电梯渐进式安全钳若干摩擦学问题的基础研究

摘要

安全钳是防止电梯轿厢坠落的最后一道屏障，其重要性不言而喻。渐进式安全钳依靠制动楔块与导轨之间的摩擦力使超速行驶的轿厢制停，制停过程主要表现的是粘着摩擦，其中包含材料弹塑性变形、表面磨损、摩擦温升等多种复杂现象。只有先对这些复杂摩擦现象进行深入透彻地认识和掌握，才能对安全钳的摩擦制动性能进行合理地设计和控制。然而，电梯安全钳摩擦磨损问题的理论认识还相当欠缺。因此，安全钳摩擦制动行为的理解和预测有待于进一步研究。
　　本文针对渐进式安全钳制动过程涉及的若干基础摩擦学问题展开研究。本文研究以微凸体的弹塑性接触为切入点，探索表面粘着的物理力学原理，考察摩擦副之间由粘结变微滑进而发生完全滑动的接触力学本质；从粘着接点剪切屈服和剪切断裂两种失效形式揭示摩擦磨损机理，并建立热机耦合接触模型研究滑动接触的摩擦生热行为。最后，将理论研究模型及结果加以拓展和应用，结合实验考察渐进式安全钳的摩擦温升和制动性能。本文研究的主要内容和结论概括如下：
　　1.探讨弹塑性粘着接触的数值建模方法，调查表面粘着对法向及切向接触行为的影响。微凸体粘着接触被处理为接触区的常规弹塑性接触与分离区粘着效应的共同作用，其中分离区的粘着作用由分子势推导得到，建立的模型在一定程度上实现了微观粒子行为与连续介质行为的衔接。采用有限元对法向压痕和切向划痕的弹塑性接触行为进行了数值分析，结果表明，考虑表面粘着效应的弹塑性压入有接触力突降失稳现象，而切向划痕接触过程中有粘滑现象。
　　2.将表面之间的干摩擦滑移与接触区域材料的剪切塑性流动对应起来，建立了一个弹塑性球形接触模型，研究了剪切加载导致的应力、应变、接触面积和摩擦力行为。研究发现，摩擦副整体滑移伴随着整个接触区域的塑性屈服，法向载荷较小时，切向加载仅引起接触表面塑性屈服；法向载荷较大时，塑性屈服最先发生在材料内部，然后随切向加载逐渐扩展至全部接触区域。本文模型无需输入摩擦因数，而是基于材料的剪切力学性质定义摩擦副的临界起滑条件。分析表明，本文模型预测的静摩擦因数与Kogut-Etsion(KE)模型结果在低载荷水平上相符，当法向载荷较大时，本文结果又与Brizmer-Kligerman-Etsion(BKE)模型的结果趋于一致。因此，本文结果实现了二者的过渡衔接，具有更好的适用范围。
　　3.通过分析粘着接合部的剪切断裂行为，建立了粘着磨损的有限元分析模型，采用单元删除法研究了磨损颗粒的形成机理和摩擦副的粘-滑转变行为。模型中，满足断裂判据的失效材料单元被用于表征切向接触载荷导致的裂缝，藉此考察粘着接合部的起裂及裂纹扩展。模拟分析了界面开裂、子裂纹萌生、主裂纹偏转等复杂现象，并根据裂纹行为总结了片状磨屑的成因。研究发现，粘着接合部断裂与接触副的静摩擦行为一致对应，界面裂纹偏转是导致大颗粒磨屑的直接原因。
　　4.考察载荷型式对微滑接触行为的影响。讨论了位移加载和力加载引起的不同摩擦行为，分析了法向接触与切向接触之间关于力和位移的耦合关系，重点研究了切向循环加载引起的微动接触现象。通过比较摩擦滞回曲线发现，切向力循环加载导致接触体系弹性安定，而切向位移循环加载导致了塑性安定行为。模拟结果揭示了球-平板微动接触的磨损过程：塑性累积造成接触边缘处的材料最先发生撕裂，形成磨斑；随后裂纹区逐步扩展成近似环状的磨损区；最后材料失效区域向接触中心蔓延，直至整个接触区域发生磨损。分析表明，切向载荷幅值不变的前提下，增加法向载荷水平有助于抵抗表面微动磨损。
　　5.研究了滑动摩擦过程中的热-机耦合行为。首先考察弹塑性球形接触，分析滑移速度对接触温度、摩擦应力和摩擦因数的影响。然后针对电梯安全钳的摩擦制动问题，建立热应力实时耦合的钳块-导轨接触模型，模拟渐进式安全钳制动过程的摩擦热和摩擦力行为。最后，对防爆电梯用某型渐进式安全钳的摩擦制动进行了实验研究。结果表明，考虑热流密度瞬时变化的传热分析能够较好地预测摩擦温升随时间的变化趋势；基于热机耦合接触模型的动态热应力分析能够模拟渐进式安全钳的制动性能。分析发现，考虑摩擦生热效应以后，接触表面的温升十分明显，材料高温软化导致承载能力下降，因此安全钳的摩擦制动力有所减弱。摩擦温升越高，材料承载能力下降越多，于是制动力下降越多。给出的仿真模型和研究结果对于渐进式安全钳的摩擦学设计具有参考价值。

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第1章 绪 论

1.1 选题背景和研究意义

1.2 摩擦接触问题的研究进展

1.3 本文研究的主要内容和关键问题

第2章 分子间作用与粘着接触行为

2.1 引言

2.2 表面粘着行为的数值建模

2.3 考虑粘着效应的弹塑性压入与划擦

2.4 本章小结

第3章 基于接触面剪切屈服的摩擦滑移

3.1 引言

3.2 起滑判据

3.3 球形接触的粘-滑转变

3.4 本章小结

第4章 基于接合部剪切断裂的粘着磨损

4.1 引言

4.2 延性金属接合部的断裂预测

4.3 圆柱接触的粘-滑转变及磨损行为

4.4 本章小结

第5章 载荷型式对微滑接触行为的影响

5.1 引言

5.2 切向单次加载

5.3 法向与切向交替加载

5.4 切向循环加载

5.5 本章小结

第6章 热机耦合接触行为的建模与仿真

6.1 引言

6.2 热机耦合接触建模

6.3 有限元模型

6.4 模拟结果

6.5 讨论

6.6 本章小结

第7章 渐进式安全钳摩擦制动行为的研究

7.1 引言

7.2摩擦生热的数值模拟

7.3渐进式安全钳摩擦制动实验

7.4 结果与讨论

7.5 本章小结

第8章 总结与展望

8.1 全文总结

8.2 创新点

8.3 研究展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文