laser pulsed drilling ，the non-smooth surface samples with different surface structures were prepared.By surface morphology analysis and friction ＆wear testing ，the results show that ：When substrate is preheated to 600℃，it is helpful to improve the surface quality of laser deposition samples ，including surface morphology ，crack control as well as grain refinement of binding sites between deposited material and substrate ；the wear resistant performances of biomimetic non-smooth samples are better than that of smooth ones ；the wear resistant performance is the best when pits-distance equals 1mm ，pit-diameter equals 0.8mm.This research will provide a basis for the future optimal design of HDU of CST .

Key Words ：Hydro-Viscous Drive ；Surface Texture ；Wear Resistance ；Laser Direct Deposition

CST 液黏传动摩擦副表面织构技术研究

孙少妮1，谢里阳1，龙日升2

（1.东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳110819；2.煤矿综采装备山西省重点实验室，山西太原100013）

来稿日期：2018-06-30

基金项目：煤矿综采装备山西省重点实验室开放课题项目

作者简介：孙少妮，（1978-），女，山东烟台人，博士研究生，讲师，主要研究方向：表面织构摩擦及疲劳性能研究；

谢里阳，（1962-），男，安徽岳西人，博士研究生，教授，主要研究方向：机械装备可靠性设计与分析

1引言

限矩型液力偶合器和双速电动机是刮板输送机的传统起动

方式，其中限矩型液力偶合器受其尺寸和传递能力的限制，只用

在小功率的场合。而双速电动机在我国应用较多，适用功率在

700kW 以下，其起动过程分二级进行，即先低速起动再切换到高

速。随着驱动功率的加大，传统起动方式存在起动难、对电网电流冲击大、多机驱动功率不均衡以及过载冲击和机械冲击等突出问题。为此，当前重型刮板输送机的起动方式已由传统的硬起动方式，发展为以阀控型偶合器、可控起动驱动装置（CST ）和变频驱动等为代表的软起动方式[1]。其中，CST 是基于液黏摩擦传动和可编程电液伺服控制技术的（多级齿轮减速）传输装置，可实现大惯性负载的平滑起动和Machinery Design ＆Manufacture 机械设计与制造第12期

2018年12月117

万方数据

基于摩擦学的表面织构技术应用研究进展_王素华

