聚合物的摩擦滑动在光滑的表面上

文摘

光滑金属表面滑动摩擦块聚合物通常表现为两个地区不同依赖于正常的负荷,低敏感性较低压力水平其次是急剧变化的速度减少摩擦的越来越大的压力水平高于聚合物的塑性流动限制。提出了一个简化的模型来描述这种行为占正常负载的影响增长的实际接触面积和聚合物之间的界面的剪切应力和配合面。模型具有广泛的普遍性时表达的无量纲变量,允许合理化不同聚合物的摩擦行为在一个框架。

1。介绍

将自润滑滑动轴承聚合物目前广泛用于多个领域的工程,包括机械、结构、民事、和生物医学,提供低摩擦的能力不需要外部润滑,低成本,最低的维护负担。在这种轴承的滑动表面聚合物表面元素通常与一个合作伙伴由钢或其他坚硬的金属,由于聚合物更有效,关于摩擦磨损性能,对金属比滑动时对自己(1]。

达到正确的设计和选择轴承根据预定的服务条件,评估操作参数如正常负载的影响,温度和速度对摩擦系数的聚合物是至关重要的。这一目标,半经验的法律和身体健全的模型已经开发涉及大量的参数。聚合物已被广泛研究的滑动行为在过去的50年里,和许多的摩擦模型今天可用(最近Myshkin审查报告和Petrokovets [2])。

两个主要机制是承认为聚合物垫和金属表面之间的摩擦力:粘连形成的剪切连接的表面微凸体之间的接触表面,引起的能量耗散和能量耗散由于塑性变形和磨损1,3,4]:在高接触压力下的表面微凸体材料犁越软,和耕作阻力进一步有助于增加摩擦力(5]。

然而,人们普遍认为在中低压力水平耕作光滑金属表面的聚合物可以被忽视的6- - - - - -8,摩擦的粘附机制解释,首先提出了射击和他泊(9]。

当聚合物垫摩擦负载正常的钢板胶粘剂连接形式,地区之间的真正联系交配表面,并给出,拒绝相互滑动的剪切力 在哪里是真正的连接和接触面积所需要的剪切应力产生滑动表面之间。随着剪切力小于表面之间的运动是预防,而发生相对滑动。

的价值在(1)与最低的粘附强度之间的接口(表面微凸体之间的)(10,11)和大部分聚合物的剪切强度()。如果,然后滑动发生真正的接口;如果、剪切,紧随其后的是超然的聚合物片段,将在大量的聚合物在界面的距离(12]。热塑性聚合物这些力量属性通常是相同的数量级,因为大多数聚合物坚持其他材料由范德华力和随温度变化,特别是在玻璃化转变温度附近。

另一个关键元素是关于聚合物的摩擦法向力的影响在真实接触面积,通过结增长的机制3]。理论和实验研究3,13- - - - - -15)认为,对于纯粹的弹性或弹塑性表面微凸体的变形,实际接触面积几乎是线性负载成正比的,与接近团结。从(1)和忽视的贡献塑料耗散,摩擦系数μ聚合物的滑动表面光滑可以表示为 比例系数在哪里取决于几个因素包括表面微凸体的形状和分布和大部分聚合物的性质。

如果,然后是一个常数,根据库仑摩擦模型,这种情况,例如,金属。方程(2)证明符合实验数据数热塑性聚合物的值在0.74和0.96之间(16,17),虽然指数被发现在大范围的负载不是恒定的,与聚合物的重要偏差行为的模式8]。

在目前调查上述理论完善,基于特定假设的依赖真实接触面积和极限剪切应力在正常负载,一个简单的模型的粘附摩擦聚合物。的物理一致性模型然后在实验中的一些摩擦压力数据评估目前最常见的聚合物用于滑动轴承制造业。

2。实验

2.1。材料和过程

进行实验调查五个自润滑聚合物:聚terephtalate (PET),聚酰胺6(尼龙6),聚偏二氟乙烯(PVDF) ultrahigh-molecular-weight聚乙烯(UHMWPE)和聚四氟乙烯(PTFE)。

摩擦测试使用循环自润滑聚合物的标本,进行了摩擦伙伴表由不锈钢,符合美国钢铁协会的316型,表面光洁度μm和μ为了减少耕作效果。

聚合物试样的直径25毫米的硬材料(尼龙6、PVDF和PET),以允许应用程序特定负载和65毫米的柔软材料(聚四氟乙烯和UHMWPE),导致更好的精度测量摩擦力的特别是在较低的压力水平。

标本被安置在一个定制的试验机设计,勾勒出图1。这台机器由一个四柱钢框架配备两个伺服液压控制的千斤顶。垂直的杰克(项目(A)图1),容量300 kN,试样的压缩负荷,适用于生产额定压力水平。水平杰克(项目(B)),以50 kN的能力,开着雪橇(项目(C))与微不足道的摩擦移动一组滚子轴承。自润滑材料的标本是由雪橇和幻灯片上支持的伙伴钢板垫板的杆垂直杰克(项目(a))。负载细胞和电感位移传感器用于测量负载和运动采用千斤顶滑动界面的标本。两个插孔在闭环驱动servovalves确保负载和速度的精确控制。

