摩擦学特性范文（精选7篇）

摩擦学特性 第1篇

研究证明,固体颗粒在航空发动机辅助轴承、三瓦径向轴承、制动器、磨削加工、压铸系统、齿轮箱和轴承、电厂螺旋输粉机、回火炉等系统中可以发挥积极的润滑作用[1,2]。该类应用中,备选的颗粒介质非常多,如传统的层状结构固体润滑剂材料TiO2、MoS2、WS2,还有环境友好的氮化硼、硼酸等粉末材料,甚至玻璃球、金属球以及多组分的颗粒混合体等[3,4]。不同的颗粒物质引入摩擦副后,会带来明显不同的表现和内在机理[5,6]。较软固体颗粒通过与表面的黏附、承载变形和低剪切应力实现润滑;但是高剪切强度、高硬度的固体粉末材料则通过碰撞、弹性变形、滑滚实现润滑,此时要避免和控制可能产生的磨损及对摩擦副表面的破坏。

已有研究[7,8]的主要研究对象是平行平板间隙,而大部分工作中的摩擦副间隙是楔形结构,本文的研究使用楔形滑块摩擦副,更贴近实际工况。摩擦副中的颗粒介质属于固体材料,其摩擦因数[9]、密度[10]、硬度[11]、粒径[12]等会对整体的摩擦特性产生重要影响。本文利用基于非连续介质力学的离散单元法仿真摩擦间隙中的颗粒物质,赋予颗粒单元不同的粒径和分布规律,模拟摩擦运动中这些颗粒介质的作用,以深入探讨颗粒粒径及其分布对摩擦副的影响,为颗粒介质的选择提供依据。得益于离散单元法的非连续介质力学本质,使仿真模型具备了对颗粒物质固有的非连续性、随机性和不均匀性进行揭示的能力,实现了基于连续介质力学及实验方法而无法完成的一些研究目的。

1 模型

1.1 物理模型

本文的研究对象如图1所示,摩擦副上表面为斜块,斜面与水平线夹角为4.5°,斜面长度B为1.5mm,它以速度u(10m/s)向右平移。下表面水平且固定不动,摩擦副表面摩擦因数为0.1。颗粒膜入口区厚度hin为200!m,出口区厚度hout为80μm。假设摩擦间隙中的颗粒介质为刚性球形,不会破裂和黏附。颗粒的摩擦因数为0.05、密度4500kg/m3、泊松比0.5、剪切模量为30MPa、颗粒粒径及其分布等见表1,平均半径从7.5μm到20μm,分布形式有一致分布、均匀分布和正态分布。当上表面运动时,颗粒介质的球-球、球-表面之间发生接触、挤压、摩擦,从而对上表面产生法向和切向作用力,分别代表颗粒膜的承载力Fl和摩擦阻力Ff。载荷和摩擦力计算中将滑块分十段,每段1.5mm,取合力放于每段的中点。因为颗粒的类固体特性,故在颗粒介质中既有空洞,也有颗粒体的聚集,分布不像流体那么均匀,不分段无法体现斜面不同位置的参数变化,分段太多又会导致参数值的离散度和随机性增加。图1中两种颜色的颗粒体在物理特性上没有区别,两种颜色是为了方便考察颗粒的微观运动。入口区、中间区、出口区没有明确的界限,仅用于对区域的大概指示,方便对特性进行描述。

注:15u中15表示平均半径为15μm,u表示均匀分布;15g中g表示正态分布。

1.2 数值模型

离散单元法[13]的理论基础是结合不同本构关系的牛顿第二定律,适合于界面弱连接的非连续介质问题或连续体到非连续体转化的材料损伤破坏问题。对颗粒流而言,由于介质一开始就假定为离散体的集合,故颗粒之间没有变形协调的约束,但需要满足平衡方程。如果作用于颗粒上的合力与合力矩不等于零,则不平衡力和不平衡力矩使得颗粒按照牛顿第二定律运动。颗粒的运动不是自由的,要受到周围接触颗粒的阻力限制,这种位移和阻力的规律就相当于物理方程,可以是线性的,也可以是非线性的。在计算的开始,先在下表面通过重力堆积产生厚200μm、长10mm的颗粒膜,然后滑块以指定的高度和速度运动(图1),此时滑块上表面将运动和力传递至颗粒膜,改变了颗粒组合体的边界条件。当所考虑范围内的作用力系或边界条件发生变化时,某些颗粒在重力及外力的作用下产生一定的加速度和相应的位移,使得颗粒的空间状态发生变化,产生位移后的颗粒与其他颗粒接触,根据接触模型可以计算得到力-位移关系,产生新的作用力系状态,并对上表面产生反力,形成摩擦阻力和承载力。该过程中需计算并保存平均接触力、摩擦力、载荷、体功、接触摩擦功、颗粒总动能等的变化。更多离散元方法和模型细节请参考文献[14-15]。

1.3 主要参数和说明

颗粒间法向接触力和切向接触力采用Hertz-Mindlin接触模型计算[13]。HertzMindlin接触模型是一种非线性接触模型,为两接触球体的几何参数与材料特性的函数,由切变模量、泊松比和粒径来定义。通过接触模型可以获得接触法向刚度和接触切向刚度,进而在颗粒体的动静态行为的离散元计算中体现为宏微观行为。

离散元将颗粒体系理解为无限序列的质点-弹簧体系,当体系内质点同步相对运动时,体系将产生最小的周期:

它与最小颗粒的质量mmin及颗粒的最大刚度kmax密切相关。如果计算的时步大于这个最小周期,会导致计算结果的不准确。据此将计算中的时步设定为510-9s。

平均接触力是所有接触点接触力的平均值。体功表示所有颗粒体的重力、外力和力矩等体力的累积作功。在每一时步中接触摩擦功耗是所有接触点,包括颗粒和颗粒之间、颗粒和摩擦副表面之间互相摩擦所消耗的功。颗粒总动能是所有颗粒动能的总和,既包括平动也包括转动[5]。

一致分布表示所有颗粒的粒径是相同的。

均匀分布的颗粒半径分布为

其中,a为10μm,b分别为20μm和30μm,R为颗粒半径。

正态分布的颗粒半径分布为

其中,期望μ为15μm和20μm,对应方差σ分别为5μm和10μm。

因为仿真是在二维平面进行的,所以考察参数的绝对值比较小,相当于实际摩擦副一个极细小段的量值。为了方便对比,大部分的数值折算为每平方米上的均值。

2 结果和讨论

2.1 载荷分布

图2和图3所示分别是粒径及其分布对载荷分布的影响。总体而言,颗粒介质摩擦副的入口区载荷大于出口区载荷,而流体润滑理论一般认为压力峰出现在出口区。越大的颗粒会导致越突出的载荷分布随机性或不均匀性问题。从图2中可见,小粒径(如算例7.5)的载荷分布相对均匀,过渡平滑。其他算例中随着粒径的增大,相邻位置的载荷采样值变化愈加明显,算例20的波动尤为突出,采样值往往在各组算例的最大值和最小值之间跳动。载荷分布的不均匀性说明颗粒体内部存在明显的力分布不均匀性,而大粒径会加剧这种不均匀。究其原因,由于摩擦副中密集排布的颗粒体自由活动空间小,在斜面运动作用下,较大粒径的颗粒更容易连接成准直线形,形成架拱,其内部传递较大的载荷,力学上称之为强力链。它使局部承载突出,而其附近的颗粒物质承载很小。另外强力链的形成和断裂会导致颗粒内部结构的突变,这种突变具有一定的随机性并体现为摩擦学特性的随机性。从图3粒径分布的研究结果来看,均匀分布和正态分布的颗粒体都表现出了良好的均匀平滑的载荷分布状态。说明大小不一的颗粒会使颗粒体内部的力分布趋向均匀,相互间较易形成滑动,减小了强力链生成的几率。

2.2 摩擦力分布

鉴于摩擦力和载荷之间密切的相关性,两者分别是颗粒体对斜面反力的垂直和水平分力,所以摩擦力的分布规律与载荷的分布规律比较接近。从图4可见颗粒粒径较小的算例中,其摩擦力分布相对均匀平滑。从图5可见均匀分布和正态分布的颗粒体的摩擦力分布相对一致粒径的颗粒体而言,其摩擦力分布更加均匀平滑。其机理与载荷分布类似,此处不再敷述。

2.3 承载力、摩擦力和摩擦因数

已知载荷分布的不均匀性与粒径成正比,从图6可知整个斜面的总承载力和摩擦力总体上也随着粒径的增加逐步升高。该结果与Yu等[16]和孙其诚等[12]的试验或理论研究的主要结论一致,从侧面验证了本文模型的有效性。但是,在局部仍然出现了与主要趋势不同的变化,如算例15的总承载力和摩擦力比算例12.5总承载力和摩擦力要小;算例20的总承载力比算例17.5的总承载力也要小,同时摩擦力有小幅升高。均匀分布和正态分布的颗粒体不仅使载荷分布更加均匀,也提高了总承载力和摩擦力,15u和15g的总承载力和摩擦力已高于17.5和20的总承载力和摩擦力。正态分布颗粒体的总承载力和摩擦力都比均匀分布颗粒体的总承载力和摩擦力更高一些。从摩擦因数特性来看,随着颗粒粒径的增大,系统摩擦因数总体在增大,但在12.5和17.5处有局部的下降。局部变化源于颗粒物质结构和运动的不均匀性和随机性,这不仅使载荷分布和摩擦力分布表现出突变,也使宏观的总承载等特性表现出非连续性。颗粒的分布对摩擦因数的影响有所分化,均匀分布的15u和20u都比一致分布的颗粒体有类似的下降,15g的摩擦因数则出现了较大的上升,而20g则使摩擦因数较20u略有下降。所以相同的颗粒分布在不同的平均粒径时,会表现出不同的摩擦因数特性。图中,虚线连接略过了算例15u和15g,方便直接对比粒径变化的影响。

图7利用不同的拟合方法,对系统摩擦因数随粒径变化的趋势进行了回归分析。图中直线拟合的公式为

μ=0.124+8.42610-4 R

其残差平方和为3.17010-5,相关系数为0.843,说明直线拟合已经达到了较好的拟合效果。对于试验范围内的其他颗粒粒径,可以用该直线方程来预测系统摩擦因数,也可以对一定的粒径外延范围做尝试性的预测。同时,三阶多项式拟合和高斯非线性拟合的曲线在图7中也有展示,总体从拟合效果以及相应的指标而言,各项参数基本在一个数量级上。

