甲基纤维素对不锈钢抓取爪的表面力学行为影响及减缓磨损机制研究

Effects of methylcellulose on the surface mechanical behavior and wear mitigation mechanism of stainless-steel grippers

摘要

不锈钢抓取爪的表面摩擦学行为对其服役寿命具有决定性影响。采用面-面式摩擦磨损试验机，研究抓取爪在运作时的表面摩擦学行为。在5种不锈钢对磨的接触面上加入甲基纤维素（MC），模拟抓取爪工况并开展摩擦学实验测试与表征分析，研究了MC可延缓不同钢材质的磨损的作用并揭示了其减摩抗磨机理。研究结果表明：抓取爪表面的磨损主要集中在爪尖及爪身前段。摩擦学测试结果表明，摩擦系数随载荷的增大呈减小趋势；当载荷达到25 N时，321不锈钢与MC对磨的摩擦系数低至0.014。此外，研究发现钢材质对摩擦系数影响显著，其中含Ti的321不锈钢展现出最优的减摩性能。其机理在于，摩擦诱导作用促使MC在不锈钢的表面形成吸附及熔融的转移物，该转移物有效隔绝了对上下摩擦副的直接接触，从而在提升润滑效果的同时，显著地削弱磨粒磨损与黏着磨损。

Abstract

The surface tribological behavior of stainless-steel gripping claws exerts a decisive influence on their service life. A plane-to-plane friction and wear tester was employed to simulate the surface tribological behavior of the gripping claws during actuation. Methylcellulose （MC） was applied to the contact interfaces of five stainless steel pairs to replicate the operating conditions of the gripping claws， followed by tribological testing and characterization analysis. This study investigated the effect of MC in mitigating wear of different steel materials and revealed its friction-reducing and anti-wear mechanisms. The results demonstrate that wear on the gripping claw surface is primarily concentrated at the claw tip and the front segment of the claw body. Tribological test results indicate that the friction coefficient exhibits a decreasing trend with increasing load； when the load reaches 25 N， the friction coefficient between 321 stainless steel and MC is as low as 0.014. Additionally，the steel material itself has a significant impact on the friction coefficient， with Ti-containing 321 stainless steel demonstrating the optimal friction-reducing performance. The mechanism involves friction-induced effects that facilitate the formation of adsorbed and molten transfer films of MC on the stainless steel surface. These transfer films effectively isolate the direct contact between the upper and lower friction pairs， thereby enhancing lubrication efficiency while significantly attenuating abrasive wear and adhesive wear.

Graphical abstract

关键词

不锈钢 / 抓取爪 / 甲基纤维素（MC） / 面-面式 / 磨损机理

Key words

stainless steel / grasping claw / methylcellulose / plane-to-plane / wear mechanism

引言

工业、交通、能源等领域的持续发展，使得机械系统运动过程中因摩擦导致的能量损耗已成为能源浪费的关键因素之一。通过减少摩擦来提升能源利用效率不仅契合可持续发展的核心理念，还能有效延长设备寿命、降低维护成本，带来显著的经济与环境效益^［1-3］。当前，抓取爪等运动部件正向高可靠性、长寿命方向发展，不锈钢材质因强度高而被广泛使用^［4-6］。然而，常见不锈钢基体（如304不锈钢^［7-8］、316L不锈钢^［9-10］）的表面硬度较低（维氏硬度通常约为200~300 HV），在频繁抓取过程中易发生黏着磨损与疲劳剥落，尤其在粉尘环境下，表现为摩擦系数剧烈波动、表面划伤严重及磨粒磨损加剧。因此，为提高金属零件的使用寿命、降低维护成本并提升生产效率，对不锈钢基体表面进行抗磨处理显得尤为重要^［11-15］。

面-面式摩擦磨损试验机是摩擦学研究领域的关键设备，能够精准地模拟两接触面在相对运动过程中的摩擦行为，进而揭示实际工况下零部件材料的磨损机理。其重要性主要体现在2个层面^［16-20］：（1）在材料研究层面，该试验机可提供摩擦系数等精准的定量评价指标，为工程材料的种类研发与性能优化提供强有力的理论支撑与数据依据；（2）在工业应用层面，试验数据可有效指导轴承、密封件等关键部件的寿命预测与可靠性设计，提前预判部件的摩擦失效风险，从而制定科学的维护策略，降低因摩擦失效造成的能源损耗与经济损失。

