基于弧面法的摩擦式提升機襯墊摩擦性能測定

中國越來越重視煤炭開采的安全長效機制及機械化程度[1-2],礦井開采也走向深部和現(xiàn)代化,多繩摩擦式提升機的應用日趨大型化,并以其提升能力大,提升高度大，安全系數(shù)高等特點,被越來越多地應用于深井及超深井的礦井提升中。多繩摩擦式提升機主要依靠摩擦輪上的摩擦襯墊與鋼絲繩之間的摩擦力進行傳動。摩擦村墊摩擦性能的優(yōu)劣,直接關系到摩擦式提升機的提升能力、工作效率和安全可靠性[3-6)

近年來國內(nèi)外對探究鋼絲繩與襯墊之間摩擦影響因素的進行了許多研究。葛世榮[7-8]分別在鋼絲繩表面淋水、涂防銹油、淋水與涂油混合以及淋水、涂油加上煤粉 4 種邊界介質(zhì)條件進行實驗,發(fā)現(xiàn)邊界介質(zhì)不僅影響摩擦因數(shù)的大小,而且對摩擦因數(shù)特性規(guī)律也有較大影響。李良洲等[%系統(tǒng)地對比了兩種常用摩擦襯墊，不同工況以及搭配不同增摩脂的摩擦因數(shù)，分析了這兩種摩擦襯墊的優(yōu)劣點。王泳等10]對兩種常用摩擦襯墊的密度、吸水率、熱分解溫度和力學等性能做了分析,比較了兩種襯墊摩擦磨損性能的優(yōu)劣。Kim 等[11]用烷基醚改性的酚醛樹脂制備了摩擦襯墊,擁有較高的摩擦因數(shù)穩(wěn)定性和耐磨性。徐蕾等12-14]針對現(xiàn)有實驗臺運行速度低、無法模擬鋼絲繩與襯墊高速滑動狀態(tài)的問題，研制了鋼絲繩與襯墊高速摩擦實驗臺,并用不同捻向的鋼絲繩與摩擦襯墊進行實驗,發(fā)現(xiàn)同向捻摩擦因數(shù)更大,干摩擦尤為顯著。彭玉興等[15-16]

研究了摩擦襯墊與鋼絲繩低速滑動條件下接觸應力與摩擦因數(shù)的影響關系,建立了摩擦接觸力學模型。萬里想等[17]研究了不同比壓下硬度對襯墊摩擦因數(shù)的影響，發(fā)現(xiàn)在低硬度區(qū)摩擦因數(shù)隨硬度的增加而減小,在高硬度區(qū)摩擦因數(shù)隨硬度的增加而增加。鄭志蓮等[18]通過測試摩擦村墊與鋼絲繩的摩擦因數(shù),發(fā)現(xiàn)比壓、相對滑速與摩擦因數(shù)的成線性關系,并對歐拉公式進行了修正。

上述實驗大都基于平面法,忽略了加載后鋼絲繩彎曲作用的影響,測定的結(jié)果僅相當于無限小的微元段還需根據(jù)行業(yè)標準MT/T248-1991《摩擦提升機用襯墊摩擦因數(shù)測試方法》進行當量變換，沒有考慮摩擦襯墊的黏滑行為，因此本文模擬摩擦式提升機的實際弧面,提出了一種基于弧面法研究摩擦襯墊與鋼絲繩之間摩擦學性能的測量方法，并研制了一種監(jiān)測摩擦襯墊與鋼絲繩動態(tài)微滑移摩擦實驗平臺，對摩擦襯墊在干摩擦、涂增摩脂兩種工況下測定摩擦因數(shù),分析不同工況對摩擦因數(shù)的影響規(guī)律,并對比平面法實驗結(jié)果,探究摩擦襯墊的摩擦機理。

1.實驗平臺與實驗參數(shù)

