高比压、高摩擦因数摩擦衬垫研制

一 、工况分析

从摩擦学原理来讲，摩擦衬垫与钢丝绳之间能产生犁切分量和粘着分量，犁切分量主要与材料的表面粗糙度及物理机械性能有关。工作中摩擦衬垫和钢丝绳表面状态是动态变化的，表面粗糙度存在难以控制的因素，犁切分量的影响存在不可预知性和不确定性，因此有效地提高粘着分量是提高衬垫摩擦性能的可靠保证。

根据粘着摩擦理论，摩擦副表面的接触主要发生在微凸体的顶端，在法向力的作用下形成接点，切向力的作用使接点长大和滑脱。在金属配对副中，接点是具有“冷焊”性质的高强度接点，接点的化学粘接是形成接点的主要机理。按照化学粘接的假设，提高正压力会增大接触面积，提高摩擦力；提高温度有利于提高分子的密切接触，提高粘接强度；添加少量强基性基团，可提高粘接强度。

二 、衬垫参数设计

1、衬垫比压

衬垫的比压分为测试值、许用值和设计值，且测试值的 70% 为许用值，许用值的 70% 为设计值，该现象是钢丝绳的特殊表面结构造成的。当衬垫比压的设计值为 2.5 MPa 时，许用值应为 5.1 MPa，测试值应为 7.2 MPa。

2、 衬垫摩擦因数

衬垫摩擦因数也分为测试值、许用值和设计值。摩擦衬垫测试值为在专用试验机上进行连续测试，取值是所有测试数据的平均值。许用值由测试值经过计算得出，考虑因素包括最大值、最小值、数据出现的概率等。数据离散度越大，许用值下降幅度越大，一般比测试值低 10%～ 15%。设计值是设备设计采用的摩擦因数值。摩擦因数与材料的组织结构有关，也就是说材料确定，摩擦因数即确定。现代摩擦因数理论认为：一种材料的摩擦因数不是固定不变的，在正常使用情况下，它随着使用工况的变化而变化，工况突变，变化较大，波动范围在±10%。

当摩擦因数设计值取 0.28 时，许用值约为 0.33，考虑到材料系数波动，测试值必须大于 0.36。

三、衬垫研制

衬垫材料主要成分包括基体材料、添加剂和填充剂。基体材料选用粉末丁腈橡胶和酚醛树脂；添加剂选用不溶性硫磺和 DTDM；填充剂包括气相白炭黑、氧化铝和硫酸钙晶须等。

衬垫研制的过程：①按照密炼、开炼、破碎、压制的工艺进行产品的试制；② 通过硬度测试，密度测试，拉伸、弯曲、压缩性能测试，疲劳弯曲性能测试，摩擦磨损性能测试，摩擦因数及磨损率测试，优化试验配方及试制工艺；③重复以上步骤进行反复试验，最终得到满足性能需求的摩擦衬垫。

最终得到的衬垫摩擦因数测试结果如图 1 所示。干净状态下，最大摩擦因数为 0.680，最小摩擦因数为 0.499，平均摩擦因数为 0.547；淋水状态下，最大摩擦因数为 0.726，最小摩擦因数为 0.588，平均摩擦因数为 0.649；涂脂状态下，最大摩擦因数为 0.455，最小摩擦因数为 0.373，平均摩擦因数为 0.404。可见，新衬垫的摩擦因数满足测试值必须大于 0.36 的要求。

四、衬垫稳定性试验

单凭一次试验远远不够，可能会因偶然因素导致试验结果偏高或偏低。在一定时间内进行了多次试验，试验状态为涂增摩脂，

五、衬垫比压试验

制成 3 块试样，编号为 1～ 3 号。在相同试验条件下，对摩擦衬垫施加一定的压力，设定试验结束条件为压缩变形 5 mm。试验结束后计算比压值，结果如表 1 所列。由表 1 可知，平均比压为 8.8 MPa，满足测试值必须大于 7.2 MPa 的要求。

六、衬垫抗比压能力试验

将新衬垫与旧衬垫 一起，分别进行 5、67、8、9、10、11和12MPa 条件下抗比压能力试验，以验证新衬垫的抗比压能力。根据实际情况可调整压力工况，调整到旧衬垫不能承受的比压为宜。

由表2可以看出，与旧衬垫相比，新衬垫在不同压力下的变形较小;在旧衬垫开裂的情况下，新衬垫依然具有较好的抗比压能力。可见新衬垫适用于超深井、高比压工况。

七、硬度的温度特性试验

为考察温度对衬垫性能的影响，在不同温度下对新衬垫和 K25、K25SC 的硬度进行了测试，将测试数据绘制成衬垫温度特性曲线，如图 3 所示。需要说明的是，硬度值为多点平均值。

八、压力特性试验

为考察新衬垫的摩擦性能随压力变化的情况，测试了新衬垫的压力特性，试验条件为表面干净状态，结果如表 3 所列。从表 3 可以看出，不同压力下，新衬垫完全满足摩擦因数测试值大于 0.36 的要求；试验结果和摩擦理论中压力增加摩擦因数降低的规律相吻合。

九、磨损试验

为考察新衬垫的耐磨性能，进行了磨损试验。将新衬垫与 K25、K25SC 试样在相同条件下进行试验。试验条件为：室温为 24 ℃，压力为 2.5 MPa，滑速为8 mm/s，绳径为 28 mm，滑动距离为 5 m，表面状态为干净。试验结果如表 4 所列。