聚合物试样和钢板在热室(项目(D))安装在试验机运营−70°C和90°C之间的公差内±1°C。在测试温度被设定。

每个聚合物的摩擦系数测定各级正常的负载。在每个级别,负载应用到标本和30分钟保持不变,为了使粘弹性聚合物表面微凸体的变形发生,然后执行一个运动的恒速1 mm / s。末端的运动的实际直径聚合物垫和滑动表面的粗糙度测量。当前的直径,是用来计算名义接触面积,因此名义接触压力在每个负载水平。耕作和形变摩擦的贡献被认为是可以忽略不计的粗糙度(低于0.002)如果钢板没有超过μ米,否则摩擦数据在这一水平排放和测试停止。

2.2。测试结果

结果说明在摩擦块图2,动态摩擦系数作为一个公称压力的函数在温度21°C和1毫米/秒的速度。

聚合物都是测试在一个非常大的压力,从几MPa水平远高于他们的屈服应力。正如所料,聚四氟乙烯最低摩擦阻力,而乙烯、宠物,和PVDF展览摩擦值过三倍多比聚四氟乙烯。摩擦系数的UHMWPE中间值。

虽然材料的摩擦系数不同,所有聚合物表现出类似的行为,与摩擦力的变化小于应用负荷成正比,从而减少摩擦系数随着压力的增加。然而,不同于预期根据(2),摩擦系数和压力之间的关系的特点是两个地区不同的灵敏度:在高负载下,摩擦系数有更快的减少正常负载增加,而在较低的范围和中等载荷摩擦系数变化较为缓慢,甚至维持不变。这两个地区之间的转变发生在一个狭窄的范围的压力似乎是每个聚合物的特点和相关材料硬度(表1):转变发生在25至35 MPa范围的柔软聚合物(聚四氟乙烯和UHMWPE)和60 MPa以上困难的。

3所示。粘附和摩擦

3.1。模型开发

聚合物的摩擦阻力板滑动在光滑的金属表面,像在描述的实验部分2,可以被视为只有粘合剂的影响的贡献。真正的接触两具尸体通常发生在交配表面微凸体的数量有限的区域,和真正的接触面积明显低于或名义接触面积之间的表面。当正常负载只是代理,每个粗糙可能经历弹性或塑性变形取决于当地的压力较小或大于塑性流动应力(屈服应力)的聚合物,。

然而,当接触表面滑动,剪切应力有利于每一个粗糙的塑性流动和塑性变形的发生接触表面微凸体的综合效应是由正常的压力和剪切应力根据以下关系: 在这里,是一个本构参数,取决于表面微凸体的材料特性(18- - - - - -20.]。由于剪切力的接触点与正常负载摩擦系数,,替换成(3)给出了限制正常负载产生塑性变形的聚合物在滑动连接: 根据结增长理论(3),真正的接触面积取决于正常负载。

在低价值,表面微凸体的变形弹性和增加负载的影响是增加每个粗糙的弹性变形。正如前面所讨论的,一些调查证实,在这种情况下的依赖在几乎是成比例的。

作为方法表面微凸体开始变形,可塑性;进一步增加正常负载会产生一个压扁变形表面微凸体的新表面微凸体接触,和真正的接触面积再次增加比例。

最后一次真正的接触面积等于名义接触面积合作伙伴之间的表面,这发生在正常负载的特征值 变得稳定,进一步增加不会产生任何的增加。

真正的接触面积之间的关系和正常负载可以因此被描述为 的指数项接近团结。

根据(1),摩擦力在滑动是由产品的开发和,在那里是最低的大部分抗剪强度之间的聚合物和界面的粘合强度。对聚合物的优点都是一般相同的数量级,和剪切可以共存的两种机制不同的连接在同一聚合物/金属对。

因为大部分聚合物的剪切强度与压力成正比(21),而界面粘合强度预计将独立于正常负载(3),如果用最通常的方式连接的平均抗剪强度,,可以认为是真正的接触压力根据相关法律 在哪里接近团结如果剪切聚合物内盛行和接近于零的弱胶部队的接口。

然后根据(重新安排摩擦系数的定义1),(6)和(7)和替换的公称压力,你会发现以下关系: 在这里,过渡的压力(在哪里是相应的值的动态摩擦系数),α和β两个参数依赖于聚合物的大部分性能(弹性模量和抗剪强度)和聚合物的粘附力与交配表面,然后呢和是两个参数占两个表面的表面微凸体的几何形状。摩擦系数是明确与公称压力有关,而不是正常的负载,占聚合物板的塑性变形和下面的增加在高负载正常。

