船闸作为通航建筑物,是整个水利水电工程的重要组成部分,当今水运事业发展迅猛,船闸的正常运行显得尤为重要。一旦船闸发生故障亟待维修,则会导致其所在的水运航线被迫切断,造成重大经济损失及社会影响。人字闸门是船闸中最为常用的闸门形式,底枢是人字闸门的主要承载系统,其严重磨损是造成船闸维修的主要原因,因此迫切需要解决人字闸门底枢摩擦副的摩擦、磨损与寿命预测问题。本文采用摩擦磨损试验的方法进行研究,以底枢的实际调研工况作为试验设计的依据进行等效磨损试验。对已建人字闸门的相关资料进行了收集,包括闸门的宽度、高度、重量、启闭时间、底枢蘑菇轴头半径、底枢配对副材料和润滑条件等,并根据闸门的宽度分布对人字门进行了分类,利用经验公式求出了各类型闸门的最大接触应力和相对线速度,计算显示相对线速度相差太小,故主要研究接触应力的影响。对6种典型的人字闸门底枢配副(钢/铜(40Cr/ZCu Al8Mn13Fe3、40Cr/QAL9-4);钢/钢(40Cr/38Cr Mo Al A、40Cr/45~#);钢/球墨铸铁(40Cr/QT700-2、40Cr/QT600-3))分别在水润滑和脂润滑条件下进行不同接触应力时的等效磨损试验。磨损试验得到了脂润滑和水润滑条件下各配副不同接触应力时其组合磨损量和摩擦系数随时间的变化关系。磨损量的变化关系为分析配副的耐磨性提供了依据数据,为建立磨损失效寿命预测模型提供了原始数据;摩擦系数和试样磨损表面的SEM图为探讨摩擦副的磨损机理提供了依据。试验结果表明:1)低速重载下,6种配副的磨损量均与所受接触应力呈正相关性,即其磨损量随着所受接触应力的增大而增大;相同接触应力时,摩擦副在脂润滑下较水润滑条件下具有更好的耐磨性能(接触应力为19.1-25.0 MPa时的40Cr/ZCu Al8Mn13Fe3配副除外)。2)低速重载脂润滑条件下,三大摩擦副中,钢/铜配副的耐磨性能表现最差,在较低接触应力(10.6-19.1 MPa)时,钢/球墨铸铁配副的耐磨性能优于钢/钢配副的耐磨性能,但在较高接触应力(21.1-25.0 MPa)时,钢/钢配副则具有更佳的耐磨性能。在水润滑时,三大类别摩擦副中,钢/钢配副不适用于在低速重载下的水润滑条件使用,钢/球墨铸铁配副表现出最佳的耐磨性能,钢/铜配副耐磨性能较差。3)低速重载脂润滑条件下,6种配副的磨损机理均相同,摩擦副的实际接触应力在许用应力之下时,其磨损机理主要表现为磨粒磨损;当摩擦副的实际接触应力超过许用应力时,其磨损机理表现为以粘着磨损为主且伴随着磨粒磨损的混合状态。在水润滑时,对于钢/铜配副,其磨损机理主要表现为以磨粒磨损为主且伴随着粘着磨损的混合状态;对于钢/钢配副,其磨损机理主要表现为粘着磨损;对于40Cr/QT700-2配副,随着接触应力的增加,其磨损机理表现为磨粒磨损向以磨粒磨损为主且伴随着疲劳磨损的混合状态转变,最后变为粘着磨损;对于40Cr/QT600-3配副,随着接触应力的增加,其磨损机理表现为疲劳磨损向以疲劳磨损为主且伴随着磨粒磨损的混合状态转变,最后变为粘着磨损。4)利用灰色系统理论GM(1,1)模型对摩擦磨损试验在单因素条件下的磨损量数据建立了磨损失效寿命预测模型。模型检验结果表明所建模型符合1级模型精度,对磨损量的预测结果精度达到了96%,说明GM(1,1)模型可用于低速重载下闸门底枢摩擦副在稳定磨损条件下的磨损失效评价,具有工程实际指导意义。通过GM(1,1)模型进行磨损失效评价,认为在脂润滑条件下,当接触应力范围为10.6-15.9 MPa时,40Cr/QT700-2是最佳配副选择;当接触应力超过19.1 MPa时,40Cr/38Cr Mo Al A是最佳配副选择。水润滑条件下,在接触应力范围为10.6-25.0 MPa,40Cr/QT600-3是最佳配副选择。