澆鑄尼龍摩擦磨損影響因素研究

何志輝，何 婷

（三一重工股份有限公司，湖南長沙410100）

離心澆鑄尼龍(MC nylon)是以己內酰胺為主要原料，在常壓下將熔融的己內酰胺單體(用強堿性物質作催化劑)減壓脫水后，與助催化劑等混合均勻，直接注入一定溫度的模具中聚合成型。MC尼龍具有較高的力學性能、較好的自潤滑性能和減震降噪性能，被廣泛用于齒輪、軸承及滑塊等大型制品，廣泛應用于港口機械、起重機械。

本文通過系統試驗分析，研究了MC尼龍摩擦磨損性能的影響因素，以期為解決MC尼龍使用過程中的摩擦磨損問題提供試驗依據和理論指導。

1 試驗部分

1.1 試驗材料與設備

原材料為公司采購的澆筑尼龍滑塊，經機加工制成試樣樣品，滑塊供應商包括株洲時代、施瓦茨等。

摩擦磨損試驗機：UMT-3H 型，美國CETR。

2.2 試驗方法

2.2.1 滑塊正交試驗評價

影響摩擦的因數很多，包括摩擦副材料的性質、環境氣氛、靜止接觸時間、載荷情況、摩擦副的剛度和彈性、運轉速度、溫度狀況、摩擦表面接觸幾何特性和表面層物理性質，以及介質的化學作用等。為綜合研究滑塊材料在整個工況環境中摩擦磨損性能變化，設計正交試驗，研究溫度、速度、法向載荷、潤滑條件等因子對滑塊材料摩擦磨損性能影響。設計試驗參數見表1。試驗運動方式為點接觸旋轉運動，球直徑9.5mm，硬度39HRC。

表1 L9(34)正交試驗因子水平表Table 1 L9(34) orthogonal experiment factor level table

2.2.2 滑塊單因素變量試驗

摩擦磨損試驗在美國CETR 產UMT-3H 型摩擦磨損試驗機上進行。為消除其他因素對摩擦磨損性能影響，保證試驗數據可對比性，選擇在同一個程序中設置不同step 的方式，實現試驗目的。試驗中固定其他參數不變，改變不同step 之間的單一因素，進行試驗研究。采用不銹鋼銷為對磨件，銷直徑6.5mm，選擇運動方式為旋轉運動，旋轉半徑6mm。轉速、溫度、載荷連續可調。

3 結果與討論

3.1 正交試驗數據分析

3.1.1 磨損量分析

根據正交試驗表，取施瓦茨的滑塊開展摩擦磨損試驗。磨損量試驗數據見表2。

表2 L9(34)正交試驗結果Table 2 L9(34) orthogonal experimental result

表3 為因子的極差結果，圖1為因子效應圖。從表3和圖1均可知，4個因素的主次影響順序為溫度＞ 潤滑條件＞ 法向載荷＞轉速，其中溫度取40℃，轉速取200r/min，法向載荷取50N，潤滑條件為特殊潤滑時，磨損量最小。 因為r 的極差最小，所以把r 作為誤差考慮，進行方差分析。表4為以磨損量為目標值的方差分析結果。由表4可知，采用90%的信心水準時，溫度和潤滑條件是顯著影響因素。

表3 因子極差結果Table 3 Factor range results

圖1 磨損量為目標值的因子效應圖Fig.1 Factor effect diagram of wear as target value

表4 方差分析表Table 4 Variance analysis table

3.1.2 摩擦系數正交試驗分析

以摩擦系數為對象進行正交分析，表5為因子的極差結果，圖2為因子效應圖。從表5和圖2均可知，4個因素的主次影響順序為潤滑條件＞轉速＞法向載荷＞溫度。但4個測試因素影響差異較小，這一試驗結果與鐵道部標準計量研究所的數據相吻合[1]。造成4個因素影響差異較小的原因包括兩個方面：(1)所選4個因子的交互作用較大，這一推測符合摩擦學經典理論。(2)4 個因子水平選取步長差異較小，使得這4 個因子對目標值的影響相差不大，因而不能真實反映因子的主次影響順序以及各個因子的最優水平。因此，對摩擦性能的正交試驗結果應審慎引用。為進一步研究各因素對摩擦系數的影響，進行單因素影響補充試驗。