基于摩擦学的表面织构技术应用研究进展王素华,吴新跃海军工程大学摘要:表面织构是在摩擦面上加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小沟槽的点阵,可有效改善表面摩擦学性能。本文介绍了表面织构的几何参数和加工方法,总结了表面织构技术在机械部件、材料加工、磁存储设备、摩擦制动等方面的研究进展,展望了未来表面织构技术可能的发展方向。关键词:表面织构技术;摩擦学性能;应用中图分类号:TG174.4;TH117文献标志码:A Research on Applications of Surface Texturing Based on Tribology Wang Suhua,Wu Xinyue Abstract:Surface texturing has generate controlled opti mal shapes and locations of micro-dimples,that could i mprove the overall tri bological performance.The geometrical parameters and techniques of surface texture were introduced.The applications of surface texturin g like mechanical parts,material processi ng,magnetic storage and friction braking were reviewed.Some potential researches on surface texturing were put forward. Keywords:surface texturing;triblogical properties;application 1引言摩擦磨损是工业设备失效的主要原因之一,据统计大约有80%的零件损坏是由于各种形式的磨损引起,磨损不仅消耗能源和材料,而且加速设备报废、导致频繁更换零件,对经济造成极大的损失[1]。因此摩擦磨损问题越来越引起人们的重视。在表面摩擦学性能的研究中,表面织构技术在改善表面摩擦磨损性能方面起到了积极的作用,在机械部件、材料加工、磁性存储器等方面的研究已取得了一定的成果。 2表面织构 2.1表面织构几何参数所谓表面织构(Surface Texturing),又称表面微造型,是在摩擦面上加工出具有一定尺寸和排列的凹坑或微小沟槽的点阵[2]。表面织构的几何参数主要包括几何形状、深度和形貌分布。常见的几何形状有圆形、矩形、六边形的凹坑、平行或成网状分布的槽形。分布包括织构在表面的位置、分布的几何形状以及微细形貌的密度。在所有参数中,织构尺寸和深度的比值对摩擦性能的影响较大,织构不同的分布方式对摩擦性能也有重要影响。 2.2表面织构加工方法在表面织构技术的发展过程中,出现了各种各样的方法,目前普遍使用的有激光表面织构技术(LST)[3]、LIGA技术[4]、反应离子蚀刻技术(RIE)[5]、压刻技术[2]、数控振动机械加工技术[6]和电解加工技术[7]等。激光表面织构技术(LST)是利用纳秒或飞秒激光在工件表面加工一定形状和分布的微细形貌的过程。该技术以其制造加工速度快,对环境无污染以及优良的形状、尺寸控制能力被认为是表面织构领域颇为成功的织构方法之一[3]。目前我国对于表面织构的加工多采用激光织构技术。 LIGA和RIE技术均是由应用于微机电系统(ME MS)或集成电路(IC)的微制造技术发展而成,其本质是将掩膜上的图形转移到工件表面上的技术。两种技术均可加工多种表面形状,精度较高,但加工过程比较复杂,成本较高[4,5]。压刻技术是指利用纳米压痕仪的金刚石压头或其他各种硬度较高的工具,通过压刻工艺,在零件表面制造规则排列的各种微观形状。加工的表面微观形状由压印工具表面的形貌决定。试验结果证明,该方法能够有效地在零件表面加工出所设计的表面织构[2]。数控振动加工技术是将被加工工件装在数控机床主轴上,加工装置沿轴向和径向进给,并利用工具头上低频振动在工件表面加工微坑的技术。该技术方法简单,效率较高[6]。电解加工是利用金属在电解液中可发生阳极溶解的原理去除多余材料,将零件加工成形的制造技术,具有生产效率高、工序简单、加工质量好、工具阴收稿日期:2011年5月

