磨料尺寸對密封橡膠摩擦磨損特性的影響

陳驥馳++范海宇++張威++常乃桐++劉姝鑫++王寶華

摘 要：橡膠密封件易于因顆粒物磨損而引起事故。本研究致力于磨料尺寸對橡膠的磨損影響，研究結果表明，摩擦系數和磨損量均隨磨料尺寸增加而增加，并且磨損量在后期有所加劇，磨損機理為磨粒磨損。本研究結果有利于理解橡膠磨損機理與磨料尺寸關系，延長橡膠使用壽命。

關鍵詞：橡膠；磨料；磨損

中圖分類號：TH327 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）20-0064-02

前言

橡膠具有高泊松比、斷裂伸長率和較低的楊氏模量，因此適用于各種密封原件[1，2]。由于橡膠密封件可有效防止泄露流體和污物進入機器，使之成為關鍵部件。受摩擦磨損的橡膠移動部件可能會在使用壽命期間發生故障，磨粒磨損是其常見的磨損機制，流體中的磨損碎片，腐蝕產物甚至空氣中的灰塵均可能充當第三體，這種磨料可以在兩個表面自由移動，使之成為三體磨損；它們也可能部分地嵌入到一個接觸表面中，并且作為切割工具，導致另一個配合表面磨損，降低橡膠密封件的密封性能和使用壽命[3，4]。

有關橡膠磨粒磨損特性的文獻材料鮮有報道，到目前為止，現有的摩擦和磨損研究工作主要集中在相對光滑平坦的對抗表明，磨粒的存在尚未考慮。文獻[5]研究了丁腈橡膠（N

BR）在砂水潤滑條件下對不銹鋼對面的磨損行為，他們指出，砂的質量濃度，施加的載荷和滑動速度對摩擦副的摩擦學性質（例如磨損體積和表面粗糙度）具有顯著影響。本文研究了丁腈橡膠在具有不同磨料尺寸的三體磨損中的摩擦和磨損特性，以降低摩擦副間的密封界面處的磨損失效，討論磨料尺寸對摩擦系數，磨損量和損傷機理的影響。本研究旨在為減少橡膠密封應用中的磨損提供理論依據。

1 試驗部分

為模擬實際工況開展橡膠的三體磨損實驗，磨料采用Al2O3，其平均直徑分別為0.1mm 0.2mm，0.5mm和1.0mm。具體流程如圖1所示，穩定時采集摩擦系數，試樣由丙酮、酒精和蒸餾水依次清洗，失重前后的差值即為該次試驗的磨損量。實驗載荷分別為40N，60N和80N，橡膠磨痕表面由掃描電鏡拍攝。

2 試驗結果

摩擦與磨損存在因果關系，摩擦系數是影響磨損率的重要因素，且磨損量間接反映了磨損過程。摩擦系數和磨損量與磨料尺寸關系分別如圖2和圖3所示。摩擦系數隨磨料尺寸增加而增加，這可能是由于磨料尺寸增加，切削刃所致，摩擦系數展現出先攀登后趨于穩定的兩個特征階段，隨載荷增加呈現出相反趨勢。磨損量隨磨料尺寸增加而增加，磨料尺寸增加，載荷增加，對橡膠材料剪切作用增強，導致磨損量變大。為了更好地理解磨料對橡膠摩擦磨損特性的影響，圖4顯示了在40N載荷下磨損后磨痕表面形貌，其中4（a），4（b）和4（c）分別對應磨料尺寸0.2mm，0.5mm和1.0mm。由圖4可以看出隨載荷的增加磨痕表面犁溝有所增加，并且當磨料尺寸達到1.0mm時犁溝的寬度和數量達到最大值。

3 結束語

本研究旨在理解磨料尺寸對橡膠磨損機理的影響，基于本研究得到如下結論：摩擦系數在不同的摩擦條件下（磨料尺寸變化時）顯示出不同的值。更具體地說，摩擦系數和磨損量均隨磨料尺寸增加而增加，并且磨損量在后期也有所加劇，磨損機理為磨粒磨損。本研究為減少橡膠密封應用中的磨損提供理論依據。

參考文獻：

[1]溫詩鑄，黃平.摩擦學原理[M].北京：清華大學出版社，2008.

[2]王哲.含砂原油介質中螺桿泵定子橡膠摩擦磨損行為研究[D].沈陽：沈陽工業大學，2013.

[3]張嗣偉.橡膠磨損原理[M].北京：石油工業出版社，1998：51-52.

[4]孫家樞，賀鎮江.磨料對材料表面磨損作用力及磨損機理的研究[J].農業機械學報，1984，3（1）：59-68.

[5]Dong C L， Yuan C Q， Bai X Q， et al. Tribological properties of aged nitrile butadiene rubber under dry sliding conditions[J].Wear，2015，（322-323）：226-237.