高分子聚合物材料微動(dòng)摩擦磨損行為研究

　　摘要：組合密封中塑料環(huán)的耐磨特性對(duì)其密封性能有重要作用。為優(yōu)選合適對(duì)摩材料，本文研究了超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、PTFE+40%銅粉、PTFE+7%碳纖維、PTFE+7%碳纖+5%MoS2、聚醚醚酮(PEEK)五種高分子聚合物材料與 QT500的微動(dòng)摩擦磨損情況，從中篩選出 PTFE+7%碳纖維、UHMWPE 兩種材料進(jìn)行不同微動(dòng)行程、潤(rùn)滑條件下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，無論是在干摩擦還是油潤(rùn)滑條件下，UHMWPE 材料的平均摩擦系數(shù)隨著微動(dòng)行程的增大而增加，PTFE+7%碳纖維材料達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)摩擦系數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的波動(dòng)較小。綜合試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)微動(dòng)行程小于等于 0.2 mm 時(shí)建議選用 PTFE+7%碳纖維，微動(dòng)行程大于 0.2 mm 時(shí)建議選用超高分子量聚乙烯材料。

　　關(guān)鍵詞： 組合密封;聚合物材料;微動(dòng)摩擦磨損;微動(dòng)行程

　　組合密封兼具高回彈性與優(yōu)異的減摩耐磨特性，擁有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)密封效果，在各類液壓系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用[1-2]。組合密封主要由彈性圈和耐磨圈兩部分組成，其中彈性體主要以橡膠等彈性較大的材料制成，對(duì)整個(gè)彈性圈起彈性支撐作用，耐磨圈則主要以填充聚四氟乙烯或增強(qiáng)聚胺等塑料制成，與被密封面直接接觸。對(duì)于組合密封，根據(jù)其運(yùn)動(dòng)行程的不同可劃分為 4 種狀態(tài)：第一種是完全靜止(靜密封);第二種是完全黏滑，此時(shí)密封圈只發(fā)生剪切變形，沒有宏觀的相對(duì)滑動(dòng);第三種為部分滑動(dòng)，此時(shí)部分密封圈產(chǎn)生宏觀的相對(duì)滑動(dòng)，但仍有部分區(qū)域處于黏結(jié)狀態(tài);第四種是密封圈產(chǎn)生完全滑動(dòng)(往復(fù)密封)。第二種和第三種狀態(tài)很難界定，可看作是微動(dòng)密封[3]，這種接觸面之間的相對(duì)位移非常低，大部分磨損碎片都會(huì)被困在接觸區(qū)界面之間[4]的非常小的振蕩運(yùn)動(dòng)，將會(huì)導(dǎo)致裂紋在重復(fù)運(yùn)動(dòng)中形核和成長(zhǎng)，致使微動(dòng)磨損現(xiàn)象的發(fā)生，造成密封圈最終失效[5-6]。

　　由此可見，密封圈中的耐磨塑料圈必須有一定的耐磨能力來盡量避免微動(dòng)磨損現(xiàn)象的發(fā)生。在密封圈相關(guān)材料的微動(dòng)摩擦磨損研究方面，鄭金鵬[7]等針對(duì)輔助密封圈與金屬接觸副間可能出現(xiàn)的復(fù)雜的微動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了深入研究，并說明了由于橡膠具有超彈性，當(dāng)往復(fù)位移幅值達(dá)到毫米級(jí)時(shí)其仍然處于微動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，得出了在不同微動(dòng)運(yùn)行區(qū)域內(nèi)，其摩擦系數(shù)呈現(xiàn)的不同的變化規(guī)律。