表5 因子極差結果Table 5 Factor range results

圖2 摩擦因子為目標值的因子效應圖Fig. 2 Factor effect diagram with friction factor as target value

3.2 摩擦系數影響因素分析

3.2.1 法向載荷的影響

為研究法向載荷對摩擦系數的影響，設計了本試驗，試驗結果如圖3所示。從圖3可見，隨著法向載荷的線性增加，株洲時代試樣摩擦系數呈現先增加后降低的趨勢，這一結論與孫世豪、Huchings等[2-5]的結果相吻合。而陳平、焦有威[6-7]的研究表明，摩擦力和接觸壓力之間的關系總體上滿足庫侖摩擦定律，但由于滑動中表面結構受力變形會引起接觸面積發生變化，當接觸壓力在特定范圍內變化時，摩擦力會隨著接觸壓力的增大而減小。陳平的試驗發現載荷小于90N時，PA66以黏著磨損為主。載荷為90N時，PA66磨損形式為犁削磨損和黏著磨損。載荷為140 N時，PA66的磨損形式為黏著磨損并伴有膠合現象的產生。摩擦學粘著理論認為摩擦力與實際接觸面積成正比，而實際接觸面積并不隨法向載荷的增加而線性變化，使得滑動摩按系數隨著法向載荷的增加，而呈現先增加后降低的趨勢。

圖3 法向載荷對摩擦系數的影響Fig.3 Influence of normal load on friction coefficient

3.2.2 滑動速度的影響

一般情況下，摩擦系數隨滑動速度增加而升高，越過一個極大值后，又隨滑動速度的增加而減少?？死w爾斯基對各種材料在速度變化范圍為0.0034～25 m/s、壓力變化范圍為0.8～166 kPa 時的摩擦系數進行試驗研究后得出：當速度增大時摩擦系數通過一個最大值[5],一般認為滑動速度對摩擦系數的影響，主要是摩擦引起溫度的變化所致?；瑒铀俣纫鸬陌l熱和溫度的變化，改變了摩擦表面層的性質和接觸狀況，因而摩擦系數必將隨之變化。圖4是株洲試樣摩擦系數隨速度的變化趨勢，從圖4可以看出，隨著旋轉速度的增加，摩擦系數同比增加。在旋轉速度降低后，摩擦系數同步降低，這一結論與馬艷艷、孫永紅等[8-9]通過環塊式試驗機獲得的結果相一致，如圖5所示。

圖4 法向載荷對摩擦系數的影響Fig.4 Influence of rotation speed on friction coefficient

圖5 速度對摩擦系數的影響Fig.5 Influence of velocity on friction coefficient

吳先明等[10]分析認為機床導軌的靜、動摩擦系數差異，可能是造成繼承滑動副發生爬行的主要原因之一。我們認為摩擦系數在臂架運行過程中的突變是臂架抖動的原因之一，摩擦系數速度依賴性，造成滑動部件在不同運動速度下摩擦系數的差異，形成臂架滑動副之間的自激震動。在滑動部件運動過程中，由于摩擦系數隨著速度增加而增加，在較低速度時，滑動部件有正的加速度，隨著運動時間延長，速度增加，摩擦系數隨之增加，加速度逐漸變小，甚至成為負值，造成速度降低，構成滑動副之間自激震動。焦有威[11]的研究表明但由于試樣數量限制和時間倉促，對此尚需進行深入分析和論證。

