重載頂推裝備滑動副的摩擦磨損機理

梁 敖，卞永明，邵 杰，楊繼翔，劉廣軍

（同濟大學機械與能源工程學院，上海 201804）

頂推施工方法是一種高效、安全、經濟的現代橋梁施工方法。由于不受地形或地質條件的限制，可充分利用橋墩結構，降低了對大型施工設備的需求，而被廣泛應用于預應力混凝土等截面連續(xù)橋梁或斜拉橋的施工建設中。在頂推施工中，利用引道等施工便利的場地完成鋼橋的拼裝或混凝土橋梁的預制，再通過頂推裝備將橋梁結構移動至最終位置［1-2］。目前許多研究學者主要關注施工中橋梁的應力應變及變形情況［3-4］或頂推時的自動控制系統(tǒng)的研究［5］，而對重載頂推裝備自身結構零部件研究相對較少。但在頂推施工中，使用重載頂推裝備可有效降低橋墩承受的水平載荷，減小對橋梁底部的損傷，同時也可以實現多點同步頂推［6］。換而言之，采用頂推裝備可以提高施工效率，增強施工質量，降低施工成本。并且該裝置已廣泛應用于諸多橋梁的施工中，如著名的九堡大橋［7］。因此，對頂推裝備自身零部件的研究顯得尤為重要。

重載頂推裝備主要由支撐頂升油缸、頂推移動油缸、橫向調整油缸、滑動副、上部結構和下部結構等組成，如圖1 所示［8］。頂推裝備通過滑動副的面-面接觸實現預定操作，滑移面的承載能力以及摩擦磨損性能決定了整個裝備的工作狀態(tài)，進而影響了施工效率和可靠性。因此，滑動副的材料及摩擦磨損機理受到了研究者們的關注。從1960年以來，聚四氟乙烯（PTFE）和不銹鋼就被廣泛用作橋梁支座［9-10］。PTFE 是一種含氟聚合物，屬于熱塑性材料，其低摩擦因數、高耐熱和自潤滑等性能已得到認可［11-12］，為頂推施工滑動副的材料提供了很好的選擇性。許多研究學者通過試驗方法計算了其摩擦因數。例如，Dorafshan 等［13］主要測量了在不同潤滑條件下PTFE支座的摩擦因數值，并進行了對比分析。Ala 等［14］主要分析了接觸載荷和移動距離對PTFE材料的磨損量和摩擦因數的影響。盡管PTFE材料自身有很多優(yōu)點，但仍有一些不足，如彈性不足，耐磨性和抗蠕變性能較差［15］。因此需要在PTFE里填充其余材料來改變其力學性能和抗磨損性能。對于PTFE 的改性，二硫化鉬（MoS2）由于自身分子結構特征被視為有效的固體潤滑劑［16］。Kawakame 和Bressan［17］發(fā)現用玻璃纖維（GF）和MoS2對PTFE改性后的復合材料在電機密封件中表現出了良好的耐磨性。大多數研究都是用摩擦因數以及磨損情況來評價PTFE復合材料的摩擦性能。對于頂推裝備滑動副而言，了解其磨損演化過程及作用機理，進而優(yōu)化材料的摩擦磨損性能，可以達到減少施工時間，提高施工效率的目的。然而，目前對這一領域的研究比較欠缺。

圖1 重載頂推裝備結構［8］Fig.1 Incremental launching equipment[8]

本文主要研究在輕載和重載無潤滑條件下頂推裝置滑動副的摩擦學性能及磨損機理。提出了一種模擬頂推裝置工作過程的試驗臺。以頂推裝備實際使用的聚四氟乙烯（PTFE）/丙烯腈-丁二烯-苯乙烯（ABS）/二硫化鉬（MoS2）復合材料和0Cr18Ni9不銹鋼組成的滑動副為研究對象，研究摩擦因數隨滑動次數的變化情況。從微觀角度觀察摩擦副磨損后的表面形貌，分析摩擦副表面磨損演變過程并揭示出磨損機理，為提高重載頂推裝備滑動副的使用壽命提供了試驗依據。

1 試驗部分

1.1 試驗材料

以PTFE/ABS/MoS2復合材料和0Cr18Ni9 不銹鋼作為摩擦副試件，其材料主要性能參數如表1所示。PTFE/ABS/MoS2復合材料是以高分子材料與不同單體共聚，經各種添加劑改性和特殊合成工藝制成的自潤滑復合材料。試驗中，復合材料墊初始尺寸為400 mm×200 mm×30 mm，0Cr18Ni9 不銹鋼墊初始尺寸為1 500 mm×300 mm×5 mm，0Cr18Ni9不銹鋼板的化學成分如表2所示。

