黄 乐，贾晓红，郭 飞，索双富，周春华

（1.广州机械科学研究院有限公司，广东 广州 510700；2.清华大学 摩擦学国家重点实验室，北京 100084；3.宁波中意液压马达有限公司，浙江 宁波 315200）

橡塑密封件是依靠过盈产生的接触压力来实现密封，而过盈的存在会导致密封件在动密封中产生磨损，磨损是决定橡塑密封件使用寿命和导致失效的关键因素之一。气动密封件与液压密封件相比，其工作介质是空气，几乎没有润滑性，只是采用涂以润滑油或润滑脂的方式进行润滑，使用条件比较恶劣[1]。聚氨酯材料以良好的机械性能、耐磨和耐油性能，成为液压传动与控制系统重要的密封件材料[2]。

为了获得聚氨酯材料的摩擦磨损特性，人们开展了一系列试验研究[3-6]，但大部分的研究都是对聚氨酯摩擦特性的定性分析，未能给出材料摩擦磨损特性与影响参数，如接触压力、速度及对磨时间等的定量关系。

本研究采用环块磨损试验机开展滴油润滑状态下聚氨酯材料的磨损试验，通过有限元分析方法获得试样在试验时的接触压力，通过表面形貌测量方法获得试样的磨痕深度，最后基于Rhee的磨损经验公式拟合得到聚氨酯材料的磨损经验公式，为聚氨酯材料密封件的设计和磨损寿命预测提供参考。

1 实验

1.1 试验设备

聚氨酯摩擦磨损试验在MR-5H型高速环块摩擦磨损试验机上进行，试验原理如图1所示。试验条件为滴油润滑，所用的润滑油为32#液压油。试样材料为往复密封中常用的聚氨酯材料，对磨环的材料为活塞杆常用材料GCr15。T.Papatheodorou等[7]研究认为活塞杆或缸筒粗糙度的经验区间为0.2～0.6 μm，为此将对磨环的表面粗糙度打磨至0.4 μm。

图1 环块磨损试验原理示意

1.2 试验方法

采用滴油润滑的方式开展聚氨酯磨损试验研究，发现滴油量对摩擦因数有较大影响。为了降低滴油量差异对试验结果的影响，根据设备测量的摩擦因数来控制滴油量，使所有试验的摩擦因数控制为约0.07。由于磨损量随着压力、速度以及磨损时间等参数的改变而变化，因此分别研究了以上参数单独变化时聚氨酯材料的磨损情况。试验压力选择100，125和150 N；试验时间选择0.5，1.0和1.5 h；试验转速选择800，1 000和1 200 r·min-1，转化成相应的线速度为2.06，2.58和3.09 m·s-1。

2 数据测量

对磨的速度以及时间可以在试验过程中直接读取，而对磨面的接触压力和试样的磨损量则需要进行相应数据处理。

2.1 接触压力计算

为了研究聚氨酯材料磨损量与接触载荷的关系，需要获得摩擦副上聚氨酯试样的接触压力。由于实际接触压力不易测量，通常采用估算法来计算试验接触压力，即将平均接触压力（试验压力除以磨痕宽度）等效为实际接触压力，由于摩擦副为环块副，因此聚氨酯试样与对磨环之间的接触压力分布是不均匀的。

为获得更为准确的接触压力数值，通过有限元分析软件Ansys建立环块试验3D对称有限元分析模型，模拟不同试验压力下试样的受力情况，获得试样的接触压力分布，并选择对磨环顶部的最大接触压力作为试验分析数值。

由于模型具有对称性，为了简化分析模型以节省计算机资源，同时也便于约束的施加（即通过对称约束来实现分析对象轴向和切向约束，从而避免刚体位移的出现），建立双面对称的有限元分析模型。由于试验时对磨环安装在实心轴上，因此将其建成实心模型，建立的有限元分析模型与实际模型的对比如图2所示，图中的深色区域为建立的有限元分析模型。

图2 试验摩擦副与有限元分析模型对比

定义对磨环的弹性模量为2.1×105MPa，泊松比为0.3，通过三参数的Mooney-Rivlin模型[8]定义聚氨酯材料，Mooney-Rivlin模型的3个参数由聚氨酯材料单轴压缩和拉伸试验数据拟合得到[9-10]，参数的具体取值为：C10=0.88，C01=2.27，C11=4.01。采用Solid 185单元和六面体网格对实体模型进行网格划分，网格划分结果如图3（a）所示。边界约束如图3（b）所示，对两个对称面施加对称约束，在对磨环的底部施加零位移约束，在聚氨酯试样顶部施加均布压力约束，如图3（b）中的红色区域所示，均布压力等于试验压力除以试样顶部面积。