基于激光表面微织构抑制导轨爬行的研究

第12期2018年12月Modular Machine Tool &Automatic Manufacturing Technique No.12Dec.2018文章编号:1001-2265(2018)12-0055-04 DOI:10.13462/https://www.360docs.net/doc/f59120084.html,ki.mmtamt.2018.12.014 收稿日期:2018-01-16;修回日期:2018-03-14 ?基金项目:国家重大科技成果转化项目(51175233);国家自然科学基金项目(51175233);江苏省科技厅重点研发计划项目(BE2015095);江苏省前瞻性联合研究项目(BY2015047-04);南通市市级科技计划资助项目(GY12016042) 作者简介:韩洪松(1990 ),男,江苏邳州人,南通大学硕士研究生,研究方向为激光应用技术及导轨的研究,(E -mail)836055449@https://www.360docs.net/doc/f59120084.html,;通讯作者:吴树谦(1985 ),男,江苏南通人,江苏大学博士研究生,工程师,研究方向为激光应用技术及模具的研究,(E -mail)wushuqian-dan@https://www.360docs.net/doc/f59120084.html,三基于激光表面微织构抑制导轨爬行的研究? 韩洪松1a ,吴树谦2,吴国庆1a ,1b 朱维南1b (1.南通大学a.机械工程学院;b.电气工程学院,江苏南通 226019;2.江苏大学机械工程学院,江苏镇江 212013) 摘要:机床滑动导轨出现的爬行现象降低加工精度并缩短使用寿命,为此,文章提出导轨表面进行激光微织构,以期抑制爬行三利用激光微织构技术在45#钢盘试样端面分别加工规则及有序排列的微凹坑和微凸起,与HT200销试样配副,以普通试样配副为对比,在Rtec 多功能摩擦磨损试验机上分别进行导轨爬行及变润滑油油量的导轨爬行模拟试验三研究结果表明:微凹坑试样和微凸起试样配副的临界爬行速度较普通试样配副降低了58%和94%,最大静二动摩擦系数之差降低了45%和51%三实验表明:激光微织构具有抑制爬行作用,对提高机床精度具有重要意义三关键词:滑动导轨;激光微织构;爬行中图分类号:TH165.4;TG502 文献标识码:A Experimental Investigation of Reduction of Stick-slip Behaviour of Sliding Guide Using Surface Laser Micro-texture HAN Hong-song 1a ,WU Shu-qian 2,WU Guo-qing 1a,1b ,ZHU Wei-nan 1b (1a.School of Mechanical Engineering;b.School of Electrical Engineering,Nan Tong University,Nantong Jiangsu 226019,China;2.School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang Jiangsu 212013,China)Abstract :The stick-slip phenomenon of slideways in machine can reducing the machining accuracy and short the service life.Therefore ,the present paper focuses on the reduction of stick-slip behavior of sliding guide using surface laser micro-texture.Firstly ,micro-dimples and micro-convexes with sequential ar-rangement on the end face of 45#steel disk specimen were processed using Laser micro-texturing technolo-gy.Subsequently ,the processed steel disk specimen with micro-dimples and micro-convexes was matched with HT 200pin to conduct the stick-slip simulation test and oil-volume-variable stick-slip simulation test on the Rtec multifunctional tribometers compered with normal disk friction pair.The research results showed that compared with the ordinary samples friction pairs ,the critical stick-slip speed of micro-dimple friction pairs and micro-convex friction pairs was reduced by 58%and 94%,and the maximum difference between static and dynamic friction coefficients was reduced by 45%and 51%,respectively.The experimental re-sults validated that laser micro-texture is of good significance in reducing the stick-slip of sliding guide and improving the precision of machine tool.Key words :machine slideways ;laser surface texture ;stick-slip behaviour 0 引言目前,我国机床在精度保持性和稳定性方面与国外存在较大差距三作为机床的核心部件,导轨对机床的精度具有较大影响三金属配副的滑动导轨具有结构简单二便于加工二刚度高二承载能力大和吸振性强等优点,在重型机床中得到了广泛应用三在低速重载工况下,导轨爬行严重影响了机床的稳定性,降低了工件的加工质量和缩短了导轨的使用寿命[1]三因此,需要研究导轨爬行的抑制三现阶段,导轨爬行的抑制常采用导轨贴塑的方法三但是,贴塑导轨存在易冷流二吸湿膨胀和导热性差等缺点[2]三滚动导轨可以有效的抑制爬行的产生,但是存在承载能力差二刚度低等缺点,不能用于重型机床三静压导轨可以完全消除爬行现象,但是存在加工精度高二装配难度大,对应用场合要求严格,使用成本高等缺点[3]三近年来,激光微织构技术发展迅速,已应用于发万方数据

