SPRINGGM-3摩擦襯墊動(dòng)態(tài)滑移過程中的摩擦機(jī)理研究

#01試驗(yàn)部分

SPRING1.1材料、裝置和參數(shù)

試驗(yàn)材料選用目前礦井摩擦式提升機(jī)廣泛應(yīng)用的商業(yè)摩擦襯墊之一GM-3襯墊材料和高強(qiáng)度鋼化透明玻璃

滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)在Rtec摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上完成并利用高速顯微攝像儀對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行全程實(shí)時(shí)觀測,上試樣為襯墊材料.下試樣高強(qiáng)度鋼化透明玻璃,玻璃片相對(duì)襯墊材料滑動(dòng),運(yùn)動(dòng)方式為往復(fù)滑動(dòng)模式,高速顯微攝像儀放置在透明玻璃下方對(duì)試驗(yàn)過程進(jìn)行拍攝.試驗(yàn)后利用掃描電鏡和高速顯微攝像儀觀察磨損區(qū)域的微觀形貌。

SPRING1.2灰度法計(jì)算實(shí)際接觸面積原理

根據(jù)摩擦襯墊與透明材料的接觸特性和數(shù)字圖像處理提出了一種灰度法計(jì)算試驗(yàn)過程中的實(shí)際接觸面積試驗(yàn)時(shí)在均勻光照下拍攝同一試驗(yàn)條件下同一位置在不同時(shí)刻的圖像,經(jīng)去噪和修正后利用Photoshop軟件把拍攝的RGB模式圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像.由于試驗(yàn)圖像中接觸點(diǎn)和非接觸點(diǎn)在平行光源下反射情況不同(接觸區(qū)域部分顏色較深非接觸點(diǎn)顏色較淺).因而灰度值也存在不同計(jì)算確定出接觸與非接觸點(diǎn)的閥值最后使用Matlab編程處理圖像計(jì)算出實(shí)際接觸部分的面積。

#01結(jié)與討論

SPRING2.1單個(gè)周期內(nèi)接觸界面的往復(fù)滑動(dòng)過程動(dòng)態(tài)監(jiān)測

? 襯墊材料在比壓為2MPa滑動(dòng)速度為1mm/s滑動(dòng)距離5mm時(shí)單個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻摩擦系數(shù)曲線中標(biāo)記的點(diǎn)與中原位圖像的時(shí)刻相對(duì)應(yīng).從中可以看出剛啟動(dòng)時(shí)摩擦系數(shù)有一段迅速上升.對(duì)應(yīng)圖中的實(shí)時(shí)圖像可知此階段襯墊

? 襯墊材料與透明材料往復(fù)滑動(dòng)的接觸情況示意圖是襯墊與玻璃片的接觸形式圖襯墊表面的微凸體與玻璃片接觸,選取其中一個(gè)接觸微凸體單元進(jìn)行分析,加載完沒有開始滑動(dòng)時(shí)微凸體受力平衡開始沖程滑動(dòng)后，襯墊作為黏彈性材料會(huì)產(chǎn)生彈性變形和一小部分塑性變形.摩擦力為產(chǎn)生粘附力和遲滯力(變形延遲恢復(fù)所需要的力)之和回程的瞬間,表面接觸黏著力消失同時(shí)襯墊材料自身發(fā)生彈性回復(fù),相對(duì)于玻璃片沒有摩擦力.此時(shí)摩擦系數(shù)很小,隨著回程滑動(dòng)的進(jìn)行,襯墊材料開始產(chǎn)生回程方向的變形,實(shí)際此時(shí)是克服沖程時(shí)產(chǎn)生的塑性變形和延遲恢復(fù)的變形。

? 此時(shí)的摩擦力為粘附力與遲滯力之差由于襯墊沖程過程與玻璃片沒有相對(duì)位移此時(shí)的摩擦力是由接觸面的粘附力引起的隨著摩擦滑動(dòng)的進(jìn)行摩擦系數(shù)升高c點(diǎn)后摩擦副產(chǎn)生相對(duì)位移表面黏著作用減弱,摩擦系數(shù)降低,之后摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定.沖程與回程轉(zhuǎn)變階段摩擦系數(shù)迅速降低,回程摩擦過程中摩擦系數(shù)的變化趨勢與沖程一致但平均摩擦系數(shù)較沖程小一倍，可知中期后期的摩擦系數(shù)變化規(guī)律相同數(shù)值有所增大的變形回程時(shí)的表面的接觸狀態(tài)比沖程差,所以回程摩擦系數(shù)小于沖程摩擦系數(shù)

