多因素影响的格莱圈材料摩擦磨损试验研究*

李 磊 刘晓玲 刘凤麒 郭光福

(青岛理工大学机械与汽车工程学院 山东青岛 266520)

密封失效引起的液压油泄漏是各类工程机械液压缸面临的主要问题之一， 其中密封装置的寿命更是作为衡量液压系统好坏的重要指标。随着机械行业的高速发展，对于液压缸的工况条件也提出了更高的参数要求，橡塑组合密封作为近年来发展迅速的一种密封件结构形式，具有更优异的密封可靠性和密封寿命[1-2]。除此之外，橡塑组合密封也具有低摩擦、自润滑、耐磨损、耐高压等特性，目前广泛应用于航空航天、建筑、矿山等行业的机械设备中[3-4]。

格莱圈密封作为一种典型的橡塑组合密封，一般由一个提供弹性支撑的丁腈橡胶(NBR)O形圈和一个聚四氟乙烯(PTFE)矩形滑环组成，其安装结构如图1所示，格莱圈的性能直接关系到液压系统的运行可靠性和安全寿命[5]。目前，基于格莱圈密封的试验研究已有不少，密封圈密封性能分析试验方面，KANETA等[6]通过光干涉法测量了往复运动中D形密封件和唇形密封件的摩擦力和油膜厚度，给出了密封区域内的润滑油分布情况。MAZZA和BELFORTE[7]提出了一种求解气动制动器中往复运动唇形密封摩擦力的模型并进行了试验验证，指出摩擦力主要受腔内压力和速度影响。NIKAS等[8]和KANTERS和VISSCHER[9]通过试验研究了全尺寸矩形往复液压密封圈的摩擦学性能和对液压油泄漏的影响。周洋等人[10]在油封试验机上测量了不同规格的密封圈的摩擦扭矩、腔体温度和泵吸量等参数。

图1 格莱圈安装结构

密封圈材料性能分析试验方面，郭永基等[11]对丁腈橡胶和聚四氟乙烯溶胀引起的漏油问题进行了试验研究。沈明学等[12]研究了O形圈中金属表面粗糙度对摩擦和磨损的影响，研究表明，合适的粗糙度起到了减缓磨损的作用。PAPATHEODOROU和HANNIFIN[13]研究发现活塞杆或缸筒粗糙度的最合适经验区间为0.2～0.6 μm。李劲峰[14]通过在柔性密封材料上加工不同的表面织构研究其润滑特性及磨损机制，结果表明，在低速下，表面织构可以起到减磨作用；在高速条件下，表面织构不能显著地影响材料的摩擦学特性。KUANG等[15]对低速重载下的丁腈橡胶、超高分子量聚乙烯、纳米二硫化钼进行了摩擦磨损试验研究。叶素娟等[16]对密封圈材料蠕变性能进行了研究，研究发现摩擦热使得工作环境温度上升，加剧了PTFE分子热运动程度，从而使 PTFE 复合材料的压缩蠕变增大。BASSANI等[17]通过不同工况下的PTFE摩擦磨损试验得出，在不同加载范围内，法向载荷的变化对PTFE材料摩擦因数和磨损率的影响无明显规律。

以上研究考虑了密封圈材料的溶胀和蠕变特性、金属配副的表面粗糙度、密封圈表面织构以及载荷对于格莱圈摩擦磨损性能的影响，但较少涉及密封圈材料本身粗糙度和往复频率对于摩擦磨损性能的影响，以及2种材料在不同工况下摩擦磨损机制的对比研究。

为此，本文作者利用UMT-3多功能摩擦磨损试验机，将格莱圈材料PTFE和NBR分别制成试块与45钢球组成配副进行试验，探究往复频率、表面粗糙度和润滑状态对2种材料摩擦磨损性能的影响规律，并进行机制分析，为格莱圈材料在橡塑组合密封的应用提供试验支持。

