摩擦提升機襯墊粘彈性性能分析與參數的測量

利用粘彈性觀點分析了礦并提升機的重要摩擦副一提升鋼絲繩問摩擦襯墊構成的摩擦副的一些特性,建立了摩擦副的粘彈性模型。利用平面法測試裝置對工程口實際應用的摩擦副進行了實驗室測量,得到了相應的粘彈性參數,按照粘彈性的觀點對一些工程問題進行了解釋,從應用角度提出了材料設計的一些物理性能指標。

一、問題的提出

摩擦提升機的運行速度較高，提升的 載荷較大，其提升力產生于提升鋼絲繩同摩擦襯墊的摩擦。由于摩擦襯墊是粘彈性體，按粘彈性觀點在平面法實驗臺上得到的摩擦襯墊摩擦因數速度特性如圖1所示，當速度為零時，靜摩擦因數不為零，此時，摩擦提升機可完全停下來,較好地解釋了該設備的實際工作狀況。本文從材料粘彈性的物理特征出發(fā)，首先建立襯墊材料的粘彈性本構方程，對常用襯墊的粘彈性參量在自行設計的實驗機上進行了測量，最后按粘彈性的觀點分析了提升鋼絲級與摩擦村勢的實際工況，指出了粘性滑動弧、彈性沿動弧、靜止弧及真實滑動的攝念以及定量計算的初步算法。

二、村墊粘彈性數學模型

摩擦提升機襯墊常用的材料有:聚氨醋PVC或其復合物，它們均是粘彈性材料，即它既具有粘性流體的某些特性(在外力作用的一定時間內),又具有彈性固體的特性，而且，其粘性特點引起的變形占總變形量的比例不可忽略，當摩擦村墊發(fā)生變形時，一部分能量以彈性能的形式被儲存起來，而另一部分能量則以熱的形式耗散掉。為了深人研究和分析村墊的摩擦特性，首先建立襯墊材料的粘彈性模型。

為了分析襯墊材料的粘彈性變形規(guī)律將 襯墊看作是均質的不同質點組成，其中一部分質點是純粘性的，另一部分質點則是純彈性的每個彈性質點都是一個線性彈資元件，它的彈性模量為 E,而粘性質點則看作是粘度為7的阻尼器，它的形變速度 de/dr 與外力。的大小成正比，與材料的粘性參量7成反比，即 de/dt=o/n,將這些彈性質點與粘性質點進行組合，就可得到村墊變形力學模型下面是各種形式下的粘彈性模型及應力、應變方程：

(1)粘彈性混聯(lián)模型混聯(lián)模型是將襯墊看作由 3個質點元件構成的,這3個元件可有多種組合形式，這些組合有些退化為一元模型或二元模型，如 3個元件完全申聯(lián)或全部并聯(lián)等，其中具有實際意義的有如下4 種形式。按模型(c)(d)(e)、()(見圖 2(c)(d)(e)(f)) 順序推導出應力、應變方程。
(2)廣義力學模型廣義力學模型是由幾個環(huán)節(jié)組成的模型，它是由一個彈簧元件、n一2個模型(b)申聯(lián)而成的(見圖 3)應力、應變方程如上幾種力學模型基本上能夠反映材料的粘彈性變形規(guī)律,所選元件的個數越多，與實際工況愈接近，但選的階數較大時，需要確定的參數則愈多，給實際應用帶來麻煩