接触力学仿真模拟是辅助分析抓取接触面磨损的有效手段，具有直观、可控及重复性好的优势。通过三维建模的方式与有限元分析，可将不锈钢金属零件的受力变化由Ansys动态呈现，便于与摩擦学实验结果相互印证，深入分析不锈钢金属零件表面接触摩擦学行为，为不锈钢抓取爪表面抗磨设计提供理论指导^［21-25］。Yang等^［26］通过数值计算和有限元分析发现，椭圆形柔性铰链可减轻压电黏滑致动器的反向位移，改善动子与定子间滑动摩擦的转换与传递。Siqueira等^［27］则利用类固体壳和三维框架有限元，建立了有限变形动力学平衡方程，在保留受驱动杆的柔性和润滑性的前提下，提出了一种能够处理作动机构中大量旋转连接的方法。

甲基纤维素（MC）是一种人工合成的纤维素衍生物，其分子结构与天然纤维素具有显著差异。MC分子中的部分或全部羟基被甲基所取代形成甲氧基，这一改性可有效抑制分子间氢键的形成，从而显著提升其减摩性能，使其成为一种绿色环保型润滑剂^［28］。Nienaltowska等^［29］通过重复冲击测试发现，厚度为5 μm的MC涂层即可为芯材提供有效防护。Hynninen等^［30］制备的MC/纤维素纳米晶复合纤维展现出高韧性特征。

本研究围绕纤维素的摩擦学性能展开了系统性的探究。研究结果表明：纤维素在摩擦诱导作用下可分解生成杂化碳纳米片，并在接触面形成含有机链的转移膜，从而实现超低磨损效果。此外，借助实验室自主搭建的面-面式摩擦磨损试验机及离散元仿真技术，对纤维素与螺杆间的磨损机制进行了探索，发现螺杆的显著磨损区域集中于螺棱部位^［31-32］。基于前期研究成果^［33-35］，本研究首先运用Ansys仿真模拟获取抓取爪在作动过程中的表面磨损状况；进而选取5种不同钢材质构建摩擦副，在精准控制载荷条件下，系统探究添加MC后抓取爪表面的摩擦学行为及磨损机理。研究聚焦于MC与不锈钢的面-面式摩擦学行为及磨损机理，旨在为机械运动中金属零部件（如齿轮、轴承等）的摩擦失效分析提供具有参考价值的理论依据与支撑。

1 实验部分

1.1 实验原料和仪器及方法

1.1.1 实验原料

MC，黏度为400 mPa·s，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；上试样：45^#钢材质内螺纹圆柱销，端面直径为Φ12 mm，长度为20 mm；下试样：45^#钢、2205不锈钢、304不锈钢、316不锈钢、321不锈钢，体积为25 mm × 25 mm × 5 mm。5种钢材的主要元素的质量分数如表1所示。

1.1.2 实验仪器

面-面式摩擦磨损试验机，实验室自主搭建。光学显微镜，DSX500型，日本OLYMPUS公司；X射线衍射仪（XRD），Ultima Ⅳ型，日本Rigaku公司。

1.1.3 实验方法

在面-面式摩擦实验中，将MC均匀添加于下试样表面；该实验所施加的载荷分别为5、10、15、20、25 N，转速固定为60 r/min。

1.2 不锈钢抓取爪有限元模型的建立

1.2.1 不锈钢抓取爪的模型

本研究所涉及的不锈钢抓取爪三维模型，于SolidWorks软件环境中依托参数化实体建模技术完成构建。

首先，依据抓附机构的运动学特性需求与实际载荷工况条件，精准确定抓取爪的核心外形轮廓、关键结构尺寸，以及与传动部件相衔接的接口形式。在建模过程中，通过创建基准面并绘制草图，运用拉伸、切除、旋转等特征操作指令，初步生成爪体的基础几何构型。将抓取爪整体划分为由爪尖、爪身以及辅助爪构成的多组件装配结构。其中，爪尖部分采用放样与拉伸命令进行造型设计，以确保其高效、可靠地锁定目标物体；爪身作为抓取过程中的主要承载结构，通过拉伸命令生成，并运用圆角/倒角命令对易产生应力集中的部位进行优化处理，提升结构强度与疲劳寿命；辅助爪则借助扫描命令创建，主要发挥辅助支撑作用，保障抓取过程的稳定性。

最终，各组件在装配体环境下，通过配合命令精确确定其相对位置与运动关系，经全面的干涉检查确认无设计冲突后，将整体三维模型导出为STEP通用格式，为后续的有限元分析提供基础数据，如图1所示。

1.2.2 Ansys网格划分

为确保复杂工况下的仿真分析兼顾计算精度与效率，本研究在Ansys Workbench环境中，针对抓附机构整体模型实施了混合网格划分策略。全局单元尺寸统一设定为5 mm。

