基于弧面法的摩擦式提升機(jī)襯墊摩擦性能測(cè)定

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中國(guó)越來越重視煤炭開采的安全長(zhǎng)效機(jī)制及機(jī)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(jī)的應(yīng)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(diǎn),被越來越多地應(yīng)用于深井及超深井的礦井提升中。多繩摩擦式提升機(jī)主要依靠摩擦輪上的摩擦襯墊與鋼絲繩之間的摩擦力進(jìn)行傳動(dòng)。摩擦襯墊摩擦性能的優(yōu)劣,直接關(guān)系到摩擦式提升機(jī)的提升能力、工作效率和安全可靠性[3-6]。

近年來國(guó)內(nèi)外對(duì)探究鋼絲繩與襯墊之間摩擦影響因素的進(jìn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)邊界介質(zhì)不僅影響摩擦因數(shù)的大小,而且對(duì)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(duì)比了兩種常用摩擦襯墊 2襯墊,1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(diǎn)。王泳等!10]對(duì)兩種常用摩擦襯墊的密度、吸水率、熱分解溫度和力學(xué)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。

上述實(shí)驗(yàn)大都基于平面法忽略了加載后鋼絲繩彎曲作用的影響,測(cè)定的結(jié)果僅相當(dāng)于無限小的微元段還需根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T248-1991《摩擦提升機(jī)用襯墊摩擦因數(shù)測(cè)試方法》進(jìn)行當(dāng)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(jī)的實(shí)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(xué)性能的測(cè)量方法，并研制了一種監(jiān)測(cè)摩擦襯墊與鋼絲繩動(dòng)態(tài)微滑移摩擦實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)1襯墊摩擦襯墊在干摩擦、涂增摩脂兩種工況下測(cè)定摩擦因數(shù),分析不同工況對(duì)摩擦因數(shù)的影響規(guī)律,并對(duì)比平面法實(shí)驗(yàn)結(jié)果,探究摩擦襯墊的摩擦機(jī)理。

一、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與實(shí)驗(yàn)參數(shù)

1.1實(shí)臺(tái)

圖1為自研制的摩擦襯墊和鋼絲繩動(dòng)態(tài)微滑移摩擦實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。該平臺(tái)主要由加載系統(tǒng)、摩擦傳動(dòng)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3 部分構(gòu)成。實(shí)驗(yàn)機(jī)加載系統(tǒng)采用電動(dòng)缸作為加載執(zhí)行機(jī)構(gòu),通過鏈條、鏈輪連接到鋼絲繩，控制系統(tǒng)操縱電動(dòng)缸運(yùn)動(dòng),調(diào)節(jié)拉緊鋼絲繩的力,起到加載作用。摩擦傳動(dòng)系統(tǒng)通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)偏心塊轉(zhuǎn)動(dòng)，偏心塊與擺動(dòng)桿通過關(guān)節(jié)軸承相連,帶動(dòng)其往復(fù)運(yùn)動(dòng),擺動(dòng)桿通過支撐軸承改變兩端運(yùn)動(dòng)比例,摩擦村墊固定于擺動(dòng)桿上端,從而實(shí)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(shí)現(xiàn)不同微滑移幅值;通過變頻器改變電機(jī)轉(zhuǎn)速,實(shí)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(cè)摩擦襯墊兩端鋼絲繩張力的動(dòng)態(tài)變化,通過計(jì)算測(cè)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(cè)摩擦襯墊與鋼絲繩的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài),通過在摩擦襯墊與鋼絲繩上各標(biāo)定一個(gè)點(diǎn),錄制摩擦襯墊與鋼絲繩的摩擦全過程,記錄每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的位移量獲得位移曲線。

1.2實(shí)驗(yàn)參數(shù)

本實(shí)驗(yàn)選用目前煤礦常用2 摩擦襯墊，性能參數(shù)見表1,鋼絲繩為6x19+IWS 點(diǎn)接觸提升鋼絲繩，實(shí)驗(yàn)前需根據(jù)國(guó)標(biāo)JB/T10347-2002《摩擦式提升機(jī)摩擦襯墊》預(yù)處理摩擦襯墊和鋼絲繩的表面狀態(tài)實(shí)驗(yàn)按干燥、涂增摩脂的順序依次進(jìn)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(yīng)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(zhǔn):鋼絲繩的股與股、絲與絲之間的縫隙應(yīng)填滿,但仍能看見鋼絲股,并在通風(fēng)處?kù)o置1 h以上。具體摩擦襯墊的微滑移實(shí)驗(yàn)參數(shù)見表 2。

二、結(jié)果與討論

2.1滑判定準(zhǔn)則

圖 2(a)為在摩擦襯墊和鋼絲繩上各標(biāo)定的追蹤點(diǎn)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(biāo)定點(diǎn)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(huì)發(fā)生微小變化,而且初始運(yùn)動(dòng)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(jìn)行分析,計(jì)算出摩擦襯墊與鋼絲繩的相對(duì)位移 曲線,再對(duì)相對(duì)位移x曲線相對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)得到相對(duì)滑移速度“的曲線,將同一時(shí)刻的摩擦力相對(duì)位移、相對(duì)滑移速度”的曲線進(jìn)行對(duì)比分析.如圖3所示。