1 试验部分

1.1 试验材料及制备

试验所用PTFE和NBR材料试块由上海谦梓橡胶制品有限公司加工制作，根据UMT试验机夹具尺寸加工2种试块尺寸为30 mm×30 mm×5 mm。试块的摩擦配副采用45钢球，直径为9.522 mm，表面粗糙度Ra=0.05 mm。润滑油采用美孚DTE 21液压油，40 ℃运动黏度为10 m2/s，密度为0.845 kg/L。不同表面粗糙度试件分别采用220目、800目和1 200目的砂纸打磨获得单向纹理。

1.2 试验步骤

通过UMT-3多功能摩擦磨损试验机模拟密封圈的往复运动，接触方式为点-线接触，钢球运动方向垂直于试块表面纹理方向。考虑到实际工作中往复运动的密封圈压缩率在10%～20%之间，因此对试样施加10 N的法向载荷。

试验前，钢球用丙酮超声清洗15 min后用氮气吹干，PTFE和NBR试块用无水乙醇超声清洗15 min后用去离子水超声清洗15 min，自然晾晒干燥。通过UMT-3多功能摩擦磨损试验机进行摩擦磨损试验，试验时间为1 h，为了保证试验的准确性，每组试验重复3次。采用精度为0.000 1 g的FA224赛多利斯电子天秤对试验前后试件的质量进行称量，分别重复3次取平均值，计算磨损量。通过SEM观察试件的表面形貌，并对比摩擦磨损试验前后试块的表面形貌，分析磨损机制。

2 试验结果与讨论

2.1 不同润滑状态对格莱圈材料摩擦学性能的影响

润滑状态对格莱圈材料摩擦学性能影响的试验研究工况参数为：载荷10 N，往复频率3 Hz，试件表面粗糙度为220目砂纸打磨，室温20 ℃，每组试验时间3 600 s。分别在不同润滑状态条件下进行2种试块的摩擦磨损试验。图2(a)所示为NBR试块在干摩擦和滴油润滑条件下与摩擦配副45钢球摩擦磨损试验的摩擦因数曲线，可以看出，在干摩擦条件下摩擦因数先急剧减小，900 s后稳定在0.48左右，这是由于在前期跑合阶段，试件表面的微凸峰不断被磨损，磨屑填充到凹谷处形成较为平整的表面，表面粗糙度降低，摩擦因数减小。在滴油润滑情况下由于润滑油填充到粗糙峰之间起到润滑作用，摩擦因数自始至终稳定在0.1左右，比干摩擦条件下降低了80%。

图2(b)所示为PTFE试块在干摩擦和滴油润滑条件下与45钢球配副摩擦磨损试验的摩擦因数曲线，可以看出，其摩擦因数要远低于NBR材料，这是由于PTFE材料具有良好的自润滑性能。PTFE试块在干摩擦条件下的摩擦因数随着往复运动时间略有上升，最大达到0.15，并且在试验后期摩擦因数的波动增大。这是由于PTFE材料导热系数低、散热系数小，使得摩擦热不断积聚，温度升高使得分子间作用力增大。而在滴油润滑下由于润滑油的散热和润滑作用，PTFE试块的摩擦因数始终保持在0.025左右，相比干摩擦下的摩擦因数低了约85%，具有良好的摩擦学性能。

图2 不同润滑状态下两材料的摩擦因数

图3示出了PTFE和NBR材料在不同润滑状态下的磨损量，可以看出NBR材料在干摩擦条件下磨损量最大，达到了6 mg，添加润滑油后磨损量降低了83%;PTFE材料在滴油润滑下磨损量最小，仅为0.13 mg，相比于干摩擦条件下磨损量降低了95%。所以油润滑不仅可以降低摩擦也可以减少磨损，在工程应用中要尽量避免乏油现象的产生。并且在相同工况下，NBR材料的磨损量和摩擦因数要明显高于PTFE材料，所以PTFE材料比NBR材料具有更好的摩擦学性能。