具体而言，针对结构形式规整的主体部件，诸如基座、连接杆等，优先选用计算效率更优的六面体主导（hex dominant）方法进行网格划分。而对于形态复杂的不锈钢抓取爪及其传动关节等关键部位，则采用适应性更强的四面体（tetrahedral）单元进行划分，并借助局部尺寸控制功能，对其接触区域开展网格细化处理，以精准捕捉局部应力应变特征。

同时，为保障计算精度，对模型中存在相对运动的接触对专门设置了接触网格细化。最终生成的有限元模型，共计包含约80 887个节点与42 666个单元。该模型在精确捕捉结构应力分布与变形情况的基础上，有效实现了对计算资源消耗的合理控制。

2 结果与讨论

2.1 不锈钢抓取爪的有限元分析

2.1.1 抓取爪的应力分布

在本研究中，为了准确模拟不锈钢抓取爪的摩擦学行为和受力情况，根据抓取爪的工作条件和几何特征，定义了适当的边界条件和外部载荷。抓取爪的根部被固定，以避免模型在计算中发生漂移或无约束运动，并根据抓取爪的接触情况，对接触面的设置进行了定义。同时，为了模拟抓取过程中的实际负载情况，在爪尖和辅助爪施加了外部载荷。

抓取爪的工作过程可以分为2种典型工况：闭合过程和抓取承载过程。在这2种工况下，驱动源（如液压缸、气缸或电机）在驱动点施加的力是相近的，但由于爪身与底座的相对位置以及力臂关系的变化，导致传递到爪尖的力截然不同。由不锈钢抓取爪的应力分布图（图2（a））可知，在抓取爪闭合时，爪尖所受应力最小。由图2（b）可知，当抓取爪张开抓握时，应力最大值集中于爪尖及爪身棱处。当爪尖接触工件并开始夹紧直至承载时，系统的受力情况发生根本性变化^［36-37］。工件作用于爪尖的法向反力与爪尖的夹紧力大小相等、方向相反，此时，这个反作用力成为了新的阻力。在完全抓取并夹紧工件后，工件反力的力臂变得非常短，通常远小于驱动力的力臂，从而在爪尖产生了巨大的夹紧力或承载能力。

2.1.2 抓取爪的变形

由不锈钢抓取爪的总变形图（图3）可知，在抓取时，抓取爪的变形主要集中在爪尖以及爪身前段。此外，辅助爪的变形也集中于爪尖。抓取爪在每一次抓取-释放的工作循环中，应力均经历从低到高再到低的变化，形成交变应力循环^［38-39］。不锈钢材料在远低于其静强度极限的交变应力下，经过足够多的循环后可能发生破坏，变形或裂纹通常从应力集中处开始。

网格无关性验证的目的是确保在不同的网格尺寸下，计算结果趋于稳定，保证解的准确性不依赖于网格的细化程度。先使用粗网格进行初步计算，然后逐渐细化网格并监控计算结果的最大应力变化。从图4和表2可以看出，随着网格数量的变动，关键结果没有显著变化，表明该网格尺寸已趋于稳定，计算结果不依赖于网格的进一步细化。所以，全局单元尺寸统一设定为5 mm为合适的设置。

2.2 不锈钢下摩擦副的摩擦学行为

本研究选取多种不同材质的不锈钢作为抓取爪的候选材料，运用面-面式摩擦磨损试验机，模拟抓取爪抓取45^#材质物体时的摩擦学行为。试验过程中，在接触表面添加绿色润滑剂MC，深入探究MC对不锈钢磨损机理的影响，以期为抓取爪筛选出适配性最优的不锈钢材料。45^#钢与45^#钢以及4种其他不锈钢（作为下摩擦副）分别对磨所得的摩擦学曲线如图5所示。其中，图5（a）呈现的是未添加MC与添加MC时45^#钢自配副的摩擦学曲线对比情况；图5（b）~（e）则依次为与2205不锈钢、304不锈钢、316不锈钢以及321不锈钢对磨时所对应的摩擦学曲线。

从图5（a）能够看出，经跑合阶段后，摩擦系数逐渐趋于稳定状态。随着载荷的逐步增大，稳定摩擦系数呈现出先降低后升高的变化趋势，在载荷为20 N时，稳定摩擦系数达到最低值0.117。添加MC后，跑合期显著缩短，仅为20 s，这表明添加MC能够加速上下摩擦副进入稳定磨损阶段，延缓剧烈磨损阶段的到来，进而有助于提高部件的使用寿命。并且，添加MC后稳定摩擦系数随载荷的变化规律与未添加时相似，同样先降低后升高，在载荷为25 N时达到最低，为0.088。此外，在相同载荷条件下，添加MC可显著降低45^#钢的摩擦系数。

