馬習賀，王振華，何 強，李文昊

(1.石河子大學水利建筑工程學院，新疆 石河子 832000；2. 安陽工學院機械工程學院，河南 安陽 455000；3. 菏澤黃河河務局鄆城黃河河務局，山東 鄆城 274700)

目前在管道輸水過程中常用的管道材質(zhì)有PE、PVC、PCCP、FRP、鋼管等，但在實際應用上不同材質(zhì)管道輸水效果各有利弊。超高分子量聚乙烯(簡稱：UHMWPE，下同)是一種具有優(yōu)異性能的熱塑性線型結(jié)構(gòu)工程塑料，由于其良好的自身特性，在各領(lǐng)域中均得到廣泛的應用[1]。在引水供水方面更是取得了相比鋼管更好的安裝輸水效果[2]。我國新疆、內(nèi)蒙古等地水資源量少，采用微咸水等非常規(guī)灌溉逐步實施，但是管道在咸水輸送過程中咸水與管道之間的摩擦損耗問題還未深入研究。本文采用UHMWPE管材與咸水進行摩擦試驗，以探究2者之間的摩擦關(guān)系。

該試驗的主要目的是在不考慮外因的情況下研究UHMWPE材料在咸水輸送過程中的微觀摩擦學性能。

1 試驗儀器及材料

超純水機(上海礫鼎水處理設備有限公司，電阻率為18.25 MΩ·cm)、CFT-I型多功能材料表面性能綜合測試儀(蘭州中科凱華科技開發(fā)有限公司)、KQ500DE臺式超聲波數(shù)控清洗器、DHG-9240電熱鼓風干燥箱、SIGMA 300掃描電子顯微鏡(德國卡爾蔡司公司)、ST400表面輪廓儀(美國NANOVEA公司)。

UHMWPE材料摩擦試樣由安陽市超高工業(yè)技術(shù)有限責任公司生產(chǎn)，試樣呈圓柱形，截面直徑為15 mm，厚度為5 mm。對偶件為45號鋼球。試驗所用咸水為新疆生產(chǎn)建設兵團石河子市炮臺鎮(zhèn)試驗田的土壤浸出液，礦化度為7 g/L。

2 微觀顆粒摩擦過程分析

顆粒在轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，摩擦歷時為10 min，荷載為50 N時，轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，摩擦歷時為10 min，荷載為110 N時以及轉(zhuǎn)速為500 r/min，摩擦歷時為10 min，荷載為110 N時的試樣SEM形貌和表面三維形貌圖見圖1、圖2、圖3。繪制UHMWPE試樣在轉(zhuǎn)速為500 r/min，摩擦歷時為10 min，荷載為30、50、70、90、110 N時摩擦系數(shù)與摩擦歷時的關(guān)系，見圖4；繪制UHMWPE試樣在轉(zhuǎn)速為500 r/min，摩擦歷時為25 min，荷載為50 N時摩擦系數(shù)與摩擦歷時的關(guān)系，見圖5。

圖1 UHMWPE在轉(zhuǎn)速為500 r/min，歷時為10 min，荷載為110 N時的SEM形貌及表面三維形貌Fig.1 Salt water lubrication in the speed of 500 r/min, lasted 10 min, load 110 N when the SEM morphology and Three-dimensional topography

圖2 UHMWPE轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，歷時為10 min，荷載為50 N時的SEM形貌及表面三維形貌Fig.2 Salt water lubrication at a speed of 1 100 r/min, lasted 10 min, 50 N load when the SEM morphology and Three-dimensional topography

圖3 UHMWPE在轉(zhuǎn)速為1 100 r/min，歷時為10 min，荷載為110 N時的SEM形貌及表面三維形貌Fig.3 Salt water lubrication at a speed of 1 100 r/min, lasted 10 min, 110 N load when the SEM morphology and Three-dimensional topography

圖4 UHMWPE試樣在轉(zhuǎn)速為500 r/min，摩擦歷時為10 min時摩擦系數(shù)與荷載的關(guān)系Fig.4 The relationship between the friction coefficient and the load when the rotation speed of UHMWPE sample is 500 r/min, the friction duration is 10 min

圖5 UHMWPE試樣在轉(zhuǎn)速為500 r/min，摩擦歷時為25 min，荷載為50 N時摩擦系數(shù)與摩擦歷時的關(guān)系Fig.5 The relationship between friction coefficient and friction duration when the speed of UHMWPE sample is 500 r/min, the friction duration is 25 min, and the load is 50 N

