多繩摩擦提升機(jī)襯墊摩擦失效問(wèn)題研究

摩擦提升機(jī)是利用鋼絲繩與村墊之間的摩擦來(lái)傳遞動(dòng)力的。襯墊摩擦性能的好壞對(duì)其安全運(yùn)行和鋼絲繩與村墊的壽命產(chǎn)生直接影響，所以研究襯墊的摩擦失效問(wèn)題對(duì)監(jiān)測(cè)提升機(jī)的安全運(yùn)行有重大意義。

一、襯墊失效的影響因素

村墊的摩擦失效是指襯墊在某種原因影響下，摩擦系數(shù)已不能滿足傳遞摩擦力的安全要求，產(chǎn)生嚴(yán)重磨損或其它失效形式,如疲勞、斷裂等。其主要影響因素有:

(1)提升機(jī)運(yùn)行狀況 在運(yùn)行中,鋼絲繩與村墊之間產(chǎn)生相對(duì)或絕對(duì)滑動(dòng)而引起繼發(fā)性失效，包括村墊的摩擦與磨損等;

(2)襯墊材質(zhì) 襯墊的機(jī)械性能不能滿足技術(shù)要求,包括強(qiáng)度、承受比壓能力和耐磨性等，物理性能包括熱量的傳導(dǎo)和擴(kuò)散能力。

二、襯墊材料的性能及對(duì)失效的影響

目前，我國(guó)多繩提升機(jī)多采用聚氯乙烯(PVC)村墊和聚氨酷(PU)襯墊，這兩種村墊均屬于聚合物，因此,擁有聚合物所具有的特性

1.物理狀態(tài)

可以有四種狀態(tài)，即粘流態(tài)、橡膠態(tài)、玻璃態(tài)和結(jié)晶態(tài)。確定其物理狀態(tài)最常用的方法是確定其在載荷狀態(tài)下力學(xué)性能的變化情況。圖1是聚合物的可塑性隨溫度變化的-般規(guī)律。

2.熱傳導(dǎo)和擴(kuò)散性
案氯乙烯和聚氨醋襯墊的熱傳導(dǎo)性和擴(kuò)散性是較差的。作者研究的聚氯乙烯襯墊的導(dǎo)熱系數(shù)只有0.145w/m·k,熱擴(kuò)散系數(shù)小于119577X10-7m/s。在傳熱學(xué)上，把導(dǎo)熱系數(shù)0.23w/m·k的材料稱為隔熱材料。因此，如果PVC 村墊材料表面有熱量存在的話,則此熱量會(huì)積聚在表面，使表面溫度急劇升高，從而影響材料的狀態(tài)及性能。

三、滑動(dòng)摩擦對(duì)襯墊失效的影響

1.滑動(dòng)情況的分析

在摩擦提升機(jī)運(yùn)行過(guò)程中，襯墊和鋼絲繩之間可能產(chǎn)生的滑動(dòng)有以下幾種情況:

? (1)鋼絲繩不動(dòng)摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng),當(dāng)于在提升過(guò)程中，由于提升側(cè)超重而提升不起來(lái)的情況即摩擦力和下放側(cè)張力之和小于或等于重側(cè)張力所引起的滑動(dòng)現(xiàn)象

? (2)摩擦輪不動(dòng)而鋼絲繩在襯墊上滑動(dòng)相當(dāng)于在下放重物緊急制動(dòng)時(shí),摩擦輪已停止轉(zhuǎn)動(dòng)，而重側(cè)的慣性力大于摩擦力和輕側(cè)張力之和所引起的滑動(dòng)現(xiàn)象;

? (3)摩擦輪和鋼絲繩均處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，兩者之間存在的相對(duì)滑動(dòng)分為鋼絲繩速大于摩擦輪線速度和摩擦輪線速度大于鋼絲繩速這兩種情況。比如正常提升中的蠕動(dòng)，鋼絲繩在整體隨摩擦輪運(yùn)動(dòng)的同時(shí),還有反方向的滑動(dòng)。此蠕動(dòng)量很小，一般不會(huì)影響到提升機(jī)的安全運(yùn)行，但它是使村墊產(chǎn)生經(jīng)常性磨損的主要原因。還有下放重物時(shí)發(fā)生的滑繩，提升重物超重且重側(cè)張力大于輕側(cè)張力和摩擦力之和時(shí)發(fā)生和運(yùn)動(dòng)方向相反的滑動(dòng)等。

