国内外研究学者已对黏弹性体的摩擦磨损行为进行了大量的研究。黄乐等[3]采用环块磨损试验机进行了聚氨酯与GCr15钢的摩擦磨损试验, 研究了在不同压力、转速情况下的磨损情况。田雨等[4]研究发现, 在滑动摩擦状态下随着聚氨酯硬度的增大, 其摩擦因数降低, 随环境温度的升高其摩擦因数增大。邹丞等[5]在研究水润滑整体式轴承时发现, 随着黏弹性体硬度的增大其摩擦因数增加, 并解释为黏弹性体硬度的增加不利于摩擦副之间形成水膜从而导致摩擦因数增大。然而, 目前关于黏弹性体摩擦磨损行为的研究主要是基于滑动摩擦, 而关于滚动摩擦磨损方面的研究报道较少, 亦无较成熟的滚动摩擦磨损试验仪器。

为了分析聚氨酯材料与带钢在滚动接触形式下的摩擦磨损情况, 作者基于自行研制的双盘摩擦磨损试验机, 以聚氨酯与Q235钢为配副, 以滚动摩擦的形式对不同硬度聚氨酯试样与钢盘进行了摩擦磨损试验, 探讨了载荷、转速以及聚氨酯试样的硬度对聚氨酯摩擦因数的影响, 并研究了载荷和聚氨酯试样的硬度对聚氨酯磨损率的影响, 为钢铁生产公司的胶辊选材以及工况控制提供一定的试验依据。

试验用Q235钢由宝山钢铁股份有限公司提供, 其表面粗糙度为0.5~0.8μm。聚氨酯材料由南京金三力橡塑有限公司提供, 其牌号为L167, A型邵氏硬度分别为86度、92度和98度。钢盘、聚氨酯盘试样的尺寸以及组成的滚动摩擦副结构参数如图1所示。

为了模拟胶辊输送带钢时的接触与运动情况, 采用自行研制的双盘摩擦磨损试验机进行试验研究, 其结构如图2所示。电机1通过带轮2, 3将动力传递给主动轴, 主动轴上的动力经扭矩传感器4传递给钢盘5, 在载荷7的作用下, 钢盘5与聚氨酯盘试样6接触并带动聚氨酯盘转动。试样间的滚动阻力矩由扭矩传感器采集控制箱8采集, 最终通过计算机串口采集识别, 经PC机9通过软件实时显示试验过程中的扭矩信息。

根据实际运行工况以及胶辊与试样的尺寸比, 确定试验的载荷及转速范围, 得到试验的载荷分别为60, 120, 180 N, 转速分别为400, 800, 1 200r·min。通过试验机的扭矩测量系统测其滚动阻力矩, 并根据载荷和钢盘半径计算摩擦因数μ。

式中:M为滚动阻力矩;W为试样间加载试验力;R为钢盘半径。

采用动态热机械分析 (DMA) 仪测聚氨酯的力学性能与温度、频率和激振振幅的关系, 测试温度为-50~160℃, 得到不同温度下聚氨酯的储能模量和损耗角正切值。在4XC-UV型光学显微镜下观察钢盘磨损前后的表面微观形貌。为了研究聚氨酯硬度对其磨损率的影响, 将三种不同硬度的试样以800r·min的转速分别在120, 180N的载荷下连续磨损10h, 用精度0.1mg的电子天平测其磨损质量, 计算磨损率。

由图3可知:载荷对不同聚氨酯试样摩擦因数的影响较为明显, 摩擦因数随着载荷的增大而减小;在相同载荷下, 摩擦因数随试验时间的延长而稍有减小并最后趋于稳定。聚氨酯黏弹性材料的动态力学性能具有较强的非线性特征, 会受到温度、频率以及激振振幅等因素的影响[6]。由图4可知:DMA测得的三种不同硬度聚氨酯试样的损耗角正切值峰值分别出现在-12.69, -9.41, -8.98℃;在摩擦升温过程中, 当聚氨酯试样的温度从25℃升高到50℃时, 其损耗角正切值减小, 即材料损耗模量与储能模量的比值减小, 黏弹性减小, 因此聚氨酯试样的摩擦因数减小。当温度达到稳定时, 摩擦因数也趋于稳定。

