缸筒溫度對聚氨酯活塞摩擦磨損影響規律試驗研究

李玉銘，劉兆霞，王端一，魏夢曉

（山東科技大學能源與礦業工程學院，山東 青島 266590）

0 引言

摩擦現象普遍存在，據統計，全世界1/3～1/2 能源以各種形式被摩擦消耗，而摩擦導致的磨損是機械設備失效的主要原因，大約有80%的零件損壞是由各種形式的磨損引起的[1-2]。聚氨酯活塞具有機械性能好、高硬度、高彈性、高耐磨、耐老化性、耐油性好等優點[3]，在現階段常被用作鏈式噴漿機中傳送物料的關鍵部件，聚氨酯活塞的使用壽命將直接影響鏈式噴漿機的運行效率，鏈式噴漿機對于降低煤礦粉塵具有重要意義。然而，長期運行輸送混凝土物料，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，磨損會導致活塞密封性差，從而影響物料的輸送效率，導致成本上升。每次更換維護活塞都會使得鏈式噴漿機停機，極大地浪費生產成本和能源。眾所周知，摩擦加熱和由此導致的接觸溫度升高會對滑動部件的摩擦學行為和失效產生重要影響[6]，由于活塞-缸筒工作狀態惡劣，受工作環境的溫度影響非常大，因此，研究缸筒溫度規律對活塞-缸筒磨損狀態的影響尤為重要[7]。

張寶峰[8]針對缸筒鑄鐵材料出現的磨損問題提出改善缸筒材料耐磨性能的方法，對五種鑄鐵材料在不同轉速及不同溫度條件下進行摩擦磨損試驗，分析不同溫度、不同轉速條件對鑄鐵材料組織以及形貌演變過程的影響；王新剛等[9]針對中部槽與刮板鏈的磨損嚴重問題，分析了中部槽和刮板鏈的工況特點、磨損失效原因，并提出了利用計算機優化設計和輔助分析提高其使用壽命的方法；史志遠[10]利用試驗臺開展磨損試驗，研究中部槽沖擊磨損性能的內在規律及各因素的作用程度，掌握中部槽摩擦學參數隨接觸壓力、相對速度及介質環境等因素的變化規律及磨損機理；何星等[11]通過觀察某車輛大修期發動機缸套-活塞環試樣的表面形貌，分析得到了缸套-活塞環系統的磨損失效特征；王哲等[12]對摩擦副在不同工況下的摩擦磨損情況進行研究，發現干摩擦條件下橡膠因摩擦熱導致表面發生化學變化，進而產生磨損。

總的來說，眾多學者對磨損失效問題有了一定的研究，但是對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運動模擬噴漿機實際工作時的活塞-缸筒摩擦現象，在運行速度、運行距離、載荷參數保持不變的情況下，通過溫度的變化對活塞-缸筒進行摩擦磨損試驗，研究試驗溫度對活塞磨損行為的影響，得到推鏈活塞的磨損規律，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研究提供試驗參考[13]。

1 試驗材料及試驗方案

1.1 試驗材料及試驗裝置

活塞和缸筒在鏈式噴漿機中具有重要作用，如圖1 和圖2 所示。試驗以鏈式噴漿機中的推鏈活塞為研究對象，搭建了一個活塞磨損測試系統，該系統主要包括缸筒、氣缸、壓力變送器、壓力傳感器和時間溫度控制器等。缸筒的主體材料是無縫鋼管，內壁做鍍鉻處理，相對彈性模量為20.8 MPa，外徑為133 mm，內徑為110 mm，高度為338 mm，與之配套的是型號為SC125X150 的氣缸，缸筒內是直徑為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密封[14]。壓力變送器的型號為YMP-131，主要用來傳送壓力信號；時間溫度控制器的型號為WK-SM3A，用來監測溫度變化。本次試驗只考慮無物料運行時的活塞磨損情況。

