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目前,橡膠/金屬配副組成的液體輸送設(shè)備在原油開采、礦山鉆探中應(yīng)用廣泛,如潛油螺桿泵中的金屬轉(zhuǎn)子與橡膠定子的配副、螺桿混輸泵的橡膠襯套與金屬螺桿的配副等。在實(shí)際運(yùn)行過程中,橡膠襯套材料不僅受到金屬配副和液體介質(zhì)(如原油、礦漿等) 中固體顆粒的擠壓與剪切造成材料的流失,而且還受到液體介質(zhì)本身的溶脹腐蝕,致使橡膠材料的使役性能大大降低。橡膠/金屬配副剛開始投入使用時(shí),為了保證輸送設(shè)備的容積效率,橡膠與金屬配副之間一般為過盈配合,過盈量一般為0.4~0.8mm。當(dāng)運(yùn)行一段時(shí)間后,固體顆粒的參與以及金屬轉(zhuǎn)子的擠壓與剪切,橡膠發(fā)生磨損,橡膠與金屬配副之間的過盈量就會減小。橡膠與金屬的配合隨著磨損的進(jìn)程逐漸由過盈配合向間隙配合過渡,致使輸送設(shè)備的容積效率降低。當(dāng)橡膠與金屬之間存在間隙時(shí),液體介質(zhì)將攜帶固體顆粒對橡膠表面進(jìn)行切削造成材料磨損。當(dāng)橡膠磨損達(dá)到一定程度,液體介質(zhì)輸送設(shè)備的排量達(dá)不到使用要求時(shí),即意味著設(shè)備報(bào)廢。

因此,橡膠在運(yùn)行過程中從過盈配合到間隙配合中的磨損失效問題,直接關(guān)系到液體介質(zhì)輸送設(shè)備的使用壽命,是原油開采、礦山鉆探等領(lǐng)域關(guān)心的問題。提高橡膠摩擦元件的耐磨性和液體介質(zhì)輸送設(shè)備的使用壽命、優(yōu)選橡膠摩擦元件和掌握摩擦磨損機(jī)制,成為液體介質(zhì)輸送設(shè)備設(shè)計(jì)的重中之重。

為此,必須選用與實(shí)際工況相符的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對橡膠材料進(jìn)行相應(yīng)的摩擦磨損測試。目前常規(guī)的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)有很多,大部分都是針對金屬材料摩擦元件設(shè)計(jì)和制造的,而且無法實(shí)現(xiàn)橡膠塊與金屬摩擦環(huán)之間在不同磨損間隙下的摩擦。

試驗(yàn)機(jī)總體結(jié)構(gòu)

該磨損間隙調(diào)整式環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)包括試驗(yàn)機(jī)構(gòu)、加載機(jī)構(gòu)、動力與傳動機(jī)構(gòu)以及數(shù)據(jù)采集模塊,其原理圖如圖所示。

試驗(yàn)機(jī)構(gòu)采用由金屬摩擦環(huán)與橡膠試塊構(gòu)成的線接觸摩擦副,金屬摩擦環(huán)通過緊定螺釘和緊固壓板安裝在主軸的端部,實(shí)現(xiàn)金屬摩擦環(huán)的固定。根據(jù)具體試驗(yàn)要求,可以更換不同尺寸的金屬摩擦環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)。

橡膠試塊固定在夾具的卡槽里,其尺寸為40mm × 25mm × 6mm。金屬摩擦環(huán)與橡膠之間可實(shí)現(xiàn)干摩擦和液體介質(zhì) ( 可含固體顆粒) 潤滑下的摩擦磨損試驗(yàn)。對于含固體顆粒的黏稠液體介質(zhì),金屬摩擦環(huán)在轉(zhuǎn)動時(shí),表面粘附液體介質(zhì),實(shí)現(xiàn)金屬摩擦環(huán)與橡膠試塊在液體潤滑下的摩擦磨損試驗(yàn)。當(dāng)摩擦環(huán)與橡膠之間為間隙配合時(shí),液體介質(zhì)中固體顆粒將切削橡膠表面,實(shí)現(xiàn)橡膠試塊的磨損。加載機(jī)構(gòu)包括調(diào)整桿、帶有標(biāo)尺的手柄,與手柄的標(biāo)尺相匹配的微調(diào)刻度盤,設(shè)置在剖分結(jié)構(gòu)的料箱上的固定座,帶有夾具的導(dǎo)向座和導(dǎo)軌等件。