表1 試件的主要性能參數Tab.1 Main performance parameters of material

表2 0Cr18Ni9不銹鋼板化學成份Tab.2 Chemical composition of 0Cr18Ni9 stainless-steel

1.2 工作原理與試驗裝置

重載頂推裝備如圖1 所示，裝備的上部結構將與需要架設的鋼箱梁接觸，下部結構固定在支撐橋墩上?；瑒痈辈贾迷谏喜拷Y構和下部結構之間，其中PTFE/ABS/MoS2復合材料板置于上部結構底面，而不銹鋼板置于下部結構頂面。頂推裝備的基本工作原理包括頂升、前進、下降和回縮4 個步驟，如圖2 所示［18］，主要由支撐頂升油缸和頂推移動油缸兩個執(zhí)行部件完成，在此過程中，PTFE/ABS/MoS2復合材料板在不銹鋼板上做往復移動。具體工作步驟為：①多個支撐頂升油缸將鋼箱梁整體托起；②頂推移動油缸推動鋼箱梁與裝備上部結構一同向前移動；③降低支撐頂升油缸，使鋼箱梁擱置在臨時橋墩上，而與頂推裝備分離；④頂推移動油缸回縮，頂推裝備上部結構回到初始位置，再進行下一工作循環(huán)過程。

圖2 重載頂推裝備基本工作原理［18］Fig.2 Basic principle of incremental launching equipment[18]

根據重載頂推裝備的基本工作原理，將滑動副的工作流程簡化，如圖3 所示。F為PTFE/ABS/MoS2復合材料板與不銹鋼板承受的法向載荷；復合材料板在水平外力F1f和F2f作用下在不銹鋼板上往復運動。

圖3 滑動副的工作原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of operating principle of sliding pair

為了研究滑動副的摩擦磨損性能，根據其工作原理提出了一個摩擦磨損試驗裝置，其三維示意圖如圖4 所示。該試驗裝置主要由加載系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、滑動副和固定裝置等組成，其中不銹鋼板焊接在可往復移動的鋼梁上，復合材料板放置在加載系統(tǒng)下面的固定裝置中；加載系統(tǒng)主要包括一個液壓油缸為滑動副提供法向載荷；驅動系統(tǒng)主要包括一個水平液壓油缸為滑動副提供水平驅動力，使復合材料板可以在不銹鋼板上做連續(xù)往復水平滑動。在滑動過程中，水平方向唯一阻力來自PTFE/ABS/MoS2復合材料板與不銹鋼板之間的摩擦力。

圖4 試驗裝置示意圖Fig.4 Schematic diagram of wear test-bed

1.3 試驗過程

利用自行設計的試驗裝置進行滑動副的摩擦磨損機理分析。試驗條件為：①在室溫下無潤滑；②復合材料板在不銹鋼板上單次滑行距離為1 m，滑動速度為0.05 m·s-1；③試件在輕載10 MPa 和重載30 MPa條件下，分別做三組滑動試驗，每組滑動次數為1 000、2 000和3 000。

試驗過程如下：

（1）搭建試驗裝置，如圖5所示。所有試驗裝置零部件均固定在混凝土地板上的鋼制反作用框架中；

圖5 試驗裝置實物圖Fig.5 Actual image of wear test-bed

（2）將驅動系統(tǒng)和加載系統(tǒng)中的液壓油缸分別與動力源泵站用油管連接；

（3）調試泵站中的溢流閥、調速閥以及試驗裝置中的各個傳感器，以滿足試驗條件；

（4）每組試驗過程中，記錄水平液壓缸進油口和回油口處的油壓值，用于計算分析摩擦因數變化趨勢，并記錄滑動副表面的摩擦溫升。為保證試驗結果的真實性，每組試驗均重復3遍以上。

1.4 試件處理

所有試驗組完成后，將復合材料板和0Cr18Ni9不銹鋼板分別切割成尺寸為30 mm×30 mm×30 mm 和30 mm×30 mm×5 mm 的試樣。利用FEG-250 掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）和 能 譜 儀（energy dispersive spectrometer，EDS）對試件磨損表面進行觀察并分析了磨損區(qū)域化學元素的組成成分。由于復合材料屬于不導電的塑料合金，在利用掃描電鏡觀察之前，需對復合材料表面進行鍍金處理。