1.1實驗平臺

圖1為自研制的摩擦襯墊和鋼絲繩動態(tài)微滑移摩擦實驗平臺。該平臺主要由加載系統(tǒng)、摩擦傳動系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3 部分構成。實驗機加載系統(tǒng)采用電動缸作為加載執(zhí)行機構,通過鏈條、鏈輪連接到鋼絲繩,控制系統(tǒng)操縱電動缸運動,調(diào)節(jié)拉緊鋼絲繩的力,起到加載作用。摩擦傳動系統(tǒng)通過步進電機帶動偏心塊轉(zhuǎn)動,偏心塊與擺動桿通過關節(jié)軸承相連,帶動其往復運動,擺動桿通過支撐軸承改變兩端運動比例,摩擦村墊固定于擺動桿上端,從而實現(xiàn)摩擦襯墊和鋼絲繩的微滑移功能。

調(diào)節(jié)偏心塊位置，可實現(xiàn)不同微滑移幅值;通過變頻器改變電機轉(zhuǎn)速,實現(xiàn)摩擦襯墊和鋼絲繩之間微滑移速度的控制。采集系統(tǒng)主要有張力傳感器,采集卡、高速顯微攝像儀等,張力傳感器用于監(jiān)測摩擦襯墊兩端鋼絲繩張力的動態(tài)變化,通過計算測得的鋼絲繩兩端張力差可獲得摩擦力曲線。高速顯微攝像儀VW9000用于監(jiān)測摩擦襯墊與鋼絲繩的相對運動狀態(tài),通過在摩擦襯墊與鋼絲繩上各標定一個點,錄制摩擦襯墊與鋼絲繩的摩擦全過程,記錄每個標定點的位移量獲得位移曲線。

1.2實驗參數(shù)

本實驗選用目前煤礦常用? 摩擦襯墊，性能參數(shù)見表1,鋼絲繩為6x19+IWS 點接觸提升鋼絲繩,實驗前需根據(jù)國標JB/T10347-2002《摩擦式提升機摩擦襯墊》預處理摩擦襯墊和鋼絲繩的表面狀態(tài)實驗按干燥、涂增摩脂的順序依次進行。干燥要求摩擦襯墊和鋼絲繩表面均無水、油脂和其他雜質(zhì),鋼絲繩無繡。涂增摩脂要求摩擦襯墊繩槽和鋼絲繩表面均應涂增摩脂,以摩擦襯墊繩槽和鋼絲繩表面剛被增摩脂覆蓋住為準;鋼絲繩的股與股、絲與絲之間的縫隙應填滿,但仍能看見鋼絲股，并在通風處靜置1h以上。具體摩擦襯墊的微滑移實驗參數(shù)見表 2

2.結(jié)果與討論

2.1滑判定準則

圖 2(a)為在摩擦襯墊和鋼絲繩上各標定的追蹤點起始狀態(tài)和摩擦過程中的狀態(tài)，圖2(b)為摩擦過程中襯墊和鋼絲繩上標定點的位移變化曲線,由圖 2可以發(fā)現(xiàn).摩擦襯墊的位移量變化較大,初始階段緩慢上升,之后迅速上升,反向先緩慢下降,再迅速下降,鋼絲繩由于摩擦襯墊給予的摩擦力位移量也會發(fā)生微小變化,而且初始運動階段鋼絲繩的位移量與摩擦襯墊的位移量相同,說明摩擦襯墊與鋼絲繩之間發(fā)生了黏著現(xiàn)象。

將摩擦襯墊與鋼絲繩的位移量曲線進行分析,計算出摩擦襯墊與鋼絲繩的相對位移x 曲線再對相對位移x曲線相對時間t的一階導數(shù)得到相對滑移速度”的曲線,將同一時刻的摩擦力、相對位移、相對滑移速度v的曲線進行對比分析,如圖3所示。由圖 3

