何二鵬,胡 坤,蔣 浩

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

在礦業(yè)生產(chǎn)和港口運(yùn)輸中,帶式輸送機(jī)為主要的大型運(yùn)輸設(shè)備,輸送帶作為其主要部件,既是牽引機(jī)構(gòu)又是承載構(gòu)件,其表面覆蓋膠采用性能優(yōu)良的橡膠材料。由于帶式輸送機(jī)的特殊傳動(dòng)方式,輸送帶會(huì)發(fā)生蠕動(dòng),從而使表面覆蓋膠的磨損加快;另外,因過(guò)載導(dǎo)致的輸送帶打滑,會(huì)使表面覆蓋膠劇烈磨損,從而導(dǎo)致輸送帶跑偏、撕裂,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)火災(zāi)。因此對(duì)改善輸送帶摩擦學(xué)性能的研究極為重要。

目前研究人員已經(jīng)對(duì)橡膠材料的摩擦學(xué)性能進(jìn)行了大量的研究,楊幀[1]概括了橡膠材料的磨耗機(jī)理,分析了內(nèi)摩擦、表面結(jié)構(gòu)等因素對(duì)橡膠耐磨性的影響;王澤鵬[2]研究表明橡膠磨耗率會(huì)隨溫度和角度的變化而變化;Matthews[3]研究輸送帶的表面特性和摩擦行為表明硅橡膠覆蓋層具有較高的摩擦系數(shù);張海平[4]研究表明鋼絲繩、尼龍骨架輸送帶摩擦系數(shù)隨著載荷的增大先增大后減小,以及磨損量隨載荷和帶速的增大而增大。

近年來(lái),利用表面織構(gòu)技術(shù)改善材料表面摩擦學(xué)性能已經(jīng)應(yīng)用到許多工程領(lǐng)域,肖林京[5]以生物足墊為原型設(shè)計(jì)出一種六邊形凸包表面的包膠滾筒,但其僅進(jìn)行了理論分析,并未進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證;孫慧[6]對(duì)凸包形仿生包膠滾筒的增摩機(jī)理進(jìn)行了理論分析,但并未進(jìn)一步的驗(yàn)證;Xing[7]研究了陶瓷表面激光紋理的摩擦學(xué)性能,試驗(yàn)表明激光紋理樣品具有更高的摩擦系數(shù)和優(yōu)異的耐磨性;侯啟敏[8]通過(guò)試驗(yàn)研究仿生織構(gòu)類型對(duì)表面摩擦性能的影響,結(jié)果表明六邊形凸織構(gòu)表面隨著微織構(gòu)面積占有率的增大,摩擦系數(shù)呈增大趨勢(shì);常琪[9]研究了仿生織構(gòu)的摩擦和粘附性能,表明六邊形凸織構(gòu)有優(yōu)良的增摩和粘附特性;Chen[10]研究結(jié)果表明六邊形織構(gòu)的拐角滑動(dòng)相較于側(cè)向滑動(dòng)有更好的增摩效果。以上微織構(gòu)的摩擦學(xué)特性研究大多針對(duì)陶瓷、金屬等材料,對(duì)于具有大變形特性的橡膠研究較少。

因此針對(duì)以往研究的不足,本文結(jié)合表面織構(gòu)和仿生摩擦學(xué)設(shè)計(jì)出一種六邊形仿生凸包織構(gòu)并進(jìn)行摩擦試驗(yàn),重點(diǎn)分析仿生織構(gòu)各個(gè)因素對(duì)摩擦系數(shù)的綜合影響,旨在為橡膠輸送帶摩擦學(xué)性能改善的研究作出貢獻(xiàn)。

1 表面織構(gòu)設(shè)計(jì)

本文的織構(gòu)設(shè)計(jì)思路來(lái)自仿生生物足墊,樹(shù)蛙依靠其足趾末端的足墊在光滑的植物葉片上自由爬行和附著。如圖1所示,足墊表面由大小基本均勻且緊密規(guī)則排列的六邊形凸起結(jié)構(gòu)組成。