2 結果與討論

2.1 摩擦因數

摩擦因數是摩擦磨損研究的重要參數之一，可以反映特定條件下滑動副的摩擦磨損特性［19］。圖6給出了滑動副承受不同法向載荷時摩擦因數和摩擦表面溫升隨滑動次數的變化曲線。從圖6中可以看出，在一定法向載荷下，摩擦因數呈先增大后減小的變化趨勢。在試驗初始階段，摩擦因數隨著滑動次數的增加先增大，達到最大值后開始快速下降，最終趨于穩(wěn)定值。初始階段摩擦因數的增加是因為屬于聚合物的復合材料具有一定的彈性特性，導致在施加法向載荷的情況下，復合材料板與對偶表面之間的實際接觸面積增加。隨著干摩擦次數的增加，復合材料表面上的接觸峰點發(fā)生塑性變形而從基體脫離，黏附在對偶表面不銹鋼板上或形成自由磨粒存在于摩擦副表面之間，這使得接觸表面上表面粗糙度增加，從而減小摩擦副的實際接觸面積，使摩擦因數降低。同時，在干摩擦過程中，由于無法及時釋放摩擦產生的熱量，復合材料表面發(fā)生軟化現象，復合材料被轉移到對偶表面而形成了轉移膜［20-21］。隨著轉移膜的增加，滑動副的表面接觸轉變?yōu)閺秃喜牧吓c其同質表層之間的接觸，使得滑動表面的摩擦因數趨于穩(wěn)定。除此之外，對于不同法向載荷下的摩擦因數而言，30 MPa 接觸載荷下的初始值高于10 MPa接觸載荷的初始值，但30 MPa法向載荷的最終值低于10 MPa 接觸載荷的最終值。出現這種現象的原因是，隨著滑動副承受法向載荷的增加，表面上實際接觸峰點增多，即復合材料與不銹鋼之間的實際接觸面積增加，因此在干摩擦的初始階段，輕載下摩擦因數小于重載下的摩擦因數。隨滑動次數的增加，重載下滑動副表面溫度升高得更快（圖6），這導致不銹鋼表面會更早地形成連續(xù)且較均勻的轉移膜，且接觸表面磨損更加嚴重，最終在30 MPa 法向載荷下摩擦因數下降得更快，也將得到更低的穩(wěn)定值。

圖6 不同載荷下摩擦因數及摩擦表面溫升隨滑動次數的變化Fig.6 Friction coefficient and temperature rising of friction surface versus sliding times at different loads

2.2 輕載時滑動副的磨損機理分析

摩擦因數不足以完全表征摩擦副的摩擦磨損行為，利用掃描電鏡觀察并分析了滑動副磨損后的微觀表面形貌。圖7為在施加10 MPa法向載荷時，經過1 000、2 000和3 000次干摩擦試驗后滑動副磨損表面的微觀形貌，其中復合材料的磨損表面形貌為圖7a、7b和7c，不銹鋼板的磨損表面形貌為圖7d、7e和7f。

輕載下經過1 000次滑動后，滑動副表面沒有出現明顯的磨損現象。在復合材料的磨損表面上僅僅發(fā)現了一些較淺的溝槽（圖7a），并且在不銹鋼表面上觀察到了一些塊狀較薄的轉移膜（圖7d）。除此以外，不銹鋼板表面原始的垂直于滑動方向的表面紋理變得更加清晰可見，這也說明轉移膜的形成并嵌入到不銹鋼粗糙表面中。從圖7b可以看出，當滑動次數達2 000次時，復合材料表面出現大量的犁溝現象，且在溝槽內有些許微小的顆粒。這是由于經多次滑動接觸后，界面間的剪切力使復合材料表面上發(fā)生塑性變形的接觸峰點從基體表面脫落，脫落后部分成為自由顆粒存在于摩擦副表面之間，且有些經過多次碾壓附著在對偶不銹鋼板表面上形成塊狀的轉移膜。圖7e 顯示出不銹鋼表面上存在了少量的溝槽，這是因為隨著滑動次數的增加，不銹鋼表面上轉移膜厚度增加，存在于滑動副表面之間的自由磨粒對轉移膜進行切割，而產生了犁溝現象。除此之外，通過對圖7e中的點A亮白色磨粒進行能譜分析（圖8），檢測出元素C 和Mo 的含量很高，這也再次證實了黏附在不銹鋼表面上的磨粒是從復合材料板上剝離下來的。3 000次滑動磨損試驗后，復合材料表面出現明顯的磨損現象（圖7c）?？梢杂^察到從復合材料表面有脫落痕跡的邊界處發(fā)生明顯塑性變形，并出現清晰的分層現象。這是由于隨著滑動次數的增加，接觸界面間溫度升高，復合材料表層發(fā)生軟化并與對偶表面發(fā)生黏著現象，使更多接觸峰點從基體脫落下來。與此同時，大量脫落的碎屑黏著在不銹鋼表面（如圖7f），且一些碎屑會在表面發(fā)生團聚現象。由此可以看出，在輕載下摩擦副主要發(fā)生了磨粒磨損和黏著磨損。

