徐 翔, 张祖悦, 王兴华, 黄柏军, 秦红玲, 赵新泽*
(1. 三峡大学 水电机械设备设计与维护湖北省重点实验室, 湖北 宜昌 443002;2. 三峡大学 石墨增材制造技术与装备湖北省工程研究中心, 湖北 宜昌 443002;3. 河南科技大学 高端轴承摩擦学技术与应用国家地方联合工程实验室, 河南 洛阳 471000)
人字闸门是水利枢纽重要的附属结构之一，兼顾了发电和航运的正常运行. 但是，其底枢的水下低速重载工况，导致油膜形成困难，其润滑方式从油脂润滑过渡到油脂-固体润滑剂混合润滑，为此，开展固体润滑条件下人字闸门底枢摩擦副的摩擦磨损特性研究，对于延长闸门检修周期具有重要的意义.
摩擦副比压过大和润滑不良是底枢运转重要的磨损原因[1]. 赵新泽等[2]采用Fang接触模型对人字闸门底枢摩擦副进行建模分析，研究了外载荷、底枢半径、接触间隙及摩擦副材料等参数对接触特性的影响；
秦红玲等[3-4]对比了QAL9-4/40Cr和ZCuAl8Mn13Fe3/40Cr两种闸门底枢摩擦副在不同接触应力的脂润滑条件下的摩擦学特性，并对摩擦副QT600-3/40Cr进行了摩擦学性能分析及磨损表面功率谱密度表征，表明销试样磨损表面具有明显的主导空间频率. 目前常见的固体润滑剂主要有石墨、二硫化钼和聚四氟乙烯等，王伟等[5]研究了石墨粉末在接触副之间的润滑膜形成和破坏过程；
Morstein等[6]研究分析了石墨在高载荷下滑动摩擦的基本磨损机理；
Suparno等[7]将石墨抛光技术应用于火车车轮和钢轨之间的接触摩擦研究；
黄国威等[8]构筑了石墨-铜三维复合润滑层结构，并研究其在干摩擦和海水腐蚀下的摩擦学性能；
黄仲佳等[9]在研究MoS2的润滑性能时，阐述了填充孔固体润滑技术的减磨机理；
Stoyanov等[10]在研究极端接触条件下铜基涂层摩擦学特性时发现，MoS2润滑剂可减小Cu-Al涂层之间的摩擦系数；
Shen等[11]研究了聚四氟乙烯与316L不锈钢的摩擦磨损特性，分析了接触副中聚四氟乙烯的转移情况；
胡超等[12]研究发现聚四氟乙烯(PTFE)的摩擦系数随温度升高而降低，磨损率随温度升高而升高；
邱明等[13]将聚四氟乙烯作为自润滑关节轴承织物衬垫的主要材料，对其摩擦面的微观形貌和磨损机理进行了分析.
本文中以三峡人字闸门底枢为研究对象，根据其结构和运行工况设计试验参数，以45钢和锡青铜作为摩擦副材料，以石墨、二硫化钼以及聚四氟乙烯作为固体润滑介质，开展摩擦磨损性能等效试验，并结合油液分析技术和三维表面形貌测试，分析其润滑机理，以期减小底枢的摩擦磨损，延长底枢的使用寿命，为固体润滑下闸门底枢摩擦副的固体润滑结构设计提供理论依据.
1.1 试验装置
采用MMW-1A立式万能摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验，该试验机加载力范围10~1 000 N，主轴转速范围5~2 000 r/min，具有销盘、球盘以及止推圈等多种摩擦副的安装方式. 在本试验中使用销盘磨损试验，上试样为Φ5 mm×13 mm的销试样，材料为45钢；
下试样为Φ54~16 mm×9 mm的盘试样，材料为锡青铜. 盘试样中心与销试样中心距离为14 mm，如图1(a)所示.
1.2 加载参数
三峡人字闸门平均质量850 t，单扇门叶的高度为36.75 m，门宽为20.20 m，运行角度 θ约为70°，底枢半径R为 500 mm. 当运行时间t为40 s，计算得到最大接触应力σmax=16.3 MPa 和最大线速度vmax=0.0152 m/s[14].试验时按最大接触应力和最大线速度进行等效模拟试验，以试样销的面积作为两者的接触面积，根据销试样的面积可以获得加载载荷F约为320 N，加载转速n为10 r/min.