黏弹性体在压力作用下发生弹性变形, 处于弹性变形中的材料与刚性平面之间的真正接触面积A是不与垂直压力W成正比的[7], 这已由经验公式 (2) 得到证实。

式中:K₂为常数。

由公式可以得出, 随着W的增加, f_adh将减小。

在黏弹性体摩擦的一般机理中, 其滑动摩擦力由黏附摩擦

式中:f_adh为黏附摩擦因数;f_hyst为迟滞摩擦因数;K为拉伸比例因数, 0≤K≤1;σ₀为拉伸强度, Pa;P_r为真实接触应力, Pa;tanδ为损耗因子;ν为材料泊松比;p_e为轮廓接触应力, Pa;E′为材料弹性模量, Pa。

由式 (5) 可以看出, 随着载荷的增大, 材料的滑动摩擦因数减小。目前国内外有关黏弹性体滚动摩擦的研究还处于深入研究阶段, 滚动摩擦主要由微观滑动、塑性形变、弹性滞后、黏着效应等4个方面组成[10]。其中微观滑动和弹性滞后占滚动摩擦的绝大部分, 因此上述有关滑动摩擦因数随载荷增大而减小的解释在本试验中亦适用。

此外, 试验中随着载荷的增大, 聚氨酯试样温升的增大也是一个重要的影响因素。聚氨酯试样与钢盘在室温下对磨时的平衡温度如表1所示。同时, 在常温下聚氨酯试样的损耗角正切值随着温度的升高而降低, 从而导致摩擦因数的减小。综上所述摩擦因数随着聚氨酯与钢盘接触面载荷的增大而减小。

由图5可知, 随着转速的增加, 三种硬度聚氨酯试样的摩擦因数曲线存在较大的重合现象, 无明显的变化规律。对60~120 min内的稳定摩擦因数取平均值, 其结果如图6所示。由图可知:不同硬度聚氨酯试样的摩擦因数均小于0.1, 最小值为0.07;试样硬度为86度时, 随着转速的增加, 摩擦因数先增加后减小;试样硬度为92度时, 随着转速的增加, 摩擦因数先略微减小而后增加;试样硬度为98度时, 随着转速的增加, 摩擦因数逐渐减小。由此可见, 转速对摩擦因数的影响不大, 也无明显的变化规律。

由图7可知:在相同的载荷下, 聚氨酯试样的摩擦因数随着硬度的升高而呈增大的趋势, 但摩擦因数的变化幅度非常小。由图8可知, 磨损后钢盘表面附着着一层萤黄色物质, 这是在高速滚动状态下, 聚氨酯材料经过磨损后发生了一定程度的软化现象, 并在钢盘上形成了一层转移膜[11], 该转移膜具有一定的润滑效果。当聚氨酯试样的硬度较高时, 表面硬的粗糙峰会划伤转移膜, 破坏转移膜的连续性[12], 导致润滑效果变差。因此, 随着聚氨酯试样硬度的升高, 其摩擦因数略微增大。

由图9可知:聚氨酯试样的磨损率随着试样硬度的增加而减小, 并且随着载荷的增加而增大。聚氨酯黏弹性体的磨损可分为磨粒磨损、疲劳磨损、卷曲磨损3种[13]。由于聚氨酯较软, 硬质金属的粗糙峰嵌入到聚氨酯后, 在运动中对聚氨酯产生一定的推挤作用, 使其形成塑性流动并犁出沟槽[14]。一方面, 聚氨酯的硬度越高, 磨面的凸起部分被压入聚氨酯的深度就越浅, 磨损量相应减小;另一方面, 聚氨酯的硬度越高, 表面越不易产生褶皱, 磨损量也相应减少[15]。因此, 聚氨酯的硬度越高, 其耐磨性就越好。随着载荷的增大, 聚氨酯试样与钢盘之间的摩擦力增大, 对聚氨酯试样的损伤程度增加, 因此其磨损率也随之增加。