李玉銘，劉兆霞，王端一，魏夢(mèng)曉

（山東科技大學(xué)能源與礦業(yè)工程學(xué)院，山東 青島 266590）

0 引言

摩擦現(xiàn)象普遍存在，據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界1/3～1/2 能源以各種形式被摩擦消耗，而摩擦導(dǎo)致的磨損是機(jī)械設(shè)備失效的主要原因，大約有80%的零件損壞是由各種形式的磨損引起的[1-2]。聚氨酯活塞具有機(jī)械性能好、高硬度、高彈性、高耐磨、耐老化性、耐油性好等優(yōu)點(diǎn)[3]，在現(xiàn)階段常被用作鏈?zhǔn)絿姖{機(jī)中傳送物料的關(guān)鍵部件，聚氨酯活塞的使用壽命將直接影響鏈?zhǔn)絿姖{機(jī)的運(yùn)行效率，鏈?zhǔn)絿姖{機(jī)對(duì)于降低煤礦粉塵具有重要意義。然而，長(zhǎng)期運(yùn)行輸送混凝土物料，使其遭受著砂粒磨損、高溫磨損以及熱疲勞等惡劣工況[4-5]。磨損是活塞失效的主要原因之一，磨損會(huì)導(dǎo)致活塞密封性差，從而影響物料的輸送效率，導(dǎo)致成本上升。每次更換維護(hù)活塞都會(huì)使得鏈?zhǔn)絿姖{機(jī)停機(jī)，極大地浪費(fèi)生產(chǎn)成本和能源。眾所周知，摩擦加熱和由此導(dǎo)致的接觸溫度升高會(huì)對(duì)滑動(dòng)部件的摩擦學(xué)行為和失效產(chǎn)生重要影響[6]，由于活塞-缸筒工作狀態(tài)惡劣，受工作環(huán)境的溫度影響非常大，因此，研究缸筒溫度規(guī)律對(duì)活塞-缸筒磨損狀態(tài)的影響尤為重要[7]。

張寶峰[8]針對(duì)缸筒鑄鐵材料出現(xiàn)的磨損問題提出改善缸筒材料耐磨性能的方法，對(duì)五種鑄鐵材料在不同轉(zhuǎn)速及不同溫度條件下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，分析不同溫度、不同轉(zhuǎn)速條件對(duì)鑄鐵材料組織以及形貌演變過程的影響；王新剛等[9]針對(duì)中部槽與刮板鏈的磨損嚴(yán)重問題，分析了中部槽和刮板鏈的工況特點(diǎn)、磨損失效原因，并提出了利用計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)和輔助分析提高其使用壽命的方法；史志遠(yuǎn)[10]利用試驗(yàn)臺(tái)開展磨損試驗(yàn)，研究中部槽沖擊磨損性能的內(nèi)在規(guī)律及各因素的作用程度，掌握中部槽摩擦學(xué)參數(shù)隨接觸壓力、相對(duì)速度及介質(zhì)環(huán)境等因素的變化規(guī)律及磨損機(jī)理；何星等[11]通過觀察某車輛大修期發(fā)動(dòng)機(jī)缸套-活塞環(huán)試樣的表面形貌，分析得到了缸套-活塞環(huán)系統(tǒng)的磨損失效特征；王哲等[12]對(duì)摩擦副在不同工況下的摩擦磨損情況進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)干摩擦條件下橡膠因摩擦熱導(dǎo)致表面發(fā)生化學(xué)變化，進(jìn)而產(chǎn)生磨損。

總的來說，眾多學(xué)者對(duì)磨損失效問題有了一定的研究，但是對(duì)聚氨酯活塞磨損失效的研究甚少。因此，本文開展了活塞-缸筒摩擦磨損行為的研究，用活塞和缸筒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模擬噴漿機(jī)實(shí)際工作時(shí)的活塞-缸筒摩擦現(xiàn)象，在運(yùn)行速度、運(yùn)行距離、載荷參數(shù)保持不變的情況下，通過溫度的變化對(duì)活塞-缸筒進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，研究試驗(yàn)溫度對(duì)活塞磨損行為的影響，得到推鏈活塞的磨損規(guī)律，以及活塞的磨損表面形貌，以期為聚氨酯活塞在溫度變化下的摩擦磨損相關(guān)研究提供試驗(yàn)參考[13]。