圖7 輕載下滑動副磨損表面的掃描電鏡圖像（10 Mpa）Fig.7 SEM images of worn surfaces at light load (10 MPa)

圖8 2 000次磨損后不銹鋼表面圖像中A點能譜分析Fig.8 EDS analysis of zone A in the image of stainless-steel after 2000 wear times

黏著磨損意味著在發(fā)生滑動接觸過程中，耐磨性較差材料表面上的接觸峰點由于受到剪切作用被剝離并黏著在對偶表面上，這也將改變對偶表面上的化學成分［22］。因此，利用能譜分析可以驗證輕載下復合材料與不銹鋼板在干摩擦過程中發(fā)生了黏著磨損。

圖9是對輕載下不銹鋼板經不同滑動接觸次數后磨損表面的能譜分析，其中檢測到的主要元素含量占比如表3 所示。可以清楚地看出，與不銹鋼板原始化學成分（表1）相比，表面C 含量明顯增加，這證實了摩擦副表面之間已發(fā)生黏著磨損。而且隨著滑動接觸次數的增加，檢測到表面磨損區(qū)域中C 含量也逐漸增大。經3 000次試驗后，不銹鋼磨損表面C 含量最高達6.49%。該結果表明，隨著滑動次數增加，復合材料表面有更多的接觸峰點剝落并黏附在對偶面上，產生嚴重的黏著磨損。此外，磨損表面還含有大量的Fe和O元素，這說明不銹鋼表面存在氧化層［23］。是因為在長時間摩擦過程中，滑動副表面溫度會逐漸升高，致使Fe元素與大氣中的O元素結合生成氧化膜覆蓋在不銹鋼表面。

圖9 輕載下不銹鋼磨損表面能譜分析（10 MPa）Fig.9 EDS analysis of the whole micro-area for stainless-steel at light load(10 MPa)

表3 輕載時不同滑動次數下不銹鋼磨損區(qū)域的化學成分Tab.3 Microcomponent analysis of stainless-steel with different micro-areas at light load (10 MPa)

2.3 重載時滑動副的磨損機理分析

圖10為在重載下（30 MPa法向載荷），經1 000、2 000 和3 000 次干摩擦試驗后，通過掃描電鏡觀察的滑動副磨損表面微觀形貌。其中圖10a、10b 和10c是復合材料的磨損表面形貌，很明顯地觀察到其表面有嚴重磨損現象；圖10d、10e和10f是不銹鋼板的磨損表面形貌。

與輕載下呈現磨損現象不同，重載經1 000次干摩擦試驗后，復合材料的磨損表面出現些許小磨粒和細小裂紋（圖10a）。這是因為在重載作用下，從復合材料板上剝落的大磨屑在往復運動過程中又被碾壓成更小的磨粒黏附在摩擦副表面。同時，在對偶面不銹鋼上也看到了黏附在表面的磨損碎片，且由于往復運動過程中的剪切作用，附著在不銹鋼表面上的碎屑出現了沿著滑動方向被“拉起”的現象（圖10d）。此時滑動副主要表現的磨損機理是黏著磨損。經2 000次滑動接觸后，復合材料板和不銹鋼板的磨損表面微觀形貌如圖10b 和10e 所示?？梢郧逦乜闯鰪秃喜牧媳砻姘l(fā)生嚴重塑性變形，而且表面出現很多更寬更深的磨損裂紋，這意味著表面細小裂紋已開始擴散，磨損加劇。隨著磨損次數的增加，不銹鋼板表面的轉移膜變厚，在往復滑動過程中摩擦副之間的自由磨屑對轉移膜進行切割使得不銹鋼表面出現少量淺溝槽痕跡（圖10e）。

