浇铸尼龙摩擦磨损影响因素研究

2021-06-28何志辉

合成材料老化与应用 2021年3期

何志辉，何婷

（三一重工股份有限公司，湖南长沙410100）

离心浇铸尼龙(MC nylon)是以己内酰胺为主要原料，在常压下将熔融的己内酰胺单体(用强碱性物质作催化剂)减压脱水后，与助催化剂等混合均匀，直接注入一定温度的模具中聚合成型。MC尼龙具有较高的力学性能、较好的自润滑性能和减震降噪性能，被广泛用于齿轮、轴承及滑块等大型制品，广泛应用于港口机械、起重机械。

本文通过系统试验分析，研究了MC尼龙摩擦磨损性能的影响因素，以期为解决MC尼龙使用过程中的摩擦磨损问题提供试验依据和理论指导。

1 试验部分

1.1 试验材料与设备

原材料为公司采购的浇筑尼龙滑块，经机加工制成试样样品，滑块供应商包括株洲时代、施瓦茨等。

摩擦磨损试验机：UMT-3H 型，美国CETR。

2.2 试验方法

2.2.1 滑块正交试验评价

影响摩擦的因数很多，包括摩擦副材料的性质、环境气氛、静止接触时间、载荷情况、摩擦副的刚度和弹性、运转速度、温度状况、摩擦表面接触几何特性和表面层物理性质，以及介质的化学作用等。为综合研究滑块材料在整个工况环境中摩擦磨损性能变化，设计正交试验，研究温度、速度、法向载荷、润滑条件等因子对滑块材料摩擦磨损性能影响。设计试验参数见表1。试验运动方式为点接触旋转运动，球直径9.5mm，硬度39HRC。

表1 L9(34)正交试验因子水平表Table 1 L9(34) orthogonal experiment factor level table

2.2.2 滑块单因素变量试验

摩擦磨损试验在美国CETR 产UMT-3H 型摩擦磨损试验机上进行。为消除其他因素对摩擦磨损性能影响，保证试验数据可对比性，选择在同一个程序中设置不同step 的方式，实现试验目的。试验中固定其他参数不变，改变不同step 之间的单一因素，进行试验研究。采用不锈钢销为对磨件，销直径6.5mm，选择运动方式为旋转运动，旋转半径6mm。转速、温度、载荷连续可调。

3 结果与讨论

3.1 正交试验数据分析

3.1.1 磨损量分析

根据正交试验表，取施瓦茨的滑块开展摩擦磨损试验。磨损量试验数据见表2。

表2 L9(34)正交试验结果Table 2 L9(34) orthogonal experimental result

表3 为因子的极差结果，图1为因子效应图。从表3和图1均可知，4个因素的主次影响顺序为温度＞润滑条件＞法向载荷＞转速，其中温度取40℃，转速取200r/min，法向载荷取50N，润滑条件为特殊润滑时，磨损量最小。因为r 的极差最小，所以把r 作为误差考虑，进行方差分析。表4为以磨损量为目标值的方差分析结果。由表4可知，采用90%的信心水准时，温度和润滑条件是显著影响因素。

表3 因子极差结果Table 3 Factor range results

图1 磨损量为目标值的因子效应图Fig.1 Factor effect diagram of wear as target value

表4 方差分析表Table 4 Variance analysis table

3.1.2 摩擦系数正交试验分析

以摩擦系数为对象进行正交分析，表5为因子的极差结果，图2为因子效应图。从表5和图2均可知，4个因素的主次影响顺序为润滑条件＞转速＞法向载荷＞温度。但4个测试因素影响差异较小，这一试验结果与铁道部标准计量研究所的数据相吻合[1]。造成4个因素影响差异较小的原因包括两个方面：(1)所选4个因子的交互作用较大，这一推测符合摩擦学经典理论。(2)4 个因子水平选取步长差异较小，使得这4 个因子对目标值的影响相差不大，因而不能真实反映因子的主次影响顺序以及各个因子的最优水平。因此，对摩擦性能的正交试验结果应审慎引用。为进一步研究各因素对摩擦系数的影响，进行单因素影响补充试验。

表5 因子极差结果Table 5 Factor range results

图2 摩擦因子为目标值的因子效应图Fig. 2 Factor effect diagram with friction factor as target value

3.2 摩擦系数影响因素分析

3.2.1 法向载荷的影响

为研究法向载荷对摩擦系数的影响，设计了本试验，试验结果如图3所示。从图3可见，随着法向载荷的线性增加，株洲时代试样摩擦系数呈现先增加后降低的趋势，这一结论与孙世豪、Huchings等[2-5]的结果相吻合。而陈平、焦有威[6-7]的研究表明，摩擦力和接触压力之间的关系总体上满足库仑摩擦定律，但由于滑动中表面结构受力变形会引起接触面积发生变化，当接触压力在特定范围内变化时，摩擦力会随着接触压力的增大而减小。陈平的试验发现载荷小于90N时，PA66以黏着磨损为主。载荷为90N时，PA66磨损形式为犁削磨损和黏着磨损。载荷为140 N时，PA66的磨损形式为黏着磨损并伴有胶合现象的产生。摩擦学粘着理论认为摩擦力与实际接触面积成正比，而实际接触面积并不随法向载荷的增加而线性变化，使得滑动摩按系数随着法向载荷的增加，而呈现先增加后降低的趋势。

