<@@c@@>林福严，张东胜，马向东 （中国矿业大学（北京校区）100083）<@@cc@@>

 摘 要：本文研究了聚氨酯弹性体摩擦衬垫材料的摩擦特性，发现聚氨酯弹性体材料的动摩擦系数是和滑动速度有关的。在0.01~0.4 mm/s的速度范围内，速度提高摩擦系数上升，在更高的速度下摩擦系数还会下降。聚氨酯弹性体材料的静摩托车擦系数是比较难以确定的，本文建议把滑动量较小而滑动速度又很低的这一时期的摩擦称为"初期摩擦"，它是界于静摩擦与动摩擦之间的一种特殊的摩擦状态。文中还分析了粘着摩擦机理，提出了接点化学粘接机理。并根据这种机理对实验结果进行了分析和讨论。

关键词：聚氨酯弹性体；摩擦衬垫；摩擦机理；摩擦系数

 聚氨酯弹性体材料具有良好的综合机械性能，较高的强度和很高的断裂延伸率，摩擦磨损性能优良，因此常作为一种xx橡塑性材料用于密封件、耐磨件及其它摩擦磨损零件上。在煤矿的竖井摩擦提升机上，摩擦衬垫是其关键部件之一，衬垫的失稳或失效会造成重大的财产损失或人员伤亡，目前国内常用的衬垫材料主要是PVC、酚醛树脂或皮革等，国外也有使用聚氨酯材料的。为提高衬垫材料的摩擦性能及耐磨寿命，我们对聚氨酯弹性体摩擦衬垫材料的摩擦特性进行了初步探讨。 1． 材料与实验方法 我们采用的聚氨酯弹性体材料合成工艺如图1所示。合成过程分三步进行，首先用化学纯已二胺和己二醇合成聚醇；聚醇与工业纯TDI二异氰酸酯预聚后生成聚氨酯预聚体；预聚体加入扩链剂及改性剂，反应后生成聚氨酯弹性体。所合成的聚氨酯弹性体的抗张强度为38.4 MPa，断裂伸长率为470%。 <*a*> 摩擦性能的测试主要是在自制的定力法摩擦系数测试仪上进行的。该装置的结构原于是如图2所示。在这个装置中压力保持恒定不变，聚氨酯弹性体试样的尺寸为40 mm×30 mm×20 mm，实验前用500#砂纸将试样表面打磨平整。配对摩擦副材料为调质处理的标准45#钢，摩擦副接触面除特别说明外都是采用经过磨削加工和表面抛光处理的平表面，实验前先用酒精把摩擦副表面擦洗干净。可控加液管的加载速度一般控制为60±1g/min，{zd0}正压力为500kN，位移测量精度为2μm。测试过程中，首先选取适当的平衡配重，安装好试样；然后通过可控制加液管慢慢加载，位移计开始移动，当位移为40μm时的摩擦系数记作静摩擦系数，然后继续加载并分别记取位移量为50μm、60μm、80μm、10μm…等一系列不同数值时的时间。根据载荷和位移计算摩擦系数和摩擦速度。 <*b*> 2． 实验结果 聚氨酯弹性体材料是一种粘弹性高分子材料，其摩擦特性与金属材料有显著的差别。一般金属材料的静摩擦系数大于动摩擦系数，这种特点在聚氨酯弹性体材料上表现得尤其突出。图3是摩擦副的切向位移随切向载荷变化的典型规律。可以看到在很小的载荷下，对摩样就发生了宏观位移。开始发生宏观位移时的载荷一般不容易测准，它和试样的夹紧程度、配重大小等预应力状态有关。在载荷较小，位移量也较小的时候，位移量与切向载荷大致成正比。由于发生初始位移时的载荷不容易测准，这个比例系数也难于准确确定。在载荷和位移量较大的时候，位移量随载荷上升的速度显著提高，并且载荷和位移量之间的变化规律也比较稳定。我们称这种开始稳定时的摩擦系数为初始摩擦系数，它相当于普通材料的静摩擦系数。后面实验数据中的摩擦系数都是指位移量等于或大于40μm时的摩擦系数。 <*c*> 摩擦衬垫对摩擦性能要求的关键参数是静态摩擦系数，作为静态摩擦系数的近似，我们考察了初始摩擦系数随比压变化的情况，实验结果如图4所示。可以看出摩擦系数随比压的增大而上升，比压较小时比较显著，大于1.5 MPa后基本保持不变。 <*d*> 正常工作情况下，摩擦衬垫与提升钢丝绳应保持相对静止状态，但工作中由于冲击、振动或其它原因难免会发生一点低速微小滑移，因此衬垫材料的动摩擦特性也是其重要的性能指标。动摩擦特性有两个方面的指标：一是动摩擦系数，另一个是摩擦系数的速度特性。实验发现，聚氨酯弹性体材料的动磨擦系数大于初始磨擦系数，在9800N在法向载荷下其初始磨擦系数约为0.38，而经过一段滑动后仍可自动停止的最磨擦系数约为0.46。聚氨酯弹性体材料摩擦系数的速度特性如图5所示，该曲线的测试方法是先给摩擦副缓慢加载，当滑动速度接近预定值后停止加载，这时摩擦副县长的相对运动会缓慢减速或基本维持匀速运动，这时的摩擦系数近似认为是该速度下的磨擦系数。可以看出随滑动速度的上升，在0.01~0.40 mm/s速度范围内，聚氨酯弹性体材料的磨擦系数呈上升趋势。在更大的切向载荷下，磨擦副的相对运动会逐渐加速而滑脱，说明磨擦系数已不在增大，或许已开始下降，但由于设备的原因而无法继续测量。 <*e*> 3． 分析与讨论 （1） 粘弹性体材料的摩擦系数 静摩擦系数与动摩擦系数在物理概念上是很明确的，对于多数工程材料也是容易界定的，但对象聚氨酯弹性体这一类的粘弹性材料，要确定静摩擦系数就存在一定困难。由于粘弹性体材料在低速下的微滑动摩擦系数大于静摩擦系数，在低速下的切向载荷--位移曲线上切向力是单调上升的，不会因滑动而降低，不象其它材料那样有显著的"动"和"静"的差异。此外，我们在通常的动摩擦系数测试的高速（0.4/m/s）条件下的实验表明，聚氨酯弹性材料的稳态动摩擦系数比这里的"动"摩擦系数低，当然这里的主要影响因素是滑动速度问题。但考虑到低速微滑移时的摩擦系数的重要性，作者认为可以把滑动量较小而滑动速度又很低的这一时期摩擦称为"初期摩擦"，它是界于静摩擦与动摩擦之间的一种特殊的摩擦状态。衬期摩擦中滑动开始时的摩擦可以称为初始摩擦，对于粘弹性体材料，这时的摩擦系数反映的是{zd1}初期摩擦系数。 初始摩擦系数的测量受材料弹性（粘弹性）变形影响，相对滑动应当是界面相对滑动而不应该是整体位移，而界面上的滑动是无法测量的，因而又只是以整体位移来衡量，用整体位移来测量就必然有弹性变形的影响问题。过去的研究已经发现，即使变形较小的金属材料也会存在预位移，只是其位移量较小，而弹性体材料易于变形，因此预位移就很显著了。预位移的大小与试样的装夹及尺寸有关，特别是和变形高度有关，因此测试中应尽量减小变形高度和增加变形刚度。 （2） 摩擦机理讨论 本研究主要是针对摩擦衬垫材料进行的。摩擦衬垫的工作原理是通过钢丝绳与衬垫的摩擦来完成提升工作，期望摩擦衬垫与钢丝绳之间能产生{zd0}摩擦。从摩擦学原理来讲，一般认为摩擦力主要来源于摩擦的犁切分量和粘着分量，犁切分量主要和表面粗糙度及材料的物理机械性能关，粘着分量主要和配对副材料的物理化学性能关。由于工作中摩擦衬垫和钢丝绳的表面状态是动态变化的，表面粗糙度是难以控制的因素，因此有效地提高粘着分量是提高衬垫摩擦性能的可靠保证。因此本研究中摩擦副的表面是经过磨削和表面抛光的，尽量减少犁切分量的影响，粘着应该是其主要的摩擦机理。 根据粘着摩擦理论，摩擦副表面的接触主要发生在微凸体的顶端，在法向力的作用下形成接点，切向力的作用使接点长大和滑脱。在金属配对副中，接点可能是具有"冷焊"性质的高强度接点。在本实验中，聚氨酯弹性体不可能与金属产生"冷焊"，但却有可能形成较高强度的化学粘接。我们用同样预聚体合成的化学结构相近的聚氨酯弹性体胶粘剂对45#钢的粘接实验表明，其与金属的实测剪切粘接强度在5~15MPa，这个数值比我们的0.5MPa的正压力下测得的摩擦力要大20~60倍，比2.5MPa正压力下的摩擦力也要大5~15倍。考虑到粘接实验也不可能是全部表面的均匀粘接，聚氨酯弹性体与金属的理论化学粘接强度还会高。因此我们认为接点的化学粘接可能是形成接点的主要机理。 按照接点化学粘接的假设，提高正压力会增大接触面积，提高摩擦力，这与实验现象是基本符合的，由于难以直接测量接触面积，对于较高载荷下摩擦饱和现象尚未深入研究。在速度影响方面，由于速度会增加摩擦热使接触区温度上升，温度提高有利于提高分子的密切接触，使粘接强度提高。我们在-10~20℃的不同温度下进行的实验表明：温度提高，摩擦系数上升。根据粘接剂理论，粘接强度正比于分子中的极性基团。我们有实验材料中添加少量强极性基团后摩擦系数的确有所提高。 4． 结论 （1） 聚氨酯弹性体材料的动摩擦系数是和滑动速度有关的，在0.01~0.4 mm/s的速度范围内，速度提高摩擦系数上升，在更高的速度下摩擦系数则会下降。 （2） 聚氨酯弹性体材料的静摩擦系数是比较难以确定的。本文建议把滑动量较小而滑动速度又很低的这一时期的摩擦称为"初期摩擦"，这是界于静摩擦与动摩擦之间的一种特殊的摩擦状态。初期摩擦中滑动开始时的摩擦可以称为初始摩擦，初始摩擦系数反映的是{zd1}初期摩擦系数。 （3） 高分子材料与金属摩擦配对副的粘着摩擦机理可以用接点化学粘接的机理来解释。根据这种机理，提高高分子材料的极性基团含量可以提高粘接强度，进而提高摩擦力。

 参 考 文 献 1．Z. M. Jin, D. Dowson and J. Fisher, Wear and friction of medical grade polyurethane sliding on smooth metal counter-faces, Wear, 162~164 (1993), 621~630. 2．温诗铸，摩擦学原理，清华大学出版社，1990。 3．夏荣海，多绳提升机摩擦衬垫与钢丝绳间的摩擦系数，煤炭科学技术，1986年，第3期，15~18。