2.對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中村墊受熱情況的分析

當(dāng)鋼絲繩與襯墊在一定壓力下相接觸并產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，在真正接觸區(qū)就會(huì)發(fā)生滑動(dòng)摩擦的熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng),如摩擦熱的生成磨損的產(chǎn)生及接觸表面變形等現(xiàn)象，且摩擦的熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)是相互聯(lián)系的，這些現(xiàn)象對(duì)系統(tǒng)的摩擦性能有著顯著的影響

耗散的摩擦能在一般情況下大部分轉(zhuǎn)化為熱量，小部分用于材料的彈塑性變形和對(duì)表面材料的破壞及繼發(fā)性過(guò)程。由于摩擦熱的份額占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，般認(rèn)為耗散的摩擦功全部轉(zhuǎn)化成熱。產(chǎn)生的熱量向鋼絲繩和襯墊內(nèi)擴(kuò)散，擴(kuò)散情況和熱量在鋼絲繩與襯墊之間的分配比例與其形狀尺寸、導(dǎo)熱性能及熱容量有很大關(guān)系。

對(duì)圍包弧內(nèi)不同位置的受力分析可知，每個(gè)微小弧段上的摩擦力 是不同的，造成在不同位置處產(chǎn)生的摩擦熱不同。由此推知，發(fā)生滑動(dòng)時(shí)，在整個(gè)鋼絲繩與襯墊的接觸弧內(nèi)各處的熱源強(qiáng)度是不同的，且沿滑動(dòng)方向逐漸增大。

3.滑動(dòng)過(guò)程中村墊受熱情況

對(duì)于摩擦輪不動(dòng),鋼絲繩在襯墊上滑動(dòng)的情況，襯墊的接觸面始終受到摩擦加熱的作用，而鋼絲繩是不斷更新的,兩者傳熱性能相比，鋼絲繩優(yōu)于襯墊,所以產(chǎn)生的熱量多數(shù)進(jìn)入鋼絲繩，少部分傳入襯墊。值得注意的是,在摩擦過(guò)程中,鋼絲繩進(jìn)入接觸區(qū)時(shí)吸收的熱量可保存在繩內(nèi)，在繼續(xù)的摩擦中也將對(duì)襯墊起加熱作用。圖 3 表示了這種滑動(dòng)情況下襯墊表層內(nèi)溫

度沿圍包弧變化情況·。由此可以看出，隨著摩擦的進(jìn)行,熱影響表面層在不斷增厚，且入口處薄，出口處厚,村墊受熱影響最大。(圖中 P1、P2、P3、P4、P5、P6和P7分別為沿圍包角180的均分點(diǎn)，P1為鋼絲繩脫離接觸點(diǎn)，P7 為開(kāi)始接觸點(diǎn))。