　　Shen[8]等詳細(xì)討論了丁腈橡膠微動(dòng)運(yùn)行特性、摩擦系數(shù)和磨損機(jī)理隨位移幅值和載荷的變化規(guī)律。結(jié)果表明，磨損表面的粘層在微動(dòng)磨損中起著重要作用，不同的微動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)呈現(xiàn)出不同的損傷特性，且微動(dòng)特性與位移幅值有很強(qiáng)的相關(guān)性。Wang[9]等對(duì)比研究了六種聚合物(UHMWPE、PTFE、酚醛、PHBA、PEEK 和 PI)在往復(fù)滑動(dòng)和微動(dòng)磨損條件下的摩擦磨損行為，并提出幾種材料的微動(dòng)磨損性能關(guān)系為:PTFE能良好[9-16]，為此，本文通過測(cè)試超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚醚醚酮(PEEK)以及填充銅粉、碳纖維和二硫化鉬的 PTFE 五種高分子聚合物材料與QT500 材料配副界面微動(dòng)摩擦系數(shù)及磨損量變化規(guī)律，掌握組合密封的密封組件界面微動(dòng)磨損特征，并篩選出兩種性能較優(yōu)的材料，觀察其在干摩擦和油潤(rùn)滑兩種潤(rùn)滑條件下及不同微動(dòng)行程的微動(dòng)摩擦學(xué)特性，為液壓泵等會(huì)出現(xiàn)微動(dòng)磨損的組合密封應(yīng)用場(chǎng)合提供選材依據(jù)。

　　1. 試驗(yàn)

　　1.1 材料與裝置：

　　試驗(yàn)所需的五種高分子聚合物材料為超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、PTFE+40%銅粉、PTFE+7%碳纖維、PTFE+7%碳纖+5%MoS2、聚醚醚酮(PEEK)，將這五種材料分別加工成 Φ12 mm×12 mm 的圓柱體，圓柱體為試驗(yàn)的上試件，下試件為 40 mm×40 mm×6.5mm 的 長(zhǎng) 方 體 ， 材 料 為 QT500 。 本 試 驗(yàn) 通 過UMT-Tribolab摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)往復(fù)模塊以及根據(jù)試驗(yàn)機(jī)自行設(shè)計(jì)的夾具來進(jìn)行高分子聚合物材料與金屬配副的微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)。由于加工過程中留下的車刀痕跡等原因，在往復(fù)運(yùn)動(dòng)的過程中，耐磨圈與活塞桿等的接觸是由線接觸逐漸因?yàn)槟Σ聊�損而轉(zhuǎn)化成面接觸的，又為了探究材料在微動(dòng)行程狀態(tài)下取得的最小摩擦系數(shù)，在裝配上下試件時(shí)，選擇將長(zhǎng)方體的紋路與試驗(yàn)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的方向一致，由此，本試驗(yàn)選擇采用圓柱側(cè)面與平板進(jìn)行往復(fù)摩擦的方式以達(dá)到與實(shí)際的工程情況相符合的目的。

　　1.2 試驗(yàn)參數(shù)：

　　結(jié)合 UMT-Tribolab 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的額定參數(shù)以及試驗(yàn)?zāi)康囊还苍O(shè)置了兩組試驗(yàn)。第一組試驗(yàn)為五種材料在干摩擦條件下，保證在總行程為 10800 mm 速度為 0.01 m/s 的條件下進(jìn)行，第二組試驗(yàn)為超高分子量聚乙烯和 7%碳纖維填充的聚四氟乙烯兩種材料分別在干摩擦和油潤(rùn)滑兩種潤(rùn)滑條件下，保證在總微動(dòng)行程為 54000 mm 的情況下進(jìn)行。其中，潤(rùn)滑油為 10w-40，采取每隔一段時(shí)間用滴管滴油的方式進(jìn)行油潤(rùn)滑。

　　2 結(jié)果與討論

　　試驗(yàn)的摩擦系數(shù)由 UMT-Tribolab 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)實(shí)時(shí)記錄得到，試驗(yàn)所得到的摩擦系數(shù)平均值是根據(jù)摩擦系數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)趨于穩(wěn)定之后的摩擦系數(shù)曲線得到的。高分子聚合物材料磨損前后質(zhì)量由塞多利斯(Sartonus)電子分析天平(測(cè)量精度為 0.1 mg)測(cè)得。

