高比壓、高摩擦因數(shù)摩擦襯墊研制

一 、工況分析

從摩擦學(xué)原理來講，摩擦襯墊與鋼絲繩之間能產(chǎn)生犁切分量和粘著分量，犁切分量主要與材料的表面粗糙度及物理機(jī)械性能有關(guān)。工作中摩擦襯墊和鋼絲繩表面狀態(tài)是動(dòng)態(tài)變化的，表面粗糙度存在難以控制的因素，犁切分量的影響存在不可預(yù)知性和不確定性，因此有效地提高粘著分量是提高襯墊摩擦性能的可靠保證。

根據(jù)粘著摩擦理論，摩擦副表面的接觸主要發(fā)生在微凸體的頂端，在法向力的作用下形成接點(diǎn)，切向力的作用使接點(diǎn)長大和滑脫。在金屬配對(duì)副中，接點(diǎn)是具有“冷焊”性質(zhì)的高強(qiáng)度接點(diǎn)，接點(diǎn)的化學(xué)粘接是形成接點(diǎn)的主要機(jī)理。按照化學(xué)粘接的假設(shè)，提高正壓力會(huì)增大接觸面積，提高摩擦力；提高溫度有利于提高分子的密切接觸，提高粘接強(qiáng)度；添加少量強(qiáng)基性基團(tuán)，可提高粘接強(qiáng)度。

二 、襯墊參數(shù)設(shè)計(jì)

1、襯墊比壓

襯墊的比壓分為測試值、許用值和設(shè)計(jì)值，且測試值的 70% 為許用值，許用值的 70% 為設(shè)計(jì)值，該現(xiàn)象是鋼絲繩的特殊表面結(jié)構(gòu)造成的。當(dāng)襯墊比壓的設(shè)計(jì)值為 2.5 MPa 時(shí)，許用值應(yīng)為 5.1 MPa，測試值應(yīng)為 7.2 MPa。

2、 襯墊摩擦因數(shù)

襯墊摩擦因數(shù)也分為測試值、許用值和設(shè)計(jì)值。摩擦襯墊測試值為在專用試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行連續(xù)測試，取值是所有測試數(shù)據(jù)的平均值。許用值由測試值經(jīng)過計(jì)算得出，考慮因素包括最大值、最小值、數(shù)據(jù)出現(xiàn)的概率等。數(shù)據(jù)離散度越大，許用值下降幅度越大，一般比測試值低 10%～ 15%。設(shè)計(jì)值是設(shè)備設(shè)計(jì)采用的摩擦因數(shù)值。摩擦因數(shù)與材料的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，也就是說材料確定，摩擦因數(shù)即確定?，F(xiàn)代摩擦因數(shù)理論認(rèn)為：一種材料的摩擦因數(shù)不是固定不變的，在正常使用情況下，它隨著使用工況的變化而變化，工況突變，變化較大，波動(dòng)范圍在±10%。

當(dāng)摩擦因數(shù)設(shè)計(jì)值取 0.28 時(shí)，許用值約為 0.33，考慮到材料系數(shù)波動(dòng)，測試值必須大于 0.36。

三、襯墊研制

襯墊材料主要成分包括基體材料、添加劑和填充劑。基體材料選用粉末丁腈橡膠和酚醛樹脂；添加劑選用不溶性硫磺和 DTDM；填充劑包括氣相白炭黑、氧化鋁和硫酸鈣晶須等。

襯墊研制的過程：①按照密煉、開煉、破碎、壓制的工藝進(jìn)行產(chǎn)品的試制；② 通過硬度測試，密度測試，拉伸、彎曲、壓縮性能測試，疲勞彎曲性能測試，摩擦磨損性能測試，摩擦因數(shù)及磨損率測試，優(yōu)化試驗(yàn)配方及試制工藝；③重復(fù)以上步驟進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，最終得到滿足性能需求的摩擦襯墊。

最終得到的襯墊摩擦因數(shù)測試結(jié)果如圖 1 所示。干凈狀態(tài)下，最大摩擦因數(shù)為 0.680，最小摩擦因數(shù)為 0.499，平均摩擦因數(shù)為 0.547；淋水狀態(tài)下，最大摩擦因數(shù)為 0.726，最小摩擦因數(shù)為 0.588，平均摩擦因數(shù)為 0.649；涂脂狀態(tài)下，最大摩擦因數(shù)為 0.455，最小摩擦因數(shù)為 0.373，平均摩擦因數(shù)為 0.404?？梢姡乱r墊的摩擦因數(shù)滿足測試值必須大于 0.36 的要求。

四、襯墊穩(wěn)定性試驗(yàn)

單憑一次試驗(yàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，可能會(huì)因偶然因素導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果偏高或偏低。在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行了多次試驗(yàn)，試驗(yàn)狀態(tài)為涂增摩脂，

五、襯墊比壓試驗(yàn)

制成 3 塊試樣，編號(hào)為 1～ 3 號(hào)。在相同試驗(yàn)條件下，對(duì)摩擦襯墊施加一定的壓力，設(shè)定試驗(yàn)結(jié)束條件為壓縮變形 5 mm。試驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算比壓值，結(jié)果如表 1 所列。由表 1 可知，平均比壓為 8.8 MPa，滿足測試值必須大于 7.2 MPa 的要求。

六、襯墊抗比壓能力試驗(yàn)

將新襯墊與舊襯墊 一起，分別進(jìn)行 5、67、8、9、10、11和12MPa 條件下抗比壓能力試驗(yàn)，以驗(yàn)證新襯墊的抗比壓能力。根據(jù)實(shí)際情況可調(diào)整壓力工況，調(diào)整到舊襯墊不能承受的比壓為宜。

由表2可以看出，與舊襯墊相比，新襯墊在不同壓力下的變形較小;在舊襯墊開裂的情況下，新襯墊依然具有較好的抗比壓能力。可見新襯墊適用于超深井、高比壓工況。

七、硬度的溫度特性試驗(yàn)

為考察溫度對(duì)襯墊性能的影響，在不同溫度下對(duì)新襯墊和 K25、K25SC 的硬度進(jìn)行了測試，將測試數(shù)據(jù)繪制成襯墊溫度特性曲線，如圖 3 所示。需要說明的是，硬度值為多點(diǎn)平均值。

八、壓力特性試驗(yàn)

為考察新襯墊的摩擦性能隨壓力變化的情況，測試了新襯墊的壓力特性，試驗(yàn)條件為表面干凈狀態(tài)，結(jié)果如表 3 所列。從表 3 可以看出，不同壓力下，新襯墊完全滿足摩擦因數(shù)測試值大于 0.36 的要求；試驗(yàn)結(jié)果和摩擦理論中壓力增加摩擦因數(shù)降低的規(guī)律相吻合。

九、磨損試驗(yàn)

為考察新襯墊的耐磨性能，進(jìn)行了磨損試驗(yàn)。將新襯墊與 K25、K25SC 試樣在相同條件下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為：室溫為 24 ℃，壓力為 2.5 MPa，滑速為8 mm/s，繩徑為 28 mm，滑動(dòng)距離為 5 m，表面狀態(tài)為干凈。試驗(yàn)結(jié)果如表 4 所列。