圖1 樹(shù)蛙足墊及其微觀形貌

運(yùn)用表面織構(gòu)技術(shù),考慮織構(gòu)的易加工性,提取仿生微織構(gòu)為正六邊形,并將其加工為凸包形式,凸包高度為300 μm。仿生正六邊形織構(gòu)依據(jù)仿生生物原型足墊按等間距均勻分布,如圖2所示。

圖2 織構(gòu)分布形式

2 表面織構(gòu)試驗(yàn)及分析

2.1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

試驗(yàn)采用MDW-02往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)(濟(jì)南益華摩擦學(xué)測(cè)試技術(shù)有限公司生產(chǎn)),該試驗(yàn)機(jī)往復(fù)行程范圍為0～40 mm,最大加載載荷為200 N,往復(fù)滑動(dòng)的調(diào)節(jié)頻率為 0.1～30 Hz(無(wú)級(jí)可調(diào)),如圖3所示。針對(duì)帶式輸送機(jī)的摩擦傳動(dòng)原理以及輸送帶的蠕動(dòng)特性,試驗(yàn)設(shè)置參數(shù)如表1所示,每組試驗(yàn)取3次平均值。

表1 試驗(yàn)設(shè)置參數(shù)

圖3 往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)

2.2 試件制備

上試驗(yàn)試樣采用輸送帶覆蓋膠,其材質(zhì)為應(yīng)用較為廣泛的丁苯橡膠(SBR)。將其切割為符合試驗(yàn)夾具的方塊,尺寸為30 mm×30 mm×10 mm,采用激光加工(加工模式選用激光掃描,功率為20%,掃描速度為80 mm/s)在橡膠表面去除材料加工出六邊形凸包;下試樣采用材料為45鋼,尺寸為56 mm×70 mm,如圖4所示。將加工后的試樣置于蒸餾水中,在30 kHz超聲波下清洗5 min,干燥后密封待用。

圖4 試驗(yàn)試樣

2.3 單因素試驗(yàn)分析

研究發(fā)現(xiàn)正六邊形微織構(gòu)的各個(gè)參數(shù)對(duì)其摩擦性能均有一定的影響。隨著微織構(gòu)面積占有率的增大,摩擦系數(shù)呈增大趨勢(shì),并且在更大面積占有率(大于80%)下摩擦系數(shù)有下降趨勢(shì);單個(gè)微織構(gòu)在較小的幾何尺寸下具有較好的增摩效果;微織構(gòu)的排列方式對(duì)摩擦性能也有一定影響,拐角滑動(dòng)(0°)相較于側(cè)向滑動(dòng)(90°)的摩擦系數(shù)增大約20%?？棙?gòu)滑動(dòng)角度如圖5所示。

圖5 織構(gòu)滑動(dòng)角度

2.3.1 接觸載荷對(duì)光滑橡膠摩擦特性的影響

在干摩擦條件下不同接觸載荷(5、10、15 N)對(duì)光滑橡膠滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響曲線如圖6所示。由圖6可知,光滑橡膠滑動(dòng)摩擦特性對(duì)載荷的變化較為敏感,隨著載荷的增大其摩擦系數(shù)逐漸減小,同時(shí)摩擦系數(shù)波動(dòng)也越小。分析其原因,一是橡膠的黏彈特性會(huì)使摩擦副在較低載荷下充分接觸,持續(xù)增大載荷并不會(huì)提高接觸界面的相互作用和摩擦力;二是在低載荷下橡膠滑動(dòng)摩擦以滯后摩擦為主,在高載荷下轉(zhuǎn)變?yōu)橐责じ侥Σ翞橹?故摩擦系數(shù)較小。