1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)裝置

活塞和缸筒在鏈?zhǔn)絿姖{機(jī)中具有重要作用，如圖1 和圖2 所示。試驗(yàn)以鏈?zhǔn)絿姖{機(jī)中的推鏈活塞為研究對(duì)象，搭建了一個(gè)活塞磨損測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括缸筒、氣缸、壓力變送器、壓力傳感器和時(shí)間溫度控制器等。缸筒的主體材料是無縫鋼管，內(nèi)壁做鍍鉻處理，相對(duì)彈性模量為20.8 MPa，外徑為133 mm，內(nèi)徑為110 mm，高度為338 mm，與之配套的是型號(hào)為SC125X150 的氣缸，缸筒內(nèi)是直徑為110 mm 的活塞，活塞主體材料為45 鋼，其彈性模量為210 GPa，外表面用聚氨酯材質(zhì)密封[14]。壓力變送器的型號(hào)為YMP-131，主要用來傳送壓力信號(hào)；時(shí)間溫度控制器的型號(hào)為WK-SM3A，用來監(jiān)測(cè)溫度變化。本次試驗(yàn)只考慮無物料運(yùn)行時(shí)的活塞磨損情況。

圖1 鏈?zhǔn)絿姖{機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of chain shotcrete machine

圖2 活塞配件Fig.2 Piston accessories

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)前對(duì)活塞進(jìn)行清洗晾曬干燥并稱重，通過活塞磨損測(cè)試系統(tǒng)對(duì)活塞進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，取6個(gè)活塞先依次磨損3 h，3 h 后停止運(yùn)行，其中，1 個(gè)活塞作為參照對(duì)象不繼續(xù)試驗(yàn)，剩下5 個(gè)活塞分別在20 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃和45 ℃的溫度下磨損，磨損到下一個(gè)溫度梯度時(shí)停止磨損，分別將其設(shè)為a 組、b 組、c 組、d 組、e 組、f 組。試驗(yàn)結(jié)束后取下活塞，用高精度電子天秤對(duì)試驗(yàn)前后活塞的質(zhì)量進(jìn)行稱量，計(jì)算活塞的磨損量。采用LEICA DVM5000 HD 型徠卡顯微鏡觀察活塞的表面形貌，從而對(duì)比活塞摩擦磨損試驗(yàn)前后的表面形貌，分析磨損機(jī)制。

試驗(yàn)在青島某機(jī)械有限公司的生產(chǎn)中心進(jìn)行，用空壓機(jī)將氣缸內(nèi)通入0.7 MPa 的壓縮空氣，通過電磁閥帶動(dòng)活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)的頻率為16 次/min，往復(fù)運(yùn)動(dòng)行程為105 mm。在活塞磨損測(cè)試系統(tǒng)開始運(yùn)行時(shí)，隨機(jī)選取2 次活塞磨損試驗(yàn)測(cè)量缸筒的溫度上升情況，監(jiān)測(cè)記錄缸筒中的壓力曲線變化，磨損時(shí)間為3 h。之后重新啟動(dòng)活塞磨損測(cè)試系統(tǒng)，采用阿爾泰設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)，分別在缸筒壁溫度為20 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃時(shí)通過壓力變送器采集電流信號(hào)，監(jiān)測(cè)缸筒中的壓力曲線變化，得到缸筒內(nèi)密封性隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，記錄隨著活塞磨損測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行，缸筒壁溫度升高情況。根據(jù)出氣速率判斷活塞-缸筒的密封情況，以此來判斷活塞的磨損情況。試驗(yàn)結(jié)束后測(cè)量試驗(yàn)前后活塞的質(zhì)量數(shù)據(jù)，利用徠卡顯微鏡觀測(cè)活塞的微觀結(jié)構(gòu)[15]。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)磨損過程的影響