45^#钢与2205不锈钢构成的下摩擦副对磨时的摩擦学曲线，和45^#钢自配对摩擦的情况较为相似。由图5（b）可知，经跑合后，摩擦系数趋于稳定。随着载荷增加，稳定摩擦系数先降后升，在20 N时达到最低，为0.143。添加MC后，跑合期缩短至9~64 s之间。稳定摩擦系数随载荷的变化规律依旧是先降低后升高，载荷为20 N时最低，为0.09。同时，在相同载荷下，添加MC会显著降低2205不锈钢的摩擦系数。

从图5（c）可知，304不锈钢下试样经跑合后，除5 N载荷外，其他载荷下的摩擦系数均趋于稳定。随着载荷增大，稳定摩擦系数持续降低，在25 N时达到最低，为0.134。添加MC后，跑合期缩短至约33 s，说明添加MC有利于加速上下摩擦副进入稳定磨损阶段，延长部件使用寿命。稳定摩擦系数随载荷增加也持续降低，载荷为25 N时最低，为0.12。此外，摩擦学实验表明，在相同载荷下，添加MC会显著降低304不锈钢的摩擦系数。

由图5（d）可知，当载荷在15 N以上时，316不锈钢经跑合后，摩擦系数趋于稳定，约为0.14。在载荷25 N时，稳定摩擦系数最低，为0.112。然而，在316不锈钢表面添加MC后，在15 N以上载荷时，摩擦系数反而比未添加时更高。究其原因，可能是MC与316不锈钢表面的黏附力较强，未能形成有效润滑膜，导致摩擦系数升高。

与304不锈钢摩擦情况类似，由图5（e）可知，321不锈钢经跑合后，除5 N载荷外，其他载荷下的摩擦系数均趋于稳定。随着载荷增大，稳定摩擦系数持续降低，在25 N时达到最低，为0.161。添加MC后，稳定摩擦系数随载荷增加也持续降低，25 N时最低，低至0.014。此外，在相同载荷下，添加MC会显著降低321不锈钢的摩擦系数，特别是在20 N和25 N 高载荷条件下，MC对321不锈钢的减摩效果尤为显著。这可能是由于321不锈钢含有Ti，其表面在空气中更易形成致密、稳定的铬氧化物钝化膜，有利于MC在其中高效减摩。因此，综合考量，可选择321不锈钢作为抓取爪的材料，并对其表面进行针对性的减摩处理。

2.3 下摩擦副表面形貌及表面结构

2.3.1 表面形貌

鉴于321不锈钢下摩擦副在高载荷工况下具备相对更优的减摩性能，本研究选取其作为表面形貌分析的典型对象。图6直观呈现了未添加MC与添加MC对321不锈钢下摩擦副表面形貌的影响差异。由图6可清晰观察到，未添加MC时，321不锈钢表面磨痕宽度约为0.8 ~ 1.2 mm，且磨痕表面存在大量黑色残留物和犁沟。而添加MC后，磨痕宽度显著收窄，降至0.4 mm以下，同时磨痕表面的残留物与犁沟数量明显减少。上述现象的机理可能在于：添加MC后，MC能够有效降低钢材所承受的接触应力，隔绝上下摩擦副的直接接触，进而减缓局部塑性变形，使犁沟的扩展范围得以收窄；此外，MC具备一定的黏附性能，可将磨料与钢基底材料粘结，形成相对稳定的磨料颗粒，减少其脱落与移动。相比之下，未添加MC时，由于高载荷工况，有更多磨粒参与磨损过程，这些磨粒会加剧钢表面的擦伤和塑性变形程度，从而导致磨痕宽度增大。

2.3.2 表面结构

本研究进一步收集了45^#钢与4种不锈钢表面的磨屑，并采用XRD技术对磨痕表面的残留物结构展开分析。图7为与MC对磨后45^#钢与4种不锈钢表面残留物的XRD谱图分析结果。由图7可知，MC存在两个2θ特征峰，第1个峰位于8.67°，第2个峰位于20.01°^［40］。而各钢材的衍射峰分别为：（110）晶面衍射峰在44.63°，（200）晶面衍射峰在65.13°，（220）晶面衍射峰在73.43°，（311）晶面衍射峰在82.38°^［41-42］。从摩擦后收集的磨损产物分析结果发现，45^#钢与4种不锈钢的表面均在8.67°及20.01°附近出现了MC的2θ特征峰，且321不锈钢表面的MC信号峰强度更高，这证实了钢表面存在大量纤维素摩擦转移物附着于磨痕上，这些转移物起到了隔绝上下摩擦副直接接触的作用，从而有效降低了磨损程度。

