聚氨醋彈性體摩擦襯墊材料的摩擦特性研究

1.材料與實(shí)驗(yàn)方法

我們采用的聚氨醋彈性體材料合成工藝如圖1所示。合成過(guò)程分三步進(jìn)行,首先用化學(xué)純已二胺和已二醇合成聚醇;聚醇與工業(yè)純 TDI二異氰酸預(yù)聚后生成聚氨預(yù)聚體;預(yù)案體加入擴(kuò)鏈劑及改性劑，反應(yīng)后生成聚氨酷彈性休。所合成的聚氨彈性體的抗張強(qiáng)度為38.4MPa，斷伸長(zhǎng)率為470%。摩擦性能的測(cè)試主要是在自制的定力法摩擦系數(shù)測(cè)試儀上進(jìn)行的。該裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖 2所示。

在這個(gè)裝置中正壓力保持恒定不變,聚氨酷彈性體試樣的尺寸為40mm x30mmx 20mm，實(shí)驗(yàn)前用500# 砂紙將試樣表面打磨平整。配對(duì)摩擦副材料為調(diào)質(zhì)處理的標(biāo)準(zhǔn)45#鋼，摩擦副接觸面除特別說(shuō)明外都是采用經(jīng)過(guò)磨削加工和表面拋光處理的平表面，實(shí)驗(yàn)前先用酒精把摩擦副表面擦洗于凈。可控加液管的加載速度一般控制為601g/min，最大正壓力為500kN，位移測(cè)量精度為 2rm。測(cè)試過(guò)程中，首先選取適當(dāng)?shù)钠胶馀渲?，安裝好試樣;然后通過(guò)可控加液管慢慢加載，位移計(jì)開(kāi)始移動(dòng)，當(dāng)位移為40m 時(shí)的摩擦系數(shù)記作靜摩擦系數(shù)，然后繼續(xù)加載并分別記取位移量為 50;m60pm80m、100m···等一系列不同數(shù)值時(shí)的時(shí)間根據(jù)載荷和位移計(jì)算摩擦系數(shù)和摩擦速度。

2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

聚氨酷彈性體材料是一種粘彈性高分子材料，其摩擦特性與金屬材料有顯著的差別。一般金屬材料的靜摩擦系數(shù)大于動(dòng)摩擦系數(shù)，而許多高分子材料的動(dòng)摩擦系數(shù)大于靜摩擦系數(shù)，這種特點(diǎn)在聚氨醋彈性體材料上表現(xiàn)得尤其突出。圖 3 是摩擦副的切向位移隨切向載荷變化的典型規(guī)律?？梢钥吹皆诤苄〉妮d荷下，對(duì)摩樣就發(fā)生了宏觀位移。開(kāi)始發(fā)生宏觀位移時(shí)的載荷一般不容易測(cè)準(zhǔn)，它和試樣的夾緊程度、配重大小等預(yù)應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。在載荷較小，位移量也較小的時(shí)候，位移量與切向載荷大致成正比。由于發(fā)生初始位移時(shí)的載荷不容易測(cè)準(zhǔn)，這個(gè)比例系數(shù)也難于準(zhǔn)確確定。在載荷和位移量較大的時(shí)候，位移量隨載荷上升的速度顯著提高，并且載荷和位移量之間的變化規(guī)律也比較穩(wěn)定。我們稱這種開(kāi)始穩(wěn)定時(shí)的摩擦系數(shù)為初始摩擦系數(shù)，它相當(dāng)于普通材料的靜摩擦系數(shù)。后面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中的摩擦系數(shù)都是指位移量等于或大于40rm時(shí)的摩擦系數(shù)。

