深豎井提升機(jī)高比壓高摩擦因數(shù)襯墊的研制

洛陽摩擦襯墊的材質(zhì)經(jīng)歷了聚氯乙烯(PVC)—聚氨酯(CPUR)—新型復(fù)合材料的發(fā)展歷程，摩擦因數(shù)的設(shè)計值從最初的 0.20 提高到現(xiàn)在的 0.25。目前，國內(nèi)使用較多的摩擦襯墊有：德國原裝進(jìn)口的 K25，利用進(jìn)口材料在國內(nèi)壓制的 K25SC、GDM326，這幾種材質(zhì)的摩擦襯墊均能滿足現(xiàn)有礦井提升機(jī)的選型要求。近年來，向地球更深處尋找礦物資源已成為國家發(fā)展的重要戰(zhàn)略，研發(fā)深豎井、大噸位礦井提升裝備成為行業(yè)發(fā)展的趨勢，開發(fā)能滿足此類提升裝備選型所需的高比壓、高摩擦因數(shù)襯墊迫在眉睫。

1 襯墊研制的必要性

摩擦襯墊必須有足夠的抗壓強(qiáng)度，以承擔(dān)兩側(cè)提升鋼絲繩運行時產(chǎn)生的各種動載荷和沖擊載荷。同時，摩擦襯墊與鋼絲繩之間必須具有足夠的摩擦因數(shù)，以滿足設(shè)計生產(chǎn)能力，并防止提升過程中的滑動。比壓和摩擦因數(shù)是衡量摩擦襯墊性能的 2 個主要參數(shù)。

摩擦襯墊的比壓

摩擦襯墊的摩擦因數(shù)

以國家重點研發(fā)計劃《深豎井大噸位高速提升裝備與控制關(guān)鍵技術(shù)》課題任務(wù)書中參數(shù)為依據(jù)：提升深度為 2 000 m；提升速度大于 18 m/s；有效載荷大于50 t。基于這些參數(shù)，摩擦輪直徑取 6 500 mm，鋼絲繩直徑取 64 mm。利用式 (1) 計算可得 P=2.17 MPa。

然而，現(xiàn)有襯墊比壓在工程應(yīng)用中被限定為 2.0 MPa，要滿足此要求，不得不加大摩擦輪直徑或鋼絲繩直徑，或增加鋼絲繩繩數(shù)，導(dǎo)致設(shè)備過于龐大。因此，研制深豎井大噸位礦井提升機(jī)用比壓為 2.5 MPa、摩擦因數(shù)為 0.28 的高比壓、高摩擦因數(shù)襯墊，對于深部建井和提升是十分必要的。

一方面，增大襯墊比壓可降低設(shè)備選型規(guī)格。以JKM-4×6 提升機(jī)為例，最大靜張力為 1 200 kN，最大靜張力差為 340 kN，鋼絲繩最大直徑為 44 mm，比壓計算值為 1.95 MPa。如果將比壓許用值從 2 MPa 提高至 2.5 MPa，在采用更高強(qiáng)度鋼絲繩且不降低鋼絲繩安全系數(shù)及繩徑比的前提下，可以采用更小規(guī)格的JKM-3.5×4 提升機(jī)，計算比壓提高至 2.23 MPa。另一方面，增大襯墊摩擦因數(shù)可提高一次有效提升量。以 JKM-4.5×4 提升機(jī)為例，最大靜張力為 980 kN，最大靜張力差為 340 kN，假定鋼絲繩圍抱角為 185°，在其他條件不變的情況下，摩擦因數(shù)由 0.25 提高至0.28，則最大靜張力差提高約 17%，可顯著提高設(shè)備一次提升量，從而提高產(chǎn)量。

2 高比壓、高摩擦因數(shù)襯墊研制

2.1 工況分析

從摩擦學(xué)原理來講，摩擦襯墊與鋼絲繩之間能產(chǎn)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(jī)械性能有關(guān)。工作中摩擦襯墊和鋼絲繩表面狀態(tài)是動態(tài)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(yù)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(jù)粘著摩擦理論，摩擦副表面的接觸主要發(fā)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(zhì)的高強(qiáng)度接點，接點的化學(xué)粘接是形成接點的主要機(jī)理。按照化學(xué)粘接的假設(shè)，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(qiáng)度；添加少量強(qiáng)基性基團(tuán)，可提高粘接強(qiáng)度。

2.2 襯墊參數(shù)設(shè)計

2.2.1 襯墊比壓

襯墊的比壓分為測試值、許用值和設(shè)計值，且測試值的 70% 為許用值，許用值的 70% 為設(shè)計值，該現(xiàn)象是鋼絲繩的特殊表面結(jié)構(gòu)造成的。當(dāng)襯墊比壓的設(shè)計值為 2.5 MPa 時，許用值應(yīng)為 5.1 MPa，測試值應(yīng)為 7.2 MPa。

2.2.2 襯墊摩擦因數(shù)

