咸水输送过程中UHMWPE管材的摩擦微观分析

马习贺，王振华，何 强，李文昊

(1.石河子大学水利建筑工程学院，新疆 石河子 832000；2. 安阳工学院机械工程学院，河南 安阳 455000；3. 菏泽黄河河务局郓城黄河河务局，山东 郓城 274700)

目前在管道输水过程中常用的管道材质有PE、PVC、PCCP、FRP、钢管等，但在实际应用上不同材质管道输水效果各有利弊。超高分子量聚乙烯(简称：UHMWPE，下同)是一种具有优异性能的热塑性线型结构工程塑料，由于其良好的自身特性，在各领域中均得到广泛的应用[1]。在引水供水方面更是取得了相比钢管更好的安装输水效果[2]。我国新疆、内蒙古等地水资源量少，采用微咸水等非常规灌溉逐步实施，但是管道在咸水输送过程中咸水与管道之间的摩擦损耗问题还未深入研究。本文采用UHMWPE管材与咸水进行摩擦试验，以探究2者之间的摩擦关系。

该试验的主要目的是在不考虑外因的情况下研究UHMWPE材料在咸水输送过程中的微观摩擦学性能。

1 试验仪器及材料

超纯水机(上海砾鼎水处理设备有限公司，电阻率为18.25 MΩ·cm)、CFT-I型多功能材料表面性能综合测试仪(兰州中科凯华科技开发有限公司)、KQ500DE台式超声波数控清洗器、DHG-9240电热鼓风干燥箱、SIGMA 300扫描电子显微镜(德国卡尔蔡司公司)、ST400表面轮廓仪(美国NANOVEA公司)。

UHMWPE材料摩擦试样由安阳市超高工业技术有限责任公司生产，试样呈圆柱形，截面直径为15 mm，厚度为5 mm。对偶件为45号钢球。试验所用咸水为新疆生产建设兵团石河子市炮台镇试验田的土壤浸出液，矿化度为7 g/L。

2 微观颗粒摩擦过程分析

颗粒在转速为1 100 r/min，摩擦历时为10 min，荷载为50 N时，转速为1 100 r/min，摩擦历时为10 min，荷载为110 N时以及转速为500 r/min，摩擦历时为10 min，荷载为110 N时的试样SEM形貌和表面三维形貌图见图1、图2、图3。绘制UHMWPE试样在转速为500 r/min，摩擦历时为10 min，荷载为30、50、70、90、110 N时摩擦系数与摩擦历时的关系，见图4；绘制UHMWPE试样在转速为500 r/min，摩擦历时为25 min，荷载为50 N时摩擦系数与摩擦历时的关系，见图5。

图1 UHMWPE在转速为500 r/min，历时为10 min，荷载为110 N时的SEM形貌及表面三维形貌Fig.1 Salt water lubrication in the speed of 500 r/min, lasted 10 min, load 110 N when the SEM morphology and Three-dimensional topography

图2 UHMWPE转速为1 100 r/min，历时为10 min，荷载为50 N时的SEM形貌及表面三维形貌Fig.2 Salt water lubrication at a speed of 1 100 r/min, lasted 10 min, 50 N load when the SEM morphology and Three-dimensional topography

图3 UHMWPE在转速为1 100 r/min，历时为10 min，荷载为110 N时的SEM形貌及表面三维形貌Fig.3 Salt water lubrication at a speed of 1 100 r/min, lasted 10 min, 110 N load when the SEM morphology and Three-dimensional topography

图4 UHMWPE试样在转速为500 r/min，摩擦历时为10 min时摩擦系数与荷载的关系Fig.4 The relationship between the friction coefficient and the load when the rotation speed of UHMWPE sample is 500 r/min, the friction duration is 10 min

图5 UHMWPE试样在转速为500 r/min，摩擦历时为25 min，荷载为50 N时摩擦系数与摩擦历时的关系Fig.5 The relationship between friction coefficient and friction duration when the speed of UHMWPE sample is 500 r/min, the friction duration is 25 min, and the load is 50 N