图3 网格划分及边界约束

磨损前不同试验压力下聚氨酯试样接触压力的分析结果如图4所示。

从图4可以看出，聚氨酯试样与对磨环在接触区的接触压力不是均匀分布的，在对磨环的顶部接触压力最大。例如，试验压力为125 N时，有限元分析得到最大接触压力为2.446 MPa，而通过估算法计算的压力为1.45 MPa。

图4 磨损前聚氨酯试样接触压力分布

随着材料的磨损，试样的轮廓会发生变化，因此建立磨损后的试样模型，通过有限元分析软件计算聚氨酯试样发生磨损后与对磨环的接触压力分布，确定磨损对接触压力的影响。

磨损前后试样模型如图5所示，磨损区域的尺寸通过表面形貌测量仪获得的试样磨损后轮廓确定。在压力为125 N、转速为1 000 r·min-1的条件下磨损1 h后的聚氨酯试样与对磨环的接触压力有限元分析结果如图6所示。

图5 试样磨损前后的分析模型

图6 磨损后聚氨酯试样接触压力分布（压力125 N）

对比图4（b）与6可以看出，磨损后的接触宽度变大，最大接触压力减小，接触压力分布也略有改变，但最大接触压力还是处于与环块顶部接触的区域，因此选择此处接触压力作为分析用接触压力，这也便于磨痕深度的测量，即磨痕深度的最大值则为此处的磨损量。由于短时间磨损后试样的最大接触压力略有减小，例如，125 N试验压力下的试样磨损前后的最大接触压力从初始的2.446 MPa减小到2.338 MPa，因此选择磨损前后的最大接触压力的平均值作为磨损分析压力。通过有限元分析计算获得的各试样磨损前后最大接触压力的平均值如表1所示。

表1 试样磨损前后的最大接触压力 MPa

2.2 磨损测量

聚氨酯的磨损率非常低，比一般橡胶材料（如天然橡胶、丁腈橡胶等）的磨损率要低2个数量级[4]，并且由于试验是在滴油润滑条件下进行的，材料可能会吸收一部分润滑油，使磨损量无法准确测量。对于磨损量小且试样密度较小的环块磨损试验，试验后磨损量不易称量，常采用下式计算其磨损体积（V）[11]：

式中，L为试样宽度，R为试样外半径，a为磨痕宽度。

该式适用于材质较硬的材料，但由于聚氨酯材料相对较软，在较大试验压力下试样会发生较大变形，从而使磨痕宽度增大，导致计算的材料磨损量比实际值大。因此采用表面形貌测量仪测量磨痕深度，测量仪的最小垂直分辨率为0.8 μm。同时为了消除压缩变形对试样的影响，将磨损后的聚氨酯试样从环块磨损试验机中取下放置24 h后再进行测量。

在压力为125 N、转速为1 000 r·min-1条件下磨损0.5 h后聚氨酯试样的磨损测量结果如图7所示。

图7 磨损测量结果

由图7可以看出，试样磨痕宽度约为7.5 mm，磨痕深度为0.034 mm，该磨损量如果转化为磨损质量约为2.5 mg（聚氨酯密度1.2 Mg·m-3）。可见如果采用称量法，天平的精度至少要到达1 mg，且要将试样表面的润滑油清除干净，并且要求材料不会吸收润滑油。而采用式（1）计算获得的磨损体积为14.43 mm3，转化成磨损质量为17.2 mg，与实际测量结果相差较大。

3 数据处理

根据S.K.Rhee的研究[12]，磨痕深度（Δh）服从下式：

式中，p为对磨面的接触压力，MPa；v为对磨面的相对运动速度，m·s-1；t为对磨时间，h；k，a，b和c是磨损经验常数。

通过编写Matlab程序对试验数据进行多元线性回归处理，获得聚氨酯材料的磨损经验常数，代入式（2）得到聚氨酯材料的磨损经验公式：

由获得的经验公式可以看出，接触载荷对聚氨酯材料的磨损量影响最大，其次为转速，最后为对磨时间。

根据经验公式拟合得到的磨痕深度与试验测量结果的对比如图8所示。

图8 磨痕深度随对磨时间、压力、速度的变化规律

从图8可以看出，式（3）的拟合结果与实测值吻合良好。

4 结论

通过环块磨损试验，定量研究了聚氨酯材料的磨损规律，为聚氨酯密封件的产品设计和寿命预测提供参考。在研究中通过有限元分析方法计算聚氨酯试样与对磨环的接触压力，改变了以往直接用试验压力除以磨损面积的粗略估算方法；通过表面形貌测量技术获取试样的磨痕深度，克服了滴油润滑试验条件下聚氨酯试样吸油和微量磨损造成称量法无法准确测量的不足。

本方法同样适用于其他橡塑材料或类似材料的磨损规律研究。由于条件所限，未能开展时间较长的磨损试验。对于时间较长的磨损规律研究，在通过有限元方法计算接触压力时需考虑磨损对接触压力的影响。