摩接襯墊的磨損與鋼絲繩表面狀態(tài)的關(guān)系

近年來,摩擦式提升機(jī)因其體積小設(shè)備輕得到了越來越廣泛的應(yīng)用。摩擦式提升機(jī)是依靠提升鋼絲繩和摩擦襯墊之間的摩擦力來傳遞動(dòng)力的，因此希望摩擦系數(shù)越大越好。鋼絲繩與摩擦襯墊直接接觸時(shí)摩擦系數(shù)較大，但是鋼絲繩的鋼絲裸露在外面，其抗銹蝕的能力將大大降低。為解決這個(gè)問題通常在鋼絲繩的表面和麻芯里都涂、浸了增摩型防銹油脂,即戈培油，以便在儲(chǔ)運(yùn)和使用中對(duì)鋼絲繩起保護(hù)作用,同時(shí)又不至于使摩擦系數(shù)降低太多但現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果證明,該摩擦副的摩擦系數(shù)隨鋼絲繩表面上的戈培油量增多而降低,并提出應(yīng)嚴(yán)格控制鋼絲繩上的涂油量,否則將降低摩擦系數(shù)。但是涂油的鋼絲繩和不涂油的鋼絲繩對(duì)襯墊磨損的影響相差很大，而目前還沒有發(fā)現(xiàn)這方面的研究報(bào)道,因此有必要對(duì)這兩種情況下的磨損機(jī)理作進(jìn)步的研究。

1.實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)臺(tái)的工作原理如附圖所示。試驗(yàn)時(shí)，砝碼的重量通過杠桿作用以法向壓力的形式加在上試塊上。在杠桿下懸掛不同的砝碼來調(diào)節(jié)鋼絲繩-村墊之間的壓力?；儆勺儔浩骺刂频闹绷麟姍C(jī)調(diào)節(jié)。由計(jì)數(shù)器來統(tǒng)計(jì)鋼絲繩往復(fù)運(yùn)動(dòng)的次數(shù),進(jìn)而換算為磨損行程，本次試驗(yàn)行程取100m。試驗(yàn)壓力分別取1MPa2MPa3MPa。鋼絲繩的張緊力取其破斷力的1/7~1/8,為3kN這些參數(shù)都與現(xiàn)場(chǎng)提升時(shí)鋼絲繩在襯墊上的狀態(tài)-致或相當(dāng)。所用兩根鋼絲繩直徑均為56mm,格均為6X19纖維繩芯，其中一恨為涂戈培油的，另一恨為干凈的。以前有人作類似的試驗(yàn)時(shí)認(rèn)為,把涂油的鋼絲繩用金屬清潔劑清洗后再用清水煮洗即為干凈的鋼絲繩。但我們認(rèn)為，由于鋼絲繩的空間螺旋結(jié)構(gòu)，即使經(jīng)過如此處理仍難徹底清除油污。故本次試驗(yàn)所使用的鋼絲繩是定做的新繩，表面及繩芯沒有涂、浸任何東西磨損量由光學(xué)天平稱得該天平的精度為0.1mg,所得結(jié)果如附表所列。

2、分析與研究

從附表可看出,在相同的試驗(yàn)條件下,干繩對(duì)襯墊的磨損量比油繩要大得多,而且隨著負(fù)荷的增大越來越明顯。鋼絲繩與村墊對(duì)摩時(shí),其磨損形式比較復(fù)雜。由于鋼絲繩表面狀態(tài)的不同,其磨損形式的組成和主導(dǎo)磨損形式都有所不同。因此必須從磨損機(jī)理入手,在分析清楚鋼絲繩表面狀態(tài)對(duì)各種磨損。形式的影響的基礎(chǔ)上，確定干繩和油繩磨損形式的組成及其主要的磨損形式。