圖1 鏈式噴漿機結構Fig.1 Structure of chain shotcrete machine

圖2 活塞配件Fig.2 Piston accessories

1.2 試驗方案

試驗前對活塞進行清洗晾曬干燥并稱重，通過活塞磨損測試系統對活塞進行摩擦磨損試驗，取6個活塞先依次磨損3 h，3 h 后停止運行，其中，1 個活塞作為參照對象不繼續試驗，剩下5 個活塞分別在20 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃和45 ℃的溫度下磨損，磨損到下一個溫度梯度時停止磨損，分別將其設為a 組、b 組、c 組、d 組、e 組、f 組。試驗結束后取下活塞，用高精度電子天秤對試驗前后活塞的質量進行稱量，計算活塞的磨損量。采用LEICA DVM5000 HD 型徠卡顯微鏡觀察活塞的表面形貌，從而對比活塞摩擦磨損試驗前后的表面形貌，分析磨損機制。

試驗在青島某機械有限公司的生產中心進行，用空壓機將氣缸內通入0.7 MPa 的壓縮空氣，通過電磁閥帶動活塞進行往復運動，活塞往復運動的頻率為16 次/min，往復運動行程為105 mm。在活塞磨損測試系統開始運行時，隨機選取2 次活塞磨損試驗測量缸筒的溫度上升情況，監測記錄缸筒中的壓力曲線變化，磨損時間為3 h。之后重新啟動活塞磨損測試系統，采用阿爾泰設備測試系統，分別在缸筒壁溫度為20 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃時通過壓力變送器采集電流信號，監測缸筒中的壓力曲線變化，得到缸筒內密封性隨時間變化的數據，記錄隨著活塞磨損測試系統的運行，缸筒壁溫度升高情況。根據出氣速率判斷活塞-缸筒的密封情況，以此來判斷活塞的磨損情況。試驗結束后測量試驗前后活塞的質量數據，利用徠卡顯微鏡觀測活塞的微觀結構[15]。

2 試驗結果與分析

2.1 溫度對磨損過程的影響

根據活塞-缸筒的實際工況研究了不同溫度對活塞在摩擦磨損過程中磨損量及形貌變化的影響，能夠為延長活塞使用壽命提供參考。因此，通過在試驗過程中等梯度設計不同溫度的試驗條件，對該試驗條件下的密封性能、磨損量、磨損形貌等進行分析，從而找到活塞磨損性能的影響規律。經過試驗驗證，因摩擦產生的摩擦熱最高溫度在45 ℃左右，因此，分別設置室溫20 ℃、30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃五種溫度來觀測活塞的密封情況。

通過溫控器觀測可知，隨著活塞在缸筒內的運行，活塞與缸筒摩擦產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，溫度隨時間的增長呈現逐漸上升的趨勢，曲線的斜率逐漸減小，溫度的上升幅度逐漸降低，且兩次測得的試驗數據斜率接近相似，說明試驗測得的溫度變化情況具有有效性。

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

經過壓力變送器采集電流信號，從而測得活塞-缸筒之間的密封性能下降情況，把測得的數據導出后經Origin 軟件處理得到活塞-缸筒內的壓力變化情況，如圖4 所示。

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

由圖4 可知，隨著溫度的升高，活塞-缸筒之間的壓強逐漸減小，導致密封性能逐漸下降。在溫度為20 ℃時，活塞-缸筒內壓強下降速率最快，200 s 時已經下降超過了0.4 MPa，如圖4 中b 組所示。隨著溫度的升高，活塞產生了熱脹冷縮現象，使得活塞密封下降速率減緩，在缸筒溫度為45℃時，下降速率達到最低，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。