從圖1(a)、2(a)、3(a)可以看出試樣表面均出現(xiàn)有裂紋現(xiàn)象，是因為在摩擦過程中隨著溫度的升高，水分的蒸發(fā)，以及外界空氣中的微塵顆?；烊耄诓牧夏Σ吝^程中受到摩擦副表面微凸起的剪切、拉伸、擠壓等作用，咸水潤滑液分布不均勻，易發(fā)生團聚形成較大結(jié)晶顆粒，由于無機結(jié)晶顆粒偶聯(lián)劑受荷載作用比較大，顆粒結(jié)合力較差，會使UHMWPE試樣材料內(nèi)部形成微裂紋[3]。微觀上UHMWPE試樣表面微凸體將最先與顆粒相接觸，在局部荷載的作用下，微凸體很可能發(fā)生塑性變形，隨著摩擦接觸的繼續(xù)，UHMWPE試樣剪應力方向發(fā)生改變，數(shù)值有上升趨勢，當脫離接觸后，剪應力數(shù)值逐漸下降，溫度逐漸降低。隨著時間的推移，摩擦副的溫度會上升，并且在摩擦過程中會形成潤滑膜[4]。楊曉京等[5]認為顆粒與摩擦副表面滑動接觸過程中顆?；瑒訒r的接觸位置相對固定，顆粒熱量積累多，所以溫度比較高。而且溫度最高點并不在顆粒接觸區(qū)中間位置，而是向后偏移。顆粒與接觸間摩擦生熱有可能形成瞬時過熱，潤滑膜分解而失去保護作用，顆粒與表面微凸體直接接觸，導致一個瞬時高溫的熱點使表面上接觸點的材料狀態(tài)發(fā)生改變。隨著摩擦過程的進行，鹽結(jié)晶顆粒會隨著溫度的增加以及荷載的作用而體積縮小，摩擦系數(shù)也會隨之降低(見圖5)。從圖4可以看出在壓力增大的情況下UHMWPE的摩擦系數(shù)呈現(xiàn)逐漸降低后增大的趨勢，由圖1和圖3可以看出壓力增加到110 N時，試樣磨痕深度相比荷載壓力為50 N時大，同時磨損量也相對較大。由于旋轉(zhuǎn)時的離心作用，液體隨轉(zhuǎn)速的增加會逐漸向試樣外圈集中,當轉(zhuǎn)速接近1 100 r/min時會出現(xiàn)乏液狀態(tài)，所以最高轉(zhuǎn)速設置為1 100 r/min。由圖1～3可以得出，壓力的增大相比轉(zhuǎn)速的增大對試樣的磨損量更大。王偉等[6]認為較大粒徑的顆粒具有更大的承載力和摩擦系數(shù)，更容易形成準直線形的強力鏈，導致摩擦特性的隨機現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)突變增加，顆粒運動劇烈。除平均接觸力外，體功、接觸摩擦功、顆粒總動能、總承載力和摩擦力總體隨顆粒直徑的增大而增大。

3 咸水潤滑微觀顆粒數(shù)值分析

為了研究咸水潤滑過程中鹽結(jié)晶顆粒的硬度與外部荷載的關(guān)系，通過對顆粒硬度計算模型進行計算分析，得出了鹽結(jié)晶顆粒在摩擦過程中顆粒硬度與壓痕深度的變化機理。

隨著摩擦歷時的延長，來源于咸水析出的鹽結(jié)晶以及空氣中粉塵磨損產(chǎn)生的磨屑從摩擦副表面脫落存在于接觸面間，形成了固體顆粒。在荷載作用下，這些顆粒將分擔部分荷載，使UHMWPE試樣表現(xiàn)出不同的摩擦磨損特性。顆粒在摩擦力和液流的卷吸作用下進入接觸區(qū)，通過接觸區(qū)與摩擦副表面發(fā)生綜合彈塑性變形。顆粒在進入接觸面之間，由于壓力的作用會形成橢圓狀或者板狀[7]。NIKAS[8]將變形顆粒做成如圖6所描述的模型。顆粒壓縮的法向速度是dh(xp,yp)/dt，顆粒的中心坐標為K(xp,yp,zp)。

圖6 顆粒在接觸面之間的壓縮過程Fig.6 Schematic diagram of the compression process of the particles between the contact surfaces

將顆粒劃分成若干塊體(見圖7)，塊體的坐標設為(xb,yb)，每一塊體的尺寸為Δs×Δs×H，Δs為顆粒底邊邊長，μm，H為塊體高度，μm。在集中力接觸的情況下，顆粒在開始階段為彈性變形，后期階段為彈塑性或塑性變形。在顆粒被彈性壓縮后顆粒進入塑性狀態(tài)，根據(jù)經(jīng)典塑性理論，假設顆粒不可壓縮(泊松比等于0.5)。應用體積守恒，顆粒所承受的荷載F小于接觸荷載L情況時，計算公式分別如下：

圖7 圓顆粒劃成應力塊體示意Fig.7 Schematic diagram of circular particles divided into stress

H=h(xb,yb)+w1(xb,yb)+w2(xb,yb)

(1)

(2)

(3)

V=πD3/6

(4)