圖6 接觸載荷對(duì)光滑橡膠滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響

2.3.2 織構(gòu)面積占有率對(duì)橡膠摩擦特性的影響

各載荷下(5、10、15 N)不同織構(gòu)面積占有率(橡膠表面織構(gòu)幾何尺寸為1.0 mm,滑動(dòng)角度為90°)對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)變化曲線如圖7所示。從圖7(d)中可以看出,隨著橡膠表面織構(gòu)面積占有率的增大,橡膠滑動(dòng)界面平均摩擦系數(shù)逐漸增大,但在面積占有率較高時(shí)(≥70%),摩擦系數(shù)有下降趨勢(shì);另外,接觸載荷對(duì)有織構(gòu)橡膠滑動(dòng)摩擦特性的影響同光滑橡膠的規(guī)律一致,其摩擦系數(shù)同樣隨接觸載荷的增大而減小,且接觸載荷越小,摩擦系數(shù)波動(dòng)越大。從圖7(a)～(c)中可以看出,在低面積占有率下(≤40%),有織構(gòu)橡膠滑動(dòng)界面摩擦系數(shù)比光滑橡膠表面摩擦系數(shù)小,其原因?yàn)樵谳^低織構(gòu)面積占有率下,大大減小了摩擦副間的接觸面積,對(duì)于橡膠材料,摩擦副間接接觸面積對(duì)摩擦系數(shù)的影響較為顯著,故低面積占有率織構(gòu)的滑動(dòng)界面摩擦系數(shù)比光滑橡膠滑動(dòng)界面小;在50%織構(gòu)面積占有率下,橡膠滑動(dòng)界面的摩擦系數(shù)與光滑橡膠滑動(dòng)界面接近,且有織構(gòu)橡膠滑動(dòng)界面比光滑橡膠滑動(dòng)界面的摩擦系數(shù)更穩(wěn)定,這表明表面織構(gòu)可以改善光滑橡膠滑動(dòng)界面的波動(dòng)情況;在60%織構(gòu)面積占有率下,橡膠滑動(dòng)界面的摩擦系數(shù)比光滑橡膠滑動(dòng)界面大且摩擦系數(shù)更穩(wěn)定,這表明較高的織構(gòu)面積占有率可以增大橡膠摩擦副間的摩擦系數(shù),其原因一方面是較高面積占有率的織構(gòu)沒(méi)有明顯減小摩擦副間的接觸面積,不會(huì)導(dǎo)致摩擦系數(shù)急劇下降;另一方面是織構(gòu)由于載荷的作用出現(xiàn)輕微變形,進(jìn)而增大橡膠摩擦副間的滯后摩擦,故較高面積占有率的織構(gòu)可以增大摩擦系數(shù)。從圖7(d)中還可以看出,隨著織構(gòu)面積占有率的增大,摩擦系數(shù)隨載荷的變化越小,說(shuō)明較高面積占有率的織構(gòu)有更好的承載穩(wěn)定性。

(a) 載荷為5 N時(shí)的摩擦系數(shù)

2.3.3 織構(gòu)幾何尺寸對(duì)橡膠摩擦特性的影響

各載荷下(5、10、15 N)不同織構(gòu)幾何尺寸(橡膠表面織構(gòu)面積占有率為50%,滑動(dòng)角度為90°)對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)變化曲線如圖8所示。從圖8(d)中可以看出,橡膠滑動(dòng)界面平均摩擦系數(shù)隨織構(gòu)幾何尺寸的增大呈現(xiàn)波動(dòng),整體趨勢(shì)為先增大后減小;在織構(gòu)尺寸為0.6 mm時(shí)出現(xiàn)高摩擦系數(shù),其原因是由于過(guò)小的織構(gòu)尺寸在接觸載荷的作用下出現(xiàn)劇烈磨損,近而產(chǎn)生磨粒,出現(xiàn)三體摩擦,故摩擦系數(shù)較高;在織構(gòu)尺寸為1.2 mm時(shí),摩擦系數(shù)出現(xiàn)下降趨勢(shì)。其原因是隨著織構(gòu)尺寸的增大,其承載能力越好,近而變形量減小,滯后摩擦減小,故摩擦系數(shù)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。從圖8(a)～(c)中可以看出,接觸載荷對(duì)有織構(gòu)橡膠滑動(dòng)摩擦特性的影響較為顯著,摩擦系數(shù)隨接觸載荷的增大而減小,且接觸載荷越小,摩擦系數(shù)波動(dòng)越大。另外,織構(gòu)尺寸越小,摩擦系數(shù)波動(dòng)越大,并且織構(gòu)尺寸越小,其摩擦系數(shù)隨接觸載荷的變化越顯著,這表明較大的織構(gòu)尺寸有更好的承載穩(wěn)定性。

