缸筒温度对聚氨酯活塞摩擦磨损影响规律试验研究

李玉铭，刘兆霞，王端一，魏梦晓

（山东科技大学能源与矿业工程学院，山东 青岛 266590）

0 引言

摩擦现象普遍存在，据统计，全世界1/3～1/2 能源以各种形式被摩擦消耗，而摩擦导致的磨损是机械设备失效的主要原因，大约有80%的零件损坏是由各种形式的磨损引起的[1-2]。聚氨酯活塞具有机械性能好、高硬度、高弹性、高耐磨、耐老化性、耐油性好等优点[3]，在现阶段常被用作链式喷浆机中传送物料的关键部件，聚氨酯活塞的使用寿命将直接影响链式喷浆机的运行效率，链式喷浆机对于降低煤矿粉尘具有重要意义。然而，长期运行输送混凝土物料，使其遭受着砂粒磨损、高温磨损以及热疲劳等恶劣工况[4-5]。磨损是活塞失效的主要原因之一，磨损会导致活塞密封性差，从而影响物料的输送效率，导致成本上升。每次更换维护活塞都会使得链式喷浆机停机，极大地浪费生产成本和能源。众所周知，摩擦加热和由此导致的接触温度升高会对滑动部件的摩擦学行为和失效产生重要影响[6]，由于活塞-缸筒工作状态恶劣，受工作环境的温度影响非常大，因此，研究缸筒温度规律对活塞-缸筒磨损状态的影响尤为重要[7]。

张宝峰[8]针对缸筒铸铁材料出现的磨损问题提出改善缸筒材料耐磨性能的方法，对五种铸铁材料在不同转速及不同温度条件下进行摩擦磨损试验，分析不同温度、不同转速条件对铸铁材料组织以及形貌演变过程的影响；王新刚等[9]针对中部槽与刮板链的磨损严重问题，分析了中部槽和刮板链的工况特点、磨损失效原因，并提出了利用计算机优化设计和辅助分析提高其使用寿命的方法；史志远[10]利用试验台开展磨损试验，研究中部槽冲击磨损性能的内在规律及各因素的作用程度，掌握中部槽摩擦学参数随接触压力、相对速度及介质环境等因素的变化规律及磨损机理；何星等[11]通过观察某车辆大修期发动机缸套-活塞环试样的表面形貌，分析得到了缸套-活塞环系统的磨损失效特征；王哲等[12]对摩擦副在不同工况下的摩擦磨损情况进行研究，发现干摩擦条件下橡胶因摩擦热导致表面发生化学变化，进而产生磨损。

总的来说，众多学者对磨损失效问题有了一定的研究，但是对聚氨酯活塞磨损失效的研究甚少。因此，本文开展了活塞-缸筒摩擦磨损行为的研究，用活塞和缸筒之间的相对运动模拟喷浆机实际工作时的活塞-缸筒摩擦现象，在运行速度、运行距离、载荷参数保持不变的情况下，通过温度的变化对活塞-缸筒进行摩擦磨损试验，研究试验温度对活塞磨损行为的影响，得到推链活塞的磨损规律，以及活塞的磨损表面形貌，以期为聚氨酯活塞在温度变化下的摩擦磨损相关研究提供试验参考[13]。

1 试验材料及试验方案

1.1 试验材料及试验装置

活塞和缸筒在链式喷浆机中具有重要作用，如图1 和图2 所示。试验以链式喷浆机中的推链活塞为研究对象，搭建了一个活塞磨损测试系统，该系统主要包括缸筒、气缸、压力变送器、压力传感器和时间温度控制器等。缸筒的主体材料是无缝钢管，内壁做镀铬处理，相对弹性模量为20.8 MPa，外径为133 mm，内径为110 mm，高度为338 mm，与之配套的是型号为SC125X150 的气缸，缸筒内是直径为110 mm 的活塞，活塞主体材料为45 钢，其弹性模量为210 GPa，外表面用聚氨酯材质密封[14]。压力变送器的型号为YMP-131，主要用来传送压力信号；时间温度控制器的型号为WK-SM3A，用来监测温度变化。本次试验只考虑无物料运行时的活塞磨损情况。