1.3 填充孔结构
三峡人字闸门底枢轴瓦上设有大量直径Φ40 mm，深度为10~15 mm的固体润滑剂填充孔，整体填充孔的表面积约占轴瓦半球表面积的14%. 因此，按照相似理论，计算可得试样填充孔直径为Φ2.5 mm，深度为1.5 mm，数量为12个. 为保证固体润滑剂在盘试样的径向上能与销试样充分接触，同时避免相邻填充孔之间的干扰，将填充孔设计为均布的内外两圈，外圈与内圈边缘均与磨痕相切，且位于磨痕内部；
位置最近的两个填充孔相对于回转中心相差10°，具体示意图如图1(b)所示.
1.4 试样制备与试验流程
试样销的抛光打磨需先分别用400#、800#、1 500#和2000#的水磨砂纸将其打磨，随后用无水乙醇超声清洗，再将清洗后的试样销用抛光机抛光打磨，使其接触表面的粗糙度Ra小于0.4 μm，最后将抛光后的试样销再次采用无水乙醇超声清洗1次，即可获得等效试验所需的销试样. 随后，分别将石墨、二硫化钼以及聚四氟乙烯粉末固体润滑剂与粘结剂按照质量比(15%：85%)混合后，形成三种固体润滑剂的混合物，再将该混合物填充到盘试样的填充孔内，待混合固体润滑剂在试样盘表面涂抹均匀之后，将试样盘(可以多块一起)安放在装夹板上，下夹板与试样盘底部接触，上夹板和试样盘之间贴隔热纸，使用螺栓固定上下装夹板；
然后在80 ℃恒温固化12 h后，拆除装夹板；
随后将试样盘用400#的砂纸打磨掉试样表面多余的混合固体润滑剂涂层，后续同样使用无水乙醇进行超声清洗，再经过打磨和抛光，使得试样盘上表面的表面粗糙度Ra小于0.4 μm，最后超声清洗1次即可获得等效试验所需盘试样，如图2所示. 将预处理后的试样销和试样盘分别安装在摩擦磨损试验机的对应位置，并在试样盘的上表面和试样销的下表面涂抹1#锂基脂，安装涂抹完毕后依据计算得到的工况进行加载试验，每次试验时间为1 h.
对磨损前后的试样进行摩擦系数、表面形貌、磨
Fig. 1 Test scheme (a) loading project (b) Filling hole distribution图1 试验方案(a)加载方案(b)填充孔分布
Fig. 2 Experimental scheme of friction and wear图2 摩擦磨损试验方案
损量以及铁谱测试.
2.1 摩擦系数
摩擦系数由试验机自动记录. 图3所示为1 h内不同固体润滑剂下，摩擦系数随时间的变化曲线图. 由图3可知，二硫化钼作为固体润滑剂时，其瞬时摩擦系数在500 s时出现急剧上升，经过80 s左右趋于稳定，但波动依然较大；
聚四氟乙烯作为固体润滑剂时，其瞬时摩擦系数呈缓慢上升趋势，总体波动较小；
石墨作为固体润滑剂时，瞬时摩擦系数波动介于二硫化钼和石墨之间. 三者在1 h内的平均摩擦系数分别为0.25、0.18和0.09.
2.2 表面形貌
采用ST400三维表面形貌仪对磨痕进行分析，扫描区域为6 mm×6 mm，步长为10 μm，采样频率为400 Hz，在扫描区域内选取0.5 mm×0.5 mm的矩形区域作为采样区域，具体采样位置如图4所示.