2.4 颗粒体微观参数变化

颗粒体微观力和能量特性是以接触点或单一颗粒为对象,计算其接触力、摩擦和功耗特性,体现颗粒介质摩擦副的微观特性。从图8可见,体功、接触摩擦功、颗粒总动能、平均接触力的趋势基本一致,与总承载力和摩擦力比较一致。总体随颗粒直径的增大而增大,除平均接触力外,在颗粒半径为20μm时有不同程度的回落。虚线连接也是为了略去颗粒分布的算例,方便观察粒径的影响。均匀分布和正态分布的颗粒体较一致分布的颗粒体的微观参数量值都要大一些。承载力在微观上主要是由许多的接触点所承担并传递的,所以平均接触力与总承载具有相对一致的趋势。所有接触点所消耗的摩擦功与摩擦副的总摩擦阻力变化趋势相近,系统摩擦力较大时,接触摩擦功也较大,两者有着较强的相关性,分别从宏观和微观表现了摩擦功损耗的程度。颗粒总动能体现了颗粒运动的活跃程度,在颗粒半径较大及分布条件下,颗粒运动比较剧烈。

3 结论

(1)摩擦副内部的较大颗粒更容易连接成准直线形架构,形成强力链,导致局部承载突出,其附近的颗粒物质承载很小,最终摩擦副的载荷分布呈现明显的不均匀性。载荷力分布的不均匀促使斜面上不同区域的摩擦力分布也相应表现出明显的不均匀性和随机性。总体而言,总承载力、总摩擦力和摩擦因数随粒径增加而增大。

(2)粒径呈均匀分布和正态分布的颗粒物质较易形成相互间的滑动,减小强力链生成的几率,表现出均匀平滑的载荷和摩擦力分布状态,使摩擦副运动更加平稳。大部分算例中,均匀和正态分布的颗粒体体现出较高总承载力,且摩擦因数有所下降。

(3)颗粒介质摩擦副的特性与颗粒物质的内在非均匀性和结构突变性密切相关,少量较大颗粒形成的强力链会导致力分布的不均匀和随机性增加。相对而言,流体介质在连续性和均匀性上胜于颗粒介质,而固体的耐极端环境特性赋予颗粒介质在摩擦副中的生命力。

摩擦学特性 第2篇

但石墨微粒由于其憎水性而在镀液中易于团聚和漂浮, 这不仅影响它在镀层中的均匀分布, 而且影响粒子的复合量, 还有石墨的多孔表面及活性易造成镀液分解, 用化学复合镀方法很难将石墨加入Ni-P镀液中。目前, 关于这方面的研究报道较少, 本实验主要对Ni-P-石墨复合镀层的制备工艺及性能进行了研究, 探讨了不同的工艺条件对镀液的影响, 并在机械搅拌的情况下获得粒子均匀分布的镀层。

1 实验部分

1.1 镀液的组成

镀液组成:10~30g/L硫酸镍 (Ni SO4·6H2O) , 15~35 g/L次磷酸钠 (Na H2PO2·H2O) , 10~25 g/L醋酸钠 (Na AC) , 10~25 m L乳酸, 5~15 m L丙酸, 1~3 g/L石墨 (4000目的超细石墨粉) , 少量稳定剂和表面活性剂 (CTAB) 。

1.2 工艺流程及镀液配置

采用15 mm×15 mm×5 mm的A3碳钢为基体, 在Ni-P镀液中加入石墨颗粒, 使其与Ni、P共沉积。

化学镀的工艺流程为:化学除油→水洗→除锈→10%HCl活化→水洗→化学复合镀→风干。配置镀液500 m L, 首先将一定量的石墨微粒与表面活性剂一起混合, 搅拌至溶液中的石墨粒子充分悬浮并均匀分散为止, 倒入配置好的镀液中, 用氨水调节p H值至4.1~4.8, 搅拌使微粒均匀分散在镀液中, 将镀液在油浴中加热, 当温度达到80~90℃时, 放入处理好的试样, 进行施镀。

2 结果与分析

2.1 不同的活性剂对复合镀层微观形貌的影响

从图1镀层的电镜照片可以看出镀层表面的均匀程度。B39所用活性剂CTAB, B35用活性剂SDS。从图中看出B39比B35表面质量好, 石墨分部均匀。因B39所用活性剂是CTAB, 在化学镀中, 固体颗粒在溶液中呈电负性, 阳离子表面活性剂会增加颗粒表面的电势, 故增加了粒子的复合量和体系的稳定性。

2.2 Ni-P-石墨复合镀层的显微硬度与热处理温度的关系

图2是Ni-P-石墨复合镀层的显微硬度与热处理温度的关系, 可以看出200℃热处理对镀层硬度的影响不明显, 300℃以上热处理的镀层硬度明显增大, 在400℃热处理时, 镀层完全是晶态, 硬度达到最大, 当超过400℃后, 镀层硬度不但不增加, 反而下降。其因是在400℃时, 镀层中Ni-P合金由非晶态转变为晶态, 镍磷合金析出大量弥散分布的Ni3P相, 形成的Ni-Ni3P增加了复合镀层的塑变抗力, 且第二项析出时与母相保持共格关系, 引起点阵畸变, 阻碍位错运动, 从而提高了复合镀层的硬度和耐磨性。镀层硬度达到最大, 当超过400℃后, 由于Ni3P相晶粒长大, 聚集粗化, 减少了它在镀层中的弥散度, 使镀层软化。