分岔的表达(8)允许两个截然不同的地区的依赖在接触压力、摩擦系数取决于高于或低于塑料流压力,勾勒出图3。为,真正的接触面积增加而增加的压力;为,真正的接触面积和名义区域一致;中间地区的实际接触面积的方法名义面积的方式取决于表面的几何特征和交配材料的弹性模量。

3.2。模型校准

模型具有广泛的通用性如果无量纲变量是介绍: 在哪里动态摩擦系数的值是在过渡压力。

对新变量和,(8)的简单表达式 依赖的表面微凸体的几何参数表达的吗和正式排除的标准化过程。

模型的一致性与实际行为的自润滑聚合物是由曲线拟合评估规范化与压块的摩擦材料测试部分2(10)。曲线拟合如图4并给出估计的参数值表2。之间的均方根误差(均方根)实验数据和模型计算了每个材料和报告有关情节人物4。

实验数据和曲线拟合之间的协议是令人满意的聚合物,不等的均方根误差最小为0.005对UHMWPE最多0.015尼龙6。最大的偏差值发生在最低的;然而,这种差距会导致更大的信噪比小的测量摩擦力在低压力而不是模型的精度较低。随着压力水平的增加,实验和模型数据点之间的偏差就可以忽略不计,相对偏差低于1%。模型的精度几乎是相当于这两个地区的不同敏感性的摩擦力与压力的情节。

4所示。讨论

不同的热塑性塑料,选择最受欢迎的自润滑聚合物用于当前轴承技术、摩擦系数进行了测试和测量在正常负载的扩展范围。有关摩擦块所有材料与压力,尽管在不同级别和以不同的摩擦值,显示一个类似的行为与陡峭的坡度的变化超出转换每个材料的典型值。

本构定律因此发达代表这一特定行为的背景从粘着摩擦理论,引入两个主要概念:(1)真实接触面积的增长,由于表面微凸体的弹性或塑性变形,发生的公称压力低于阈值,对应于整个聚合物表面的塑性变形;(2)的极限剪切应力取决于两个不同的机制,可以活跃在不同的路口。

灵敏度较低的摩擦系数在正常负载较低和中等水平的压力解释为影响增长的实际接触面积的表面微凸体的弹塑性变形,这是近负荷成正比。减少摩擦的速度发生在高水平的压力,大于聚合物的塑性流动应力现在,是合理的假设接触发生在整个聚合物表面。

模型显示了一个更广泛的普遍性时表示,像(10),用无量纲变量(9),允许合理化不同聚合物的摩擦特性在一个框架。

虽然在它的形式非常简单,模型适合不同聚合物的实验数据,以不同的摩擦系数,在一个广泛的值(从0.025到2.0),涵盖各种材料特性和摩擦行为。

每个材料的属性所描述的四个本构模型中的参数,,,,。可以被附加到每个参数物理解释。

的坐标的两个区域之间的过渡点情节具有不同斜率的大部分属性相关聚合物:的塑性流动应力的存在是由于滑动剪切应力,然后呢摩擦系数的相应价值。这些参数与屈服应力有关和参数根据

比较的值从曲线拟合(表确定2)和测试材料的硬度值(表1)表明,估计塑性流动压力硬度数成正比聚合物本身,始终与著名的屈服应力之间的比例和(21]。

的功率系数α在(10)占实际接触面积的增长与正常负载由于表面微凸体的变形。的值α在0.05和0.15之间各种聚合物,测定符合理论模型假设的基础上多个表面微凸体接触(3,13,15),需要α接近团结。

的功率系数β在(10)与抗剪强度的变化与负载连接:值低,接近于零,表示抗剪强度与载荷成正比,剪切特性的一个主要机制发生在大量的聚合物,而值β接近统一对应于恒定的剪切强度和界面滑动的主要机制。β评估是对0.4 - -0.5,宠物,PVDF和更大的地)和聚四氟乙烯()。后一种行为,即现行的滑动界面,可能会建立一个有关转让交配表面的聚合物薄膜,这是典型的聚四氟乙烯,一个小扩展,UHMWPE(的1,12]。自从两个表面之间的内在粘附相同的聚合物非常低,摩擦阻力是由弱界面的粘合强度。

5。结论

本文从经典的粘着摩擦理论,小说模型和本构定律推导出描述非比例依赖摩擦系数的聚合物接触压力。

模型被证明是能够适应实验摩擦块不同的聚合物和占情节之外的斜率的变化过渡压力特征的材料的价值。

模型的主要优点是它的简单,因为四个变量描述的材料属性是只可由曲线拟合实验摩擦与压力的阴谋,和它的普遍性时表达的无量纲变量,允许描述不同聚合物的摩擦行为在一个本构框架。

该模型可以有效地用来表示大多数自润滑的摩擦行为聚合物用于当前轴承技术。

承认

研究基金会的支持下进行Cariplo格兰特(2008.2295)。

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