随行振动胶塞用芳纶纤维布复合材料的制备及摩擦磨损性能*

于 洋 景卜卜 杨广元 徐桂鹏 原晨康 李争光

(西安科技大学机械工程学院 陕西西安 710054)

在石油钻井、固井中，使用随行振动胶塞进行固井作业时，振动胶塞与套管进行共频振动，与井壁进行自上而下的振动接触，并与井下的岩石、水泥浆等产生剧烈的摩擦磨损，因此要求振动胶塞具有较好的耐磨性。此外，随行振动胶塞在套管里长期工作，环境温度高，要求胶塞材料有较高的耐热性；随行振动胶塞在钻井、固井时，井下的水泥浆呈碱性，要求随行振动胶塞具有较强的耐碱性。因此，对振动胶塞进行改性，增强振动胶塞的耐磨性，不仅可延长其使用寿命，减少振动胶塞的更换频率，而且可在固井时使得水泥浆固化更加密实，开采油气的安全性大幅提高，从而提高社会效益与经济效益[1-2]。

芳纶纤维具有各种优良性能，例如高强度、高模量、耐碱性、密度小和耐磨损等，且芳纶纤维不污染环境、对人体无害，因此，芳纶纤维是一种较为理想的橡胶增强材料。研究人员通过试验对影响芳纶纤维的耐磨性因素进行了研究。李鑫陵等[3]实验研究了影响芳纶织物撕破强力的因素，结果表明：高密度平纹机织物，织物撕破强力与织物经纬密度成正比关系；中低密度平纹机织物，织物撕破强力与织物经纬密度成反比关系。刘旭军等[4]对芳纶纤维在不同负荷和速度条件下的摩擦磨损情况进行了实验分析，实验结果表明：当负荷增大，芳纶纤维织物的摩擦因数降低，磨损率增大；摩擦速度对芳纶纤维织物的摩擦磨损情况影响不是很大；通过对织物挤压变形和填充磨屑作用可改变摩擦时实际接触面积，从而改善磨损现象。杨战厚等[5]总结分析了芳纶纤维在复合摩擦材料中的应用，认为芳纶纤维较玻璃纤维、碳纤维等强度高、密度小、耐热、稳定性好，是作为增强易磨损材料耐磨性的首选增强材料；在摩擦材料添加40%(体积分数)以上凯夫拉纤维时，摩擦材料的磨损率会降到最低。陈东和鲁亮[6]对芳纶纤维在制动摩擦过程中摩擦表面变化和制动摩擦过程中的作用进行了分析，得出：在制动摩擦过程中，芳纶表面出现了局部过热、软化现象，从而形成了黏着磨损，加剧了芳纶纤维的摩擦磨损，降低了摩擦因数；芳纶纤维在制动摩擦过程中并不适合单独作为耐磨性材料，应和其他耐磨材料一起作为复合耐磨材料，才能达到在高强度的制动摩擦条件下使摩擦材料的损耗减小。上述研究表明，研究人员已通过各种试验对影响纤维织物的耐磨性因素进行了研究分析，而目前国内外针对影响芳纶纤维织物耐磨性的因素研究相对较少，并且在研究织物不同经纬密度对其耐磨性影响过程中并没有提出如何试织不同经纬密度的试验织物，因此研究影响芳纶纤维耐磨性的因素和提出试织不同经纬密度织物的方法可为摩擦材料的研发提供参考。

目前国内外研究表明，芳纶纤维是非常适合用于增强易摩擦材料的复合纤维材料。本文作者提出采用芳纶纤维来提高随行振动胶塞的耐磨性，探讨影响芳纶纤维耐磨性的主要因素，从摩擦转速和芳纶织物的经纬密度2个方面分析对芳纶纤维耐磨性的影响，得出最合适的摩擦转速和最优经纬密度；以最优的经纬密度来试织芳纶纤维织物，然后将试织好的芳纶纤维粘附于随行振动胶塞，研究其耐磨性。

1 试验部分

1.1 试验材料

李鑫陵等[3]实验研究指出：当纤维织物的经纬密度相等时织物的各种性能比较强；宋孝浜[7]实验研究指出：加捻的纤维织物耐磨性比退捻的纤维织物耐磨性高。因此在研究芳纶织物经纬密度对其耐磨性能影响时，采用浙江轩泰新材料有限公司生产的6股21tex加捻芳纶1414长丝为原料。