316L不锈钢沟槽型表面微织构减摩特性实验研究-

文章编号:１００１-９７３１(２０１５)０２-０２０３３-０５３１６L 不锈钢沟槽型表面微织构减摩特性实验研究 ? 厉一淦１,沈明学１,２,孟祥铠１,２,李纪云１,２,李一晓１,彭旭东１, ２ (１．浙江工业大学机械工程学院,杭州３１００３２;２．浙江工业大学过程装备及其再制造教育部工程研究中心,杭州３１００３２)摘一要:一采用激光微加工技术在３１６L 不锈钢光滑表面上进行沟槽型织构化处理.在往复式摩擦磨损试验机上利用柱-平面接触方式对沟槽型织构和光滑表面进行摩擦磨损对比实验,重点考察了激光表面织构参数对其摩擦性能的影响,同时通过扫描电子显微镜对磨斑形貌进行了分析.结果表明,与未织构试样相比,织构化表面的摩擦因数均有不同程度减小且表现得更为稳定二磨损相对轻微,这是由于所制备的表面微坑起到了储存润滑介质并捕获磨屑的作用;织构条纹的结构参数对摩擦磨损有重要影响,随着沟槽宽度和沟槽间距的增大,摩擦因数均呈先下降后上升的趋势,而当沟槽宽度为１００μm 和沟槽间距为２００μm 时减摩抗磨性能最佳;此外,研究表明接触载荷对织构化表面摩擦因数的影响较小,织构化处理对高负载环境下的减摩抗磨性能影响更加显著. 关键词:一表面织构;摩擦磨损;３１６L 不锈钢; 损伤机制中图分类号:一TH １１７．３文献标识码:A DOI :１０．３９６９/j ．issn．１００１-９７３１．２０１５．０２．００７１一引一言表面磨损是机械零部件最常见的失效形式之一,它对整个系统可靠运行二提升工作效率和延长服役寿命有重要影响[ １] .摩擦学和仿生学的相关研究和实践已表明[２-４] :摩擦副表面并非越光滑就越耐磨;在摩擦副表面加工出具有一定形貌的织构能够起到捕获磨损颗粒二形成微储油槽以储存润滑介质并产生动压润滑效应进而提高承载能力二降低表面磨损的作用.近年来,表面织构及其摩擦学特性研究受到了广泛的关注[５-７],表面织构技术可成功应用于发动机[８] 二流体密封[９-１０]二MEMS [１１]二人工关节[１２]二重载齿轮及轴承传动[１３-１４] 等众多领域. ３１６L 不锈钢具有优异的耐蚀性二良好的高温力学性能,作为摩擦磨损结构件被广泛应用于石油二化工二核工业二航空航天和生物医学等领域.然而,３１６L 不锈钢硬度偏低导致工件表面的耐磨性及承载能力均较差,一定程度上也限制了其在工业领域中的应用.目前,针对３１６L 不锈钢表面激光织构化对其摩擦学性能的影响还未见系统报道.本文采用激光微加工法在３１６L 不锈钢表面制备出不同尺寸的沟槽型表面微织构,并将其在润滑油中与光滑表面进行摩擦磨损对比实验,重点考察了不同织构尺寸对摩擦性能的影响,探索表面织构控制摩擦磨损的可能性并揭示其作用机理,以期为减摩抗磨的摩擦学设计提供理论依据. ２一实一验２．１一试样表面织构化实验基材选用３１６L 不锈钢,试样尺寸为５５mm ?３５mm ?５mm ,硬度为HV ０．０５２１０,弹性模量E 为２０６GPa ,织构化处理前试样经研磨和抛光至表面粗糙度R a 约０．０４μm .在LSD５０S 型激光加工系统上进行表面织构,其激光器波长为１０６４nm 二最大激光平均功率５０W 二调Q 频率２００Hz~５０kHz 二重复精度 ?１μm , 加工参数:脉冲频率为３kHz 二扫描速度为２００μm /s 二工作电流１８A 二加工次数２次.加工完成后,对试样进行二次抛光处理以去除沟槽边缘的毛刺, 同时测定未去除的沟槽间表面显微硬度值为HV ０．０５２２５左右, 表明激光织构化处理对试样表面硬度的影响较小.织构试样尺寸示意图如图１所示,具体参数见表１.图２为织构表面三维轮廓形貌. 图１一沟槽型织构表面尺寸示意图 Fi g １Schematic dia g ram of the g roove-textured sur-face ２．２一摩擦磨损性能实验摩擦学实验在自行研制的新型往复式摩擦磨损试验机上进行,采用圆柱销-平面摩擦副面接触形式的往复式摩擦磨损,其中上试件为?６．３５mm?２０mm 的相同３１６L 不锈钢圆柱销,实验用销的接触端面初始表面粗糙度R a 为０．０５μm , 下试件为经过织构化处理的３１６L 不锈钢平面.实验前上二下试件均用丙酮超声清洗１０min 二并在润滑介质(Mobil ,１５W-４０机油)中浸３３０２０厉一淦等:３１６L 不锈钢沟槽型表面微织构减摩特性实验研究 ? 基金项目:国家重点基础研究发展规划(９７３计划)资助项目(２０１４CB０４６４０４);国家自然科学基金资助项目(５１３０５３９８) ;浙江省重点科技创新团队资助项目(２０１２R１０００２);浙江省自然科学基金资助项目(LQ１３E０５００１３) 收到初稿日期:２０１４-０５-２８收到修改稿日期:２０１４-０９-１８通讯作者:沈明学,E-mail :shenmx＠z j ut．edu．cn 作者简介:厉一淦一(１９６４－) ,男,浙江杭州人,硕士,高级实验师,主要从事摩擦学设计研究.

