1、复合材料摩擦磨损试验 范招军 陈晓萌 王文 上海大学机电工程及自动化学院 摘 要： 本文介绍了一台环块式试验机, 用于研究复合材料摩擦磨损性能。试环 (钢环) 和柱状 PSAf/PTFE 复合材料的对摩形成摩擦副, 摩擦副的存在产生摩擦力, 采用压力传感器测量实验中产生的摩擦力, 并间断测量试件的磨损量参数, 通过摩擦力和磨损量的参数变化来研究 PSAf/PTFE 复合材料的摩擦磨损性能。试验机采取直线导轨滑块机构, 将摩擦副处旋转产生的摩擦力转换成水平力, 四个直线轴承保证了载荷垂直作用于试环试块, 避免发生偏载现象;通过多次对柱状PSAf/PTFE 复合材料的试验, 证明该试验机工作的稳定
2、性, 通过研究柱状PSAf/PTFE 复合材料磨损过程, 分析其摩擦磨损机理, 并评判材料的摩擦磨损性能。关键词： PSAf/PTFE 复合材料; 试验机; 环块; 摩擦磨损; 作者简介：范招军, 男, 研究生。工作单位:上海大学机电工程及自动化学院。作者简介：陈晓萌, 上海大学机电工程及自动化学院 (上海 200072) 。作者简介：王文, 上海大学机电工程及自动化学院 (上海 200072) 。收稿日期：2017-05-27Friction and Wear Test of Composite MaterialsFan Zhaojun Chen Xiaomeng Wang Wen Rece
3、ived： 2017-05-271 引言聚四氟乙烯 (PTFE) 是一种应用广泛的热塑性塑料, 具有超高的化学稳定性, 可在 (-190260) 条件下连续使用, 具有优异的自润滑性, 且静摩擦系数为塑料中最低, 因此, PTFE 是一种重要的防腐和减摩材料, 其分子结构如图 1 所示。但纯 PTFE 机械强度低、抗蠕变性差, 且不耐磨损, 尤其在高温加载使用环境中, 易发生塑性变形, 导致材料失效。为克服 PTFE 的缺点, 常用添加填料的方式对 PTFE 进行改性处理, 提高材料的耐磨性能。常用的填料改性方式主要是采用玻璃纤维、碳纤维、芳纶等纤维进行基体增强。但目前常用有机纤维如PPS、N
4、omex、Kelvar 等, 长期使用温度不超过 200。而芳砜纶 (PSAf) 长期使用温度可达 250, 有强度高、尺寸稳定性好等特点, 将芳砜纶与聚四氟乙烯复合有望获得一种摩擦磨损性能优异的耐高温复合材料, 应用于轴承、导轨等摩擦零部件, 满足苛刻工况下的使用要求。故对复合材料的摩擦学性能研究尤其显的至关重要。图 1 聚四氟乙烯分子结构 (19) 下载原图目前国内外常用的摩擦学试验机主要盘销式摩擦磨损试验机、切入式摩擦磨损试验机、环块型试验机等;这些试验机的价格比较昂贵, 一般的载荷变化范围小, 运动的频率大。不能很好的模拟衬垫材料的实际工况;因此, 为了研究PSAf/PTFE 复合材料
5、的摩擦磨损性能, 本文中自主设计并研发了一台环块式摩擦磨损试验机, 用于研究衬垫材料的摩擦磨损性能试验, 试验载荷添加易于实现, 试样装夹方便、可靠;可以试验不同频率及载荷条件下的摩擦磨损试验。试验机通过测量实验中衬垫材料的摩擦副处的摩擦力和试件的磨损量及其相互关系, 来研究复合材料的摩擦磨损性能。2 试验机的技术参数与工作原理2.1 主要技术参数(1) 测量项目:柱状 SAf/PTFE 复合材料的摩擦系数和磨损量;(2) 测量范围:柱状 SAf/PTFE 复合材料的外径 (812) mm;(3) 主轴的旋转速度: (01400) rpm;减速比 13;试环转速: (0460) rpm;(4)
6、 载荷加载范围: (0200) N;试验件上的载荷范围是 (0400) N;杠杆比12;(5) 摩擦力测量范围: (020) N;测量精度误差小于 0.2%。2.2 试验机工作原理通过该试验机, 可获得试验过程中的摩擦力、摩擦系数随时间变化的数据。试验机结构如图 2 所示。图 2 试验机总体结构图 下载原图试验机包括驱动系统、力测量系统、加载系统、导轨滑块系统。(1) 驱动系统:通过调节固定在底板安装架上的调速电机的转速来控制机构的整体转速, 调速上安装减速箱, 降低转速增大了扭矩输出, 电机主轴通过联轴器输出到试环上, 联轴器和试环之间的支撑架的两端都安装滚动轴承予以支撑, 保证试环的电机的
7、对中性, 试环通过螺母锁紧。(2) 加载系统:加载系统采用结构简单, 易于操作和控制的杠杆重物加载, 也就是静态重物加载, 次方式结构接单, 稳定性较好;加载荷之前需要调节杠杆的平衡, 保证钢环和试块之间的接触里为零, 所需的砝码重量可以确定, 只需在砝码上圆周方向栓入 M5的螺栓进行微调。载荷通过杠杆支撑原理自下向上施加在试块所在的整体支撑板上, 在整体支撑板上固定的四个直线轴承, 直线轴承保证了载荷垂直作用于试块上, 杠杠是通过一定的比例调节载荷重量, 杠杆的一端通过砝码加载, 另一端通过点接触施加整体支撑板上。(3) 力测量系统:钢环和试块形成摩擦副, 钢环采用是 45 钢, 并作调制处