該摩擦副中,重要的磨損形式有3種:粘著磨損疲勞磨損、磨粒磨損。下面分別討論。

2.1 粘普磨損

當(dāng)鋼絲繩與村墊接觸時(shí),鋼絲繩的繩股壓入襯墊的繩槽之中，負(fù)荷所產(chǎn)生的法向力由凹凸不平的村墊表面頂端承受。在這些接觸點(diǎn)上,局部應(yīng)力很大，兩表面靠得很近。由于范德華力的存在，兩表面的原子互相吸引,產(chǎn)生粘結(jié)點(diǎn)即所謂“冷焊”鋼絲繩要相對(duì)于村墊運(yùn)動(dòng)，就必須破壞這些粘接點(diǎn)。而鋼絲繩的強(qiáng)度和硬度都比村墊大得多，故磨損僅在村墊一側(cè)摩擦表面分子吸引力的大小與分子間的距離有密切關(guān)系，通常情況下分子吸力與距離的7次方成反比。當(dāng)鋼絲繩上有一層油膜存在時(shí),兩摩擦表面被油膜隔開，只有少部分凸峰在較大的壓力之下其表面油膜破裂而接觸在一起，其摩擦表面間分子吸引力比沒有油膜時(shí)要小得多,故粘接點(diǎn)的形成很困難，數(shù)量也少;而干繩由于兩摩擦表面直接貼靠在一起，分子間吸引力大，故粘接點(diǎn)的形成較容易,數(shù)量也多。對(duì)粘著磨損的磨損量可用阿查德方程計(jì)算:在摩擦過程中村墊表面的溫度也很高，這主要是由于耗散的摩擦能大部分轉(zhuǎn)化為熱量,而村墊所用材料聚氨酷的導(dǎo)熱系數(shù)很小，大部分熱量集中在村墊的表層，使表層溫度升高,造成村墊表面的軟化和熔化。從資料可以計(jì)算出村墊在不同壓力之下的表面溫升在1~3MPa 的正壓力下,計(jì)算結(jié)果為50~75C，在這樣的溫度下聚氨醋材料將發(fā)生熱降解,引起襯墊表面的軟化。需要指出的是,計(jì)算出的表面溫度是整個(gè)表面的宏觀溫度，在接觸峰點(diǎn)上的真實(shí)溫度要高得多,以致于引起峰點(diǎn)的熔化。發(fā)生軟化的材料和熔化的峰點(diǎn)在摩擦過程中將向鋼絲繩表面轉(zhuǎn)移,形成熱粘著磨損。當(dāng)鋼絲繩表面有一層油膜材料很難粘附于鋼絲繩之上，故轉(zhuǎn)移膜不易形成，熱粘著效應(yīng)較微弱;而干繩表面可以被熔融的聚氨酷所浸潤，在干繩和村墊的摩擦過程中村墊材料向鋼絲繩的粘著轉(zhuǎn)移很明顯,熱粘著磨損較嚴(yán)重。從以上分析中可知，油繩的粘著磨損主要是由“冷”造成的而干繩的粘著磨損則是“冷焊”與“熱焊”同時(shí)并存,并且干繩的“冷焊”作用比油繩要大1~2個(gè)數(shù)量級(jí)就粘著磨損而言,干繩對(duì)村墊的磨損量比油繩的要大很多倍。

2.2 疲勞磨損

鋼絲繩相對(duì)村墊的運(yùn)動(dòng)為往復(fù)運(yùn)動(dòng)，既有沿繩長(zhǎng)方向的滑動(dòng),又有沿周向的滑動(dòng)。襯墊表面的微凸體與鋼絲繩表面的微凸體來回碰撞,在村墊的次表層中產(chǎn)生交變的疲勞應(yīng)力,在次表層的薄弱環(huán)節(jié)處引起疲勞裂紋,并逐漸擴(kuò)展,最后斷裂形成疲勞磨損。在該種磨損形式的初期階段是形成微裂紋，無論有無潤滑油存在，循環(huán)應(yīng)力均起主要作用，裂紋萌生在表面或表層,但很快擴(kuò)展到表面。此后,潤滑油的存在將對(duì)裂紋的擴(kuò)展起重要作用。在該摩擦副中油膜的存在抑制了裂紋的繼續(xù)擴(kuò)大。此外，由于干繩和村墊之間沒有油膜潤滑，其摩擦力也比較大,而摩擦力所引起的拉應(yīng)力促使裂紋擴(kuò)展加速,并使最大剪應(yīng)力位置趨于表面，從而增加了凸峰疲勞斷裂的機(jī)會(huì)。由于本次實(shí)驗(yàn)使用的是戈培油,摩擦系數(shù)降低不大，故在正壓力相等時(shí)摩擦力也相差不大就疲勞磨損而言，干繩和油繩對(duì)村墊的磨損率相差不大。