圖4表示采用文獻(xiàn)[5]提出的方法，根據(jù)溫度變化情況推算出的村墊表面熱通量隨滑動(dòng)時(shí)間的變化情況(圖 4a)和不同滑速下村墊表面熱通量在圍包角內(nèi)的變化情況(圖 4b)從圖 4a中可以看出，隨著滑動(dòng)過(guò)程的繼續(xù)，表面熱通量趨于穩(wěn)定。值得注意的是在接觸弧的中部摩擦熱對(duì)襯墊的影響較小(圖 4b),這主要是因?yàn)殇摻z繩有一定的剛性，彎曲時(shí)會(huì)對(duì)局部接觸產(chǎn)生影響，從而影響摩擦的加熱效果。摩擦熱通量與滑速成正比對(duì)于鋼絲繩不動(dòng)摩擦輪轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，襯墊不斷更新，而參與接觸的鋼絲繩始終受到加熱作用。在這種情況下,村墊處于周期加熱和散熱的過(guò)程，盡管不接觸過(guò)程對(duì)襯墊表面的散熱有較大作用,但由于鋼絲繩內(nèi)積累的熱量對(duì)襯墊有強(qiáng)烈的附加加熱作用和村墊內(nèi)未散盡余熱的存在，村墊的受熱過(guò)程是一個(gè)不斷躍變的過(guò)程。從圖 5可以看出重側(cè)張力也隨著襯墊的周期性接觸和離開(kāi)而升高和降低，但總趨勢(shì)在不斷地下降。摩擦系數(shù)的變化情況是開(kāi)始時(shí)為 0.422結(jié)束時(shí)為0.1512[2]對(duì)于相對(duì)滑動(dòng)情況，鋼絲繩和襯墊均處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，只是運(yùn)動(dòng)的速度和方向有所不同。對(duì)某處襯墊來(lái)講，也是受到周期性的加熱作用，接觸時(shí)加熱，脫離后散熱。但運(yùn)動(dòng)速度較高時(shí)，由于累積在襯墊內(nèi)熱量的影響，在滑動(dòng)接觸的過(guò)程中村墊內(nèi)儲(chǔ)存的熱量亦是逐步增加的。

4.摩擦熱對(duì)村墊摩擦和磨損的影響

由于PVC和PU村墊的導(dǎo)熱性能較差，滑動(dòng)過(guò)程中摩擦熱的存在對(duì)材料的摩擦性能有顯著的影響。對(duì)于PVC 村墊,摩擦熱影響襯墊摩擦性能主要表現(xiàn)為溫度升高,使摩擦系數(shù)下降如圖 6所示[2。通過(guò)實(shí)驗(yàn)和定量分析，文獻(xiàn)[]指出，在提升機(jī)緊急制動(dòng)情況下,摩擦輪不動(dòng)鋼絲繩在襯墊上滑動(dòng)時(shí)，積聚在襯墊上的熱量不超過(guò)摩擦耗散功的 5%。但這足以使襯墊的溫度急劇升高，導(dǎo)致相態(tài)和結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,從而影響其摩擦和磨損性能。從圖3圖5可知，在繼續(xù)滑動(dòng)中由于熱量的積聚，襯墊溫度升高，其摩擦系數(shù)會(huì)不斷下降，從而導(dǎo)致襯墊的摩擦失效。聚合物村墊的磨損主要有三種形式:

(1)微動(dòng)磨損，即在正常的提升過(guò)程中由于鋼絲繩在襯墊上的蠕動(dòng)摩擦而造成的;

(2)竄繩磨損,即在提升過(guò)程中由于緊急制動(dòng)時(shí)鋼絲繩在襯墊上短時(shí)滑動(dòng)造成的磨損;