CST液黏传动摩擦副表面织构技术研究

摘要：可控起动传动装置（Controlled Start Transmission,CST ）为重型刮板输送机提供了一种软起动、过载保护和多机功率平衡的可靠方法。液黏摩擦传动单元（Hydro-viscous Drive Unit ，HDU ）是CST 装置的核心，它包括多组摩擦副。摩擦副的可靠性和耐磨性能直接决定了CST 装置的整体性能。以粉末冶金和激光表面工程技术为基础，提出以仿生非光滑表面来改善和提高摩擦副机械耐磨性能的新思路。利用激光直接沉积和激光脉冲钻孔技术，制备了具有不同非光滑表面形态和参数的非光滑表面试样。通过表面形貌分析和摩擦磨损试验发现：激光直接沉积过程的基板预热（600℃），有助于提高激光沉积试样的表面质量，包括表面形貌、裂纹抑制控制以及沉积材料与基板结合位置的晶粒细化等；与光滑试样相比，具有非光滑表面形态的试样具有更好的耐磨性能，在试验条件下，当小孔间距等于1mm ，小孔直径等于0.8mm 时，材料表面具有最好的耐磨性能。该研究为CST 装置液黏传动摩擦副的未来研究和试制提供了新的方法。关键词：液黏传动；表面织构；耐磨性能；激光直接沉积技术中图分类号：TH16；TH117.1文献标识码：A 文章编号：1001-3997（2018）12-0117-04 Research of Surface Texture Technique Used on CST Hydro-Viscous Drive Friction Pair SUN Shao-ni 1，XIE Li-yang 1，LONG Ri-sheng 2 （1.School of Mechanical Engineering and Automation ，Northeastern University ，Liaoning Shenyang 110819，China ； 2.Shanxi Key Laboratory of Fully Mechanized Coal Mining Equipment ，Shanxi Taiyuan 100013，China ） Abstract ：The Controlled Start Transmission （CST ）equipment provides a feasible way to realize the soft starting ，overload protection ，and multi-driver power-balance of scraper conveyors.The Hydro-viscous Drive Unit （HDU ），which consists of multiple sets of friction pairs ，is the core component of CST.The wear resistance and reliability of friction pairs is the decisive factor for the performance.In order to replace the current imported paper -based friction pair of CST ，based on powder metallurgy and laser surface engineering technology ，the biomimetic non -smooth surface was proposed to improve the mechanical wear resistance of friction pair.By means of laser direct deposition and laser pulsed drilling ，the non-smooth surface samples with different surface structures were prepared.By surface morphology analysis and friction ＆wear testing ，the results show that ：When substrate is preheated to 600℃，it is helpful to improve the surface quality of laser deposition samples ，including surface morphology ，crack control as well as grain refinement of binding sites between deposited material and substrate ；the wear resistant performances of biomimetic non-smooth samples are better than that of smooth ones ；the wear resistant performance is the best when pits-distance equals 1mm ，pit-diameter equals 0.8mm.This research will provide a basis for the future optimal design of HDU of CST . Key Words ：Hydro-Viscous Drive ；Surface Texture ；Wear Resistance ；Laser Direct Deposition CST 液黏传动摩擦副表面织构技术研究孙少妮1，谢里阳1，龙日升2 （1.东北大学机械工程与自动化学院，辽宁沈阳110819；2.煤矿综采装备山西省重点实验室，山西太原100013）来稿日期：2018-06-30 基金项目：煤矿综采装备山西省重点实验室开放课题项目作者简介：孙少妮，（1978-），女，山东烟台人，博士研究生，讲师，主要研究方向：表面织构摩擦及疲劳性能研究；谢里阳，（1962-），男，安徽岳西人，博士研究生，教授，主要研究方向：机械装备可靠性设计与分析 1引言限矩型液力偶合器和双速电动机是刮板输送机的传统起动方式，其中限矩型液力偶合器受其尺寸和传递能力的限制，只用在小功率的场合。而双速电动机在我国应用较多，适用功率在 700kW 以下，其起动过程分二级进行，即先低速起动再切换到高速。随着驱动功率的加大，传统起动方式存在起动难、对电网电流冲击大、多机驱动功率不均衡以及过载冲击和机械冲击等突出问题。为此，当前重型刮板输送机的起动方式已由传统的硬起动方式，发展为以阀控型偶合器、可控起动驱动装置（CST ）和变频驱动等为代表的软起动方式[1]。其中，CST 是基于液黏摩擦传动和可编程电液伺服控制技术的（多级齿轮减速）传输装置，可实现大惯性负载的平滑起动和Machinery Design ＆Manufacture 机械设计与制造第12期 2018年12月117 万方数据