Fig. 3 Friction coefficient of pin-on-disk using different solid lubricants图3 使用不同固体润滑剂销盘试验的摩擦系数
Fig. 4 Sampling location (taking the graphite as an example)图4 采样位置(石墨为例)
Fig. 5 Three-dimensional topography of different regions at the sampling location: the sampling locations of (a1)(b1) and (c1) are region A; the sampling locations of (a2), (b2) and (c2) are region B; the sampling location of (a3), (b3) and (c3) are region C图5 采样位置不同区域的三维形貌图：(a1)(b1)和(c1)采样位置为A区域；
(a2)(b2)和(c2)采样位置为B区域；
(a3)(b3)和(c3)采样位置为C区域
图5所示为采样位置不同区域的三维形貌图，为方便比较，其基准统一为试样底部，A为固体润滑剂填充孔区域，B为磨痕区域，C为原始区域. 由于填充工艺的问题，填充孔内润滑剂的起伏波动较大，此处不做过多分析. 磨损前后的表面形貌特征参数列于表1中. 从表1中数据可知，相比于磨损前的表面参数，除石墨润滑条件下，其表面均方根值Sq和表面算术平均值Sa出现下降外，其他数值均呈现上升趋势. 可能是因为选用的石墨材料比较柔软，在受压情况下出现碎裂，填充到接触表面的微凹体之间，导致相关参数的数值降低；
而二硫化钼和聚四氟乙烯的粉末硬度较高，由于接触副的磨损，致使表面参数数值升高.
表1 三种固体润滑剂试验前后的表面形貌参数值Table 1 Surface morphology parameters of three solid lubricants before and after the test
2.3 磨损量
由于试验中销盘摩擦副属于软硬接触，对于硬质销几乎无磨损，本试验中仅检测盘试样的磨损：首先通过电子天平称量填充复合固体润滑剂的试样盘的质量并记录，其次将称重后的试样放置在摩擦磨损试验机上进行等效磨损试验，销盘试样在等效试验之后，在试验盘的接触面上形成1个圆环状的磨损槽，如图4所示. 对于磨损试验后的试样，收集试样上的油脂，用于铁谱分析，然后将试样放入超声波清洗仪内，清洗试样表面黏附的杂质，对清洗后的试样盘再次进行称重并记录，前后两次的质量差即为试样的磨损量Δm.
此外，磨损量可以根据表面的磨损深度来表示.同样以石墨润滑剂为例，在磨损后的盘试样上选取3个径向截面，三维表面形貌扫描所得到的表面高度差如图6所示.
Fig. 6 Wear depth of plate sample’s different sections using graphite as a lubricant图6 石墨润滑下盘试样不同截面的磨损深度
由于扫描部位的定位差异，导致图6中横坐标的起始位置不同，但3个截面的相对高度大致一样，为此，其磨损深度定义为
式中hh和hl分别为未磨损和磨损部位的表面相对高度，其范围为图6中任一曲线的最高两点的径向位置，最高点的数据计入hh；
nh和nl分别为未磨损和磨损部位的表面的测量点数，由此可计算出：
根据图6和计算结果，以截面1所处位置作为参考截面. 由于3个盘试样高度的差异大于表面形貌的差异，为了清楚描述高度的细节变化情况，将3条曲线的最低点定为0，三种润滑剂的相对磨损深度如图7所示.从图7可以看出，由于磨损试验时销盘之间的相互挤压，造成盘试样磨痕两边出现了凸起，其中二硫化钼的凸起相对较大；
此外，内圈的磨损相对较深，外圈的磨损相对平缓. 三种润滑剂的磨损深度列于表2中. 从表2中可以看出，无论是磨损深度还是磨损重量，石墨润滑下的盘试样磨损量最小，而二硫化钼润滑下的盘试样磨损量最大.
表2 试样盘在不同润滑剂下的磨损量Table 2 Wear losses of plate samples using different lubricants
2.4 铁谱分析
Fig. 7 Wear depth of plate samples using different lubricants图7 不同润滑剂盘试样磨损深度
使用FFM3分析式铁谱仪和BX51显微镜对磨损产物进行检测和分析. 图8中(a)、(b)和(c)分别为二硫化钼、石墨和聚四氟乙烯试样的铁谱图. 采用二硫化钼作为润滑剂时，其试样经摩擦磨损试验后所形成的金属磨粒(后面简称磨粒)中有少量粒径大小为10~50 μm的磨粒，且存在极少量粒径大于50 μm的磨粒，其磨损形式为黏着磨损和疲劳磨损，且以黏着磨损为主. 采用石墨作为固体润滑剂时，磨粒的粒径明显小于前两者，其磨粒中并无粒径大于50 μm的磨粒存在，且存在极少量磨粒粒径大小在10~50 μm之间的磨粒，其磨损形式仅为黏着磨损. 采用聚四氟乙烯作为固体润滑剂时，其磨粒的情况与二硫化钼作为固体润滑剂时的情况相似，其磨粒中有少量粒径大小为10~50 μm的磨粒，且存在极少量粒径大于50 μm的磨粒，其磨损形式为黏着磨损和疲劳磨损，且以黏着磨损为主.