(3)事故磨損或失效狀態(tài)下的磨損，這多由繼發(fā)滑動(dòng)現(xiàn)象所造成。前兩種的磨損量較小，經(jīng)過(guò)加工后襯墊仍然能繼續(xù)使用，對(duì)襯墊的摩擦系數(shù)影響不大,而后者一般情況下是襯墊報(bào)廢。摩擦提升機(jī)采用的鋼絲繩多為圓股繩和三角股繩。在一定壓力下，光繩和村墊之間存在接觸壓痕。盡管在實(shí)際使用中，鋼絲繩空隙間存有的增摩防銹油脂和磨屑會(huì)使接觸壓痕有所變化，但襯墊和鋼絲繩之間的接觸情況也不是簡(jiǎn)單的平面接觸，所以鋼絲繩在襯墊上的滑動(dòng)實(shí)際上是在繩槽內(nèi)竄動(dòng)，只是在滑動(dòng)速度突然增大(竄繩)時(shí)，改變了二者間的接觸情況，從而造成鋼絲繩在襯墊上犁動(dòng)，產(chǎn)生磨損。為了深入了解滑動(dòng)摩擦熱對(duì)村墊摩擦和磨損情況的影響，文獻(xiàn)[1]將摩擦生熱在村墊表面積累所形成的溫度變化區(qū)稱為“熱影響表面層”,它是影響材料摩擦性能的主要區(qū)域。隨著滑動(dòng)摩擦的繼續(xù),摩擦熱不斷產(chǎn)生，“熱影響表面層”會(huì)不斷增厚。當(dāng)達(dá)到相態(tài)變化溫度時(shí),襯墊將軟化或熔化，使其高聚物類鍵段發(fā)生斷裂嚴(yán)重時(shí)熔化的襯墊料會(huì)粘附在鋼絲繩表面，被運(yùn)動(dòng)的鋼絲繩拖拉出來(lái)，產(chǎn)生嚴(yán)重的磨損。文獻(xiàn)[2]通過(guò)對(duì) PVC村墊的高溫磨損研究表明，當(dāng)村墊表面附近溫度高于 90C時(shí)，將產(chǎn)生形如茶葉或創(chuàng)花狀的磨損物;當(dāng)溫度高于 120C時(shí)，將產(chǎn)生形如帶狀的磨損物。當(dāng)舊的表面層脫落以后，又會(huì)產(chǎn)生新的“熱影響表面層”。繼續(xù)前述過(guò)程，直至襯墊完全報(bào)廢，產(chǎn)生嚴(yán)重事故。所以,摩擦產(chǎn)生的熱量在襯墊表面的積累和積聚是造成其力學(xué)性能降低和嚴(yán)重磨損,繼而產(chǎn)生摩擦失效的主要根源。

5.村墊失效的預(yù)防

從上面的分析可以看出,要保證摩擦提升機(jī)運(yùn)行的可靠性，必須對(duì)襯墊的摩擦失效進(jìn)行預(yù)防。因此,除嚴(yán)格遵守安全操作規(guī)程外,還要進(jìn)行下面幾方面的工作:

(1)對(duì)襯墊進(jìn)行必要的摩擦性能測(cè)量，確定其摩擦系數(shù)的大小、襯墊的熱物理性能和力學(xué)性能。因此，需要建立襯墊摩擦失效測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法以及必要的審查測(cè)試機(jī)構(gòu),確定襯墊的質(zhì)量及應(yīng)用范圍。在這方面我校已經(jīng)進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究,研制了MCS 襯墊摩擦系數(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，并建立了測(cè)試標(biāo)準(zhǔn);

(2)建立必要的預(yù)防措施。如在購(gòu)買(mǎi)或調(diào)換村墊時(shí)，對(duì)襯墊生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品要進(jìn)行質(zhì)量認(rèn)證，對(duì)放置時(shí)間較長(zhǎng)的襯墊進(jìn)行抽樣調(diào)查，為安全地使用襯墊提供保障和技術(shù)分析依據(jù);

(3)在使用襯墊過(guò)程中,注意搜集廢舊或失效襯墊的數(shù)據(jù)資料，并進(jìn)行分析研究;

(4)研制耐熱襯墊，在衡量襯墊的摩擦性能上不僅要考慮它的耐壓、耐磨性能,還要考慮它的耐熱性或熱擴(kuò)散能力。在確保其耐壓、耐磨和魔擦系數(shù)的前提下，增加襯勢(shì)的熱擴(kuò)散能力也是保證襯墊安全長(zhǎng)期運(yùn)行的重要手段。

4.結(jié)論

村墊摩擦失效是影響提升機(jī)可靠安全運(yùn)行的主要因素，襯墊失效主要由摩擦熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)引起，且以熱效應(yīng)為主。摩擦熱可以使襯墊材料發(fā)生變化,摩擦系數(shù)降低，從而影響提升機(jī)的安全運(yùn)行。

要確保提升機(jī)安全可靠地運(yùn)行，必須堅(jiān)持對(duì)聚合物村墊進(jìn)行檢測(cè)。為了有效地分析襯墊摩擦失效的影響因素，必須在深入研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步完善已經(jīng)建立的襯墊測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試方法。在研制新型襯墊時(shí),應(yīng)注重襯墊的耐熱性，盡可能提高聚合物襯墊的熱擴(kuò)散能力。

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