由圖 3可以看出,當(dāng)相對(duì)位移迅速變化時(shí),即相對(duì)速度不為零時(shí),摩擦力達(dá)到最大值,因此,將一個(gè)摩擦周期過程分為6個(gè)階段，D初始黏著階段:啟動(dòng)后,驅(qū)動(dòng)力帶動(dòng)摩擦襯墊與鋼絲繩產(chǎn)生摩擦,摩擦襯墊有運(yùn)動(dòng)趨勢(shì),摩擦襯墊與鋼絲繩之間的摩擦力不斷增加,摩擦力帶動(dòng)鋼絲繩,但相對(duì)位移為零,相對(duì)速度為零,說明摩擦襯墊與鋼絲繩之間沒有相對(duì)滑動(dòng),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(dòng)階段:當(dāng)摩擦力達(dá)到最大值時(shí),趨于穩(wěn)定,出現(xiàn)最大值“平臺(tái)”,相對(duì)位移量迅速增大,相對(duì)速度迅速增大,說明驅(qū)動(dòng)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(duì)滑動(dòng),判定此階段摩擦襯墊與鋼絲繩為滑動(dòng)摩擦。

3減速黏著階段:摩擦力不斷減少,相對(duì)位移量達(dá)到最大保持不變,相對(duì)速度基本為 0,說明摩擦襯墊與鋼絲繩滑動(dòng)錯(cuò)開到最大值后不變,摩擦襯墊與鋼絲繩沒有發(fā)生相對(duì)滑動(dòng),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D23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(duì)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(duì)滑動(dòng),可以判定此階段為滑動(dòng)摩擦。對(duì)應(yīng)繪出的張力 F,F,的曲線,如圖 4 所示,可發(fā)現(xiàn)張力 FF,在25階段出現(xiàn)一小段“平臺(tái)”。

黏滑判定準(zhǔn)則為以張力變化曲線“平臺(tái)”的出現(xiàn)作為判斷摩擦襯墊與鋼絲繩動(dòng)靜摩擦轉(zhuǎn)變臨界點(diǎn)的依據(jù),判定摩擦襯墊與鋼絲繩發(fā)生滑動(dòng)摩擦。平臺(tái)上的張力 F?F?的數(shù)值為有效值。

根據(jù)式(2)計(jì)算摩擦因數(shù),選取一個(gè)周期波峰波谷平臺(tái)區(qū)域一定數(shù)量的點(diǎn),取絕對(duì)值再計(jì)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(dāng)平均摩擦因數(shù)較為穩(wěn)定時(shí),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(shì)

圖5為 2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(dòng)黏附遲滯作用不斷儲(chǔ)存能量,沒有達(dá)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(dá)到最大,摩擦因數(shù)漸趨于穩(wěn)定。在1~2MPa,波動(dòng)較大，當(dāng)比壓達(dá)到 2.5 MPa 以后，摩擦因數(shù)較為平穩(wěn)[91。

圖5(b)為干摩擦、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(shí)達(dá)到最大值。滑移速度慢時(shí)，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(dòng)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(tái)階”,產(chǎn)生阻尼效應(yīng),運(yùn)動(dòng)過程中,接觸區(qū)向間隙區(qū)運(yùn)動(dòng),本體襯墊材料會(huì)被擠壓到間隙區(qū)，“臺(tái)階”被進(jìn)一步抬高,阻礙運(yùn)動(dòng)。當(dāng)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(yáng)止運(yùn)動(dòng),所以摩擦力大,摩擦因數(shù)大;滑移速度快時(shí)接觸區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)槲唇佑|區(qū)時(shí)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?摩擦因數(shù)低。

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(shí)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(guān)系，擬合方程為從=-0.129P+0.853 3。式(3)中比壓對(duì)黏著摩擦和滯后摩擦兩個(gè)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(diǎn)不斷的形成與破壞而產(chǎn)生[20-22]。滯后摩擦為材料接觸表面上的細(xì)小微凸體因受壓滑動(dòng)產(chǎn)生不斷重復(fù)的周期性變形，產(chǎn)生阻礙滑動(dòng)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(duì)比平面法

根據(jù)參考文獻(xiàn),收集了 2 摩擦襯墊平面法摩擦因數(shù)的測(cè)試結(jié)果[9,23-241,表3列出了滑速1mm/s不同比壓下干燥與增摩脂工況下 2摩擦襯墊摩擦因數(shù)的變化范圍值。

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT/T248-1991《摩擦提升機(jī)用襯墊摩擦因數(shù)測(cè)試方法》,對(duì)2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(jì)算,再由式(5)進(jìn)行當(dāng)量轉(zhuǎn)換,求得工況下的摩擦因數(shù)μe,即表4為弧面法測(cè)量的2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(shí)驗(yàn)施加25 MPa 的比壓，對(duì)比表3平面法經(jīng)過當(dāng)量轉(zhuǎn)換后2 襯墊的摩擦因數(shù)范圍值可以得知平面法當(dāng)量轉(zhuǎn)換后的摩擦因數(shù)偏大。

三、論結(jié)

監(jiān)測(cè)摩擦襯墊與鋼絲繩動(dòng)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(zhǔn)則,進(jìn)而得出了弧面法摩擦因數(shù)計(jì)算方法。

(2)2襯墊在干摩擦?xí)r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(shí)達(dá)到最大值。2 村墊在涂增摩脂時(shí)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(guān)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(duì)比平面法的摩擦因數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以及當(dāng)量轉(zhuǎn)換后的摩擦因數(shù)范圍,發(fā)現(xiàn)平面法測(cè)量的摩擦因數(shù)值偏大。

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