2.4 甲基纤维素与不锈钢面-面摩擦的磨损机理

图8为MC分别与45^#钢以及4种不锈钢对磨时的平均摩擦系数对比情况。对比图8（a）与图8（b）能够发现，随着载荷的增大，不锈钢的摩擦系数总体上呈现下降的趋势，且在加入MC后，摩擦系数降低的幅度更为显著。这一现象的成因在于，MC的分子结构中富含大量甲氧基极性官能团（图9），在摩擦过程中，这些官能团能够通过物理吸附和化学吸附作用在接触面形成一层润滑保护膜。这层保护膜有效减少了不锈钢表面微凸体的直接接触，进而显著改善了其摩擦学性能。此外，当载荷超过20 N时，润滑效果仍保持稳定甚至略有改善。这可能是因为在较高载荷下，摩擦接触区的压力和温度升高，促进MC分子在不锈钢表面的吸附更为紧密、排列更为有序，形成了更为致密和强韧的边界润滑膜。同时，摩擦热可能增强了MC分子链的柔性，使其在剪切作用下更容易形成低剪切强度的滑移层，从而维持了润滑状态的稳定。然而，这种改善效果存在一个临界载荷上限，超过该上限后，机械破坏将主导润滑膜的失效。

图10为未添加MC及添加MC时不锈钢表面的磨损机理示意图。无论是否添加MC，摩擦系数随载荷变化的规律保持一致，即摩擦系数基本随载荷的增大而降低。结合未添加MC时磨痕表面的光学显微镜图像进行分析，可观察到磨痕表面存在因切削擦伤导致的金属脱落现象，由此可判断该摩擦体系的磨损机制中包含粘着磨损；同时，磨痕表面还呈现出大量犁沟沟槽，这表明该体系还存在磨粒磨损，具体如图10（a）所示。而添加MC后，磨痕表面的犁沟及剥落现象明显减少，且磨痕表面无明显的黑色残留物，但磨损机制仍包含磨粒磨损和粘着磨损，仅程度显著减轻。结合XRD谱图结果进一步分析，在摩擦过程中，MC会形成摩擦转移物并覆盖在磨痕表面，从而发挥减摩抗磨的作用，具体如图10（b）所示。

2.5 耐磨处理后抓取爪的有限元分析

2.5.1 耐磨处理后抓取爪的应力分布

经耐磨处理后的不锈钢抓取爪的应力分布如图11所示。未经耐磨处理的抓取爪，其应力分布相对均匀，最大应力主要存在于表面层。经耐磨处理后，表面引入的残余压力可抵消部分的工作拉应力，但应力集中位置仍集中于爪尖及爪身棱处。此外，最大应力位置向次表层或界面转移。

2.5.2 耐磨处理后抓取爪的变形

经耐磨处理后不锈钢抓取爪的总变形如图12所示。经耐磨处理后，不锈钢抓取爪的总变形是基本保持不变的。

3 结论

本研究采用Ansys软件对不锈钢抓取爪表面的接触应力分布进行有限元分析，进而以45^#钢为上试样，分别以5种不同类型钢材为下试样，通过调控施加载荷开展面-面式摩擦实验，揭示MC在不同钢-钢摩擦副中的摩擦学行为及其磨损机理。主要研究结论如下：

（1）在试验载荷范围内（5~25 N），摩擦系数总体上随载荷增大呈下降趋势，且钢材材质对摩擦系数具有显著影响。其中，甲基纤维素对含Ti的321不锈钢减摩效果最为突出，在25 N载荷下摩擦系数低至0.014。

（2）甲基纤维素处理后，不锈钢表面通过物理吸附与化学吸附作用形成润滑转移膜。该转移膜可有效阻隔上下摩擦副的直接接触，显著降低钢基材表面的金属剥落现象与塑性变形程度。在较高载荷下，摩擦生热可能增强MC分子链的柔性，促进更致密边界润滑膜的形成，从而维持良好的减摩效果。

筛选出45^#钢与321不锈钢（含Ti）为最优配副方案，可为抓取爪等机械部件的材料选择与表面减摩设计提供理论依据，后续可进一步研究温度、速度等多因素耦合作用下的MC润滑耐久性。

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