　　2.1 五種材料在干摩擦條件下保證速度不變的情況分析

　　2.1.1 摩擦系數(shù)

　　為五種材料在載荷和總行程不變時(shí)的摩擦系數(shù)變化關(guān)系，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，五種材料的摩擦系數(shù)都隨著頻率的增加、微動(dòng)行程的減小逐漸減小。五種材料 中 ， PTFE+7% 碳 纖 維 材 料 和 PTFE+7% 碳 纖+5%MoS2材料的摩擦系數(shù)在兩種工況下較為接近，且摩擦系數(shù)隨循環(huán)次數(shù)的波動(dòng)趨勢(shì)一致。PTFE+7%碳纖維材料在兩種試驗(yàn)工況下摩擦系數(shù)均為最低。PTFE+40%銅粉材料和超高分子量聚乙烯材料摩擦系數(shù)較為接近，但 PTFE+40%銅粉材料在兩種工況下的摩擦系數(shù)在平穩(wěn)之后會(huì)隨著循環(huán)次數(shù)的增加緩慢增加，而超高分子量聚乙烯的摩擦系數(shù)在平穩(wěn)之后波動(dòng)很小。

　　2.1.2 磨損量

　　為在干摩擦條件下超高分子量聚乙烯、PTFE+40%銅粉、PTFE+7%碳纖維、PTFE+7%碳纖+5%MoS2、PEEK 五種材料在保證載荷和總行程不變的情況下，改變頻率和微動(dòng)行程得到的磨損量與微動(dòng)行程的關(guān)系圖。PTFE+40%銅粉材料的在改變頻率和微動(dòng)行程的情況下得到的磨損量均小于其他幾種材料，PTFE+40%銅粉和 PTFE+7%碳纖維兩種材料在保證速度不變，總微動(dòng)行程不變的情況下，改變頻率和微動(dòng)行程的情況下得到的磨損量規(guī)律相同，磨損量都隨著頻率的增大和微動(dòng)行程的減小而增大，而超高分子量聚乙烯材料、PEEK 材料和PTFE+7%碳纖維材料+5%MoS2 三種材料的磨損量都隨著頻率的增大以及微動(dòng)行程的減小而減小，相比于PEEK 材料，PTFE+7%碳纖維+5%MoS2材料磨損量減小的幅度更大一些。綜合以上五種材料在第一組試驗(yàn)的兩種工況下的摩擦系數(shù)和磨損量的情況，可以看出超高分子量聚乙烯材料和 PTFE+7%碳纖維材料的微動(dòng)磨損性能較為優(yōu)異，所以接下來選擇超高分子量聚乙烯材料和PTFE+7%碳纖維材料兩種材料進(jìn)行第二組試驗(yàn)。

　　2.2 油潤(rùn)滑和干摩擦兩種潤(rùn)滑條件下的情況分析

　　2.2.1 摩擦系數(shù)

　　為超高分子量聚乙烯和 PTFE+7%碳纖維兩種材料分別在干摩擦和油潤(rùn)滑兩種條件下摩擦系數(shù)圖。超高分子量聚乙烯無論是在干摩擦還是油潤(rùn)滑條件下，材料的平均摩擦系數(shù)隨著微動(dòng)行程的增大而增大。在同一微動(dòng)行程下，超高分子量聚乙烯材料干摩擦條件下的摩擦系數(shù)要大于油潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)。無論是在干摩擦條件下還是在油潤(rùn)滑條件下，PTFE+7%碳纖維材料的平均摩擦系數(shù)都隨著微動(dòng)行程的增加而增加。