三、襯墊粘彈性參量的平面法測量

3.1平面法測量裝置

將襯墊固定不動，鋼絲繩通過一塊壓板壓在襯墊上，它的兩端搭在兩個滑輪上，在鋼絲繩的一端施加一重量，將位移傳感器的探頭頂在鋼絲繩上，也可以頂在壓板上，因為壓板隨鋼絲繩一起移動，在沒有施加外載荷時鋼絲兩端的拉力是相等的。拉力和位移用X-Y 記錄儀記錄下來。根據庫侖定律便可計算出鋼絲繩沒有脫離襯墊之前，襯墊同鋼絲繩間的摩擦因數。利用測得的位移參量及其發(fā)生位移需要的時間代入式(1) 和式(2)則能夠計算出摩擦副的彈性模量 E和粘性參量η在我國使用的摩擦襯墊主要為 PVC 和聚 氨酷，這兩種襯墊材料如果在澆鑄工藝過程中混合良好，得到的襯墊具有良好的均勻性 和各向同性，在采用平面法測量襯墊同鋼絲繩間的摩擦因數時，從得到的測量曲線中可以看到，在階梯載荷的作用下。

鋼絲繩的位移也發(fā)生階梯性的變化，同時在每個階梯上仍有粘性引發(fā)的變形，變形為兩種變形之和,為一典型的串聯(lián)模型，為了簡化模型采用一階模型，在摩擦界面上引起彈性變形和粘性變形的應力是相等的，這也同串聯(lián)模型的物理意義相一致，照此觀點也可對國產PVC 村墊及聚氨醋襯墊的摩擦學特性參數彈性模量E和粘性參量》進行測量。在這里用很低的拉力，就能測出位移量在加載曲線的開始階的位移為彈性變形，而隨時間變化的位移為粘性位移，也就是說村墊為一粘彈性物體在變形特性中其粘性也占有相當大的比例，在分析及處理其摩擦效應時應考忠粘性作用。這時發(fā)生的隨時間變化的位移是材料粘性特性的表現(xiàn)，實驗時這個粘性變形約持續(xù)100s，在前 50s，變形是均速的，隨后變形速度愈來愈小，最后停止變形。按照式(1)、(2)計算得到 E、η。

四、村墊粘彈性觀點在摩擦提升機的應用

(1)利用粘彈性觀點去解釋由塑料、橡膠等粘彈性物質組成的摩擦副的特性，更能反映物理現(xiàn)象的實質，同時也為精確測量低滑 速下的摩接因數莫定了理論基礎。在低滑速度的關系時，測量到的速度是粘性滑動速度同真實滑動速度之和，將測量速度減去相應測試載荷下的粘性滑速，才是真實的相對滑動速度。或進行延時處理，待粘性滑動完全結束后(延時100 s 以上)再采集數據。

(2)按照粘彈性觀點分析滑動范、靜止弧得到如下結論，首先在整個接觸范圍內，存在粘性滑動弧a(參見圖 4)，其自鋼絲繩趨入點始至鋼絲繩離開摩擦輪止:

存在彈性滑動弧，其自鋼絲繩的趨人點始至鋼絲繩彈性變形結束點止;存在無滑動弧，其等于圍包角減去彈性滑動弧。這同由純彈性觀點得到的滑 動驅與靜止弧是有值差別的。從力的傳逆角度看，在整個接觸范圍內，存在著粘性力的傳遞，在彈性滑動(又稱為蠕動)范圍內，即有彈性滑動引起的力的傳遞，又存在粘性力產生的力的傳遞。從磨損的觀點上分析，在整個接觸區(qū)存在粘性滑動產生的極微小的磨損，又在彈性滑動區(qū)間產生滑動磨損。從能量觀點上看，在整個接觸范圍內有粘性引起的能量損耗，在彈性滑動區(qū)既有粘性引起的能量損耗又有相對滑動引起的能損耗。

3)為了使粘彈性副獲得優(yōu)異的性能，可采用復合結構型材料，如在摩擦式提升機中，德國制作了一種夾心襯墊，這種村墊較硬的部分具有較好的耐磨性及較高的剛度，有利于減少摩擦副的能耗。而為了提高摩擦副的摩擦因數，則采用較軟材料，以增加鋼繩在與其接觸范圍內的機械嵌合，從而提高摩擦副的摩擦因數并減少其離散程度。

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