从图1(a)、2(a)、3(a)可以看出试样表面均出现有裂纹现象，是因为在摩擦过程中随着温度的升高，水分的蒸发，以及外界空气中的微尘颗粒混入，在材料摩擦过程中受到摩擦副表面微凸起的剪切、拉伸、挤压等作用，咸水润滑液分布不均匀，易发生团聚形成较大结晶颗粒，由于无机结晶颗粒偶联剂受荷载作用比较大，颗粒结合力较差，会使UHMWPE试样材料内部形成微裂纹[3]。微观上UHMWPE试样表面微凸体将最先与颗粒相接触，在局部荷载的作用下，微凸体很可能发生塑性变形，随着摩擦接触的继续，UHMWPE试样剪应力方向发生改变，数值有上升趋势，当脱离接触后，剪应力数值逐渐下降，温度逐渐降低。随着时间的推移，摩擦副的温度会上升，并且在摩擦过程中会形成润滑膜[4]。杨晓京等[5]认为颗粒与摩擦副表面滑动接触过程中颗粒滑动时的接触位置相对固定，颗粒热量积累多，所以温度比较高。而且温度最高点并不在颗粒接触区中间位置，而是向后偏移。颗粒与接触间摩擦生热有可能形成瞬时过热，润滑膜分解而失去保护作用，颗粒与表面微凸体直接接触，导致一个瞬时高温的热点使表面上接触点的材料状态发生改变。随着摩擦过程的进行，盐结晶颗粒会随着温度的增加以及荷载的作用而体积缩小，摩擦系数也会随之降低(见图5)。从图4可以看出在压力增大的情况下UHMWPE的摩擦系数呈现逐渐降低后增大的趋势，由图1和图3可以看出压力增加到110 N时，试样磨痕深度相比荷载压力为50 N时大，同时磨损量也相对较大。由于旋转时的离心作用，液体随转速的增加会逐渐向试样外圈集中,当转速接近1 100 r/min时会出现乏液状态，所以最高转速设置为1 100 r/min。由图1～3可以得出，压力的增大相比转速的增大对试样的磨损量更大。王伟等[6]认为较大粒径的颗粒具有更大的承载力和摩擦系数，更容易形成准直线形的强力链，导致摩擦特性的随机现象和结构突变增加，颗粒运动剧烈。除平均接触力外，体功、接触摩擦功、颗粒总动能、总承载力和摩擦力总体随颗粒直径的增大而增大。

3 咸水润滑微观颗粒数值分析

为了研究咸水润滑过程中盐结晶颗粒的硬度与外部荷载的关系，通过对颗粒硬度计算模型进行计算分析，得出了盐结晶颗粒在摩擦过程中颗粒硬度与压痕深度的变化机理。

随着摩擦历时的延长，来源于咸水析出的盐结晶以及空气中粉尘磨损产生的磨屑从摩擦副表面脱落存在于接触面间，形成了固体颗粒。在荷载作用下，这些颗粒将分担部分荷载，使UHMWPE试样表现出不同的摩擦磨损特性。颗粒在摩擦力和液流的卷吸作用下进入接触区，通过接触区与摩擦副表面发生综合弹塑性变形。颗粒在进入接触面之间，由于压力的作用会形成椭圆状或者板状[7]。NIKAS[8]将变形颗粒做成如图6所描述的模型。颗粒压缩的法向速度是dh(xp,yp)/dt，颗粒的中心坐标为K(xp,yp,zp)。

图6 颗粒在接触面之间的压缩过程Fig.6 Schematic diagram of the compression process of the particles between the contact surfaces

将颗粒划分成若干块体(见图7)，块体的坐标设为(xb,yb)，每一块体的尺寸为Δs×Δs×H，Δs为颗粒底边边长，μm，H为块体高度，μm。在集中力接触的情况下，颗粒在开始阶段为弹性变形，后期阶段为弹塑性或塑性变形。在颗粒被弹性压缩后颗粒进入塑性状态，根据经典塑性理论，假设颗粒不可压缩(泊松比等于0.5)。应用体积守恒，颗粒所承受的荷载F小于接触荷载L情况时，计算公式分别如下：

图7 圆颗粒划成应力块体示意Fig.7 Schematic diagram of circular particles divided into stress

H=h(xb,yb)+w1(xb,yb)+w2(xb,yb)

(1)

(2)

(3)

V=πD3/6

(4)