摩擦村墊對(duì)摩擦性能要求的關(guān)鍵參數(shù)是靜態(tài)摩擦系數(shù)，作為靜態(tài)摩擦系數(shù)的近似，我們考察了初始摩擦系數(shù)隨比壓變化的情況，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖 4 所示?？梢钥闯瞿Σ料禂?shù)隨比壓的增大而上升，比壓較小時(shí) 比較顯著，大于1.5MPa后基本保持不變。正常工作情況下，摩擦襯墊與提升鋼絲繩應(yīng)保持相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，但工作中由于沖擊、振動(dòng)或其它原因難免會(huì)發(fā)生一點(diǎn)低速微小滑移，因此村墊材料的動(dòng)摩擦特性也是其重要的性能指標(biāo)。動(dòng)摩擦特性有兩個(gè)方面的指標(biāo):一是動(dòng)摩擦系數(shù)，另-個(gè)是摩擦系數(shù)的速度特性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，聚氨醋彈性體材料的動(dòng)摩擦系數(shù)大于初始摩擦系數(shù)，在9800N 在法向載荷下其初始摩擦系數(shù)約為 0.38，而經(jīng)過(guò)一段滑動(dòng)后仍可自動(dòng)停止的最大摩擦系數(shù)約為0.46。

聚氨酷彈性體材料摩擦系數(shù)的速度特性如圖 5所示，該曲線的測(cè)試方法是先給摩擦副緩慢加載，當(dāng)滑動(dòng)速度接近預(yù)定值后停止加載這時(shí)摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)緩慢減速或基本維持勻速運(yùn)動(dòng)，這時(shí)的摩擦系數(shù)近似認(rèn)為是該速度下的摩擦系數(shù)?？梢钥闯鲭S滑動(dòng)速度的上升，在0.01~040mm/s的速度范圍內(nèi)，聚氨醋彈性體材料的摩擦系數(shù)是上升趨勢(shì)。在更大的切向載荷下，摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)會(huì)逐漸加速而滑脫，說(shuō)明摩擦系數(shù)已不在增大，或許已開(kāi)始下降，但由于設(shè)備的原因而無(wú)法繼續(xù)測(cè)量。

3、分析與討論

(1)粘彈性體材料的靜摩擦系數(shù)靜摩擦系數(shù)與動(dòng)摩擦系數(shù)在物理概念上是很明確的，對(duì)于多數(shù)工程材料也是容易界定的，但對(duì)象聚氨醋彈性體這一類的粘彈性材料，要確定靜摩擦系數(shù)就存在一定困難。由于粘彈性體材料在低速下的微滑動(dòng)摩擦系數(shù)大于靜摩擦系數(shù)，在低速下的切向載荷位移曲線上切向力是單調(diào)上升的，不會(huì)因滑動(dòng)而降低，不象其它材料那樣有顯著的“動(dòng)”和“靜”的差異。此外，我們?cè)谕ǔ５膭?dòng)摩擦系數(shù)測(cè)試的高速(0.4/m/s)條件下的實(shí)驗(yàn)表明，聚氨彈性材料的穩(wěn)態(tài)動(dòng)摩擦系數(shù)比這里的“動(dòng)”摩擦系數(shù)低，當(dāng)然這里的主要影響因素是滑動(dòng)速度問(wèn)題。但考慮到低速微滑移時(shí)的摩擦系數(shù)的重要性，作者認(rèn)為可以把滑動(dòng)量較小而滑動(dòng)速度又很低的這一時(shí)期摩擦稱為“初期摩擦”，它是界于靜摩擦與動(dòng)摩擦之間的一種特殊的摩擦狀態(tài)。初期摩擦中滑動(dòng)開(kāi)始時(shí)的摩擦可以稱為初始摩擦，對(duì)于粘彈性體材料，這時(shí)的摩擦系數(shù)反映的是最低初期摩擦系數(shù)。

初始摩擦系數(shù)的測(cè)量受材料彈性(粘彈性)變形影響，相對(duì)滑動(dòng)應(yīng)當(dāng)是界面相對(duì)滑動(dòng)而不應(yīng)該是整體位移，而界面上的滑動(dòng)是無(wú)法測(cè)量的，因而又只得以整體位移來(lái)衡量，用整體位移來(lái)測(cè)量就必然有彈性變形的影響問(wèn)題。過(guò)去的研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，即使變形較小的金屬材料也會(huì)存在預(yù)位移，只是其位移量較小，而彈性體材料易于變形，因此預(yù)位移就很顯著了。預(yù)位移的大小與試樣的裝夾及尺寸有關(guān)，特別是和變形高度有關(guān)，因此測(cè)試中應(yīng)盡量減小變形高度和增加變形剛度。