根據(jù)活塞-缸筒的實(shí)際工況研究了不同溫度對(duì)活塞在摩擦磨損過程中磨損量及形貌變化的影響，能夠?yàn)檠娱L(zhǎng)活塞使用壽命提供參考。因此，通過在試驗(yàn)過程中等梯度設(shè)計(jì)不同溫度的試驗(yàn)條件，對(duì)該試驗(yàn)條件下的密封性能、磨損量、磨損形貌等進(jìn)行分析，從而找到活塞磨損性能的影響規(guī)律。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，因摩擦產(chǎn)生的摩擦熱最高溫度在45 ℃左右，因此，分別設(shè)置室溫20 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃五種溫度來觀測(cè)活塞的密封情況。

通過溫控器觀測(cè)可知，隨著活塞在缸筒內(nèi)的運(yùn)行，活塞與缸筒摩擦產(chǎn)生的摩擦熱使得活塞和缸筒壁的溫度逐漸升高，由圖3 可知，溫度隨時(shí)間的增長(zhǎng)呈現(xiàn)逐漸上升的趨勢(shì)，曲線的斜率逐漸減小，溫度的上升幅度逐漸降低，且兩次測(cè)得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)斜率接近相似，說明試驗(yàn)測(cè)得的溫度變化情況具有有效性。

圖3 試驗(yàn)中溫度上升情況Fig.3 Temperature rise during the experiment

經(jīng)過壓力變送器采集電流信號(hào)，從而測(cè)得活塞-缸筒之間的密封性能下降情況，把測(cè)得的數(shù)據(jù)導(dǎo)出后經(jīng)Origin 軟件處理得到活塞-缸筒內(nèi)的壓力變化情況，如圖4 所示。

圖4 試驗(yàn)中壓力變化情況Fig.4 Pressure change during the experiment

由圖4 可知，隨著溫度的升高，活塞-缸筒之間的壓強(qiáng)逐漸減小，導(dǎo)致密封性能逐漸下降。在溫度為20 ℃時(shí)，活塞-缸筒內(nèi)壓強(qiáng)下降速率最快，200 s 時(shí)已經(jīng)下降超過了0.4 MPa，如圖4 中b 組所示。隨著溫度的升高，活塞產(chǎn)生了熱脹冷縮現(xiàn)象，使得活塞密封下降速率減緩，在缸筒溫度為45℃時(shí)，下降速率達(dá)到最低，低于參考活塞摩擦磨損的密封下降速率，如圖4 中f 組所示。

為確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可參考性，以觀測(cè)時(shí)間的前200 s 為例，在200 s 的時(shí)間內(nèi)，a 組活塞磨損密封下降的平均速率計(jì)算見式（1）。