2.3 Ni-P-石墨复合镀层的摩擦系数

从图3看出, A3钢平均摩擦系数0.293, Ni-P镀层的平均摩擦系数为镀层0.280, Ni-P-石墨复合镀层的平均摩擦系数为0.133。A3钢和Ni-P镀层的曲线变化基本一致, 没有大的区别, 镀态时Ni-P镀层有减摩性能。由于镀液不稳定, 导致镀层表面较粗糙, 所以A3钢和Ni-P镀层摩擦系数区别较小。Ni-P-石墨复合镀层在给定的时间内的摩擦系数变化稳定, 平均摩擦系数也较小。

3 结论

活性剂类型对石墨在镀液中的分散有比较大的影响。阳离子表面活性剂会增加石墨颗粒表面的电势, 增加镀液体系的分散性和稳定性。

热处理温度对Ni-P-石墨复合镀层的显微硬度的影响呈现出一定的规律性。在400℃热处理时, 镀层完全是晶态, 硬度达到最大。

该配方工艺制备的Ni-P-石墨复合镀层摩擦系数随时间变化较小, 平均摩擦系数比较稳定。

参考文献

[1]沈承芬.化学沉积法制备Ni—P—Si C (C) 复合镀层的研究[J].东南大学学报 (自然科学版) , 2002:245-248.

[2]王宙, 陈伟荣, 于靖华, 等.化学复合镀Ni-P-石墨镀层的研究[J].热加工工艺, 2004 (12) :43-44.

[3]方永奎, 邱安娥.复合化学镀Ni-P-石墨工艺对镀速的影响[J].东北石油大学学报, 2005 (5) :58-60.

路面摩擦特性预测研究 第3篇

改革开放以来,我国经济快速发展,公路建设里程大幅增长,人均汽车保有量也快速增加,伴随着交通事故数量呈上升趋势。在交通事故鉴定分析过程中,路面摩擦系数可以为交通事故分析提供重要依据[1,2],因此,研究关于路面摩擦特性的预测具有重要意义[3,4,5]。

关于路面摩擦系数的预测研究,可以把路面摩擦系数的预测方法分为三类:经典预测方法(经验法、力学法)、传统预测方法(回归分析法、时间序列法[6])、现代预测方法(模糊预测法[7]、灰色预测法[8])等。这些方法大都集中在对其因果关系回归模型和时间序列模型的分析上,所建立的模型不能全面地反映所预测的动态数据的内在结构和复杂性,影响了预测精度。本文通过用道路摩擦系数测试仪进行试验,采集若干数据,对这些数据进行分析处理的基础上,建立基于广义回归神经网络的路面摩擦系数预测模型,介绍路面摩擦系数的预测方法。

1、试验及数据处理

试验选取西安地区公路作为试验路段,在各种不同状况下的路面上进行路面摩擦系数测试试验。研究中所用仪器为道路摩擦系数测试仪。试验时,在道路上选取一个测点,测点位置与路面边缘距离大于1米,将仪器置于测点上并使仪器移动方向与车辆行驶方向一致,匀速拖动测块,且拖动距离不小于1米,拖动时间大于5秒,每个测点重复测试6次。测点分布如表1所示,部分试验统计结果如表2所示。

从79个测点测量结果可以看出,路面摩擦系数的大小与下列因素有关:

(1)路面等级,高等级路面的摩擦系数显著高于低等级路面的摩擦系数,高等级路面主要是高速公路、一级公路等。低等级路面主要有二级公路、三级公路等。

(2)使用年限,相同的路面,随着使用时间的增加,路面摩擦系数值降低。

(3)路面状况,路面摩擦系数随着路面状况由高到底的排序为:干燥>潮湿>积水。

(4)路面类型,由于路面材料的不同,摩擦系数值也有一定的差异。

2、基于广义回归神经网络的路面摩擦系数预测模型

2.1 广义回归神经网络

广义回归神经网络是一种径向基神经网络,其适用于解决非线性问题,它具有较强的非线性映射能力和柔性网络结构,此外还具有较高的容错性和鲁棒性,以及良好的逼近能力、分类能力和快速的学习能力。

GRNN在结构上由四层构成,分别为输入层、模式层、求和层、输出层。对应的网络输入x=[x1,x2,...,xm]T,其网络输出为Y=[y1,y2,,yn]T。如图1所示。

GRNN结构具体描述如下:

(1)输入层神经元数目等于学习样本中输入向量的维数m,各神经元是简单的分布单元,直接将输入变量传递给模式层。

(2)模式层神经元数目等于学习样本的数目a,各神经元对应不同的样本,模式层神经元传递函数为pi=exp[-(X-Xi)T(X-Xi)/2σ2],i=1,2,,a,式中,X为网格输入变量,Xi为第i个神经元对应的学习样本。

(3)求和层中使用两种类型神经元进行求和。一类的计算公式为,它对所有模式层神经元的输出进行算术求和,其模式层与各神经元的连接权值为1,传递函数为;另一类计算公式为,它对所有模式层的神经元进行加权求和,模式层第i个神经元与求和层第j个分子求和神经元之间的连接权值为第i个输出样本Yi中的第j个元素,传递函数为

(4)输出层中的神经元数目等于学习样本中输出向量的维数n,各神经元将求和层的输出相除,神经元j的输出对应估计结果的第j个元素,即yj=SNj/SD,j=1,2,3,...n[15]。

因而对于GRNN,一旦确定了训练样本,那么网络结构以及各神经元之间的连接权值也随之确定,影响网络输出的唯一因素是光滑因子σ。从而网络的学习完全依赖于样本数据,可最大程度地避免人为主观假定对预测结果的影响。并且GRNN根据样本数据逼近其中隐含的映射关系,甚至在样本数据少时网络的输出结果也能够收敛于最优回归表面,而且在结构方面也具有高度的并行性,从而可以大大提高网络的训练速度,能改善拟合的精度。