2.3 磨粒磨損

在摩擦過程中，鋼絲繩上的凸出體在正壓力的作用下壓入村墊一定深度,并沿村墊滑動(dòng)而引起磨粒磨損。該磨損包括兩方面的作用，即微觀切削和型溝效應(yīng)。微凸體作用在村墊上的力可分為切向力和法向力，當(dāng)角度合適，即迎角大于臨界迎角時(shí),微凸體象刀具一樣對(duì)襯墊表面進(jìn)行切削,并產(chǎn)生切屑，這就是微觀切削作用。另外一部分微凸體只是把材料推向前邊和兩旁,材料未被切削,只產(chǎn)生塑性變形，經(jīng)反復(fù)塑變而造成脆性斷裂，這就是犁溝效應(yīng)。故全部磨損量可用下式表示率溝效應(yīng)所造成的磨損與被磨材料的彈塑性有很大關(guān)系。材料的彈性模量越小,韌性越差,由犁溝所造成的塑性變形就越大,發(fā)生脆性剝落的概率也越大;反之，當(dāng)材料的彈性、韌性較好時(shí),由犁溝效應(yīng)所造成的磨損就小。聚氨酷材料的玻璃化溫度低于室溫，所以在平時(shí)呈現(xiàn)高彈態(tài)，其彈性模量較小，般情況下約為36.2MPa而且其分子平時(shí)星蜷曲狀,受力后被拉直,外力消失后又恢復(fù)原狀,故彈性、韌性均較好,受犁溝效應(yīng)而造成的磨損很小。不管是干繩還是油繩w.在總磨損量中所占比重都很小因微凸體切削所造成的磨損可用下式計(jì)算，由上式可見，當(dāng)載荷、滑動(dòng)距離和摩擦副材料一定時(shí),磨損量與迎角及有很大關(guān)系。角是指磨料和材料表面接觸時(shí)同表面間的夾角。當(dāng)迎角超過臨界迎角B時(shí)，才能產(chǎn)生切屑，否則只能產(chǎn)生塑性犁溝，而臨界迎角的大小同摩擦副之間的潤滑狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)鋼絲繩上有一層油膜存在時(shí),微凸體之間的微觀摩擦系數(shù)降低，從而導(dǎo)致臨界迎角的變大。而微凸體的切削絕大部分是負(fù)前角切削臨角的變大使其切入襯墊材料的可能性大大降低，從而導(dǎo)致參加切削的微凸體個(gè)數(shù)的概率廣的減少而干繩由于沒有油膜潤滑，其臨界迎角要比油繩小,故其切削磨損率比油繩要高。從以上分析可知,在粒磨損情況下,干繩對(duì)襯墊的磨損率比油繩高。實(shí)驗(yàn)之后，在JEM-200CX電鏡之下對(duì)磨損后的鋼絲表面作出進(jìn)一步的分析,得二次電子像圖。從圖中可以看出,不論干繩還是油繩,其表面均依附了一層薄膜，表明粘著磨損在兩種摩擦狀態(tài)下均存在。從鋼絲繩與村墊的運(yùn)動(dòng)為往復(fù)運(yùn)動(dòng)可知，疲勞磨損在兩種摩擦狀態(tài)下也都存在。在摩擦過程中，當(dāng)使用干繩作實(shí)驗(yàn)時(shí)可明顯看出有大量切屑產(chǎn)生，磨損后的襯墊表面有明顯的劃痕,表面在干繩對(duì)襯墊的磨損中磨粒磨損占據(jù)主導(dǎo)地位;而在使用油繩作實(shí)驗(yàn)時(shí)，實(shí)驗(yàn)過程中看不出有明顯的磨屑出現(xiàn)，且實(shí)驗(yàn)后的襯墊表面也沒有犁溝和劃痕,說明在使用油繩時(shí)磨粒磨損很少,甚至可忽略不計(jì)。由此可知,油繩對(duì)村墊的磨損主要是疲勞磨損和粘著磨損,而干繩對(duì)村墊的磨損是粘著磨損、疲勞磨損和磨粒磨損三者并存,磨粒磨損是主要的磨損形式。前已述及，粘著磨損時(shí)干繩對(duì)襯墊的磨損率比油繩高1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，而且干繩摩擦?xí)r磨粒磨損又占有重要成分，故在實(shí)驗(yàn)后的結(jié)果中干繩對(duì)襯墊的磨損量要比油繩的大好多倍。

3、襯墊的性能要求

襯墊的用途十分清楚的表明,摩擦系數(shù)是襯墊最重要的一項(xiàng)性能參數(shù)。從使用角度考慮,襯墊應(yīng)具備

以下3 個(gè)主要性能:(1)摩擦系數(shù)要高。根據(jù)目前國內(nèi)襯墊制造業(yè)的水平,許多摩擦系數(shù)應(yīng)該在 0.20 以。(2)摩擦系數(shù)應(yīng)具有隨鋼絲繩蠕動(dòng)速度的提高呈上升趨勢(shì)的特點(diǎn),以保證意外情況引起非正?；瑒?dòng)時(shí)滑動(dòng)速度收斂。

(3)熱穩(wěn)定性好。當(dāng)意外情況引起非正?；瑒?dòng)導(dǎo)致襯墊繩槽表面溫度升高時(shí)不能熔化，且摩擦系數(shù)應(yīng)保持穩(wěn)定。

除此之外,襯墊還應(yīng)有足夠的強(qiáng)度,內(nèi)部組織均勻,不能有缺陷,耐油耐水,長(zhǎng)期接觸油脂和水性能保持穩(wěn)定,不損傷鋼絲繩,不含污染環(huán)境、有害人身健康的物質(zhì)以及切削性能好等。

END