式中：Vɑ0為初始運(yùn)行時(shí)a 組活塞的壓強(qiáng)下降速率；Vɑ1為200 s 時(shí)a 組活塞的壓強(qiáng)下降速率。

b 組活塞磨損密封下降平均速率計(jì)算見式（2）。

式中：Vb0為初始運(yùn)行時(shí)b 組活塞的壓強(qiáng)下降速率；Vb1為200 s 時(shí)b 組活塞的壓強(qiáng)下降速率。

c 組活塞磨損密封下降平均速率計(jì)算見式（3）。

式中：Vc0為初始運(yùn)行時(shí)c 組活塞的壓強(qiáng)下降速率；Vc1為200 s 時(shí)c 組活塞的壓強(qiáng)下降速率。

d 組活塞磨損密封下降平均速率計(jì)算見式（4）。

式中：Vd0為初始運(yùn)行時(shí)d 組活塞的壓強(qiáng)下降速率；Vd1為200 s 時(shí)d 組活塞的壓強(qiáng)下降速率。

e 組活塞磨損密封下降平均速率計(jì)算見式（5）。

式中：Ve0為初始運(yùn)行時(shí)e 組活塞的壓強(qiáng)下降速率；Ve1為200 s 時(shí)e 組活塞的壓強(qiáng)下降速率。

f 組活塞磨損密封下降平均速率計(jì)算見式（6）。

式中：Vf0為初始運(yùn)行時(shí)f 組活塞的壓強(qiáng)下降速率；Vf1為200 s 時(shí)f 組活塞的壓強(qiáng)下降速率。

由以上數(shù)據(jù)可知，隨著溫度的升高，活塞的密封性能逐漸下降，在45 ℃時(shí)，f 組活塞的密封性能相較于a 組活塞的密封性能有所提高，但是這種情況不會(huì)持續(xù)很久，因?yàn)闇囟仍礁?，磨損越劇烈，導(dǎo)致活塞加速失效，因此，建議活塞-缸筒在運(yùn)行一段時(shí)間后進(jìn)行冷卻處理，盡量避免其在持續(xù)的高溫條件下運(yùn)行。

2.2 活塞磨損量分析

材料的耐磨性是材料抵抗磨損的能力，與材料發(fā)生的摩擦機(jī)制有關(guān)，材料磨損率越低其耐磨性越高[16]。溫度是活塞材料磨損量的影響因素之一，不同溫度下往往活塞的磨損量也不盡相同，研究溫度對(duì)活塞磨損性能影響的關(guān)鍵任務(wù)是獲得磨損量隨著溫度變化的基本規(guī)律，從而為工程實(shí)踐提供重要的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過測(cè)量活塞磨損前后的質(zhì)量變化，計(jì)算活塞的平均磨損情況，見表1。

表1 活塞質(zhì)量變化數(shù)據(jù)Table 1 Change data of piston mass 單位：g

將試驗(yàn)中的溫度取值與表1 中的磨損量試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總整理，可得缸筒溫度與磨損量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，見表2。

表2 溫度對(duì)磨損量的影響Table 2 Effect of temperature on wear amount

根據(jù)表2 中的磨損試驗(yàn)數(shù)據(jù)，繪制活塞磨損量隨溫度的變化關(guān)系曲線，如圖5 所示。

圖5 不同溫度下活塞磨損量變化折線圖Fig.5 Variation line chart of piston wear amount at different temperatures

由圖5 可知，隨著溫度的升高，磨損量逐漸上升，磨損量曲線斜率逐漸變小，磨損量隨溫度的升高，逐漸達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。缸筒表面溫度在20～35 ℃時(shí)，磨損量曲線非常陡峭，說明磨損量隨溫度的升高而急劇增加；缸筒表面溫度在35～45 ℃時(shí)，磨損量曲線較為平緩，說明此時(shí)磨損量變化不大。由此也能說明溫度對(duì)活塞-缸筒材料的磨損性能影響較大。因此可知，活塞的磨損量隨著溫度的升高而升高，但其磨損量增長(zhǎng)程度隨溫度的升高而降低。

2.3 活塞表面形貌及傷損

活塞在不同溫度下的磨損機(jī)制不同，即磨損過程受到溫度的影響較大，表面形貌從很大程度上能夠?qū)钊哪Σ聊p性能產(chǎn)生影響，因而有必要分析溫度對(duì)活塞在摩擦磨損過程中組織脫落及形貌變化的影響，從而揭示活塞在不同工作溫度下微觀組織及表面形貌的變化規(guī)律。

為了進(jìn)一步分析活塞的表面形貌特征，從微觀的角度分析磨損過程中組織的變化情況，使用LEICA DVM5000 HD 型徠卡顯微鏡對(duì)活塞磨損表面形貌進(jìn)行觀察，分析不同溫度對(duì)摩擦磨損過程的影響，揭示活塞表面形貌的磨損過程，從而為研究活塞的磨損機(jī)理提供重要的試驗(yàn)依據(jù)[17]。不同溫度下活塞表面的微觀形貌具有一定的差別，為便于觀察，僅觀察室溫、35℃和45℃下的活塞磨損形貌，圖6 為活塞在不同溫度下的表面二維磨損形貌圖。

圖6 不同溫度下活塞表面二維磨損形貌圖Fig.6 2D wear morphology of piston surface at different temperatures

