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纤维增强尼龙胶辊滚动接触摩擦学性能的研究

任超  
【摘要】:胶辊是一种在纺织、印染和轧钢等领域广泛应用的材料传输部件,通常由钢芯和外层聚合物材料组成。由于直接与产品接触,其良好的使用寿命与表面状况是保证生产连续性和被传输产品表面质量的基础,可以直接和间接的降低产品生产成本。尼龙胶辊是带钢冷轧工艺中常用的胶辊,具有相对好的机械强度和耐磨性,但在重载、高速、带钢表面较粗糙的工况下,胶辊的磨损量较大且表面容易发黑,频繁的更换胶辊以及偶尔产生的带钢表面粘着都给生产带来了巨大的经济损失,因此降低磨损率与减少对带钢产生的污染成为尼龙胶辊广泛使用的两大要求。研究表明经纤维增强后的复合材料可以有效降低基体材料的滚滑摩擦系数和磨损率,但目前未曾有过摩擦对偶件表面质量方面的报道,而且多数研究仅限于差速滚滑接触形式,与带钢与胶辊间的接触情况有一定的差异,对滚动和侧滑滚动接触形式的报道较少。由于不同接触形式下的摩擦磨损机理不同,因此难以用现有的理论对纤维增强胶辊的滚动和侧滑滚动接触摩擦性能进行评估。 本文首先采用扫描电子显微镜、傅立叶红外光谱仪、能量仪分析了胶辊表面黑色粘附物的成份,对胶辊的磨损形式与磨损机理进行了分析,证明黑色粘附物为铁屑和胶辊磨屑的混合物。研究还发现:黑色的粘附物积累到一定程度才会粘着到带钢表面形成表面污染,当带钢与胶辊保持一定侧滑角度时,可以有效去除胶辊表面的粘附物,并且不会造成带钢表面的异物粘着,但会加快了胶辊的磨损,即小安装偏斜角下的胶辊表面更容易产生黑色粘附物,大安装偏斜角下的胶辊表面光洁但磨损量大。对于确保带钢表面质量和提高胶辊使用寿命这一问题,除了优化调整胶辊的安装偏斜角外,采用纤维来增强胶辊是改善其摩擦性能的新途径。 为了更好的了解纤维增强聚合物复合材料的力学性能与摩擦学性能,本文建立了短纤维复合材料粘弹性预测模型,分析了纤维含量、纤维性能、纤维分布形式对复合材料静态力学性能和动态力学性能的影响,并通过有限元方法、静态拉伸试验、动态热力学试验验证了该模型的可靠性。同时,进一步建立了短纤维增强粘弹性复合材料与刚性平面滚动接触模型,宏观上研究了纤维增强尼龙胶辊与带钢接触时,纤维含量、带钢重量和运行速度对滚动接触特性的影响,结果表明:尼龙胶辊与带钢间的滚动摩擦系数随纤维含量增加而降低、随带钢重量增大而显著增大,受转速变化影响较小。在微观层次上,采用有限元方法研究了纤维增强尼龙复合材料与带钢接触时,接触区内应力场分布受纤维空间分布情况的影响,结果表明:纤维的存在使得其下方基体的应力降低、其上方基体应力增大;接触面上纤维承受应力较高,纤维周边的基体比其它位置的基体应力较高。 本文还设计制造了一种侧滑滚动摩擦磨损试验机,并在不同载荷、转速、温度和侧滑角度下对玻纤增强尼龙复合材料进行了滚动接触和侧滑滚动接触摩擦磨损试验,并借助扭矩检测系统、电子天平、扫描电子显微镜和光学显微镜对试验结果进行分析,建立了玻纤含量、载荷、温度、转速和侧滑角度与摩擦系数、磨损率、磨损形貌之间的关系,阐明了玻纤增强尼龙复合材料在滚动和侧滑滚动时的摩擦磨损机理,主要研究结果表明:玻纤增强尼龙侧滑滚动时的摩擦磨损形式为粘着磨损与磨粒磨损的组合;玻纤的增强能够在各种工况下有效降低尼龙的磨损率;玻纤含量需要与侧滑角度相匹配以有效降低摩擦系数并使试样及对偶件都具有较光洁的表面质量,不合理的匹配反而会即增大摩擦系数又加剧破坏试样及对偶件的表面质量。 通过本文的研究,分析了尼龙胶辊的摩擦磨损机理,建立了短纤维复合材料粘弹性预测模型和滚动接触模型,研制了侧滑滚动摩擦磨损试验设备,同时阐明了纤维增强聚合物复合材料在滚动接触和侧滑滚动接触时的摩擦磨损机理。本文的研究成果为带钢传输胶辊的设计提供了理论依据,为侧滑滚动接触形式下的摩擦磨损研究奠定了基础。


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