8、理, 试块是 PSAf/PTFE 复合材料模压成型的, 在摩擦副处产生了摩擦力;测力传感器通过螺栓螺母固定在整体支撑板上的 L 型架上, 通过对定螺母防松, 保证压力传感器始终处在水平方向;其工作原理是:在外力作用下弹性体 (弹性元件, 敏感梁) 会产生弹性变形, 使粘贴在他表面的电阻应变片 (转换元件) 也随同发生形变, 变形后的电阻应变片, 它的阻值将变大或变小, 再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号 (电压或电流) , 从而完成了将外力变换为电信号的过程。(4) 导轨滑块系统:导轨滑块系统之间是滚动摩擦, 具有摩擦阻力小、随动性好的特点;导轨滑块将旋转的摩擦力转换成水平方向的摩擦
9、力, 然后直接作用于压力传感器上。由于摩擦副的对磨产生的摩擦力一直保持在同一个方向, 导轨滑块的存在, 直接将摩擦力传递到压力传感器上, 就保证了压力传感器一直在受压状态, 所测的力也是持续的。2.3 摩擦系数测量原理柱状材料试验时与钢环接触状态如图 3 所示, 驱动系统为电机通过联轴器直接驱动试环, 所以试样摩擦行程的速度是均匀的, 整个磨损的速度是相同的。为克服测量过程的不确定性, 可以取采样周期内的平均值作为读数。试验得到的摩擦力是连续的, 用摩擦力除去正压力可以得到连续的摩擦系数, 因此实验过程中要通过测量摩擦力和正压力来计算摩擦系数。由于运动时摩擦力是持续力, 故进行近似计算得摩擦系
10、数 u=f/P, f衬垫材料受到的摩擦力;P衬垫材料所受到的正压力。图 3 对磨接触状态图 下载原图2.4 磨损率测量原理本实验中的试样的磨损量较大, 目前没有必要采取动态监测, 只需要在实验过程中, 每个一段时间用游标卡尺测量运动板下降的距离, 即可得到试样的磨损量;本实验同样可以采取磨称量法, 但这种方式的弊端为只能测得试验开始及结束时的差值。3 材料对比试验3.1 试样材料制备试验试样 PSAf/PTFE 复合材料为 PTFE 与芳砜纶的聚合物, 其制备工艺流程如图4 所示。复合材料试样如图 5 所示。图 4 样品制备工艺流程 下载原图3.2 工况计算依据本文将对 PSAf/PTFE 复
11、合材料的摩擦磨损性能进行充分评价, 分别研究纤维含量、纤维长度、载荷及速度对材料的摩擦磨损性能的影响, 探究材料的摩擦磨损机理。试验所需的载荷可以通过加载砝码的多与少来实现, 试验机直接可以施加的力为砝码载荷;试验机速度的控制, 可以通过调节电机的转速来实现, 电机的转速是无级调速, 在允许范围内的速度都是可取的。图 5 复合材料试样示意图 下载原图摩擦速度的理论换算模型, 衬垫在试验过程中与摩擦试球间以一定的相对摩擦速度进行摩擦。试验机采用直接电机直接驱动钢环, 速度换算相应的转速对应一定的速度。3.3 摩擦磨损机理试验通过让柱状复合材料加速磨损, 观察实验过程中材料的摩擦磨损状况及材料的摩
12、擦学性能。本文针对载荷和速度对复合材料摩擦磨损性能的影响;试样对磨钢环材料为 45 调制钢, 利用单一变量法控制速度不变, 选取载荷为60N、100N、140N、180N、220N, 时间为 2h;选取载荷为 140N, 不同的速度, 时间 2h;按照这两种的试验条件和记录方法, 进行多次实验测量取平均值并进行对比分析, 分析研究复合材料在不同阶段的摩擦系数, 磨损率及磨损量, 对该复合材料进行摩擦磨损性能评估。该实验过程为将试样装载 V 型中间, 通过螺栓旋紧固定试样;调节杠杠平衡, 根据试验需求加载砝码, 启动电机, 根据试验需求调整电机转速, 利用 Lab VIEW 程序自动显示, 记录并处理采集到的试验数据。图 6 复合材料在不同载荷下的摩擦磨损性能 下载原图4 试验结果与分析4.1 试验数据记录以纤维含量 10wt%的 PSA/PTFE 复合材料为测试试样, 实验速度 0.42m/s, 分别测试材料在载荷为 60N、100N、140N、180N、220N 时的摩擦磨损性能, 结果如图 6 所示。以纤维含量 10wt%的 PSA/PTFE 复合材料为测试试样取载荷 140N, 分别测试材料在摩擦速度为 0.21m/s、0.31m/s、0.42m/s、0.52m/s、0.62m/s 时的摩擦磨损性能, 结果如图 8 所示。