　　在微動(dòng)行程為 0.1 mm 時(shí)，干摩擦條件下的平均摩擦系數(shù)明顯大于油潤(rùn)滑條件下的平均摩擦系數(shù)，而當(dāng)微動(dòng)行程為 0.2 mm、0.5 mm 時(shí)，干摩擦條件下的平均摩擦系數(shù)小于油潤(rùn)滑條件下的平均摩擦系數(shù)，可能是由于隨著微動(dòng)行程的增大，潤(rùn)滑油破壞了材料與金屬配副間由于摩擦磨損而形成的固體潤(rùn)滑膜，從而導(dǎo)致油潤(rùn)滑條件下的平均摩擦系數(shù)大于干摩擦條件下的平均摩擦系數(shù)。為超高分子量聚乙烯材料在干摩擦條件下摩擦系數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖。由圖可知，干摩擦條件下摩擦系數(shù)很快就在一個(gè)固定的幅度范圍內(nèi)波動(dòng)，為超高分子量聚乙烯材料在油潤(rùn)滑條件下摩擦系數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖，可以看出在油潤(rùn)滑條件下，超高分子量聚乙烯材料的摩擦系數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系在試驗(yàn)最開始時(shí)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大，然后逐漸趨于平穩(wěn)，但在平穩(wěn)階段的摩擦系數(shù)逐漸隨著循環(huán)次數(shù)的增大而緩慢減小，其中微動(dòng)行程為 0.1 mm 時(shí)這種變化規(guī)律更為明顯。

　　為PTFE+7%碳纖維材料在干摩擦條件下摩擦系數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖，由圖可知在干摩擦條件下 PTFE+7%碳纖維材料在達(dá)到穩(wěn)定后，摩擦系數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。為 PTFE+7%碳纖維材料在油潤(rùn)滑條件下摩擦系數(shù)與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系圖，由圖可知材料在油潤(rùn)滑條件下達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的循環(huán)次數(shù)要比干摩擦條件下達(dá)到穩(wěn)定時(shí)的循環(huán)次數(shù)更少，并且穩(wěn)定后大多數(shù)情況下摩擦系數(shù)波動(dòng)的幅度也要比在干摩擦條件下摩擦系數(shù)波動(dòng)的幅度小。

　　綜合以上兩種材料的摩擦系數(shù)關(guān)系圖，在干摩擦條件下，兩種材料的摩擦系數(shù)雖然都隨著微動(dòng)行程的增加而增加，但 PTFE+7%碳纖維材料的摩擦系數(shù)隨微動(dòng)行程的增加的幅度明顯小于超高分子量聚乙烯材料;微動(dòng)行程大于 0.2 mm 時(shí)，PTFE+7%碳纖維材料的摩擦系數(shù)要低于同種工況下超高分子量聚乙烯材料的摩擦系數(shù);在油潤(rùn)滑條件下，PTFE+7%碳纖維材料隨循環(huán)次數(shù)的變化幅度更小，但其摩擦系數(shù)隨著微動(dòng)行程的增加而增加的幅度要明顯大于超高分子量聚乙烯材料，并且當(dāng)微動(dòng)行程小于等于 0.2 mm 時(shí)，PTFE+7%碳纖維材料的摩擦系數(shù)明顯小于相同工況下超高分子量聚乙烯的摩擦系數(shù)。

　　2.2.2 磨損量

　　為超高分子量聚乙烯、PTFE+7%碳纖維兩種材料分別在干摩擦和油潤(rùn)滑兩種條件下磨損量與微動(dòng)行程的關(guān)系圖。對(duì)于超高分子量聚乙烯材料，可以看出兩種潤(rùn)滑條件下，微動(dòng)行程為 0.2 mm 時(shí)的磨損量明顯高于其他兩種微動(dòng)行程下的磨損量。此外，在同一微動(dòng)行程下，干摩擦條件下材料的磨損量一般要高于油潤(rùn)滑條件下材料的磨損量。而對(duì)于 PTFE+7%碳纖維材料，不同潤(rùn)滑狀態(tài)下磨損變化規(guī)律不一致，且微動(dòng)行程為 0.5 mm 時(shí)的磨損量明顯高于其他兩種微動(dòng)行程下的磨損量�？偟膩碚f，微動(dòng)行程小于等于0.2 mm 時(shí)建議選用 PTFE+7%碳纖維，微動(dòng)行程大于0.2 mm 時(shí)建議選用超高分子量聚乙烯材料。