图1 链式喷浆机结构Fig.1 Structure of chain shotcrete machine

图2 活塞配件Fig.2 Piston accessories

1.2 试验方案

试验前对活塞进行清洗晾晒干燥并称重，通过活塞磨损测试系统对活塞进行摩擦磨损试验，取6个活塞先依次磨损3 h，3 h 后停止运行，其中，1 个活塞作为参照对象不继续试验，剩下5 个活塞分别在20 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃和45 ℃的温度下磨损，磨损到下一个温度梯度时停止磨损，分别将其设为a 组、b 组、c 组、d 组、e 组、f 组。试验结束后取下活塞，用高精度电子天秤对试验前后活塞的质量进行称量，计算活塞的磨损量。采用LEICA DVM5000 HD 型徕卡显微镜观察活塞的表面形貌，从而对比活塞摩擦磨损试验前后的表面形貌，分析磨损机制。

试验在青岛某机械有限公司的生产中心进行，用空压机将气缸内通入0.7 MPa 的压缩空气，通过电磁阀带动活塞进行往复运动，活塞往复运动的频率为16 次/min，往复运动行程为105 mm。在活塞磨损测试系统开始运行时，随机选取2 次活塞磨损试验测量缸筒的温度上升情况，监测记录缸筒中的压力曲线变化，磨损时间为3 h。之后重新启动活塞磨损测试系统，采用阿尔泰设备测试系统，分别在缸筒壁温度为20 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃时通过压力变送器采集电流信号，监测缸筒中的压力曲线变化，得到缸筒内密封性随时间变化的数据，记录随着活塞磨损测试系统的运行，缸筒壁温度升高情况。根据出气速率判断活塞-缸筒的密封情况，以此来判断活塞的磨损情况。试验结束后测量试验前后活塞的质量数据，利用徕卡显微镜观测活塞的微观结构[15]。

2 试验结果与分析

2.1 温度对磨损过程的影响

根据活塞-缸筒的实际工况研究了不同温度对活塞在摩擦磨损过程中磨损量及形貌变化的影响，能够为延长活塞使用寿命提供参考。因此，通过在试验过程中等梯度设计不同温度的试验条件，对该试验条件下的密封性能、磨损量、磨损形貌等进行分析，从而找到活塞磨损性能的影响规律。经过试验验证，因摩擦产生的摩擦热最高温度在45 ℃左右，因此，分别设置室温20 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃五种温度来观测活塞的密封情况。

通过温控器观测可知，随着活塞在缸筒内的运行，活塞与缸筒摩擦产生的摩擦热使得活塞和缸筒壁的温度逐渐升高，由图3 可知，温度随时间的增长呈现逐渐上升的趋势，曲线的斜率逐渐减小，温度的上升幅度逐渐降低，且两次测得的试验数据斜率接近相似，说明试验测得的温度变化情况具有有效性。

图3 试验中温度上升情况Fig.3 Temperature rise during the experiment

经过压力变送器采集电流信号，从而测得活塞-缸筒之间的密封性能下降情况，把测得的数据导出后经Origin 软件处理得到活塞-缸筒内的压力变化情况，如图4 所示。

图4 试验中压力变化情况Fig.4 Pressure change during the experiment

由图4 可知，随着温度的升高，活塞-缸筒之间的压强逐渐减小，导致密封性能逐渐下降。在温度为20 ℃时，活塞-缸筒内压强下降速率最快，200 s 时已经下降超过了0.4 MPa，如图4 中b 组所示。随着温度的升高，活塞产生了热胀冷缩现象，使得活塞密封下降速率减缓，在缸筒温度为45℃时，下降速率达到最低，低于参考活塞摩擦磨损的密封下降速率，如图4 中f 组所示。