图3 法向载荷对摩擦系数的影响Fig.3 Influence of normal load on friction coefficient

3.2.2 滑动速度的影响

一般情况下，摩擦系数随滑动速度增加而升高，越过一个极大值后，又随滑动速度的增加而减少。克拉盖尔斯基对各种材料在速度变化范围为0.0034～25 m/s、压力变化范围为0.8～166 kPa 时的摩擦系数进行试验研究后得出：当速度增大时摩擦系数通过一个最大值[5],一般认为滑动速度对摩擦系数的影响，主要是摩擦引起温度的变化所致。滑动速度引起的发热和温度的变化，改变了摩擦表面层的性质和接触状况，因而摩擦系数必将随之变化。图4是株洲试样摩擦系数随速度的变化趋势，从图4可以看出，随着旋转速度的增加，摩擦系数同比增加。在旋转速度降低后，摩擦系数同步降低，这一结论与马艳艳、孙永红等[8-9]通过环块式试验机获得的结果相一致，如图5所示。

图4 法向载荷对摩擦系数的影响Fig.4 Influence of rotation speed on friction coefficient

图5 速度对摩擦系数的影响Fig.5 Influence of velocity on friction coefficient

吴先明等[10]分析认为机床导轨的静、动摩擦系数差异，可能是造成继承滑动副发生爬行的主要原因之一。我们认为摩擦系数在臂架运行过程中的突变是臂架抖动的原因之一，摩擦系数速度依赖性，造成滑动部件在不同运动速度下摩擦系数的差异，形成臂架滑动副之间的自激震动。在滑动部件运动过程中，由于摩擦系数随着速度增加而增加，在较低速度时，滑动部件有正的加速度，随着运动时间延长，速度增加，摩擦系数随之增加，加速度逐渐变小，甚至成为负值，造成速度降低，构成滑动副之间自激震动。焦有威[11]的研究表明但由于试样数量限制和时间仓促，对此尚需进行深入分析和论证。

3.2.3 温度的影响

摩擦副相互滑动时，温度的变化使表面材料的性质发生改变，从而影响摩擦系数，摩擦系数随摩擦副工作条件的不同而变化，具体情况需用试验方法测定。

图6 、图7为同一试验过程数据。图6为温度对8#试样摩擦系数的影响曲线，从图6可以看出，试验温度从25℃升高到100℃过程中，摩擦系数没有出现明显变化。

图6 温度对摩擦系数的影响Fig.6 Effect of temperature on friction coefficient

图7 为试验过程中Z 位移对试验温度曲线，从图7可以发现，当温度从25℃升高到100℃过程中，Z向位移发生显著变化。由于尼龙试样1.8MPa下热变形温度低于100℃，在150N载荷下试样压力约为5MPa，推断Z向位移的突变可能是试样发生了明显的塑性变形导致的。

图7 温度对磨损深度的影响Fig .7 Effect of temperature on wear depth

3.2.4 运动方式的影响

为研究运动方式对高分子材料摩擦系数的影响，对比了往复运动、旋转运动两种运动试验结果。两种运动方式都采用点接触、法向载荷为50N。试验对比结果如图8所示，运动方式对摩擦系数的影响，发现旋转运动与往复运动测试结果差异显著，图8数据显示，往复运动测试的摩擦系数比旋转运动测试结果要高1倍左右。这与张纱等[11]的研究结果相一致，其研究认为在往复扭动运动方式下，滑块承受的主要是交变剪切应力，造成摩擦副表面形成复杂褶皱形貌，且磨损过程中磨粒不易排出，摩擦热不易散失。

图8 运动方式对摩擦系数的影响Fig.8 Influence of motion mode on friction coefficient

3.2.5 试验时间的影响

摩擦系数与时间的关系比较复杂。通常认为试验对摩擦系数的影响与高分子材料的蠕变性能、摩擦热积累、磨粒生成等多种因素相关。图9为株洲滑块试样在测试过程中摩擦系数的变化。图9说明，在测试进行到5min时，摩擦系数进入相对稳定阶段。在试验进行到50min时，摩擦系数发生突变，从0.12增加到0.26，同时磨损深度z 从-0.03mm增加到-0.09mm，表明摩擦系数的突变可能与材料突然进入的剧烈磨损期有关。试验进行到100min时，摩擦系数再次进入稳定期，可能与磨损机理由粘着变成磨料磨损有关，图10、图11 为试验结束后试样与摩擦副照片，从图10、图11 可以发现大量的磨粒、磨屑，与推测结论基本一致。这一结论与邱明等[12-13]的研究结果相一致，磨损机理的改变造成了摩擦系数的突变。