2.2 预测模型建立

根据路面类型、路面等级、路面状况等三个影响因素对摩擦系数预测模型划分成6类,各种类型预测模型的训练样本与预测样本数如表3所示,各种预测模型总共利用试验数据60组,其中预测数据有6组。

根据对路面摩擦系数影响因素的分析,本文采用使用年限为网络输入层,路面摩擦系数为网络输出层,建立基于广义回归神经网络的路面摩擦系数预测模型,如图2所示。

3、模型预测

3.1 光滑因子优化

在Matlab下编制程序,模型采用4次交叉验证,使用网络训练样本。网络分布密度在[0.01,1]区间内以0.01为步长,选用不同σ值进行训练,得到光滑因子出现最优值时光滑因子最优时对应的最小误差,如表4所示。

3.2 预测结果分析

通过建立神经网络预测模型,利用60组训练样本经过网络训练后,用6组预测样本最终得到预测结果并与实测值进行结果比对。如表5为摩擦系数预测结果对比。

基于广义回归神经网络摩擦系数预测模型的预测值与实测值基本接近,模型也有很好的稳定性。预测摩擦系数最小相对误差和最大相对误差分别为1.071%、4.354%,模型有较高的预测精度。证明基于广义回归神经网络的摩擦系数预测模型在摩擦系数预测中是有效的。

4、实车验证及应用

本文利用SG-630型便携式制动性能测试仪在上述六种预测模型路面状况上进行汽车制动性能试验,来探究在汽车制动过程中利用的纵向附着系数与预测模型预测的路面摩擦系数之间的关系,为在交通事故分析中应用广义回归神经网络预测路面摩擦系数来分析事故车速提供重要依据。

利用SG-630便携式制动性能测试仪可得到汽车在制动过程中制动距离和制动初速(如表6所示),汽车制动过程中制动距离、制动前车辆速度、纵向附着系数、制动减速度制动力F等的关系为:

式中:N为汽车车轮作用在路面上的正压力,可把N近似为N=mg;m为汽车的质量;v1为制动初速度;s制动距离;v2为制动末速度,v2=0。

变换得到汽车制动过程中纵向附着系数φs为:

假定摩擦系数与纵向附着系数存在关系:

得到对比测试中k的结果如表7所示。

通过试验结果可知,江淮帅铃3308轻卡实车测得的纵向附着系数值与基于广义回归神经网络预测的路面摩擦系数值基本接近,,进一步验证了此种预测模型的有效性,可通过此种预测方法在交通事故分析中进行事故车速的预测计算,对交通事故再现研究提供了重要的依据。

5、结论

(1)对试验数据进行分析,提出路面摩擦系数的影响因素。

(2)以影响因素为分类基础,确定摩擦系数预测模型分类及输入参量;应用广义回归神经网络分析方法,建立基于广义回归神经网络的路面摩擦系数预测模型。

(3)广义回归神经网络预测方法是一种有效的摩擦系数预测方法。

参考文献

[1]杨圣文.道路交通事故车速鉴定分析方法研究[D].西安:长安大学,2006.

[2]蒋柯.道路交通事故车速鉴定规范化研究[D].西安:长安大学,2010.

[3]孙明哲,裴玉龙.道路摩擦系数测定方法若干问题的讨论[J].黑龙江交通科技,2004,128(10):78-79.

[4]王利利.路面抗滑性能变化特性研究[D].北京工业大学,2008.

[5]孙荣山.路面管理系统使用性能预测模型研究[D].北京工业大学,2004.

[6]倪富健,方昱,薛智敏.时间序列在路面平整度预测中的应用。东南大学学报(自然科学版),2006,(4):634-637.

[7]陈涛,张淼,魏朗.基于预瞄的山区高速公路驾驶人车速模糊控制模型[J].北京理工大学学报,2012,32(增刊1):51-54.

岩石摩擦滑动特性分析 第4篇

一、岩石摩擦滑动的宏观特性

1)岩石的摩擦滑动方向。笔者通过长期的研究与实践,岩石的摩擦滑动方向大致可分为两种,第一种为稳滑;第二种为黏滑。如果摩擦面上的滑动是连续的不间断的发生,那么我们就将这种滑动称之为稳滑。与之相对应的是滑动过程中出现间断,产生急跳式的滑动,那么我们就称这种滑动为黏滑。[2]除此之外,岩石在摩擦滑动时也会产生两种摩擦系数,它们分别为静摩擦系数和动摩擦系数。根据大量的实践表明,稳滑大多是在低正压力这一条件下进行,而如果这一条件发生改变,那么稳滑也会向黏化的方向发展。岩石滑动的方向直接影响着我们研究岩石的参数,因此在研究岩石的时候,一定要充分考虑岩石滑动方向这一重要因素。

2)岩石摩擦滑动的稳定性。这里所说的稳定性主要是指包括饮食在内的多个物体组成的力学系统的稳定性。岩石摩擦滑动的稳定性也是我们研究岩石摩擦必须要考虑的问题。具体来说,岩石摩擦滑动的稳定性包含以下三个方面:首先本构关系。本构关系为我们呈现了岩石在摩擦后受力的变形特征。如果岩石在经过摩擦后呈现微小变形的情况,那么其力学系统的本构关系则是非线性的。其次,失稳准则。随着时间在不断变化,岩石的变形过程也会发生变化。通常情况下,这种变化过程是个准静态过程。最后,相互作用关系。笔者通过长期的研究与实践认为,岩石系统内部的各个部分之间并不是完全割裂开的,它们是相互影响相互作用的。[3]

