基于表面織構技術的輸送帶摩擦性能分析

何二鵬,胡 坤,蔣 浩

(安徽理工大學 機械工程學院,安徽 淮南 232001)

在礦業生產和港口運輸中,帶式輸送機為主要的大型運輸設備,輸送帶作為其主要部件,既是牽引機構又是承載構件,其表面覆蓋膠采用性能優良的橡膠材料。由于帶式輸送機的特殊傳動方式,輸送帶會發生蠕動,從而使表面覆蓋膠的磨損加快;另外,因過載導致的輸送帶打滑,會使表面覆蓋膠劇烈磨損,從而導致輸送帶跑偏、撕裂,嚴重時會引發火災。因此對改善輸送帶摩擦學性能的研究極為重要。

目前研究人員已經對橡膠材料的摩擦學性能進行了大量的研究,楊幀[1]概括了橡膠材料的磨耗機理,分析了內摩擦、表面結構等因素對橡膠耐磨性的影響;王澤鵬[2]研究表明橡膠磨耗率會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;張海平[4]研究表明鋼絲繩、尼龍骨架輸送帶摩擦系數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,利用表面織構技術改善材料表面摩擦學性能已經應用到許多工程領域,肖林京[5]以生物足墊為原型設計出一種六邊形凸包表面的包膠滾筒,但其僅進行了理論分析,并未進行試驗驗證;孫慧[6]對凸包形仿生包膠滾筒的增摩機理進行了理論分析,但并未進一步的驗證;Xing[7]研究了陶瓷表面激光紋理的摩擦學性能,試驗表明激光紋理樣品具有更高的摩擦系數和優異的耐磨性;侯啟敏[8]通過試驗研究仿生織構類型對表面摩擦性能的影響,結果表明六邊形凸織構表面隨著微織構面積占有率的增大,摩擦系數呈增大趨勢;常琪[9]研究了仿生織構的摩擦和粘附性能,表明六邊形凸織構有優良的增摩和粘附特性;Chen[10]研究結果表明六邊形織構的拐角滑動相較于側向滑動有更好的增摩效果。以上微織構的摩擦學特性研究大多針對陶瓷、金屬等材料,對于具有大變形特性的橡膠研究較少。

因此針對以往研究的不足,本文結合表面織構和仿生摩擦學設計出一種六邊形仿生凸包織構并進行摩擦試驗,重點分析仿生織構各個因素對摩擦系數的綜合影響,旨在為橡膠輸送帶摩擦學性能改善的研究作出貢獻。

1 表面織構設計

本文的織構設計思路來自仿生生物足墊,樹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則排列的六邊形凸起結構組成。

圖1 樹蛙足墊及其微觀形貌

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

圖2 織構分布形式

2 表面織構試驗及分析

2.1 試驗設備與方法

試驗采用MDW-02往復式摩擦磨損試驗機(濟南益華摩擦學測試技術有限公司生產),該試驗機往復行程范圍為0～40 mm,最大加載載荷為200 N,往復滑動的調節頻率為 0.1～30 Hz(無級可調),如圖3所示。針對帶式輸送機的摩擦傳動原理以及輸送帶的蠕動特性,試驗設置參數如表1所示,每組試驗取3次平均值。

表1 試驗設置參數

圖3 往復式摩擦磨損試驗機

2.2 試件制備

上試驗試樣采用輸送帶覆蓋膠,其材質為應用較為廣泛的丁苯橡膠(SBR)。將其切割為符合試驗夾具的方塊,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 試驗試樣

2.3 單因素試驗分析

研究發現正六邊形微織構的各個參數對其摩擦性能均有一定的影響。隨著微織構面積占有率的增大,摩擦系數呈增大趨勢,并且在更大面積占有率(大于80%)下摩擦系數有下降趨勢;單個微織構在較小的幾何尺寸下具有較好的增摩效果;微織構的排列方式對摩擦性能也有一定影響,拐角滑動(0°)相較于側向滑動(90°)的摩擦系數增大約20%?？棙嫽瑒咏嵌热鐖D5所示。