3.2.3 溫度的影響

摩擦副相互滑動時，溫度的變化使表面材料的性質發生改變，從而影響摩擦系數，摩擦系數隨摩擦副工作條件的不同而變化，具體情況需用試驗方法測定。

圖6 、圖7為同一試驗過程數據。圖6為溫度對8#試樣摩擦系數的影響曲線，從圖6可以看出，試驗溫度從25℃升高到100℃過程中，摩擦系數沒有出現明顯變化。

圖6 溫度對摩擦系數的影響Fig.6 Effect of temperature on friction coefficient

圖7 為試驗過程中Z 位移對試驗溫度曲線，從圖7可以發現，當溫度從25℃升高到100℃過程中，Z向位移發生顯著變化。由于尼龍試樣1.8MPa下熱變形溫度低于100℃，在150N載荷下試樣壓力約為5MPa，推斷Z向位移的突變可能是試樣發生了明顯的塑性變形導致的。

圖7 溫度對磨損深度的影響Fig .7 Effect of temperature on wear depth

3.2.4 運動方式的影響

為研究運動方式對高分子材料摩擦系數的影響，對比了往復運動、旋轉運動兩種運動試驗結果。兩種運動方式都采用點接觸、法向載荷為50N。試驗對比結果如圖8所示，運動方式對摩擦系數的影響，發現旋轉運動與往復運動測試結果差異顯著，圖8數據顯示，往復運動測試的摩擦系數比旋轉運動測試結果要高1倍左右。這與張紗等[11]的研究結果相一致，其研究認為在往復扭動運動方式下，滑塊承受的主要是交變剪切應力，造成摩擦副表面形成復雜褶皺形貌，且磨損過程中磨粒不易排出，摩擦熱不易散失。

圖8 運動方式對摩擦系數的影響Fig.8 Influence of motion mode on friction coefficient

3.2.5 試驗時間的影響

摩擦系數與時間的關系比較復雜。通常認為試驗對摩擦系數的影響與高分子材料的蠕變性能、摩擦熱積累、磨粒生成等多種因素相關。圖9為株洲滑塊試樣在測試過程中摩擦系數的變化。圖9說明，在測試進行到5min時，摩擦系數進入相對穩定階段。在試驗進行到50min時，摩擦系數發生突變，從0.12增加到0.26，同時磨損深度z 從-0.03mm增加到-0.09mm，表明摩擦系數的突變可能與材料突然進入的劇烈磨損期有關。試驗進行到100min時，摩擦系數再次進入穩定期，可能與磨損機理由粘著變成磨料磨損有關，圖10、圖11 為試驗結束后試樣與摩擦副照片，從圖10、圖11 可以發現大量的磨粒、磨屑，與推測結論基本一致。這一結論與邱明等[12-13]的研究結果相一致，磨損機理的改變造成了摩擦系數的突變。

圖9 摩擦系數與時間的關系Fig.9 Relationship between friction coefficient and time

圖10 試驗8h后圓柱銷照片Fig.10 Photo of cylindrical pin after 8h test

圖11 試驗8h后7#滑塊照片Fig.11 Photo of 7# slide block after 8h test

4 結論

(1)通過正交試驗研究了滑塊材料的摩擦磨損性能，研究發現法向載荷、旋轉速度、溫度、潤滑條件對摩擦系數的影響差異不顯著，對磨損量的影響較為顯著。其中對磨損量影響順序為溫度＞潤滑條件＞法向載荷＞旋轉速度。

(2)通過單因素變量試驗研究了摩擦系數的影響因素。發現隨著法向載荷在30～80 N 線性增加時，摩擦系數呈先增加后降低趨勢。

(3)通過單因素變量試驗研究了轉速對摩擦系數的影響，發現隨著旋轉轉速的增加，摩擦系數同步增加。摩擦系數的速度依賴性可能是造成臂架抖動的原因之一。

(4)通過試驗分析了不同運動方式下摩擦系數的差異，認為不同運動方式下摩擦系數差異較顯著，缺乏對比性。