二、岩石滑动摩擦的研究尺度

我们队也是滑动摩擦研究,要研究到哪一个层次,也就到哪一深度呢?目前咋岩石学科中,对岩石滑动摩擦主要研究,三个层面的岩石滑动学科。根据岩石的物理特征把岩石分为微观尺度、中等尺度以及较大尺度三个方面,对于微观尺度来说,主要是在微观层面对岩石进行研究,具体来说,研究也使内部的裂纹,以及裂纹对摩擦力的影响,产生裂纹的原因等等;对于中等尺寸人们把岩石作为一种宏观的材料,对其进行研究,研究岩石产生摩擦的机理以及摩擦力的大小,另外还研究,发生在单个岩石颗粒与岩石块体之间的相互摩擦作用机理。具体应用到现实实际的生产中,目的就是为了增大有益摩擦,消除不利的摩擦;而对于较大尺度来说,主要是站在地理的角度,通过研究岩石的特性,来判断地质构造的稳定性,探究发生在大尺度的地理断层,大陆板块的运动摩擦,和节理之间的相互作用力。具体在现实生活中的应用就是推断地质构造,地震,山体滑坡,推断地貌变化的年限等。[4]

三、岩石摩擦滑动的研究现状

研究岩石的摩擦滑动,首先要理解岩石的摩擦原理,通过有效的实验,以及观察岩石的微观机理来进行深入研究。

1、岩石的摩擦滑动理论

对于岩石的摩擦滑动理论的研究,在人类的历史上经历了一个较长的过程,其中有很多科学家为之做出自己的贡献。目前我们关于摩擦最熟悉的就是摩擦定律,他是法国科学家AMONTONS发明并建立的,具体来说,摩擦定律是指两个相互接触的岩石平面,二者不是绝对光滑平整的,接触面表面有微小的凹凸,因此两个面接触时只是部分接触摩擦滑动,是发生在两个接触面上的微小凸起部分上的,当两个接触面发生滑动时,在重力的作用下,二者在凹凸不平的接触面上发生相对运动,阻止二者相对运动的力,就叫摩擦力。产生摩擦力有两个必要因素:第一次接触面部光滑;第二,发生相对运动。我们也就摩擦力,对于物体表面材质一般分为两种情况:第一种情况是,说研究的问题是刚性体,接触表面的凸起是刚性凸起,二者表面接触并相对运动,就会产生摩擦力;第二种情况是,我们所研究的物体是完全弹性物体,二者接触并发生相对运动时,接触面的微小突起发生弹性形变,也会产生摩擦力。经过大量的实验,科学家,Martin从微观角度,研究了摩擦运动中的静摩擦,经过总结得出了是个经典摩擦定律,摩擦第一定律:

式中T------摩擦力

μ-----摩擦系数

N------接触面的垂直正压力

在该定律中,我们可以看出摩擦力主要是由摩擦系数和正压力决定,摩擦系数主要是根据岩石的矿物成分、滑动面的粗糙程度和,岩石断层存在的泥土有关;,正压力主要是由岩石的密度等因素决定。

摩擦第二定律,是在以上公式两端,同时除以表观面积A得到的。

从上式中:τ=T/A;σ=N/A.从这两个式子我们可以得出,滑动摩擦系数μ只与材料本身有关,与发生滑动到接触面大小无关.同时滑动摩擦力,与滑动的速度无关,但是对于弹性比较明显的岩石材料来说,接触面滑动的速度影响滑动摩擦系数的大小。

2、岩石滑动摩擦到微观机理

岩石本身就是特殊的矿物材质,内部构造复杂,一般是由多种矿物组成,并且各种矿物之间由各自成分的构成的界面相分隔,岩石内部存在各种空隙、裂纹以及变形不规则结构体,岩石的力学性质是由这些因素共同决定的,下面是对岩石影响摩擦的具体因素进行详细的分析:

1)岩石的矿物成分对摩擦力的影响

不同地区的岩石矿物成分有所不同,但是一般岩石的矿物成分大体一致,主要成分是二氧化硅。其中主要是因微量元素不同,而导致岩石的种类不同。[5]对于摩擦力的影响,一般由多种矿物成分组成的岩石比由单一矿物组成的岩石的摩擦系数要大。也就是说摩擦系数和矿物组成种类的多少有关;同一种岩石在饱水状态和干燥状态下,摩擦力也不相同,有的岩石在饱水状态下摩擦力反倒增大,而有的反倒变小;对于块状晶体结构的矿物其摩擦系数在自然状态下小于饱水状态下。例如长石、方解石和石英等;对于层状晶体结构的岩石矿物在自然状态下大于此种岩石矿物在饱水状态下的摩擦系数。

2)岩石的孔隙率

一般岩石的孔隙率是决定岩石本身性质的重要因素。孔隙率越大的岩石,越容易发生稳定的滑动,孔隙率较小的岩石,反而更容易发生粘滑。同时,空隙率较大的岩石,其含水率密度都都会随之发生改变,从而进一步影响岩石的滑动摩擦系数。[6]

总之,影响岩石摩擦滑动性质的因素比较多,我们在研究岩石的摩擦滑动性质时,要考虑多方面的因素,尽量在实验的环境下还原自然条件下岩石滑动的实际受力状态,从而能更准确的研究岩石的摩擦滑动特性。

摘要：众所周知,岩石在破坏一般包括两种情况,这两种情况分别是破裂和摩擦滑动。近些年来,我国对于岩石破裂的研究已经相对比较完善,而对于岩石摩擦滑动的研究则相对较少,这将不利于开展对岩石强度和对将来要发生等自然灾害领域研究的进程。本文系统地阐述了岩石摩擦滑动的相关特性,旨在为相关领域的研究奠定基础。

关键词：岩石,摩擦滑动,地质灾害

参考文献

[1]韩文梅.岩石摩擦滑动特性及其影响因素分析[D].太原理工大学,2012.

