摩擦衬垫微观接触与动态滑动摩擦的原位实时观测研究

摘要

摩擦衬垫作为摩擦式提升机的关键部件，提升机主要依靠摩擦轮上的摩擦衬垫来承受钢丝绳及绳端载荷，并依靠其与钢丝绳之间的摩擦力进行传动，其摩擦性能的优劣直接关系到提升机的工作能力、提升效率和安全可靠性。本研究基于“白箱”的方法，利用VW9000高速摄像系统开展衬垫材料往复滑动摩擦实时动态观测试验，观测摩擦界面在摩擦损伤过程中各微观现象的发生、发展过程，研究摩擦衬垫的微观接触特性，认识微观磨损机理，进而为研究摩擦衬垫与钢丝绳间的摩擦机理提供基础依据。
　　本文以目前国内摩擦式提升机广泛采用的K25、G30和GM-3摩擦衬垫为研究对象，开展衬垫材料在不同比压、滑动速度、润滑条件下的往复滑动摩擦过程的实时观测，从接触特性，摩擦过程中的原位界面形貌，结合摩擦系数与扫描电镜分析衬垫的微观摩擦机理，获得了以下主要结论：
　　1、摩擦衬垫为粘弹性材料，表面微凸体受力会产生趋于硬质对磨副形状的变形，衬垫所受比压增加，变形量增加，实际接触面积增加。随着滑动速度的增加，衬垫实际接触面积先增大后减小，速度为1mm/s时，衬垫初期与后期单个周期内的实际接触面积变化规律相同；当滑动速度达到5mm/s后，中后期会出现粘滑波动现象，实际接触面积呈现不规则的锯齿状波动，滑动速度越大波动幅值越大，并伴随着摩擦噪声。
　　2、摩擦衬垫材料的滑动摩擦过程可分为三个阶段：一、粘着阶段，滑动刚开始时，摩擦副间因粘着作用无相对位移，衬垫材料表层所有接触区域的分子链沿滑动方向拉伸变形；二、粘着滑动转换阶段，滑动方向后方的边缘部分开始出现相对滑移，并且逐渐向中心部分扩散，中心部分仍处于粘着状态，分子链继续拉伸变形；三、完全滑移阶段，所有接触部分不再产生粘着偏移，滑动进入稳定阶段，粘着位移中心区域大于边缘区域。
　　3、GM-3摩擦衬垫的摩擦系数随着比压的增加先增加后减小。G30与 K25衬垫摩擦系数随着比压的增加而略微减小。三种衬垫的摩擦系数均随滑动速度的增加，先增加后减小，粘滑波动会降低摩擦系数。
　　4、GM-3衬垫表面最容易因摩擦热产生融化，相同条件下 GM-3衬垫磨屑脱落的最多，磨损最严重。G30热分解温度最高，热抵抗性好，表面磨损居中。K25衬垫材料弹性较好，能够较好的分散压力，相同比压条件下，K25应力最小， K25表面受摩擦热影响较小，表面磨损最轻，磨屑最少，耐磨性最好。衬垫在低速低比压条件下主要为粘着磨损，高速或者高比压条件下为粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损。
　　5、三种衬垫在一定的比压和速度条件下表面都会产生卷筒状的磨屑，卷筒状的磨屑形成过程可分为四个阶段：阶段一，衬垫与玻璃片的表面产生粘着。阶段二，在周期性的交变应力下，衬垫表面产生疲劳裂纹。阶段三、裂纹扩展表层材料脱落随着滑动形成卷筒状的磨屑。阶段四，磨屑随摩擦副的运动在衬垫表面滚滑，碾压出与其形状尺寸相适应的凹槽。

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变量注释表

1绪论

1.1研究背景（Research Background）

1.2摩擦衬垫的研究现状（Research Status of Friction Lining）

1.3摩擦过程实时观测的硏究现状（Summary of In-situ Monitoring）

1.4摩擦界面行为（Interfacil Behavior of Friction Pair）

1.5研究目标与内容（Research Targets and Contents）

2 实验部分

2.1实验材料及试样加工(Materialsand Sample Process)

2.2实验参数的确定（Determination of Experimental Parameters）

2.3实验装置简介(Introduction of Experimental Apparatus)

2.4技术路线(Technology Road)

2.5试验方案(Experiment Step)

3 摩擦衬垫界面的微观接触分析

3.1灰度法计算实际接触面积原理（Theory of the Real Contact Area Calculatedby the Gray Level Method）

3.2静态实际接触面积（Analysis of the Real Contact Area）

3.3滑动过程中实际接触面积（Analysis of the Real Contact Area of Sliding）

3.4 本章小结(Summary)

4 摩擦衬垫滑动过程中的界面微观行为研究

4.1摩擦过程中接触界面的原位形貌分析（Analysis on the In-situ Interfacial Observation）

4.2摩擦界面的粘滑行为分析（Behavior Analysis of the Surface Deformation）

4.3本章小结(Summary)

5 摩擦衬垫的动态滑动摩擦机理研究

5.1比压对衬垫材料摩擦系数的影响（Influence on the Friction Coefficient of Friction Linings by Pressure）

5.2速度对衬垫材料摩擦系数的影响（Influence on the Friction Coefficient of Friction Linings by Speed）

5.3摩擦衬垫的摩擦机理分析（Research on the Friction r Mechanism of Friction Lining）

5.5本章小结(Summary)

6摩擦衬垫的滑动磨损机理分析

6.1摩擦衬垫的光学磨损形貌分析（Optical Morphology Analysis after Tests）

6.2衬垫材料卷筒状磨屑形成过程分析（Reciprocating Slip Friction Mechanism Model of Friction Linings）

6.3本章小结(Summary)

7 总结

7.1主要结论（Main Conclusions）

7.2研究展望（Research Prospects）

参考文献

附录1

作者简历

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