為確保試驗數據的準確性和可參考性，以觀測時間的前200 s 為例，在200 s 的時間內，a 組活塞磨損密封下降的平均速率計算見式（1）。

式中：Vɑ0為初始運行時a 組活塞的壓強下降速率；Vɑ1為200 s 時a 組活塞的壓強下降速率。

b 組活塞磨損密封下降平均速率計算見式（2）。

式中：Vb0為初始運行時b 組活塞的壓強下降速率；Vb1為200 s 時b 組活塞的壓強下降速率。

c 組活塞磨損密封下降平均速率計算見式（3）。

式中：Vc0為初始運行時c 組活塞的壓強下降速率；Vc1為200 s 時c 組活塞的壓強下降速率。

d 組活塞磨損密封下降平均速率計算見式（4）。

式中：Vd0為初始運行時d 組活塞的壓強下降速率；Vd1為200 s 時d 組活塞的壓強下降速率。

e 組活塞磨損密封下降平均速率計算見式（5）。

式中：Ve0為初始運行時e 組活塞的壓強下降速率；Ve1為200 s 時e 組活塞的壓強下降速率。

f 組活塞磨損密封下降平均速率計算見式（6）。

式中：Vf0為初始運行時f 組活塞的壓強下降速率；Vf1為200 s 時f 組活塞的壓強下降速率。

由以上數據可知，隨著溫度的升高，活塞的密封性能逐漸下降，在45 ℃時，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，但是這種情況不會持續很久，因為溫度越高，磨損越劇烈，導致活塞加速失效，因此，建議活塞-缸筒在運行一段時間后進行冷卻處理，盡量避免其在持續的高溫條件下運行。

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，與材料發生的摩擦機制有關，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，研究溫度對活塞磨損性能影響的關鍵任務是獲得磨損量隨著溫度變化的基本規律，從而為工程實踐提供重要的基礎數據。通過測量活塞磨損前后的質量變化，計算活塞的平均磨損情況，見表1。

表1 活塞質量變化數據Table 1 Change data of piston mass 單位：g

將試驗中的溫度取值與表1 中的磨損量試驗數據進行匯總整理，可得缸筒溫度與磨損量的對應關系，見表2。

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

根據表2 中的磨損試驗數據，繪制活塞磨損量隨溫度的變化關系曲線，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，逐漸達到一個相對穩定的狀態。缸筒表面溫度在20～35 ℃時，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，磨損量曲線較為平緩，說明此時磨損量變化不大。由此也能說明溫度對活塞-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對活塞的摩擦磨損性能產生影響，因而有必要分析溫度對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律。

為了進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 型徠卡顯微鏡對活塞磨損表面形貌進行觀察，分析不同溫度對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理提供重要的試驗依據[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，可以看到山脊狀的花紋，花紋的形狀規整，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有材質損失，活塞發生了較輕微的磨損，表面會粗糙但沒有裂紋，如圖6（b）所示。常溫磨損下活塞發生了較輕微的磨損，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象，產生疲勞裂紋，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，產生了較嚴重的表面缺陷，出現了疲勞凹坑[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生了不規則的變化，使得磨痕變得不均勻，即溫度越高，磨損越嚴重，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展，主要磨損機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。溫度對活塞的磨耗影響很大，因此，要加強缸筒、活塞的冷卻與潤滑。

3 結論

通過對活塞-缸筒進行摩擦磨損試驗，探究了不同溫度對活塞-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，活塞密封性能高于參考活塞。

2）缸筒表面溫度在20～35 ℃時，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，磨損量曲線較為平緩，說明此時磨損量變化不大。由此也可以說明溫度對活塞-缸筒材料的磨損性能影響較大。活塞的磨損量隨著溫度的升高而升高，但是其磨損量增長程度隨著溫度的升高而降低。

3）常溫磨損下活塞發生了較輕微的磨損，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象，出現了疲勞裂紋，并且磨痕處還堆積了大量的顆粒狀磨屑，產生了較嚴重的表面缺陷，出現了疲勞凹坑。活塞表面由輕微磨損向連貫起皮剝落發展，主要磨損機制為疲勞磨損，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，導致活塞出現非正常疲勞磨損，降低了活塞的使用壽命。本文用活塞和缸筒之間的相對運動模擬噴漿機實際工作時的活塞-缸筒摩擦現象，通過研究試驗溫度對活塞磨損行為的影響，得到推鏈活塞的磨損規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研究提供試驗參考和理論支撐。下一步研究時不能只考慮單因素對活塞摩擦磨損的影響，應綜合考慮多種因素對活塞的影響，并根據試驗參數得到對活塞磨損影響最小的參數，以期延長活塞使用壽命，提高活塞可靠性。