采用YG020A-30kg型单纱强力机(常州市双固顿达机电科技有限公司生产，如图1所示)测得6股21tex加捻芳纶1414长丝的断裂伸长率为15.33%，断裂强力为7.35 N；采用YG155B型电子纱线捻度机(常州市双固顿达机电科技有限公司生产)测得纱线的捻度为764 T/m，纱线回潮率为5.11%。

图1 YG020A-30kg型单纱强力机

1.2 试样制备

根据Bnierley经验公式计算出芳纶织物最大的上机密度：

(1)

式中：Pmax为织物最大等经纬密度，根/(10 cm)；K为纱线织物类别常数，芳纶1414长丝纤维纱取35.0；f为织物组织平均浮长，平纹组织取1；m为经验法组织常数，平纹组织取1；Nt为纱线线密度，Nt=21tex。

由式(1)得：

Pmax=240根/(10 cm)

因此，根据Bnierley经验公式计算出芳纶织物最大的上机密度为240根/(10 cm)，则试验试样织物的经纬密度可设计为每10 cm 240根×240根、220根×220根、200根×200根、180根×180根、160根×160根、140根×140根。将试样分别标号为FL1、FL2、FL3、FL4、FL5、FL6。

根据设计的6种等经纬密度织物，在宁波慈星股份有限公司生产的CX1-52EC横机上(如图2所示)进行自动制织试验样品，每个样品规定制织约100 mm×200 mm。

图2 CX1-52EC横机

1.3 主要设备与试验方法

采用中国台湾高铁检测仪器公司生产的GT-7012-D DIN磨耗试验机(如图3所示)对6种试样进行摩擦磨损试验。磨耗机的滚筒、摩擦测试示意图分别如图4、5所示。试验前后试样质量由电子天平测得。试验前，将制备的芳纶试样粘贴于万能磨耗机的摩擦基板表面，摩擦基板随摩擦滚筒转动[8-11]。试验载荷设为45 N，摩擦滚筒转速设为100 r/min，摩擦时间设为30 min。

图3 DIN磨耗试验机

图4 DIN磨耗试验机滚筒

图5 DIN磨耗试验机摩擦测试示意

由于摩擦因数在实验过程中是不断变化的，因此，当摩擦处于相对稳定状态后选取几个摩擦因数，取平均值。

摩擦因数计算公式为

(2)

式中：μ为摩擦因数；M为摩擦力矩(N·m)；F为试验载荷(N)；L为试样摩擦表面的有效长度(cm)。

试样磨损率计算公式为

(3)

式中：Δw为试样的磨损率；m1为试验前试样质量(g)；m2为试验后试样质量(g)；ρ为试样密度(g/cm3)；F为试验载荷(N)；L为试样摩擦表面的有效长度(cm)。

试验前后试样质量m1、m2均由EX124ZH型电子天平测得，分别测试3次取平均值。试样密度ρ为由芳纶生产厂家提供，制备的6种试样的ρ均取1.44 g/cm3。

2 结果与讨论

2.1 不同织物经纬密度对耐磨性的影响

根据振动胶塞工作条件，设定载荷为45 N，摩擦滚筒转速为100 r/min，摩擦时间为30 min，对制备的6种试样进行了摩擦磨损试验，结果如表1所示。

表1 不同经纬密度织物的摩擦因数和磨损率

由表1可得出不同经纬密度织物试样与摩擦因数变化曲线和拟合曲线如图6所示，不同经纬密度织物试样与磨损率变化曲线和拟合曲线，如图7所示。在复合材料进行磨损试验时，纤维织物经纬纱线的上表层受压，经纬纱线的下表层则受拉，如图8所示[12-15]。

由图6可分析出，在相同摩擦转速(100 r/min)和载荷(45 N)条件下，随着芳纶纤维的经纬密度的增加，织物的摩擦因数呈下降的趋势。其中从试样FL1(每10 cm 140根×140根)到试样FL2(每10 cm 200根×200根)摩擦因数下降趋势最大，从试样FL4(每10 cm 200根×200根)到试样FL6(每10 cm 240根×240根)摩擦因数下降趋势趋于稳定。