[2]李祥龙.层状节理岩体高边坡地震动力破坏机理研究[D].中国地质大学,2013.

[3]张雷.龙门山断裂带断层岩在水热条件下的摩擦滑动特性实验研究[D].中国地震局地质研究所,2013.

[4]谭文彬,何昌荣.高温高压及干燥条件下斜长石和辉石断层泥的摩擦滑动研究[J].地学前缘,2008,03:279-286.

[5]蒲成志.岩体断裂与蠕变损伤破坏机理研究[D].中南大学,2014.

棉种摩擦带电特性的测定 第5篇

根据静电理论,当两种电介质接触且距离足够小(一般在10-9m量级)时,其接触面间产生电子交换,形成等量异号的偶电层。摩擦所产生的能量加剧这种电子交换的过程。此外,摩擦带电还与材料的弛豫时间(relaxation time)有关,弛豫时间反映了材料保持电荷的能力。铜的弛豫时间为1.5210-19s,纯水的弛豫时间为410-8s,琥珀的弛豫时间则达70min[1]。所以,琥珀保持电荷的能力远远大于金属。对稻谷的摩擦带电特性研究表明[2],稻谷的摩擦带电特性与速度、摩擦材料和水分有关。

对于大粒种子而言,因其极化力质比较小[3],致使种子分离不清,需要外加电荷来增加分离。在农业物料的储存和运输过程中,静电可能产生灾害。为此,深入研究农业物料的摩擦带电特性,实现大粒种子有效的清选分级、农业物料的储存和运输过程中的防灾减灾具有十分重要的意义。本文拟通过对棉种的摩擦带电特性测定研究,建立摩擦带电量与水分、摩擦倾角之间的定量关系,为棉种的清选分级以及储存和运输过程中的防灾减灾提供理论依据。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

棉种:中棉36号、红种、早-24号(上述3品种均为脱绒棉种,由石河子大学提供)。

去离子水(经过离子交换器交换的水)。

摩擦材料:聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板。

1.2 试验仪器

DHG-系列电热恒温鼓风干燥箱;DHG-101系列电热恒温鼓风干燥箱;JH2102 电子天平;法拉第圆筒;自制摩擦实验台架(如图1所示 );EST111数字电荷仪;塑料盆;铝盒;干湿球温度计。

1.支撑 2.料斗 3.闸门 4.滑道 5.摩擦材料6铰链 7.支架 α滑道倾角

试验装置由EST111数字电荷仪、法拉第圆筒、自制摩擦实验台架等组成,如图2所示。

1.摩擦实验台架 2.法拉第圆筒 3.连接导线4.数字电荷仪 5.绝缘板 6.工作台

1.3 试验方法

称取100g棉种放入试验台架料斗中,拉开闸门,棉种沿滑道流入与EST111数字电荷仪连接的法拉第圆筒中,记录数字电荷仪的示值,取出棉种,重复测定6次;调整滑道角度重复测定。将100g棉种放入大烧杯中,加入5mL去离子水,搅匀后密封放置24h,称重后进行上述测定。依次重复进行;最后,按GB5262测定水分。

1.4 试验数据处理

将6次测定结果取平均值,作为测定结果,以消除随机误差。

2 结果与讨论

根据谷物的试验结果[2],摩擦材料只采用了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)板。由于散粒体的滑动速度难以测定,用滑道角度代之。

2.1 试验结果

中棉36号、红种和早-24号的摩擦带电测定结果分别见表1～表3。

2.2 讨论

对表1～表3中的摩擦带电测定结果分别进行摩擦电荷与水分、倾角关系的拟合回归,结果见表4和表5。

2.2.1 摩擦电荷与水分的关系

由表4可以看到,摩擦电荷与棉种水分成反比关系,即

Q=aω+b

其中,Q为摩擦电荷量(nC);ω为棉种水分(%);a和b分别为常数。其拟合相关性显著。

摩擦电荷与棉种水分成反比关系的原因有:一是水的弛豫时间小于棉种的弛豫时间,当棉种中的水分增加时,降低了整个棉种的弛豫时间,使得其保持电荷的能力下降;二是棉种表面的水分增加了摩擦阻力,降低了摩擦速度,从而使棉种与PMMA的能量交换减少。从生物学的角度上讲,随着水分的增加,棉种的生物势随之增加,而其电阻和电容随之降低,这时棉种的蓄能能力降低,宏观上表现为摩擦电荷的减少。由于摩擦是十分复杂的热力学和电学的过程,所以很难用一两门学科的知识解释清楚,只能定性的分析、判定它。