可以看出,當相對位移迅速變化時,即相對速度不為零時,摩擦力達到最大值,因此,將一個摩擦周期過程分為6個階段，

①初始黏著階段:啟動后,驅(qū)動力帶動摩擦襯墊與鋼絲繩產(chǎn)生摩擦,摩擦襯墊有運動趨勢,摩擦襯墊與鋼絲繩之間的摩擦力不斷增加,摩擦力帶動鋼絲繩,但相對位移為零,相對速度為零,說明魔擦襯墊與鋼絲繩之間沒有相對滑動摩擦襯墊與鋼絲繩黏附在一起,判定此階段摩擦襯墊與鋼絲繩為黏著摩擦。②滑動階段:當摩擦力達到最大值時,趨于穩(wěn)定,出現(xiàn)最大值“平臺”,相對位移量迅速增大,相對速度迅速增大,說明驅(qū)動摩擦襯墊的力大于摩擦襯墊與鋼絲繩之間的黏附力,摩擦襯墊與鋼絲繩之間產(chǎn)生相對滑動,判定此階段摩擦襯墊與鋼絲繩為滑動摩擦。

③減速黏著階段:摩擦力不斷減少,相對位移量達到最大保持不變,相對速度基本為 0,說明摩擦襯墊與鋼絲繩滑動錯開到最大值后不變,摩擦襯墊與鋼絲繩沒有發(fā)生相對滑動,兩者黏附在一起,判定此階段摩擦襯墊與鋼絲繩為黏著摩擦。④⑤⑥階段與①③②階段類似,只是方向相反,變化規(guī)律基本一致由此可知，②⑤階段為摩擦襯墊與鋼絲繩相對滑移速度”不為零的階段,說明摩擦襯墊與鋼絲繩之間發(fā)生了相對滑動,可以判定此階段為滑動摩擦。對應繪出的張力 F?F?的曲線,如圖 4 所示,可發(fā)現(xiàn)張力 F?F?在②⑤階段出現(xiàn)一小段“平臺”

黏滑判定準則為以張力變化曲線“平臺”的出現(xiàn)作為判斷摩擦襯墊與鋼絲繩動靜摩擦轉(zhuǎn)變臨界點的依據(jù),判定摩擦襯墊與鋼絲繩發(fā)生滑動摩擦。平臺上根據(jù)式(2)計算摩擦因數(shù),選取一個周期波峰波谷平臺區(qū)域一定數(shù)量的點,取絕對值再計算其平均值作為該微滑移周期的平均摩擦因數(shù);繪出摩擦因數(shù)隨周期的變化曲線，當平均摩擦因數(shù)較為穩(wěn)定時，此數(shù)值為摩擦襯墊與鋼絲繩之間的弧面摩擦因數(shù)。

2.2摩擦因數(shù)的變化趨勢

圖5為 摩擦襯墊在不同比壓不同滑速下的摩擦因數(shù)隨摩擦周期的變化曲線。圖5(a)為干摩擦滑速1mm/s條件下不同比壓的摩擦因數(shù)變化曲線，由曲線可知,摩擦因數(shù)隨周期的增加先增大，再逐漸穩(wěn)定，且摩擦因數(shù)隨著比壓的增大減小;摩擦襯墊為黏彈性材料，在微滑移的初始階段,襯墊由靜轉(zhuǎn)動黏附、遲滯作用不斷儲存能量,沒有達到最大值,摩擦因數(shù)逐漸增大，隨著周期數(shù)的增加，黏附遲滯效果達到最大,摩擦因數(shù)漸趨于穩(wěn)定。在1~2MPa,波動較大,當比壓達到 2.5 MPa 以后,摩擦因數(shù)較為平穩(wěn)[191。

圖5(b)為干擦、比壓2.5 MPa條件下不同滑速的摩擦因數(shù)變化曲線,由曲線可知,摩擦因數(shù)較為平穩(wěn)，且隨滑速的增加先增大,后不斷減小，滑速2mm/s 時達到最大值。滑移速度慢時,力加載后摩擦襯墊與鋼絲繩接觸良好,襯墊的黏彈性阻止滑動的效果明顯,接觸區(qū)受壓變形大,未接觸區(qū)變形小,形成一種“臺階”,產(chǎn)生阻尼效應,運動過程中,接觸區(qū)向間隙區(qū)運動,本體襯墊材料會被擠壓到間隙區(qū)，“臺階”被進一步抬高,阻礙運動。當接觸區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槲唇佑|區(qū),接觸區(qū)的本體襯墊材料可以回彈，回彈繼續(xù)陽止運動,所以摩擦力大,摩擦因數(shù)大;滑移速度快時接觸區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槲唇佑|區(qū)時間短，黏彈性效果減弱，回彈變小,阻尼效果變?nèi)?所以摩擦力變小,摩擦因數(shù)。

