高比壓、高摩擦因數摩擦襯墊研制

一 、工況分析

從摩擦學原理來講，摩擦襯墊與鋼絲繩之間能產生犁切分量和粘著分量，犁切分量主要與材料的表面粗糙度及物理機械性能有關。工作中摩擦襯墊和鋼絲繩表面狀態是動態變化的，表面粗糙度存在難以控制的因素，犁切分量的影響存在不可預知性和不確定性，因此有效地提高粘著分量是提高襯墊摩擦性能的可靠保證。

根據粘著摩擦理論，摩擦副表面的接觸主要發生在微凸體的頂端，在法向力的作用下形成接點，切向力的作用使接點長大和滑脫。在金屬配對副中，接點是具有“冷焊”性質的高強度接點，接點的化學粘接是形成接點的主要機理。按照化學粘接的假設，提高正壓力會增大接觸面積，提高摩擦力；提高溫度有利于提高分子的密切接觸，提高粘接強度；添加少量強基性基團，可提高粘接強度。

二 、襯墊參數設計

1、襯墊比壓

襯墊的比壓分為測試值、許用值和設計值，且測試值的 70% 為許用值，許用值的 70% 為設計值，該現象是鋼絲繩的特殊表面結構造成的。當襯墊比壓的設計值為 2.5 MPa 時，許用值應為 5.1 MPa，測試值應為 7.2 MPa。

2、 襯墊摩擦因數

襯墊摩擦因數也分為測試值、許用值和設計值。摩擦襯墊測試值為在專用試驗機上進行連續測試，取值是所有測試數據的平均值。許用值由測試值經過計算得出，考慮因素包括最大值、最小值、數據出現的概率等。數據離散度越大，許用值下降幅度越大，一般比測試值低 10%～ 15%。設計值是設備設計采用的摩擦因數值。摩擦因數與材料的組織結構有關，也就是說材料確定，摩擦因數即確定。現代摩擦因數理論認為：一種材料的摩擦因數不是固定不變的，在正常使用情況下，它隨著使用工況的變化而變化，工況突變，變化較大，波動范圍在±10%。

當摩擦因數設計值取 0.28 時，許用值約為 0.33，考慮到材料系數波動，測試值必須大于 0.36。

三、襯墊研制

襯墊材料主要成分包括基體材料、添加劑和填充劑。基體材料選用粉末丁腈橡膠和酚醛樹脂；添加劑選用不溶性硫磺和 DTDM；填充劑包括氣相白炭黑、氧化鋁和硫酸鈣晶須等。

襯墊研制的過程：①按照密煉、開煉、破碎、壓制的工藝進行產品的試制；② 通過硬度測試，密度測試，拉伸、彎曲、壓縮性能測試，疲勞彎曲性能測試，摩擦磨損性能測試，摩擦因數及磨損率測試，優化試驗配方及試制工藝；③重復以上步驟進行反復試驗，最終得到滿足性能需求的摩擦襯墊。

最終得到的襯墊摩擦因數測試結果如圖 1 所示。干凈狀態下，最大摩擦因數為 0.680，最小摩擦因數為 0.499，平均摩擦因數為 0.547；淋水狀態下，最大摩擦因數為 0.726，最小摩擦因數為 0.588，平均摩擦因數為 0.649；涂脂狀態下，最大摩擦因數為 0.455，最小摩擦因數為 0.373，平均摩擦因數為 0.404。可見，新襯墊的摩擦因數滿足測試值必須大于 0.36 的要求。

四、襯墊穩定性試驗

單憑一次試驗遠遠不夠，可能會因偶然因素導致試驗結果偏高或偏低。在一定時間內進行了多次試驗，試驗狀態為涂增摩脂，

五、襯墊比壓試驗

制成 3 塊試樣，編號為 1～ 3 號。在相同試驗條件下，對摩擦襯墊施加一定的壓力，設定試驗結束條件為壓縮變形 5 mm。試驗結束后計算比壓值，結果如表 1 所列。由表 1 可知，平均比壓為 8.8 MPa，滿足測試值必須大于 7.2 MPa 的要求。

六、襯墊抗比壓能力試驗

將新襯墊與舊襯墊 一起，分別進行 5、67、8、9、10、11和12MPa 條件下抗比壓能力試驗，以驗證新襯墊的抗比壓能力。根據實際情況可調整壓力工況，調整到舊襯墊不能承受的比壓為宜。

由表2可以看出，與舊襯墊相比，新襯墊在不同壓力下的變形較小;在舊襯墊開裂的情況下，新襯墊依然具有較好的抗比壓能力。可見新襯墊適用于超深井、高比壓工況。

七、硬度的溫度特性試驗

為考察溫度對襯墊性能的影響，在不同溫度下對新襯墊和 K25、K25SC 的硬度進行了測試，將測試數據繪制成襯墊溫度特性曲線，如圖 3 所示。需要說明的是，硬度值為多點平均值。

八、壓力特性試驗

為考察新襯墊的摩擦性能隨壓力變化的情況，測試了新襯墊的壓力特性，試驗條件為表面干凈狀態，結果如表 3 所列。從表 3 可以看出，不同壓力下，新襯墊完全滿足摩擦因數測試值大于 0.36 的要求；試驗結果和摩擦理論中壓力增加摩擦因數降低的規律相吻合。

九、磨損試驗

為考察新襯墊的耐磨性能，進行了磨損試驗。將新襯墊與 K25、K25SC 試樣在相同條件下進行試驗。試驗條件為：室溫為 24 ℃，壓力為 2.5 MPa，滑速為8 mm/s，繩徑為 28 mm，滑動距離為 5 m，表面狀態為干凈。試驗結果如表 4 所列。