GM-3摩擦衬垫动态滑移过程中的摩擦机理研究

SPRINGGM-3摩擦衬垫动态滑移过程中的摩擦机理研究

#01试验部分

SPRING1.1材料、装置和参数

试验材料选用目前矿井摩擦式提升机广泛应用的商业摩擦衬垫之一GM-3衬垫材料和高强度钢化透明玻璃

滑动摩擦试验在Rtec摩擦磨损试验机上完成并利用高速显微摄像仪对试验过程进行全程实时观测,上试样为衬垫材料.下试样高强度钢化透明玻璃,玻璃片相对衬垫材料滑动,运动方式为往复滑动模式,高速显微摄像仪放置在透明玻璃下方对试验过程进行拍摄.试验后利用扫描电镜和高速显微摄像仪观察磨损区域的微观形貌。

SPRING1.2灰度法计算实际接触面积原理

根据摩擦衬垫与透明材料的接触特性和数字图像处理提出了一种灰度法计算试验过程中的实际接触面积试验时在均匀光照下拍摄同一试验条件下同一位置在不同时刻的图像,经去噪和修正后利用Photoshop软件把拍摄的RGB模式图像转换为灰度图像.由于试验图像中接触点和非接触点在平行光源下反射情况不同(接触区域部分颜色较深非接触点颜色较浅).因而灰度值也存在不同计算确定出接触与非接触点的阀值最后使用Matlab编程处理图像计算出实际接触部分的面积。

#01结与讨论

SPRING2.1单个周期内接触界面的往复滑动过程动态监测

  衬垫材料在比压为2MPa滑动速度为1mm/s滑动距离5mm时单个周期内不同时刻摩擦系数曲线中标记的点与中原位图像的时刻相对应.从中可以看出刚启动时摩擦系数有一段迅速上升.对应图中的实时图像可知此阶段衬垫

  衬垫材料与透明材料往复滑动的接触情况示意图是衬垫与玻璃片的接触形式图衬垫表面的微凸体与玻璃片接触,选取其中一个接触微凸体单元进行分析,加载完没有开始滑动时微凸体受力平衡开始冲程滑动后，衬垫作为黏弹性材料会产生弹性变形和一小部分塑性变形.摩擦力为产生粘附力和迟滞力(变形延迟恢复所需要的力)之和回程的瞬间,表面接触黏着力消失同时衬垫材料自身发生弹性回复,相对于玻璃片没有摩擦力.此时摩擦系数很小,随着回程滑动的进行,衬垫材料开始产生回程方向的变形,实际此时是克服冲程时产生的塑性变形和延迟恢复的变形。

  此时的摩擦力为粘附力与迟滞力之差由于衬垫冲程过程与玻璃片没有相对位移此时的摩擦力是由接触面的粘附力引起的随着摩擦滑动的进行摩擦系数升高c点后摩擦副产生相对位移表面黏着作用减弱,摩擦系数降低,之后摩擦系数趋于稳定.冲程与回程转变阶段摩擦系数迅速降低,回程摩擦过程中摩擦系数的变化趋势与冲程一致但平均摩擦系数较冲程小一倍，可知中期后期的摩擦系数变化规律相同数值有所增大的变形回程时的表面的接触状态比冲程差,所以回程摩擦系数小于冲程摩擦系数

  衬垫材料在比压为2MPa滑动速度为1mm/s滑动距离5mm时初期单个周期不同时刻实时原位图像。从图中可知开始加载后的衬垫与玻璃片接触图中颜色较深的黑色区域为衬垫与玻璃片的接触部分,颜色较浅的棕黄色为未接触区摩擦副为面面接触,衬垫材料的表面为人工抛光,不能保证绝对的平整。实际接触形状不可控,理论上接触形状为圆形实际圆形出现几率比较低,大部分为类椭圆形或类圆形图中不规则的缺口为气孔或者硬质颗粒脱落留下的凹坑加载完成玻璃开始滑动。衬垫与玻璃片的接触区域部分沿着玻璃的运动方向发生一定的黏着变形,接触部分长宽较初始都有增大,即名义接触面积变大,并且增加的接触区域主要在滑动方向后方,衬垫随玻璃片一起运动。

  两者没有相对位移,此阶段为衬垫的黏着变形期，当切向力超过衬垫与玻璃片的粘附力时。两者发生相对滑动,接触部分长宽较仍有增大,衬垫材料表面部分突出的硬质颗粒形成应力源，此时颗粒受到的剪切应力大于基体对其的粘结力，硬质颗粒界面脱粘并在运动中刮伤切削较软的衬垫基体材料。在衬垫表子连接起来.由此形成局部连接点.滑动的作用促使这些键在新键形成前拉升、破裂和松弛，发生变形当切向力大于接触区域的粘附力时连接点处的键断裂性体分子有力地跳跃一个分子间距,到达它们新的平衡位置[14产生相对滑动所以分子级耗能的黏-滑过程是造成粘附的原因!15]光滑的摩擦副在干摩擦情况下粘附现象明显

  衬垫材料在比压为2MPa滑动速度为1mm/s滑动距离5mm时初期单个周期过程中接触区域的长度宽度以及灰度法计算出的实际接触面积随着时间的变化曲线从中可以看出接触区域长宽以及实际接触面积的变化规律相同,开始时快速上升,之后趋于平稳冲程和回程转变阶段迅速下降回程过程也是先上升后趋于平稳开始时上升是由于衬垫材料与玻璃片发生黏着变形,产生相对位移后变形趋于稳定，冲程与回程转变时,衬垫材料产生了弹性回复,接触面积迅速减小,之后摩擦衬垫沿回程运动方向的变形逐渐增大,产生了回程过程中的黏着、滑移对比发现实际接触面积与摩擦系数的变化时刻与趋势一致两者呈现正相关的关系表面接触面积与粘附力的大小密切相关可知这个过程中黏着作用明显黏着力变化是导致此阶段摩擦系数变化的主要原因。

SPRING3、结论

A.GM-3衬垫材料在往复滑动过程中单个周期内冲程过程中摩擦系数呈现先上升后下降的趋势,冲程与回程摩擦过程中摩擦系数平均值相差近一倍,摩擦系数和接触面积呈现正相关关系。

B.整个试验过程中,初期摩擦阶段,衬垫表面硬质颗粒脱落造成的磨粒磨损,摩擦系数上升.硬质颗粒排出接触面.磨粒磨损结束.衬垫表面发生了低循环次数的疲劳破坏.开始出现大量的细小的卷筒状磨屑,摩擦系数继续上升.卷筒状磨屑数量变小,尺寸变大,在两接触面积间滚动,两摩擦副的运动形式逐渐变为滚滑,摩擦系数趋于稳定.整个摩擦过程中一直伴随着黏着磨损。

END

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