圖5(c)為涂增摩脂滑速1mm/s條件下不同比壓的摩擦因數(shù)變化曲線,由曲線可知,涂增摩脂后摩擦因數(shù)較低，且隨比壓的增大而減小1 MPa 時摩擦因數(shù)最大。圖5(d)為涂增摩脂、比壓2.5 MPa 條件下不同比壓的摩擦因數(shù)變化曲線,由曲線可知,初期摩擦因數(shù)較大，隨著周期的增加而緩慢減小,趨于穩(wěn)定，且摩擦因數(shù)隨滑速的增大而減小。圖6為干摩擦條件穩(wěn)定后的摩擦因數(shù)隨比壓的擬合曲線。曲線表明,摩擦因數(shù)隨比壓的增大而減小,規(guī)律明顯,成線性關系,擬合方程為從=-0.129P+0.853 3。

式(3)中比壓對黏著摩擦和滯后摩擦兩個分量的影響截然不同,黏著摩擦因數(shù)從反比于接觸比壓滯后摩擦因數(shù)從正比于所施加的接觸比壓,黏著摩擦是因摩擦副接觸表面上,微凸體接觸黏著點不斷的形成與破壞而產(chǎn)生i20-22]。滯后摩擦為材料接觸表面上的細小微凸體因受壓滑動產(chǎn)生不斷重復的周期性變形，產(chǎn)生阻礙滑動的滯后摩擦力.因此說明摩擦襯墊與鋼絲繩之間的摩擦主要是以黏著為主。這與平面法研究的襯墊特性一致。

2.3對比平面法

根據(jù)參考文獻,收集了 摩擦襯墊平面法摩擦因數(shù)的測試結(jié)果[9,23-24]表3列出了滑速1mm/s不同比壓下干燥與增摩脂工況下摩擦襯墊摩擦因數(shù)的變化范圍值。

根據(jù)行業(yè)標準MT/T248-1991《摩擦提升機用襯墊摩擦因數(shù)測試方法》,對 摩擦襯墊平面法的結(jié)果先由下式(4)根據(jù)比壓特性回歸計算,再由式(5)進行當量轉(zhuǎn)換,求得工況下的摩擦因數(shù)μ,即表4為弧面法測量的 摩擦襯墊在干燥和涂增摩脂兩種工況下的摩擦因數(shù)值,輕載9000N即弧面法的實驗施加2.5 MPa 的比壓，對比表3平面法經(jīng)過當量轉(zhuǎn)換后 K25 襯墊的摩擦因數(shù)范圍值可以得知平面法當量轉(zhuǎn)換后的摩擦因數(shù)偏大。

3.結(jié)論

(1)在自制的弧面法實驗臺通過監(jiān)測摩擦襯墊與鋼絲繩動態(tài)位移變化,提出了摩擦襯墊與鋼絲繩之間的黏滑判定準則,進而得出了弧面法摩擦因數(shù)計算方法。

(2) 襯墊在干摩擦時的摩擦因數(shù)隨著比壓的增大減小,隨滑速的增大先增大,后不斷減小,滑速2mm/s時達到最大值。

襯墊在涂增摩脂時的摩擦因數(shù)隨比壓的增大而減小,隨滑速的增大而減小摩擦因數(shù)與比壓成線性關系,擬合的方程為u=-0.129P+0.8533說明摩擦襯墊與鋼絲繩之間的摩擦主要是黏著摩擦。

（3)對比平面法的摩擦因數(shù)實驗數(shù)據(jù)以及當量轉(zhuǎn)換后的摩擦因數(shù)范圍,發(fā)現(xiàn)平面法測量的摩擦因數(shù)值偏大。

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