使用徠卡顯微鏡觀察其未磨損表面，可以看到山脊?fàn)畹幕y，花紋的形狀規(guī)整，排列整齊，頂部多呈圓弧狀，如圖6（a）所示。正常磨損的聚氨酯活塞會(huì)有材質(zhì)損失，活塞發(fā)生了較輕微的磨損，表面會(huì)粗糙但沒有裂紋，如圖6（b）所示。常溫磨損下活塞發(fā)生了較輕微的磨損，磨痕表面存在少量顆粒狀磨屑，隨著溫度的升高，活塞表面開始軟化，磨痕寬度與深度逐漸增大，磨痕表面可以看到明顯的犁溝現(xiàn)象，產(chǎn)生疲勞裂紋，如圖6（c）所示。隨著溫度的升高，活塞磨痕處堆積了大量的顆粒狀磨屑，產(chǎn)生了較嚴(yán)重的表面缺陷，出現(xiàn)了疲勞凹坑[18]，如圖6（d）所示。由圖6 可知，隨著溫度的升高，不同位置的磨痕形貌發(fā)生了不規(guī)則的變化，使得磨痕變得不均勻，即溫度越高，磨損越嚴(yán)重，磨損表面的粗糙度越大。

活塞表面由輕微磨損向連貫起皮剝落發(fā)展，主要磨損機(jī)制為表面接觸疲勞磨損，隨溫度升高，其他非正常磨損在逐漸增加。溫度對(duì)活塞的磨耗影響很大，因此，要加強(qiáng)缸筒、活塞的冷卻與潤滑。

3 結(jié)論

通過對(duì)活塞-缸筒進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，探究了不同溫度對(duì)活塞-缸筒之間的密封性能、活塞磨損量以及磨損形貌的影響，得出的結(jié)論如下所述。

1）隨著溫度升高，活塞-缸筒密封下降速率逐漸上升，但在45 ℃時(shí)，活塞密封性能高于參考活塞。

2）缸筒表面溫度在20～35 ℃時(shí)，磨損量曲線非常陡峭，說明磨損量隨溫度的升高而急劇增加；缸筒表面溫度在35～45 ℃時(shí)，磨損量曲線較為平緩，說明此時(shí)磨損量變化不大。由此也可以說明溫度對(duì)活塞-缸筒材料的磨損性能影響較大?；钊哪p量隨著溫度的升高而升高，但是其磨損量增長(zhǎng)程度隨著溫度的升高而降低。

3）常溫磨損下活塞發(fā)生了較輕微的磨損，磨痕表面存在少量顆粒狀磨屑，隨著溫度的升高，活塞表面開始軟化，磨痕表面可以看到明顯的犁溝現(xiàn)象，出現(xiàn)了疲勞裂紋，并且磨痕處還堆積了大量的顆粒狀磨屑，產(chǎn)生了較嚴(yán)重的表面缺陷，出現(xiàn)了疲勞凹坑?；钊砻嬗奢p微磨損向連貫起皮剝落發(fā)展，主要磨損機(jī)制為疲勞磨損，隨溫度升高，其他非正常磨損在逐漸增加。

綜上所述，溫度過高會(huì)降低活塞-缸筒之間的密封性能、加快活塞的磨損、加速活塞的失效，導(dǎo)致活塞出現(xiàn)非正常疲勞磨損，降低了活塞的使用壽命。本文用活塞和缸筒之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)模擬噴漿機(jī)實(shí)際工作時(shí)的活塞-缸筒摩擦現(xiàn)象，通過研究試驗(yàn)溫度對(duì)活塞磨損行為的影響，得到推鏈活塞的磨損規(guī)律以及活塞的磨損表面形貌，以期為聚氨酯活塞在溫度變化下的摩擦磨損相關(guān)研究提供試驗(yàn)參考和理論支撐。下一步研究時(shí)不能只考慮單因素對(duì)活塞摩擦磨損的影響，應(yīng)綜合考慮多種因素對(duì)活塞的影響，并根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)得到對(duì)活塞磨損影響最小的參數(shù)，以期延長(zhǎng)活塞使用壽命，提高活塞可靠性。