　　3 結(jié)論

　　為提高組合密封中塑料圈微動(dòng)摩擦磨損特性，研究了五種高分子聚合物材料與 QT500 的微動(dòng)摩擦磨損情況，從中篩選出 PTFE+7%碳纖維、UHMWPE 兩種材料進(jìn)行不同微動(dòng)行程、潤(rùn)滑條件下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，所研究條件下：(1)綜合試驗(yàn)一兩種工況條件下的磨損量和摩擦系數(shù)，超高分子量聚乙烯、PTFE+40%銅粉、PTFE+7%碳纖維、PTFE+7%碳纖+5%MoS2、PEEK 五種材料中，PTFE+7%碳纖維材料的摩擦系數(shù)較低，且都低于 0.1。(2)對(duì)于超高分子量聚乙烯材料，無論是在干摩擦還是油潤(rùn)滑條件下，材料的平均摩擦系數(shù)隨著微動(dòng)行程的增大而增大;油潤(rùn)滑條件下，摩擦系數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的增加而緩慢減小。

　　(3)對(duì)于 PTFE+7%碳纖維材料，無論在干摩擦還是油潤(rùn)滑條件下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)摩擦系數(shù)隨著循環(huán)次數(shù)的波動(dòng)較小;微動(dòng)行程為 0.1 mm 時(shí)，油潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)平均值小于在干摩擦條件下的摩擦系數(shù)平均值;微動(dòng)行程大于 0.1 mm 時(shí)，油潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)平均值反而大于在干摩擦條件下的摩擦系數(shù)平均值。(4)對(duì)綜合摩擦系數(shù)與磨損的測(cè)試結(jié)果，微動(dòng)行程小于等于 0.2mm 時(shí)建議選用 PTFE+7%碳纖維材料，微動(dòng)行程大于 0.2mm 時(shí)，建議選用超高分子量聚乙烯材料。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 楊繼隆,俞浙青,裴翔等. 液壓往復(fù)密封的技術(shù)進(jìn)展[J]. 中國(guó)機(jī)械工程,2001, 12(7).

　　[2] Cheng G L,Guo F,Zang X H,et al.Failure analysis andimprovement measures of airplane actuator seals.Engineering Failure Analysis,2022.

　　[3] 吳瓊,索雙富,劉向鋒,等. 丁腈橡膠 O 形圈的靜密封及微動(dòng)密封特性[J]. 潤(rùn)滑與密封,2012,37(11):5-11.WU Q,SUO S F,LIU X F et al. Static Sealing andPseudo-sealing Characteristics of NITrile Rubber O-ring[J].Lubrication Engineering,2012, 37(1):5-11.

　　[4] Waterhouse RB. Fretting corrosion. Oxford: PergamonPress;1972.p.4-5.

　　[5] Tan ZH, Guo Q, Zhao ZP, Liu HB, Wang LX.Characteristics of fretting wear resistance for unfilledengineering thermoplastics. Wear 2011;271:2269-73.

　　[6] Basseville S, Cailletaud G. An evaluation of thecompetition between wear and crack initiation in frettingconditions for Ti-6Al-4V alloy.Wear,2015;328-329:443-55.

　　[7] 鄭金鵬. 機(jī)械密封補(bǔ)償機(jī)構(gòu)丁腈橡膠/金屬密封界面微動(dòng)損傷行為研究[D]. 浙江工業(yè)大學(xué), 2015.

　　作者：金嶼 1，呂曉仁 1，張兆想 2,3，郭飛 2*

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///dzlw/30158.html