2.3.4 滑動(dòng)角度對(duì)有織構(gòu)橡膠摩擦特性的影響

各載荷下(5、10、15 N)織構(gòu)的不同滑動(dòng)角度(橡膠表面織構(gòu)面積占有率為50%,織構(gòu)幾何尺寸為1.0 mm)對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)變化曲線如圖9所示。從圖9(d)中可以看出,滑動(dòng)角度對(duì)有織構(gòu)橡膠滑動(dòng)摩擦特性的影響較為顯著,滑動(dòng)角度為0°、45°、90°時(shí)的平均摩擦系數(shù)依次增大,其原因?yàn)檎呅慰棙?gòu)在不同滑動(dòng)角度對(duì)應(yīng)的刮切長(zhǎng)度不同,滑動(dòng)角度為0°、45°、90°對(duì)應(yīng)的刮切長(zhǎng)度依次增大,故摩擦系數(shù)依次增大。還可以看出滑動(dòng)角度為0°時(shí)織構(gòu)的承載穩(wěn)定性較差,滑動(dòng)角度為90°時(shí)織構(gòu)的承載穩(wěn)定性較好。從圖9(a)～(c)中可以看出,接觸載荷為5 N時(shí),3種滑動(dòng)角度下橡膠滑動(dòng)摩擦系數(shù)整體波動(dòng)較大,這是由于在低接觸載荷下摩擦副之間不完全接觸而產(chǎn)生的波動(dòng),但在較高接觸載荷(10、15 N)下,滑動(dòng)角度為0°時(shí)的橡膠滑動(dòng)摩擦系數(shù)整體波動(dòng)比45°和90°時(shí)小,這表明較大的刮切長(zhǎng)度雖然能顯著增大摩擦力,但其波動(dòng)更大;相反,較小的刮切長(zhǎng)度增摩不顯著,但波動(dòng)更小。

2.4 正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)與結(jié)果分析

為了進(jìn)一步研究橡膠表面織構(gòu)的摩擦機(jī)理,在單因素試驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上,選擇織構(gòu)滑動(dòng)角度(X1)、幾何尺寸(X2)和面積占有率(X3)為關(guān)鍵因素進(jìn)行L9(34)正交設(shè)計(jì)試驗(yàn),各因素的編號(hào)和水平如表2所示。

表2 正交試驗(yàn)因素和水平

為使試驗(yàn)結(jié)果更穩(wěn)定,選取正交試驗(yàn)接觸載荷為10 N,每組試驗(yàn)時(shí)間為1 200 s,試驗(yàn)前將試樣置于蒸餾水中用超聲波清洗5 min,干燥后密封待用。