由图7可分析出，随着织物经纬密度不断增加，芳纶纤维的磨损率在不断减小。其中从试样FL1(每10 cm 140根×140根)到试样FL4(每10 cm 200根×200根)的磨损率减小较大，从试样FL4(每10 cm 200根×200根)到试样FL6(每10 cm 240根×240根)的磨损率减小较小。

图7 不同经纬密度试样的磨损率曲线

由图8可分析出纤维的经纱受力大小与屈曲角有关，当纤维的纬纱密度增加时，纤维的经纱与水平的夹角α增大，当夹角α增大会使垂直于在经纱上的分力Fcosα而减小，所以作用在复合材料上的弹性模量会随纬密的增加而增大。

图8 芳纶纤维布经纬截面与受力

由图6、7可总结出：芳纶纤维布纺织的密度越大，纱线间的间隙越小，则耐磨性越强。这是因为纱线越粗，在挤压作用下纤维间的抱合力越大，承受摩擦的纤维根数也越多，纱线耐磨寿命增加，织物的磨损率降低，所以耐磨性越好。即6股21tex加捻芳纶1414织物经纬密度在每10 cm 240根×240根时耐磨性可达最佳状态。

图6 不同经纬密度试样的摩擦因数曲线

2.2 不同摩擦转速下芳纶纤维的耐磨性

采用耐磨性最好的试样FL6(每10 cm 240根×240根)，设定试验载荷为45 N，摩擦时间为30 min，在不同摩擦转速下考察芳纶纤维的耐磨性[16-18]。试验摩擦转速分别设为80、90、100、110、120、130 r/min，结果如表2所示。

表2 不同摩擦转速下织物的摩擦因数和磨损率

由表2可得出织物不同摩擦转速与摩擦因数变化曲线和拟合曲线，如图9所示，织物不同摩擦转速与磨损率变化曲线和拟合曲线，如图10所示。

由图9可分析出：芳纶纤维织物经纬密度不变时，其摩擦因数随着摩擦转速的增加呈先减小后增加的变化规律；在转速为110 r/min时摩擦因数最小，为0.42。由图10可分析出：芳纶纤维织物经纬密度不变时，其磨损率随着摩擦转速的提高呈先降低后升高的变化规律；在转速为110 r/min时磨损率最小，为1.4×10-3mm3/(N·m)。

图10 不同摩擦转速下试样的磨损率曲线

由图9、10可总结出：织物经纬密度(每10 cm 240根×240)一定的条件下，在一定摩擦转速范围内，织物耐磨性可达到最佳状态；当摩擦转速过高时，摩擦运动就会过于剧烈，纱线的摩擦因数和磨损率就会提高；当摩擦速度为110 r/min时，6股21tex加捻芳纶1414织物的耐磨性可达到最佳状态。

图9 不同摩擦转速下试样的摩擦因数曲线

3 结论

(1)芳纶复合材料的耐磨性与芳纶织物的经纬密度有很大的关系，随着芳纶纤维织物经纬密度的增大，复合材料的摩擦因数和磨损率减小。这是因为随芳纶复合材料经纬密度的增大，芳纶织物的间隙逐渐减小，致密性则越来越好，纱线越粗，在挤压作用下纤维间的抱合力越大，承受摩擦的纤维根数越多，从而提高了材料的抗拉、抗弯曲性能，增加了材料的接触面积，进而提高了织物的抗磨损性能。

(2)摩擦转速影响芳纶复合材料的耐磨性，随着摩擦转速的提高，芳纶复合材料的摩擦因数和磨损率呈先减小后增加的变化规律，存在一个最佳摩擦转速范围，可使芳纶复合材料的耐磨性达到最佳状态。即当摩擦速度为110 r/min时，6股21tex加捻芳纶1414织物的耐磨性可达到最佳状态。

(3)当摩擦速度过高时，芳纶织物运动剧烈，其摩擦因数和磨损率增大，导致其抗磨损性能下降。考虑到速度过高会对芳纶织物造成剧烈损伤，所以随行振动胶塞在下井时必须控制在一定转速范围之内。