由于二硫化钼摩擦系数本身较高，并且在高温环境下会出现增磨现象，摩擦磨损试验过程中温度上升，试样间的磨损也随之上升，故二硫化钼的摩擦系数和磨损量均为三者中最大；
而聚四氟乙烯由于其本身的摩擦系数较低，用作固体润滑剂时导致试样间的摩擦系数比采用石墨的试样要低，但是其黏着性较差，不能很好地吸附在试样表面，导致其不能在试样表面形成有效的润滑膜，因此聚四氟乙烯试样磨损量高于石墨试样，并且聚四氟乙烯试样的磨损形式为黏着磨损和疲劳磨损，而填充石墨试样的磨损形式仅为单一的黏着磨损.
Fig. 8 Ferrographic images of each sample图8 各试样的铁谱图
将试验结果进行对比与分析，综合摩擦系数、表面形貌、磨损量和铁谱分析结果可知，在试验工况下，石墨是三者之中摩擦磨损综合性能最好的固体润滑剂，由此进行了连续13 h的摩擦磨损连续试验. 每隔1 h，将试样从试验机上拆下，清洗称重后再涂抹锂基脂，进行下一阶段摩擦磨损试验，得到的试验结果如图9和图10所示.
图9所示为石墨润滑下销盘试验连续13 h下的瞬时摩擦系数和平均摩擦系数. 从图9中可以看出：瞬时摩擦系数随试验的进行有一定的波动，第1次和第2次的最大值和最小值相差较大，处于销盘磨损的磨合阶段；
第3次到第9次的波动相对较小，此时固体润滑膜已经形成，处于稳定磨损阶段；
第9次之后由于固体润滑膜的破坏，摩擦系数相应有所增加. 图10所示为平均摩擦系数和磨损量随试验次数的变化规律，其总体趋势均为先减小后增大.摩擦系数从第1次的0.18逐渐下降到第5次的0.10，然后上升至第13次的0.19，其中第7次的摩擦系数(0.12)略高；
同样，磨损量从第1次的3 mg下降到第7次的0.85 mg，然后上升至第13次的2.92 mg，而第6次和第9次的磨损量相对较大，此时对应图9中的瞬时摩擦系数变化较大，可能是由于重复装夹定位有误差，销试样与盘试样上少量未磨损区域开始磨损造成的.
Fig. 9 Friction coefficient of continuous friction-wear test using graphite as a lubricant图9 石墨润滑下连续摩擦磨损试验的摩擦系数
Fig. 10 Average friction coefficient and wear of continuous friction-wear test using graphite as a lubricant图10 石墨润滑下连续摩擦磨损试验的平均摩擦系数和磨损量
a. 以三峡闸门为对象，设计了销盘的尺寸以及盘试样上的固体润滑剂填充孔结构，选择在加载载荷为F=320 N，加载转速为n=10 r/min下开展试验研究.
b. 分别以石墨、二硫化钼以及聚四氟乙烯粉末作为固体润滑剂，三者1 h内的平均摩擦系数大小为二硫化钼＞石墨＞聚四氟乙烯；
磨损量(磨损质量和磨损深度)为二硫化钼＞聚四氟乙烯＞石墨.
c. 铁谱分析显示石墨润滑下的金属磨粒较少，存在极少量的粒径大小在10~50 μm之间的磨粒，其他均小于10 μm，磨损形式仅为单一的黏着磨损；
二硫化钼和聚四氟乙烯润滑下有少量10~50 μm的磨粒存在，且存在粒径大于50 μm的磨粒，其磨损形式有黏着磨损和疲劳磨损；
综合认为石墨是三者中性质较优的固体润滑剂.
d. 以石墨为固体润滑剂，根据13 h的连续磨损试验显示，平均摩擦系数和磨损量的总体趋势随试验时间均呈先减小后增大趋势，第5次的平均摩擦系数最小，为0.10，第13次的平均摩擦系数最大，为0.19；
第7次磨损量最小，为0.85 mg，第1次磨损量最大，为3 mg.