(2)論本研究主要是針對(duì)摩擦襯墊材料進(jìn)行的。摩擦襯墊的工作原理是通過(guò)鋼絲繩與襯墊的摩擦來(lái)完成提升工作，期望摩擦襯墊與鋼絲繩之間能產(chǎn)生最大的摩擦。從摩擦學(xué)原理來(lái)講，一般認(rèn)為摩擦力主要來(lái)源于摩擦的切分量和粘著分量，犁切分量主要和表面粗度及材料的物理機(jī)械性能有關(guān)，粘著分量主要和配對(duì)副材料的物理化學(xué)性能有關(guān)。由于工作中摩擦襯墊和鋼絲繩的表面狀態(tài)是動(dòng)態(tài)變化的，表面粗糙度是難以控制的因素，因此有效地提高粘著分量是提高襯墊摩擦性能的可靠保證。因此本研究中摩擦副的表面是經(jīng)過(guò)磨削和表面拋光的盡量減少型切分量的影響，粘著應(yīng)該是其主要的摩擦機(jī)理。根據(jù)粘著摩擦理論，摩擦副表面的接觸主要 發(fā)生在微凸體的頂端，在法向力的作用下形成接點(diǎn)，切向力的作用使接點(diǎn)長(zhǎng)大和滑脫。在金屬配對(duì)副中，接點(diǎn)可能是具有“冷焊”性質(zhì)的高強(qiáng)度接點(diǎn)。

在本實(shí)驗(yàn)中，聚氨醋彈性體不可能與金屬產(chǎn)生“冷焊”，但卻有可能形成較高強(qiáng)度的化學(xué)粘接。我們用同樣預(yù)聚體合成的化學(xué)結(jié)構(gòu)相近的聚氨彈性體膠粘劑對(duì)45鋼的粘接實(shí)驗(yàn)表明，其與金屬的實(shí)測(cè)剪切粘接強(qiáng)度在5~15MPa，這個(gè)數(shù)值比我們的05MPa的正壓力下測(cè)得的摩擦力要大20~60倍，比25MPa正壓力下的摩擦力也要大 5-15 倍?？紤]到粘接實(shí)驗(yàn)也不可能是全部表面的均勻粘接，聚氨酷彈性體與金屬的理論化學(xué)粘接強(qiáng)度還會(huì)高。因此我們認(rèn)為接點(diǎn)的化學(xué)粘接可能是形成接點(diǎn)的主要機(jī)理。按照接點(diǎn)化學(xué)粘接的假設(shè)，提高正壓力會(huì)增大接觸面積，提高摩擦力，這與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象是基本符合的由于難以直接測(cè)量接觸面積，對(duì)于較高載荷下摩擦飽和現(xiàn)象尚未深入研究。在速度影響方面，由于速度會(huì)增加摩擦熱使接觸區(qū)溫度上升，溫度提高有利于提高分子的密切接觸，使粘接強(qiáng)度提高。我們?cè)?10~20C的不同溫度下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明:溫度提高，摩擦系數(shù)上升。根據(jù)粘接劑理論，粘接強(qiáng)度正比于分子中的極性基團(tuán)。我們有實(shí)驗(yàn)材料中添加少量強(qiáng)極性基團(tuán)后摩擦系數(shù)的確有所提高。

4、結(jié)論

(1)聚氨酷彈性體材料的動(dòng)摩擦系數(shù)是和滑動(dòng)速度有關(guān)的，在0.01~04m/s 的速度范圍內(nèi)，速度提高摩擦系數(shù)上升，在更高的速度下摩擦系數(shù)則會(huì)下降

(2)聚彈性體材料的靜擦系數(shù)是比較難以確定的。本文建議把滑動(dòng)量較小而滑動(dòng)速度又很低的這--時(shí)期的摩擦稱為“初期摩擦”，它是界于靜摩擦與動(dòng)摩擦之間的一種特殊的摩擦狀態(tài)。初期摩擦中滑動(dòng)開(kāi)始時(shí)的摩擦可以稱為初始摩擦，初始摩擦系數(shù)反映的是最低初期摩擦系數(shù)。

(3)高分子材料與金屬摩擦配對(duì)副的粘著摩擦機(jī)理可以用接點(diǎn)化學(xué)粘接的機(jī)理來(lái)解釋。根據(jù)這種機(jī)理，提高高分子材料的極性基團(tuán)含量可以提高粘接強(qiáng)度，進(jìn)而提高摩擦力。

END

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