圖5 織構滑動角度

2.3.1 接觸載荷對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)對光滑橡膠滑動摩擦系數的影響曲線如圖6所示。由圖6可知,光滑橡膠滑動摩擦特性對載荷的變化較為敏感,隨著載荷的增大其摩擦系數逐漸減小,同時摩擦系數波動也越小。分析其原因,一是橡膠的黏彈特性會使摩擦副在較低載荷下充分接觸,持續增大載荷并不會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摩擦以滯后摩擦為主,在高載荷下轉變為以黏附摩擦為主,故摩擦系數較小。

圖6 接觸載荷對光滑橡膠滑動摩擦系數的影響

2.3.2 織構面積占有率對橡膠摩擦特性的影響

各載荷下(5、10、15 N)不同織構面積占有率(橡膠表面織構幾何尺寸為1.0 mm,滑動角度為90°)對應的摩擦系數變化曲線如圖7所示。從圖7(d)中可以看出,隨著橡膠表面織構面積占有率的增大,橡膠滑動界面平均摩擦系數逐漸增大,但在面積占有率較高時(≥70%),摩擦系數有下降趨勢;另外,接觸載荷對有織構橡膠滑動摩擦特性的影響同光滑橡膠的規律一致,其摩擦系數同樣隨接觸載荷的增大而減小,且接觸載荷越小,摩擦系數波動越大。從圖7(a)～(c)中可以看出,在低面積占有率下(≤40%),有織構橡膠滑動界面摩擦系數比光滑橡膠表面摩擦系數小,其原因為在較低織構面積占有率下,大大減小了摩擦副間的接觸面積,對于橡膠材料,摩擦副間接接觸面積對摩擦系數的影響較為顯著,故低面積占有率織構的滑動界面摩擦系數比光滑橡膠滑動界面小;在50%織構面積占有率下,橡膠滑動界面的摩擦系數與光滑橡膠滑動界面接近,且有織構橡膠滑動界面比光滑橡膠滑動界面的摩擦系數更穩定,這表明表面織構可以改善光滑橡膠滑動界面的波動情況;在60%織構面積占有率下,橡膠滑動界面的摩擦系數比光滑橡膠滑動界面大且摩擦系數更穩定,這表明較高的織構面積占有率可以增大橡膠摩擦副間的摩擦系數,其原因一方面是較高面積占有率的織構沒有明顯減小摩擦副間的接觸面積,不會導致摩擦系數急劇下降;另一方面是織構由于載荷的作用出現輕微變形,進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可以增大摩擦系數。從圖7(d)中還可以看出,隨著織構面積占有率的增大,摩擦系數隨載荷的變化越小,說明較高面積占有率的織構有更好的承載穩定性。

(a) 載荷為5 N時的摩擦系數

2.3.3 織構幾何尺寸對橡膠摩擦特性的影響

各載荷下(5、10、15 N)不同織構幾何尺寸(橡膠表面織構面積占有率為50%,滑動角度為90°)對應的摩擦系數變化曲線如圖8所示。從圖8(d)中可以看出,橡膠滑動界面平均摩擦系數隨織構幾何尺寸的增大呈現波動,整體趨勢為先增大后減小;在織構尺寸為0.6 mm時出現高摩擦系數,其原因是由于過小的織構尺寸在接觸載荷的作用下出現劇烈磨損,近而產生磨粒,出現三體摩擦,故摩擦系數較高;在織構尺寸為1.2 mm時,摩擦系數出現下降趨勢。其原因是隨著織構尺寸的增大,其承載能力越好,近而變形量減小,滯后摩擦減小,故摩擦系數呈現下降趨勢。從圖8(a)～(c)中可以看出,接觸載荷對有織構橡膠滑動摩擦特性的影響較為顯著,摩擦系數隨接觸載荷的增大而減小,且接觸載荷越小,摩擦系數波動越大。另外,織構尺寸越小,摩擦系數波動越大,并且織構尺寸越小,其摩擦系數隨接觸載荷的變化越顯著,這表明較大的織構尺寸有更好的承載穩定性。