图3 不同润滑状态下两材料的磨损量

2.2 不同粗糙度对格莱圈材料摩擦学性能的影响

粗糙度对格莱圈材料摩擦学性能影响的试验研究工况参数为：干摩擦状态，载荷10 N，往复频率3 Hz，室温20 ℃，每组试验时间3 600 s。图4(a)所示为具有不同粗糙度NBR试样与45钢球配副的摩擦因数曲线，可以看出当试验进入稳定阶段时，220目与1 200目砂纸打磨得到的粗糙度对应的摩擦因数基本相同，而800目粗糙度对应的摩擦因数要明显低于其余2种粗糙度。这是因为，粗糙度越大的表面剪应力越大，且当粗糙峰磨损后产生的磨屑多，形成磨粒磨损，摩擦因数升高；而表面越光滑，摩擦配副两表面贴合得越紧密，分子作用力越明显，摩擦因数越高。所以对于NBR材料的表面形貌而言粗糙度过大或者过小都会降低其摩擦学性能，应该控制材料表面粗糙度在合适的范围。

图4(b)所示为具有不同粗糙度PTFE试样与45钢球配副的摩擦因数曲线。可知，当试验进入稳定阶段时，3种粗糙度下聚四氟乙烯的摩擦因数基本相同，试件表面粗糙度对其摩擦学性能影响不大，这是因为PTFE本身具有自润滑能力[16]，磨损产生的磨屑会填充到粗糙峰凹谷内形成固体润滑膜使摩擦因数保持较低水平。图5示出了不同粗糙度下两材料的磨损量。与粗糙度对摩擦因数的影响不同，粗糙度越大的材料其粗糙峰磨损量越多从而导致试样磨损量越大。

图4 不同表面粗糙度下两材料的摩擦因数

图5 不同粗糙度下两材料的磨损量

2.3 往复频率对格莱圈材料摩擦学性能的影响

往复频率对格莱圈材料摩擦学性能影响的试验研究工况参数为：干摩擦状态，载荷10 N，试件表面粗糙度为220目砂纸打磨，室温20 ℃，每组试验时间3 600 s。图6(a)所示为NBR材料的摩擦因数曲线。可知，往复频率为1 Hz时的摩擦因数波动最剧烈；在试验前期往复频率越高，摩擦因数降低的速率越大；当进入试验后期，往复运动频率为3 Hz时的摩擦因数要略高于其余2种频率下的摩擦因数；并且往复频率为3 Hz和5 Hz的曲线呈现出升高的趋势，往复频率为1 Hz的曲线趋于平稳。这是由于试验前期往复频率越高粗糙峰磨损速率越快，表面剪应力下降，摩擦因数降低速率越快；试验后期随着试件表面粗糙峰逐渐被磨平填充到粗糙峰之间达到稳定的磨粒磨损阶段，并且往复频率越高使得单位时间内接触点被反复摩擦次数增加摩擦表面不断聚集摩擦热，温度升高使得材料软化，摩擦的接触面增大，分子间作用力增大，摩擦因数升高。

图6(b)所示为聚四氟乙烯材料的摩擦因数时变曲线。可知，与NBR不同，PTFE摩擦因数呈现出先急剧上升然后趋于稳定再缓慢上升的趋势。这是由于在前期的跑合阶段，试件表面微凸峰被磨损，粗糙度减小，摩擦因数增大；在试验后期，随着摩擦热的积聚，接触面温度升高，分子间作用力增大，摩擦因数增大。往复频率为1 Hz时的摩擦因数最低，往复运动频率为3 Hz时的摩擦因数最大，这是由于，往复频率为1 Hz时粗糙峰磨损速率低，表面粗糙度减小速率低，摩擦因数低，而往复频率为5 Hz时虽然粗糙峰磨损速率高，但是摩擦热增多，接触面温度升高，PTFE材料的力学性能下降，表面材料抗剪切性能降低，所以其摩擦因数要低于往复频率为3 Hz时。

