【摘要】：膠輥是一種在紡織、印染和軋鋼等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的材料傳輸部件,通常由鋼芯和外層聚合物材料組成。由于直接與產(chǎn)品接觸,其良好的使用壽命與表面狀況是保證生產(chǎn)連續(xù)性和被傳輸產(chǎn)品表面質(zhì)量的基礎(chǔ),可以直接和間接的降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本。尼龍膠輥是帶鋼冷軋工藝中常用的膠輥,具有相對(duì)好的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性,但在重載、高速、帶鋼表面較粗糙的工況下,膠輥的磨損量較大且表面容易發(fā)黑,頻繁的更換膠輥以及偶爾產(chǎn)生的帶鋼表面粘著都給生產(chǎn)帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,因此降低磨損率與減少對(duì)帶鋼產(chǎn)生的污染成為尼龍膠輥廣泛使用的兩大要求。研究表明經(jīng)纖維增強(qiáng)后的復(fù)合材料可以有效降低基體材料的滾滑摩擦系數(shù)和磨損率,但目前未曾有過摩擦對(duì)偶件表面質(zhì)量方面的報(bào)道,而且多數(shù)研究僅限于差速滾滑接觸形式,與帶鋼與膠輥間的接觸情況有一定的差異,對(duì)滾動(dòng)和側(cè)滑滾動(dòng)接觸形式的報(bào)道較少。由于不同接觸形式下的摩擦磨損機(jī)理不同,因此難以用現(xiàn)有的理論對(duì)纖維增強(qiáng)膠輥的滾動(dòng)和側(cè)滑滾動(dòng)接觸摩擦性能進(jìn)行評(píng)估。 本文首先采用掃描電子顯微鏡、傅立葉紅外光譜儀、能量儀分析了膠輥表面黑色粘附物的成份,對(duì)膠輥的磨損形式與磨損機(jī)理進(jìn)行了分析,證明黑色粘附物為鐵屑和膠輥磨屑的混合物。研究還發(fā)現(xiàn)：黑色的粘附物積累到一定程度才會(huì)粘著到帶鋼表面形成表面污染,當(dāng)帶鋼與膠輥保持一定側(cè)滑角度時(shí),可以有效去除膠輥表面的粘附物,并且不會(huì)造成帶鋼表面的異物粘著,但會(huì)加快了膠輥的磨損,即小安裝偏斜角下的膠輥表面更容易產(chǎn)生黑色粘附物,大安裝偏斜角下的膠輥表面光潔但磨損量大。對(duì)于確保帶鋼表面質(zhì)量和提高膠輥使用壽命這一問題,除了優(yōu)化調(diào)整膠輥的安裝偏斜角外,采用纖維來增強(qiáng)膠輥是改善其摩擦性能的新途徑。 為了更好的了解纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料的力學(xué)性能與摩擦學(xué)性能,本文建立了短纖維復(fù)合材料粘彈性預(yù)測(cè)模型,分析了纖維含量、纖維性能、纖維分布形式對(duì)復(fù)合材料靜態(tài)力學(xué)性能和動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的影響,并通過有限元方法、靜態(tài)拉伸試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)熱力學(xué)試驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的可靠性。同時(shí),進(jìn)一步建立了短纖維增強(qiáng)粘彈性復(fù)合材料與剛性平面滾動(dòng)接觸模型,宏觀上研究了纖維增強(qiáng)尼龍膠輥與帶鋼接觸時(shí),纖維含量、帶鋼重量和運(yùn)行速度對(duì)滾動(dòng)接觸特性的影響,結(jié)果表明：尼龍膠輥與帶鋼間的滾動(dòng)摩擦系數(shù)隨纖維含量增加而降低、隨帶鋼重量增大而顯著增大,受轉(zhuǎn)速變化影響較小。在微觀層次上,采用有限元方法研究了纖維增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料與帶鋼接觸時(shí),接觸區(qū)內(nèi)應(yīng)力場(chǎng)分布受纖維空間分布情況的影響,結(jié)果表明：纖維的存在使得其下方基體的應(yīng)力降低、其上方基體應(yīng)力增大；接觸面上纖維承受應(yīng)力較高,纖維周邊的基體比其它位置的基體應(yīng)力較高。 本文還設(shè)計(jì)制造了一種側(cè)滑滾動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),并在不同載荷、轉(zhuǎn)速、溫度和側(cè)滑角度下對(duì)玻纖增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料進(jìn)行了滾動(dòng)接觸和側(cè)滑滾動(dòng)接觸摩擦磨損試驗(yàn),并借助扭矩檢測(cè)系統(tǒng)、電子天平、掃描電子顯微鏡和光學(xué)顯微鏡對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,建立了玻纖含量、載荷、溫度、轉(zhuǎn)速和側(cè)滑角度與摩擦系數(shù)、磨損率、磨損形貌之間的關(guān)系,闡明了玻纖增強(qiáng)尼龍復(fù)合材料在滾動(dòng)和側(cè)滑滾動(dòng)時(shí)的摩擦磨損機(jī)理,主要研究結(jié)果表明：玻纖增強(qiáng)尼龍側(cè)滑滾動(dòng)時(shí)的摩擦磨損形式為粘著磨損與磨粒磨損的組合；玻纖的增強(qiáng)能夠在各種工況下有效降低尼龍的磨損率；玻纖含量需要與側(cè)滑角度相匹配以有效降低摩擦系數(shù)并使試樣及對(duì)偶件都具有較光潔的表面質(zhì)量,不合理的匹配反而會(huì)即增大摩擦系數(shù)又加劇破壞試樣及對(duì)偶件的表面質(zhì)量。 通過本文的研究,分析了尼龍膠輥的摩擦磨損機(jī)理,建立了短纖維復(fù)合材料粘彈性預(yù)測(cè)模型和滾動(dòng)接觸模型,研制了側(cè)滑滾動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)設(shè)備,同時(shí)闡明了纖維增強(qiáng)聚合物復(fù)合材料在滾動(dòng)接觸和側(cè)滑滾動(dòng)接觸時(shí)的摩擦磨損機(jī)理。本文的研究成果為帶鋼傳輸膠輥的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù),為側(cè)滑滾動(dòng)接觸形式下的摩擦磨損研究奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：華東理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：TH117.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2737410