約束條件為：

(5)

i=|xb/Vs|，j=|yb/Vs|

式中：D為顆粒直徑，μm；h為接觸間隙厚度，μm，其值與潤滑接觸時的局部膜厚相同，可由干摩擦下的Hertz接觸理論[9]以及潤滑下的彈性流體力學理論[10]計算得到；w1和w2為顆粒彈塑性位移，μm；u1和u2為變形顆粒接觸表面的切向速度，μm/s；R為變形顆粒的半徑，μm；Ny為沿y軸(x=0)半徑為R的塊體數(shù)；Vt為數(shù)值分析中的時間步長，s。

當顆粒嚴重變形成薄圓盤或橢球狀時，相鄰塊體的邊界內(nèi)部剪應力相比塊體的正應力σx和σy較弱，相鄰塊體的高度差(通常是在納米或更小的情況下)隨著顆粒表面的變形而變化。通過力的平衡得出：

(6)

式中：τ1,k和τ2,k是塊體的上、下表面剪應力τ1和τ2在x，y軸方向產(chǎn)生的分量(見圖7)；H為塊體高度，μm。

根據(jù)文獻[11]得出顆粒硬度計算公式為：

(7)

對于完全彈性材料，可得到：

(8)

(9)

(10)

式中：Yk為屈服應力，N；Ek為彈性模量，GPa；rk為顆粒壓力水頭半徑，μm；nk為應變硬化指數(shù)(取值為0或者正整數(shù))；ck為應變梯度系數(shù)；Hk為宏觀維氏硬度，GPa；wk(k=1,2)是顆粒接觸區(qū)表面1或2的位移(圖6中的P1、P2、P3和P4、P5、P6)。

顆粒上的接觸壓力P表達式如下：

P≤min {h1,h2,Hp[h(xp,yp)]}

(11)

式中：h1和h2分別為表面1和表面2的硬度，GPa；h(xp,yp)是顆粒硬度Hp在特定變形歷時內(nèi)的平均顆粒厚度，μm。

根據(jù)文獻[12]可知對于每個不同的壓痕深度都有一個對應的載荷值，并可通過文獻[12]中給出的有限元程序計算得出。

對應的壓痕深度為：

hc=rk/tanβ-h

(12)

式中：β為錐形半頂角，(°)。

根據(jù)MCELHANEY K W[13]、MA Q[14]等人的實驗方法及數(shù)據(jù)計算得出壓痕深度與顆粒硬度、壓痕深度與外部荷載的擬合值與實驗數(shù)據(jù)的擬合度較高，見圖8、圖9，因此認為以上推導公式具有準確的模擬解析效果。通過以上方程分析得出，結(jié)晶顆粒的硬度與顆粒的屈服應力、楊氏模量、應變硬化指數(shù)和應變系數(shù)等有關(guān)系，壓痕深度與顆粒硬度、外部荷載呈現(xiàn)非線性相關(guān)關(guān)系。結(jié)合圖4也可看出，一定范圍摩擦系數(shù)隨著外部荷載的增大而先減小后增大，說明開始前外部壓力小于顆粒極限值，顆粒與對偶件之間形成潤滑膜，顆粒的滾珠作用開始出現(xiàn)并發(fā)揮作用，摩損率較小。隨著外部壓力的繼續(xù)增大，如果接觸壓力超過了式(11)所設定的極限值，多余的壓力會以塑性位移的形式得到釋放，潤滑膜破裂，顆粒的滾珠作用喪失，顆粒壓痕增大，摩擦系數(shù)增大，顆粒硬度逐步減小，直至鹽結(jié)晶顆粒消失。

圖8 壓痕深度與顆粒硬度的擬合曲線Fig.8 Fitting diagram of indentation depth and particle hardness

圖9 壓痕深度與外部荷載的擬合曲線Fig.9 Fitting diagram of indentation depth and load

4 結(jié) 語

通過SEM形貌圖和表面三維形貌圖分析得知，在咸水潤滑過程中荷載的增大相比轉(zhuǎn)速的加快會對材料造成更大的影響，磨損量更大。隨著摩擦溫度的增加會產(chǎn)生鹽結(jié)晶顆粒，其剪切力跟顆粒大小成正比關(guān)系，在一定壓力范圍內(nèi)，隨著荷載的增加摩擦對偶件之間會產(chǎn)生潤滑膜，鹽結(jié)晶顆粒會發(fā)揮滾珠作用，在一定程度上會減小UHMWPE的磨損程度，從而降低UHMWPE材料摩擦系數(shù)和磨損量。但隨著荷載的增大，潤滑膜破裂，顆粒產(chǎn)生塑性位移，并且尺寸逐漸縮小，摩擦系數(shù)增大，管道損耗量增加，此時的顆粒壓痕深度、顆粒硬度以及所承受的外部荷載可以通過顆粒硬度計算模型分析得出。建議在咸水輸送過程中，為較少管道摩擦損耗應注意控制好管道壓力。