橡膠試塊固定在夾具的卡槽內(nèi),隨導(dǎo)向座沿固定在料箱內(nèi)的導(dǎo)軌軸向移動,夾具通過調(diào)整桿與料筒連在一起。手柄固接在調(diào)整桿頂端,微調(diào)刻度盤組裝在固定座上,微調(diào)刻度盤的表面貼有環(huán)形刻度尺,微調(diào)刻度盤在固定座上繞調(diào)整桿軸線周向轉(zhuǎn)動,以調(diào)整手柄的標(biāo)尺正對微調(diào)刻度盤上的環(huán)形刻度尺零刻線的位置。環(huán)形刻度尺每一小格精度為0.1mm,量程為1mm。調(diào)整桿的螺柱段與料箱的螺紋孔相配合形成螺旋配副,螺柱段的螺紋螺距為1mm,導(dǎo)程為1mm,調(diào)整桿底端的連桿段與導(dǎo)向座連接在一起。轉(zhuǎn)動調(diào)整桿頂端的手柄,調(diào)整桿沿軸向移動,帶動導(dǎo)向座一起沿導(dǎo)軌軸向移動,使橡膠試塊與摩擦環(huán)之間壓緊或脫離,并通過固定裝置對調(diào)整桿進(jìn)行固定,從而實(shí)現(xiàn)對試塊的垂直加載或調(diào)整橡膠試塊與摩擦環(huán)之間的間隙。即通過反向旋轉(zhuǎn)手柄,調(diào)整桿沿軸向移動,帶動導(dǎo)向座一起沿導(dǎo)軌軸向上移,使橡膠試塊與摩擦環(huán)之間脫離,實(shí)現(xiàn)調(diào)整摩擦環(huán)與橡膠試塊的間隙,然后通過固定裝置對調(diào)整桿進(jìn)行固定。

正向旋轉(zhuǎn),調(diào)整桿沿軸向移動,帶動導(dǎo)向座一起沿導(dǎo)軌軸向下移,使橡膠試塊與試環(huán)之間壓緊,實(shí)現(xiàn)對試塊的垂直加載,然后通過固定裝置對調(diào)整桿進(jìn)行固定,在小變形條件下,所加載荷大小與橡膠的壓縮量成正比,通過壓縮量可反求載荷大小。

動力與傳動機(jī)構(gòu)包括通過聯(lián)軸器連接在同一軸心線上的組裝在主軸箱中的主軸、固定有扭矩傳感器的傳動軸和伺服電機(jī)的輸出軸。金屬圓環(huán)安裝在主軸的端部,隨著電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)帶動金屬摩擦環(huán)旋轉(zhuǎn),主軸裝在主軸箱中,并用軸承端蓋和機(jī)械密封分別進(jìn)行密封,其中固定試環(huán)的主軸端利用機(jī)械密封與料箱壁封裝,有效地防止了料箱中液體介質(zhì)的泄漏,近而保證了金屬摩擦環(huán)的工作精度。數(shù)據(jù)采集模塊包括扭矩傳感器和扭矩測量儀,通過扭矩測量儀和橡膠的壓縮量可以獲得扭矩值和壓力值。

試驗(yàn)機(jī)的工作原理

將含固體顆粒的液體介質(zhì)充入料筒內(nèi)指定刻度線,橡膠試塊與金屬圓環(huán)在不加載下接觸,微調(diào)刻度盤的零刻線調(diào)整到與手柄的零刻線對齊。正向旋轉(zhuǎn)手柄,可以對橡膠試塊垂直加載進(jìn)行試驗(yàn)。反向旋轉(zhuǎn)手柄,可以調(diào)整試塊與圓環(huán)間隙進(jìn)行試驗(yàn)。通過電機(jī)驅(qū)動主軸旋轉(zhuǎn)進(jìn)而帶動試環(huán)旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)的主運(yùn)動。通過數(shù)據(jù)采集模塊求得正壓力和摩擦力,摩擦力與正壓力的比值大小為摩擦因數(shù),即μ=F/N。試驗(yàn)機(jī)的磨損量可由試驗(yàn)前后樣品的質(zhì)量差值獲得。工作原理如圖所示。

摩擦試驗(yàn)機(jī)由于測試適用范圍不同,可分類:

1、油墨摩擦、耐磨測試儀:主要用于印刷品行業(yè)墨層耐磨性檢測。

2、摩擦磨損試驗(yàn)機(jī):主要用于材料的摩擦、磨損耗檢測。

試樣尺寸

每次測量一般需要二個(gè)8cmX20cm的試樣。如果樣品較厚或剛性較大,固定到滑塊上必須用雙面膠帶時(shí),一個(gè)試樣的尺寸應(yīng)與滑塊底面尺寸(63mmX63mm)一樣。

試樣的裁取

試樣應(yīng)在樣品整個(gè)寬度或圓周(管膜時(shí))均勻裁取。

試樣的面和方向

如樣品的正反面或不同方向的摩擦性質(zhì)不同,應(yīng)分別進(jìn)行試驗(yàn)。通常,試樣的長度方向(即試驗(yàn)方向)應(yīng)平行干樣品的縱向(機(jī)械加工方向)。

對試樣和試驗(yàn)表面的要求

試樣應(yīng)平整、無皺紋和可能改變摩擦性質(zhì)的傷痕。試樣邊緣應(yīng)圓滑。試樣試驗(yàn)表面應(yīng)無灰塵、指紋和任何可能改變表面性質(zhì)的外來物質(zhì)。

試樣的數(shù)量

每次試驗(yàn)至少測量三對試樣。如需要更高的試驗(yàn)精度,應(yīng)根據(jù)GB-3360 增加試樣數(shù)量。