? 襯墊材料在比壓為2MPa滑動(dòng)速度為1mm/s滑動(dòng)距離5mm時(shí)初期單個(gè)周期不同時(shí)刻實(shí)時(shí)原位圖像。從圖中可知開始加載后的襯墊與玻璃片接觸圖中顏色較深的黑色區(qū)域?yàn)橐r墊與玻璃片的接觸部分,顏色較淺的棕黃色為未接觸區(qū)摩擦副為面面接觸,襯墊材料的表面為人工拋光,不能保證絕對(duì)的平整。實(shí)際接觸形狀不可控,理論上接觸形狀為圓形實(shí)際圓形出現(xiàn)幾率比較低,大部分為類橢圓形或類圓形圖中不規(guī)則的缺口為氣孔或者硬質(zhì)顆粒脫落留下的凹坑加載完成玻璃開始滑動(dòng)。襯墊與玻璃片的接觸區(qū)域部分沿著玻璃的運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生一定的黏著變形,接觸部分長寬較初始都有增大,即名義接觸面積變大,并且增加的接觸區(qū)域主要在滑動(dòng)方向后方,襯墊隨玻璃片一起運(yùn)動(dòng)。

? 兩者沒有相對(duì)位移,此階段為襯墊的黏著變形期，當(dāng)切向力超過襯墊與玻璃片的粘附力時(shí)。兩者發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),接觸部分長寬較仍有增大,襯墊材料表面部分突出的硬質(zhì)顆粒形成應(yīng)力源，此時(shí)顆粒受到的剪切應(yīng)力大于基體對(duì)其的粘結(jié)力，硬質(zhì)顆粒界面脫粘并在運(yùn)動(dòng)中刮傷切削較軟的襯墊基體材料。在襯墊表子連接起來.由此形成局部連接點(diǎn).滑動(dòng)的作用促使這些鍵在新鍵形成前拉升、破裂和松弛，發(fā)生變形當(dāng)切向力大于接觸區(qū)域的粘附力時(shí)連接點(diǎn)處的鍵斷裂性體分子有力地跳躍一個(gè)分子間距,到達(dá)它們新的平衡位置[14產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)所以分子級(jí)耗能的黏-滑過程是造成粘附的原因!15]光滑的摩擦副在干摩擦情況下粘附現(xiàn)象明顯

? 襯墊材料在比壓為2MPa滑動(dòng)速度為1mm/s滑動(dòng)距離5mm時(shí)初期單個(gè)周期過程中接觸區(qū)域的長度寬度以及灰度法計(jì)算出的實(shí)際接觸面積隨著時(shí)間的變化曲線從中可以看出接觸區(qū)域長寬以及實(shí)際接觸面積的變化規(guī)律相同,開始時(shí)快速上升,之后趨于平穩(wěn)沖程和回程轉(zhuǎn)變階段迅速下降回程過程也是先上升后趨于平穩(wěn)開始時(shí)上升是由于襯墊材料與玻璃片發(fā)生黏著變形,產(chǎn)生相對(duì)位移后變形趨于穩(wěn)定，沖程與回程轉(zhuǎn)變時(shí),襯墊材料產(chǎn)生了彈性回復(fù),接觸面積迅速減小,之后摩擦襯墊沿回程運(yùn)動(dòng)方向的變形逐漸增大,產(chǎn)生了回程過程中的黏著、滑移對(duì)比發(fā)現(xiàn)實(shí)際接觸面積與摩擦系數(shù)的變化時(shí)刻與趨勢一致兩者呈現(xiàn)正相關(guān)的關(guān)系表面接觸面積與粘附力的大小密切相關(guān)可知這個(gè)過程中黏著作用明顯黏著力變化是導(dǎo)致此階段摩擦系數(shù)變化的主要原因。

SPRING3、結(jié)論

A.GM-3襯墊材料在往復(fù)滑動(dòng)過程中單個(gè)周期內(nèi)沖程過程中摩擦系數(shù)呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,沖程與回程摩擦過程中摩擦系數(shù)平均值相差近一倍,摩擦系數(shù)和接觸面積呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。

B.整個(gè)試驗(yàn)過程中,初期摩擦階段,襯墊表面硬質(zhì)顆粒脫落造成的磨粒磨損,摩擦系數(shù)上升.硬質(zhì)顆粒排出接觸面.磨粒磨損結(jié)束.襯墊表面發(fā)生了低循環(huán)次數(shù)的疲勞破壞.開始出現(xiàn)大量的細(xì)小的卷筒狀磨屑,摩擦系數(shù)繼續(xù)上升.卷筒狀磨屑數(shù)量變小,尺寸變大,在兩接觸面積間滾動(dòng),兩摩擦副的運(yùn)動(dòng)形式逐漸變?yōu)闈L滑,摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定.整個(gè)摩擦過程中一直伴隨著黏著磨損。

END

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