约束条件为：

(5)

i=|xb/Vs|，j=|yb/Vs|

式中：D为颗粒直径，μm；h为接触间隙厚度，μm，其值与润滑接触时的局部膜厚相同，可由干摩擦下的Hertz接触理论[9]以及润滑下的弹性流体力学理论[10]计算得到；w1和w2为颗粒弹塑性位移，μm；u1和u2为变形颗粒接触表面的切向速度，μm/s；R为变形颗粒的半径，μm；Ny为沿y轴(x=0)半径为R的块体数；Vt为数值分析中的时间步长，s。

当颗粒严重变形成薄圆盘或椭球状时，相邻块体的边界内部剪应力相比块体的正应力σx和σy较弱，相邻块体的高度差(通常是在纳米或更小的情况下)随着颗粒表面的变形而变化。通过力的平衡得出：

(6)

式中：τ1,k和τ2,k是块体的上、下表面剪应力τ1和τ2在x，y轴方向产生的分量(见图7)；H为块体高度，μm。

根据文献[11]得出颗粒硬度计算公式为：

(7)

对于完全弹性材料，可得到：

(8)

(9)

(10)

式中：Yk为屈服应力，N；Ek为弹性模量，GPa；rk为颗粒压力水头半径，μm；nk为应变硬化指数(取值为0或者正整数)；ck为应变梯度系数；Hk为宏观维氏硬度，GPa；wk(k=1,2)是颗粒接触区表面1或2的位移(图6中的P1、P2、P3和P4、P5、P6)。

颗粒上的接触压力P表达式如下：

P≤min {h1,h2,Hp[h(xp,yp)]}

(11)

式中：h1和h2分别为表面1和表面2的硬度，GPa；h(xp,yp)是颗粒硬度Hp在特定变形历时内的平均颗粒厚度，μm。

根据文献[12]可知对于每个不同的压痕深度都有一个对应的载荷值，并可通过文献[12]中给出的有限元程序计算得出。

对应的压痕深度为：

hc=rk/tanβ-h

(12)

式中：β为锥形半顶角，(°)。

根据MCELHANEY K W[13]、MA Q[14]等人的实验方法及数据计算得出压痕深度与颗粒硬度、压痕深度与外部荷载的拟合值与实验数据的拟合度较高，见图8、图9，因此认为以上推导公式具有准确的模拟解析效果。通过以上方程分析得出，结晶颗粒的硬度与颗粒的屈服应力、杨氏模量、应变硬化指数和应变系数等有关系，压痕深度与颗粒硬度、外部荷载呈现非线性相关关系。结合图4也可看出，一定范围摩擦系数随着外部荷载的增大而先减小后增大，说明开始前外部压力小于颗粒极限值，颗粒与对偶件之间形成润滑膜，颗粒的滚珠作用开始出现并发挥作用，摩损率较小。随着外部压力的继续增大，如果接触压力超过了式(11)所设定的极限值，多余的压力会以塑性位移的形式得到释放，润滑膜破裂，颗粒的滚珠作用丧失，颗粒压痕增大，摩擦系数增大，颗粒硬度逐步减小，直至盐结晶颗粒消失。

图8 压痕深度与颗粒硬度的拟合曲线Fig.8 Fitting diagram of indentation depth and particle hardness

图9 压痕深度与外部荷载的拟合曲线Fig.9 Fitting diagram of indentation depth and load

4 结 语

通过SEM形貌图和表面三维形貌图分析得知，在咸水润滑过程中荷载的增大相比转速的加快会对材料造成更大的影响，磨损量更大。随着摩擦温度的增加会产生盐结晶颗粒，其剪切力跟颗粒大小成正比关系，在一定压力范围内，随着荷载的增加摩擦对偶件之间会产生润滑膜，盐结晶颗粒会发挥滚珠作用，在一定程度上会减小UHMWPE的磨损程度，从而降低UHMWPE材料摩擦系数和磨损量。但随着荷载的增大，润滑膜破裂，颗粒产生塑性位移，并且尺寸逐渐缩小，摩擦系数增大，管道损耗量增加，此时的颗粒压痕深度、颗粒硬度以及所承受的外部荷载可以通过颗粒硬度计算模型分析得出。建议在咸水输送过程中，为较少管道摩擦损耗应注意控制好管道压力。