为确保试验数据的准确性和可参考性，以观测时间的前200 s 为例，在200 s 的时间内，a 组活塞磨损密封下降的平均速率计算见式（1）。

式中：Vɑ0为初始运行时a 组活塞的压强下降速率；Vɑ1为200 s 时a 组活塞的压强下降速率。

b 组活塞磨损密封下降平均速率计算见式（2）。

式中：Vb0为初始运行时b 组活塞的压强下降速率；Vb1为200 s 时b 组活塞的压强下降速率。

c 组活塞磨损密封下降平均速率计算见式（3）。

式中：Vc0为初始运行时c 组活塞的压强下降速率；Vc1为200 s 时c 组活塞的压强下降速率。

d 组活塞磨损密封下降平均速率计算见式（4）。

式中：Vd0为初始运行时d 组活塞的压强下降速率；Vd1为200 s 时d 组活塞的压强下降速率。

e 组活塞磨损密封下降平均速率计算见式（5）。

式中：Ve0为初始运行时e 组活塞的压强下降速率；Ve1为200 s 时e 组活塞的压强下降速率。

f 组活塞磨损密封下降平均速率计算见式（6）。

式中：Vf0为初始运行时f 组活塞的压强下降速率；Vf1为200 s 时f 组活塞的压强下降速率。

由以上数据可知，随着温度的升高，活塞的密封性能逐渐下降，在45 ℃时，f 组活塞的密封性能相较于a 组活塞的密封性能有所提高，但是这种情况不会持续很久，因为温度越高，磨损越剧烈，导致活塞加速失效，因此，建议活塞-缸筒在运行一段时间后进行冷却处理，尽量避免其在持续的高温条件下运行。

2.2 活塞磨损量分析

材料的耐磨性是材料抵抗磨损的能力，与材料发生的摩擦机制有关，材料磨损率越低其耐磨性越高[16]。温度是活塞材料磨损量的影响因素之一，不同温度下往往活塞的磨损量也不尽相同，研究温度对活塞磨损性能影响的关键任务是获得磨损量随着温度变化的基本规律，从而为工程实践提供重要的基础数据。通过测量活塞磨损前后的质量变化，计算活塞的平均磨损情况，见表1。

表1 活塞质量变化数据Table 1 Change data of piston mass 单位：g

将试验中的温度取值与表1 中的磨损量试验数据进行汇总整理，可得缸筒温度与磨损量的对应关系，见表2。

表2 温度对磨损量的影响Table 2 Effect of temperature on wear amount

根据表2 中的磨损试验数据，绘制活塞磨损量随温度的变化关系曲线，如图5 所示。

图5 不同温度下活塞磨损量变化折线图Fig.5 Variation line chart of piston wear amount at different temperatures

由图5 可知，随着温度的升高，磨损量逐渐上升，磨损量曲线斜率逐渐变小，磨损量随温度的升高，逐渐达到一个相对稳定的状态。缸筒表面温度在20～35 ℃时，磨损量曲线非常陡峭，说明磨损量随温度的升高而急剧增加；缸筒表面温度在35～45 ℃时，磨损量曲线较为平缓，说明此时磨损量变化不大。由此也能说明温度对活塞-缸筒材料的磨损性能影响较大。因此可知，活塞的磨损量随着温度的升高而升高，但其磨损量增长程度随温度的升高而降低。

2.3 活塞表面形貌及伤损

活塞在不同温度下的磨损机制不同，即磨损过程受到温度的影响较大，表面形貌从很大程度上能够对活塞的摩擦磨损性能产生影响，因而有必要分析温度对活塞在摩擦磨损过程中组织脱落及形貌变化的影响，从而揭示活塞在不同工作温度下微观组织及表面形貌的变化规律。