2.3.4 滑動角度對有織構橡膠摩擦特性的影響

各載荷下(5、10、15 N)織構的不同滑動角度(橡膠表面織構面積占有率為50%,織構幾何尺寸為1.0 mm)對應的摩擦系數變化曲線如圖9所示。從圖9(d)中可以看出,滑動角度對有織構橡膠滑動摩擦特性的影響較為顯著,滑動角度為0°、45°、90°時的平均摩擦系數依次增大,其原因為正六邊形織構在不同滑動角度對應的刮切長度不同,滑動角度為0°、45°、90°對應的刮切長度依次增大,故摩擦系數依次增大。還可以看出滑動角度為0°時織構的承載穩定性較差,滑動角度為90°時織構的承載穩定性較好。從圖9(a)～(c)中可以看出,接觸載荷為5 N時,3種滑動角度下橡膠滑動摩擦系數整體波動較大,這是由于在低接觸載荷下摩擦副之間不完全接觸而產生的波動,但在較高接觸載荷(10、15 N)下,滑動角度為0°時的橡膠滑動摩擦系數整體波動比45°和90°時小,這表明較大的刮切長度雖然能顯著增大摩擦力,但其波動更大;相反,較小的刮切長度增摩不顯著,但波動更小。

2.4 正交設計試驗與結果分析

為了進一步研究橡膠表面織構的摩擦機理,在單因素試驗結果的基礎上,選擇織構滑動角度(X1)、幾何尺寸(X2)和面積占有率(X3)為關鍵因素進行L9(34)正交設計試驗,各因素的編號和水平如表2所示。

表2 正交試驗因素和水平

為使試驗結果更穩定,選取正交試驗接觸載荷為10 N,每組試驗時間為1 200 s,試驗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。

正交試驗結果與極差分析如表3所示,根據表3的極差分析結果,極差R得到的結果為0.112 1>0.096 1>0.079 9,在變化的水平范圍內,說明滑動角度對織構化橡膠滑動摩擦系數造成的影響最大,其次為織構的面積占有率,影響最小的為織構的幾何尺寸。從各水平的均值ki來看,滑動角度為90°的均值最大,0°的均值最小,說明滑動角度選擇90°對織構化橡膠滑動摩擦系數的影響最顯著;幾何尺寸為1.0 mm的均值最大,0.8 mm的均值最小,說明幾何尺寸選擇1.0 mm對織構化橡膠滑動摩擦系數的影響最顯著;面積占有率為60%的均值最大,50%的均值最小,說明面積占有率選擇60%對織構化橡膠滑動摩擦系數的影響最顯著。因此織構參數選擇滑動角度為90°、幾何尺寸為1.0 mm、面積占有率為60%時的織構化橡膠滑動摩擦系數最大,為最優方案。在9組正交試驗方案中,未給出織構參數為“滑動角度90°+幾何尺寸1.0 mm+面積占有率60%”的試驗方案,該方案為根據正交試驗結果計算給出的最優方案,說明正交試驗法的科學性和高效性。

表3 正交試驗結果與極差分析

極差分析法計算得到9種織構參數試驗方案對織構化橡膠滑動摩擦系數的影響程度,但極差分析忽略了試驗中偶然誤差對試驗結果的影響,而方差分析法可彌補其不足。

表4和表5為正交試驗的方差和平均標準偏差分析,由表4可知,修正模型的P值小于0.05,說明該模型具有較高的統計顯著性;織構參數的3個關鍵因素(滑動角度X1、幾何尺寸X2、面積占有率X3)的P值均小于0.05,說明三因素對織構化橡膠滑動摩擦系數的影響都較為顯著;滑動角度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,對織構化橡膠滑動摩擦系數的影響越顯著,則織構化橡膠滑動摩擦系數的影響因素順序為:滑動角度>面積占有率>幾何尺寸;根據表5所示結果統計可知,各因素最優水平組合為X13X22X32,對應滑動角度90°,幾何尺寸1.0 mm,面積占有率60%。該結論與極差分析結果一致,進一步說明該最優方案的正確性。

表4 正交試驗方差分析

3 結論

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

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

3) 滑動角度為90°時,織構化橡膠的摩擦系數較大,但其摩擦系數波動較大。相反,滑動角度為0°時摩擦系數較小,但其摩擦系數波動較小。

4) 根據正交試驗極差分析結果,織構滑動角度為90°,幾何尺寸為1.0 mm,面積占有率為60%時增摩效果最好,為最優方案;根據方差分析結果,織構滑動角度對增大摩擦系數的作用最顯著,其次為織構面積占有率,織構幾何尺寸對增大摩擦系數的作用最不顯著。