正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析如表3所示,根據(jù)表3的極差分析結(jié)果,極差R得到的結(jié)果為0.112 1>0.096 1>0.079 9,在變化的水平范圍內(nèi),說(shuō)明滑動(dòng)角度對(duì)織構(gòu)化橡膠滑動(dòng)摩擦系數(shù)造成的影響最大,其次為織構(gòu)的面積占有率,影響最小的為織構(gòu)的幾何尺寸。從各水平的均值ki來(lái)看,滑動(dòng)角度為90°的均值最大,0°的均值最小,說(shuō)明滑動(dòng)角度選擇90°對(duì)織構(gòu)化橡膠滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響最顯著;幾何尺寸為1.0 mm的均值最大,0.8 mm的均值最小,說(shuō)明幾何尺寸選擇1.0 mm對(duì)織構(gòu)化橡膠滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響最顯著;面積占有率為60%的均值最大,50%的均值最小,說(shuō)明面積占有率選擇60%對(duì)織構(gòu)化橡膠滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響最顯著。因此織構(gòu)參數(shù)選擇滑動(dòng)角度為90°、幾何尺寸為1.0 mm、面積占有率為60%時(shí)的織構(gòu)化橡膠滑動(dòng)摩擦系數(shù)最大,為最優(yōu)方案。在9組正交試驗(yàn)方案中,未給出織構(gòu)參數(shù)為“滑動(dòng)角度90°+幾何尺寸1.0 mm+面積占有率60%”的試驗(yàn)方案,該方案為根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算給出的最優(yōu)方案,說(shuō)明正交試驗(yàn)法的科學(xué)性和高效性。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果與極差分析

極差分析法計(jì)算得到9種織構(gòu)參數(shù)試驗(yàn)方案對(duì)織構(gòu)化橡膠滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響程度,但極差分析忽略了試驗(yàn)中偶然誤差對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響,而方差分析法可彌補(bǔ)其不足。

表4和表5為正交試驗(yàn)的方差和平均標(biāo)準(zhǔn)偏差分析,由表4可知,修正模型的P值小于0.05,說(shuō)明該模型具有較高的統(tǒng)計(jì)顯著性;織構(gòu)參數(shù)的3個(gè)關(guān)鍵因素(滑動(dòng)角度X1、幾何尺寸X2、面積占有率X3)的P值均小于0.05,說(shuō)明三因素對(duì)織構(gòu)化橡膠滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響都較為顯著;滑動(dòng)角度X1、幾何尺寸X2和面積占有率X3的F值分別為44.002 0、23.851 9和33.014 6,平方和與F值越大,對(duì)織構(gòu)化橡膠滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響越顯著,則織構(gòu)化橡膠滑動(dòng)摩擦系數(shù)的影響因素順序?yàn)?滑動(dòng)角度>面積占有率>幾何尺寸;根據(jù)表5所示結(jié)果統(tǒng)計(jì)可知,各因素最優(yōu)水平組合為X13X22X32,對(duì)應(yīng)滑動(dòng)角度90°,幾何尺寸1.0 mm,面積占有率60%。該結(jié)論與極差分析結(jié)果一致,進(jìn)一步說(shuō)明該最優(yōu)方案的正確性。

表4 正交試驗(yàn)方差分析

3 結(jié)論

1) 在較高的織構(gòu)面積占有率下,織構(gòu)化橡膠較光滑橡膠的滑動(dòng)摩擦系數(shù)大,具有一定的增摩效果,且在較高的面積占有率下,織構(gòu)的承載能力更好。

2) 在較小的織構(gòu)尺寸下,織構(gòu)承載能力較差,出現(xiàn)劇烈磨損,表現(xiàn)出較高的摩擦系數(shù)。在較大的織構(gòu)尺寸下,織構(gòu)在具有增摩效果的同時(shí)又有良好的承載能力。

3) 滑動(dòng)角度為90°時(shí),織構(gòu)化橡膠的摩擦系數(shù)較大,但其摩擦系數(shù)波動(dòng)較大。相反,滑動(dòng)角度為0°時(shí)摩擦系數(shù)較小,但其摩擦系數(shù)波動(dòng)較小。

4) 根據(jù)正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果,織構(gòu)滑動(dòng)角度為90°,幾何尺寸為1.0 mm,面積占有率為60%時(shí)增摩效果最好,為最優(yōu)方案;根據(jù)方差分析結(jié)果,織構(gòu)滑動(dòng)角度對(duì)增大摩擦系數(shù)的作用最顯著,其次為織構(gòu)面積占有率,織構(gòu)幾何尺寸對(duì)增大摩擦系數(shù)的作用最不顯著。