图6 不同往复频率下两材料的摩擦因数

图7示出了不同往复频率下的磨损量。可以看出，对于丁腈橡胶(NBR)材料，往复运动频率越高，磨损量越大。对于聚四氟乙烯(PTFE)材料，往复频率为3 Hz时，对应的磨损量最大，往复频率为5 Hz时，磨损量最小，这也印证了摩擦因数曲线。

图7 不同往复频率下两材料的磨损量

2.4 磨损表面形貌与磨损机制分析

利用SEM对试验前后PTFE和NBR试块进行表面形貌观测。图8(a)、(c)、(e)为不同粗糙度NBR试块磨损交界处的SEM图，图8(b)、(d)、(f)为试验后磨损区域的SEM图。可以看出在未磨损区，粗糙度越小的试件表面越光滑平整，试验结束后，不同粗糙度的NBR试件表面都产生了大小形状不同的颗粒。这是由于NBR试件与45钢球对磨过程中，NBR试件表面粗糙峰被磨平后产生的磨屑进入接触区，此时NBR试件磨损形式为磨粒磨损。并且随着试件初始粗糙度的减小，磨损区表面颗粒的数量和面积逐渐减小，这是由于NBR材料本身质地较软并且摩擦过程中温度升高使得NBR试件的磨损形式由磨粒磨损逐渐向黏着磨损转化。

图8 不同粗糙度下丁腈橡胶的磨损表面形貌

图9(a)、(c)、(e)为不同粗糙度PTFE试块磨损交界处的SEM图，图9(b)、(d)、(f)为试验后磨损区域的SEM图。可以看出在未磨损区，PTFE试件的表面要比NBR试件的表面纹理细腻；在磨损区，PTFE试件表面要比未磨损区更加光滑细腻。并且表面粗糙度越高的试件试验后其磨损表面呈现为层状剥落的磨损现象越明显，这是由于当 PTFE 受到外力作用时，分子间容易滑移，出现剥落现象，表面粗糙度越高，产生的磨屑越多附着在表面，形成黏着磨损；并且随着时间的延长，摩擦过程中产生摩擦热使温度上升， PTFE试件表面软化，将产生疲劳磨损。

图9 不同粗糙度下聚四氟乙烯的磨损表面形貌

3 结论

(1) 对于NBR材料和PTFE材料，滴油润滑条件下摩擦因数和磨损量较干摩擦条件下大大降低，并且摩擦稳定性提高，PTFE材料由于其自润滑特性，在干摩擦和滴油润滑状态下摩擦因数和磨损量远小于NBR材料，具有更优异摩擦磨损性能。

(2) 干摩擦条件下，对于NBR材料来说，摩擦因数随表面粗糙度的增加呈先降低后升高的趋势，表面粗糙度存在一个最佳范围使得其摩擦因数更小，文中800目砂纸打磨的试块表面具有最低的摩擦因数；而对于PTFE材料，表面粗糙度对其摩擦学性能影响较小。并且2种材料表面粗糙度越大，磨损量越大。

(3) 干摩擦条件下，2种格莱圈材料的摩擦因数随往复频率呈先升高后降低的趋势，但是对于不同材料其作用机制也不同。在不同往复频率下，对于NBR材料来说，其摩擦因数随时间呈现出先剧烈下降之后缓慢上升的趋势，且5 Hz的往复频率具有更低的摩擦因数，这是由于往复频率对于粗糙峰磨损速率的影响占主要方面。而对于PTFE材料，摩擦因数随时间呈现出先急剧上升后缓慢上升的趋势，并且往复频率为1 Hz时摩擦因数最小，往复频率为3 Hz时摩擦因数最大，磨损量最多，这是由于往复频率对摩擦副表面温升的影响占主要方面。

(4)文中试验条件下，NBR材料的磨损形式以磨粒磨损为主，表面粗糙度降低时会使磨损形式由磨粒磨损向黏着磨损转化，对于PTFE材料，在摩擦磨损初期以黏着磨损为主，试验后期会出现疲劳磨损。