試驗增加至3 000次時，通過掃描電鏡觀察到的復合材料和不銹鋼磨損表面微觀形貌如圖10c、圖10f所示。隨著滑動次數的增加，復合材料的磨損表面變得越來越嚴重，可以觀察到表面出現大量較深的垂直于滑動方向的裂縫。這是由于長時間反復接觸，滑動副表面溫度連續(xù)升高，復合材料表層區(qū)域成為主要能量聚集、耗散處，使表層材料發(fā)生軟化的同時強度也有所降低，進而表面磨損加劇。因此，裂紋的萌生和擴展在復合材料表面上連續(xù)不斷地發(fā)生。同時，通過觀察不銹鋼的磨損表面形貌，發(fā)現磨粒切割轉移膜引起的犁溝數量變多且深度增加。此外，相比于輕載下的磨損表面，不銹鋼表面呈現出連續(xù)而均勻的轉移膜，而不是黏附在表面上的大塊磨屑。這是由于重載下反復摩擦過程中，滑動副之間的切向作用力大于磨屑在不銹鋼表面上的附著力，從而使磨屑再次從不銹鋼板表面上剝落。也正是因為不銹鋼表面上的這層較厚、連續(xù)且均勻的轉移膜，使摩擦副不同材料的滑動接觸轉變?yōu)閺秃喜牧吓c其同質表層之間的接觸，使其具有較低的摩擦因數。這同時也驗證了30 MPa 法向載荷下的摩擦因數最終穩(wěn)定值低于10 MPa 法向載荷下的摩擦因數穩(wěn)定值（圖6）。

圖10 重載下滑動副磨損表面的掃描電鏡圖像（30 Mpa）Fig.10 SEM images of worn surfaces at heavy load (30 MPa)

通過觀察并分析滑動副磨損表面微觀形貌，可以發(fā)現在無潤滑的30 MPa 法向載荷下的摩擦磨損試驗中，滑動副主要表現出的磨損機理是疲勞磨損和黏著磨損。

不銹鋼表面的能譜分析如圖11 所示，其中圖11a、圖11b、圖11c 分別是對圖10d、圖10e、圖10f 磨損表面整個區(qū)域進行的能譜分析。表4列出了不同測試區(qū)域的主要元素含量。同樣地，發(fā)現不銹鋼板表面元素C 的含量遠遠大于其原始含量，這證實了不銹鋼板表面存在轉移膜現象，以及摩擦副之間發(fā)生了黏著磨損。此外，隨著滑動次數的增加，元素C含量也會升高。從表3、表4 的對比可以看出，在相同滑動次數下，承受30 MPa法向載荷的不銹鋼板磨損表面元素C 含量會相對低一些，這是由于重載下磨損表面黏附的從復合材料表面剝離的塊狀碎屑較少。在相同滑動次數下，30 MPa法向載荷的不銹鋼板磨損表面上元素O和Fe 含量占比會高于10 MPa法向載荷的不銹鋼板磨損表面上元素O 和Fe 含量占比。這是由于重載會產生更高的表面溫升，在大氣條件下，較高的溫度導致氧氣更容易與不銹鋼磨損表面中的元素結合形成氧化層。

圖11 重載下不銹鋼磨損表面能譜分析（30 MPa）Fig.11 EDS analysis of the whole micro-area of stainless-steel at heavy load(30 MPa)

表4 重載時不同滑動次數下不銹鋼磨損區(qū)域的化學成分Tab.4 Microcomponent analysis of stainless-steel with different micro-areas at heavy load (30 MPa)

3 結論

（1）重載頂推裝備滑動副在承受相同法向載荷下，隨著滑動接觸次數的增加，摩擦因數呈先增大再減小最后趨于穩(wěn)定的變化趨勢。且重載下摩擦因數的起始值高于輕載下摩擦因數的起始值，但最終穩(wěn)定值比輕載下最終穩(wěn)定值低。

（2）輕載時頂推裝備滑動副在干摩擦條件下，隨著滑動接觸次數的增加，有大量碎屑不斷從復合材料表面剝離并黏附在對摩面上，同時在對摩面上形成轉移膜，磨損機制主要表現為磨粒磨損和黏著磨損。

（3）重載時頂推裝備滑動副在干摩擦條件下，隨著滑動接觸次數的增加，復合材料表面出現大量較深的垂直于滑動方向的裂縫，同時在對摩面上出現連續(xù)且均勻的轉移膜，由不同材料之間的滑動摩擦磨損逐漸轉變成同種材料的對摩，磨損機制主要表現為疲勞磨損和黏著磨損。