襯墊摩擦因數(shù)也分為測試值、許用值和設(shè)計值。摩擦襯墊測試值為在專用試驗機(jī)上進(jìn)行連續(xù)測試，取值是所有測試數(shù)據(jù)的平均值。許用值由測試值經(jīng)過計算得出，考慮因素包括最大值、最小值、數(shù)據(jù)出現(xiàn)的概率等。數(shù)據(jù)離散度越大，許用值下降幅度越大，一般比測試值低 10%～ 15%。設(shè)計值是設(shè)備設(shè)計采用的摩擦因數(shù)值。摩擦因數(shù)與材料的組織結(jié)構(gòu)有關(guān)，也就是說材料確定，摩擦因數(shù)即確定?，F(xiàn)代摩擦因數(shù)理論認(rèn)為：一種材料的摩擦因數(shù)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(dāng)摩擦因數(shù)設(shè)計值取 0.28 時，許用值約為 0.33，考慮到材料系數(shù)波動，測試值必須大于 0.36。

2.3 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(jìn)行產(chǎn)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(shù)及磨損率測試，優(yōu)化試驗配方及試制工藝；③重復(fù)以上步驟進(jìn)行反復(fù)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(shù)測試結(jié)果如圖 1 所示。干凈狀態(tài)下，最大摩擦因數(shù)為 0.680，最小摩擦因數(shù)為 0.499，平均摩擦因數(shù)為 0.547；淋水狀態(tài)下，最大摩擦因數(shù)為 0.726，最小摩擦因數(shù)為 0.588，平均摩擦因數(shù)為 0.649；涂脂狀態(tài)下，最大摩擦因數(shù)為 0.455，最小摩擦因數(shù)為 0.373，平均摩擦因數(shù)為 0.404?？梢?，新襯墊的摩擦因數(shù)滿足測試值必須大于 0.36 的要求。

2.4 襯墊穩(wěn)定性試驗

單憑一次試驗遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，可能會因偶然因素導(dǎo)致試驗結(jié)果偏高或偏低。在一定時間內(nèi)進(jìn)行了多次試驗，試驗狀態(tài)為涂增摩脂，

在涂脂狀態(tài)下，襯墊摩擦性能較好且穩(wěn)定，平均摩擦因數(shù)為 0.45，滿足測試值必須大于 0.36 的要求。

2.5 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(shè)定試驗結(jié)束條件為壓縮變形 5 mm。試驗結(jié)束后計算比壓值，結(jié)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。

2.6 襯墊抗比壓能力試驗

將新襯墊與 K25、K25SC 一起，分別進(jìn)行 5、6、7、8、9、10、11 和 12 MPa 條件下抗比壓能力試驗，以驗證新襯墊的抗比壓能力。根據(jù)實際情況可調(diào)整壓力工況，調(diào)整到 K25、K25SC 不能承受的比壓為宜。與 K25、K25CS 相比，新襯墊在不同壓力下的變形較??；在 K25、K25CS 開裂的情況下，新襯墊依然具有較好的抗比壓能力?？梢娦乱r墊適用于超深井、高比壓工況。

2.7 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(jìn)行了測試，將測試數(shù)據(jù)繪制成襯墊溫度特性曲線，需要說明的是，硬度值為多點平均值。新襯墊的硬度比 K25 和 K25SC高；硬度隨溫度的變化趨勢與 K25 和 K25SC 相似；新襯墊的耐高溫性能較好。

2.8 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(tài)，結(jié)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(shù)測試值大于 0.36 的要求；試驗結(jié)果和摩擦理論中壓力增加摩擦因數(shù)降低的規(guī)律相吻合。

2.9 磨損試驗

為考察新襯墊的耐磨性能，進(jìn)行了磨損試驗。將新襯墊與 K25、K25SC 試樣在相同條件下進(jìn)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(tài)為干凈。

同等條件下，新襯墊具有較好的耐磨性能。

3 第三方驗證

委托黎明化工院新材料檢測中心對襯墊比壓進(jìn)行檢測。對襯墊施加一定的壓力，設(shè)定結(jié)束條件為壓縮變形 5 mm，試驗結(jié)束后計算比壓值。經(jīng)檢測，比壓值達(dá)到 9.8 MPa，滿足測試值大于 7.2 MPa 的要求。

委托國家礦山機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心對襯墊摩擦因數(shù)進(jìn)行檢測，試驗條件如下。

(1) 襯墊及鋼絲繩表面狀態(tài)為涂增摩脂，增摩脂為摩擦提升專用愛麗絲 400 型鋼絲繩脂；

(2) 襯墊壓力為 2.5 MPa；

(3) 襯墊相對于鋼絲繩的滑動速度為 1 m/s；

(4) 試驗時的環(huán)境溫度為 24 ℃。

經(jīng)檢測，襯墊最大摩擦因數(shù)為 0.453，最小摩擦因數(shù)為 0.370，平均摩擦因數(shù)為 0.411，許用摩擦因數(shù)為 0.381，滿足測試值大于0.36 的要求。