为了进一步分析活塞的表面形貌特征，从微观的角度分析磨损过程中组织的变化情况，使用LEICA DVM5000 HD 型徕卡显微镜对活塞磨损表面形貌进行观察，分析不同温度对摩擦磨损过程的影响，揭示活塞表面形貌的磨损过程，从而为研究活塞的磨损机理提供重要的试验依据[17]。不同温度下活塞表面的微观形貌具有一定的差别，为便于观察，仅观察室温、35℃和45℃下的活塞磨损形貌，图6 为活塞在不同温度下的表面二维磨损形貌图。

图6 不同温度下活塞表面二维磨损形貌图Fig.6 2D wear morphology of piston surface at different temperatures

使用徕卡显微镜观察其未磨损表面，可以看到山脊状的花纹，花纹的形状规整，排列整齐，顶部多呈圆弧状，如图6（a）所示。正常磨损的聚氨酯活塞会有材质损失，活塞发生了较轻微的磨损，表面会粗糙但没有裂纹，如图6（b）所示。常温磨损下活塞发生了较轻微的磨损，磨痕表面存在少量颗粒状磨屑，随着温度的升高，活塞表面开始软化，磨痕宽度与深度逐渐增大，磨痕表面可以看到明显的犁沟现象，产生疲劳裂纹，如图6（c）所示。随着温度的升高，活塞磨痕处堆积了大量的颗粒状磨屑，产生了较严重的表面缺陷，出现了疲劳凹坑[18]，如图6（d）所示。由图6 可知，随着温度的升高，不同位置的磨痕形貌发生了不规则的变化，使得磨痕变得不均匀，即温度越高，磨损越严重，磨损表面的粗糙度越大。

活塞表面由轻微磨损向连贯起皮剥落发展，主要磨损机制为表面接触疲劳磨损，随温度升高，其他非正常磨损在逐渐增加。温度对活塞的磨耗影响很大，因此，要加强缸筒、活塞的冷却与润滑。

3 结论

通过对活塞-缸筒进行摩擦磨损试验，探究了不同温度对活塞-缸筒之间的密封性能、活塞磨损量以及磨损形貌的影响，得出的结论如下所述。

1）随着温度升高，活塞-缸筒密封下降速率逐渐上升，但在45 ℃时，活塞密封性能高于参考活塞。

2）缸筒表面温度在20～35 ℃时，磨损量曲线非常陡峭，说明磨损量随温度的升高而急剧增加；缸筒表面温度在35～45 ℃时，磨损量曲线较为平缓，说明此时磨损量变化不大。由此也可以说明温度对活塞-缸筒材料的磨损性能影响较大。活塞的磨损量随着温度的升高而升高，但是其磨损量增长程度随着温度的升高而降低。

3）常温磨损下活塞发生了较轻微的磨损，磨痕表面存在少量颗粒状磨屑，随着温度的升高，活塞表面开始软化，磨痕表面可以看到明显的犁沟现象，出现了疲劳裂纹，并且磨痕处还堆积了大量的颗粒状磨屑，产生了较严重的表面缺陷，出现了疲劳凹坑。活塞表面由轻微磨损向连贯起皮剥落发展，主要磨损机制为疲劳磨损，随温度升高，其他非正常磨损在逐渐增加。

综上所述，温度过高会降低活塞-缸筒之间的密封性能、加快活塞的磨损、加速活塞的失效，导致活塞出现非正常疲劳磨损，降低了活塞的使用寿命。本文用活塞和缸筒之间的相对运动模拟喷浆机实际工作时的活塞-缸筒摩擦现象，通过研究试验温度对活塞磨损行为的影响，得到推链活塞的磨损规律以及活塞的磨损表面形貌，以期为聚氨酯活塞在温度变化下的摩擦磨损相关研究提供试验参考和理论支撑。下一步研究时不能只考虑单因素对活塞摩擦磨损的影响，应综合考虑多种因素对活塞的影响，并根据试验参数得到对活塞磨损影响最小的参数，以期延长活塞使用寿命，提高活塞可靠性。