2.2.2 摩擦电荷与倾角的关系

由表5可以看到,摩擦电荷与摩擦倾角成2次曲线关系,即

Q=aα2+bα+c

其中,Q为摩擦电荷量(nC);α为摩擦倾角(°);a、b和c分别为常数。其拟合相关性显著。

随着摩擦倾角的增加,摩擦速度增大,摩擦电荷也增加。当达到一定程度时,摩擦电荷趋于饱和。这时,摩擦倾角增加并不能带来摩擦电荷的显著增加。可见在摩擦式棉种清选分级机设计中,摩擦倾角并非越大越好。摩擦电荷与摩擦倾角的关系是2次曲线的上升沿关系,且其极值点的位置与棉种的水分有关。随着棉种水分的增加,其极值点一方面推迟出现,另一方面也有所减小。由于实际应用均为安全水分,故不讨论水分和摩擦倾角交互作用的实际意义。

3 结论

1)摩擦电荷与棉种水分成反比关系,即Q=aω+b;

2)摩擦电荷与摩擦倾角成2次曲线关系,即Q=aα2+bα+c。

摘要：摩擦带电特性研究对大粒种子有效的清选分级和农业物料的储存和运输过程中的防灾减灾具有十分重要的意义。为此,对3个品种的棉种进行了不同水分和不同摩擦倾角的摩擦带电特性研究,分别建立了摩擦电荷与棉种水分、摩擦倾角的关系,并分析了其成因。研究表明,棉种的摩擦电荷与水分成反比关系,与摩擦倾角成2次曲线关系。

关键词：棉种,摩擦带电,水分,摩擦倾角,测定

参考文献

[1]Guru,B.S.Electromagnetic Field Theory Fundamental,Sec-ond Edition[M].北京:机械工业出版社,2005:150-151.

[2]董怡为.谷物的摩擦带电特性研究[J].农业机械学报,2006,37(8):33-37.

滚动传动系统摩擦特性探讨 第6篇

滚动传动系统由于制造工艺较为成熟、方便安装与维护、使用可靠性高而在现代机械中广泛应用。典型的滚动传动系统部件有滚动轴承、滚珠丝杠、滚动导轨等, 都是借助滚动体将运动部件间的滑动摩擦转变为滚动摩擦, 显著提升了系统的传动效率, 但摩擦仍是系统的主要能量消耗途径, 对系统的伺服性能、传动精度以及使用寿命等造成严重影响。本文选择典型部件为研究对象, 综合考虑多方面因素, 对滚动传动系统摩擦特性进行了专门的分析和探讨, 希望有关论点能对其进一步深入的研究起到一定的积极作用。

1 分析

1.1 滚动轴承

滚动轴承的摩擦力矩是在其工作接触面间存在滚动、滑动现象而产生的阻碍轴承正常运转的阻力矩, 既包括因材料的弹性滞后引起的纯滚动, 也包括滚动体、保持架等运动部件在接触面上的各种滑动, 以及所添加的润滑剂产生的粘滞效应。若以 μ 为摩擦系数, F为轴承所受负荷, d为轴承内径, 则滚动轴承摩擦力矩M1一般计算式为:

可见, 摩擦阻力矩随着其滚动体尺寸的增大而变大, 另外也和所承受的载荷成正比例关系, 因而对于担负重载的大规格滚动轴承就有较大的摩擦损耗。

影响滚动轴承摩擦力矩的因素较多, 可按其来源大致分成2 部分:一个是外在条件, 主要指轴承的工作环境状况, 也指轴承的质量检测和维护保养情况;另一个是内在条件, 主要包括轴承的结构设计特征、部件加工精度和安装调试水平等, 各个因素之间相互联系、相互作用, 其中的内在影响因素决定了力矩大小和波动平均值, 外在因素对力矩的均匀性和波动大小影响较大。滚动轴承摩擦力矩具有非线性特性, 由于受众多非线性因素的影响, 是一个非平稳的周期性的随机过程, 具有不确定的强烈波动和趋势变化。

1.2 滚珠丝杠

滚珠丝杠副主要由丝杠、螺母、滚珠和反向器组成, 使传动和定位在同一个零件上实现, 既可把旋转的角位移转换成线位移, 也可把直线运动推力转化为旋转扭矩。由于滚道的特殊性, 滚珠在工作中的运动和受力状态较滚动轴承复杂些, 本质上也是滚动中伴随着滑动, 可视为滚动轴承在滑动丝杠上的“嫁接”, 其球形滚动体与螺旋形滚道的接触情况与滚动轴承比较相似, 在结构上最大的不同是滚珠丝杠副多了滚珠返向装置。滚珠丝杠副的摩擦力矩是指各类阻碍滚珠和丝杠工作运动的摩擦所形成的阻力矩, 其中主要包括:滚珠与丝杠及螺母上的内、外螺旋滚道之间的摩擦 (包括弹性) 以及滚珠之间的摩擦, 滚珠在返向器中的摩擦 (包括滚珠进出返向器的和滚珠在返向滚道中的摩擦) 以及润滑剂的粘滞作用等, 其中的阻碍运动形式有滞后滚动、差动滑动、自旋滑动及冲击碰撞等多种性质和类别。由于滚珠丝杠副中没有保持架, 工作中的滚珠之间难免会产生推挤作用, 这会使其摩擦力矩呈现出随机的波动性, 另外滚珠在返向器的出入口处的运动会发生较大变化, 也会影响到摩擦力矩的稳定性。

滚珠丝杠副摩擦力矩的影响因素多而复杂, 为对其进行有效控制, 首先, 要合理设计结构关系, 尤其是注意优化反向器滚道的空间曲线;再者, 要控制其制造工艺, 既要提高丝杠、螺母、滚珠、反向器等部件的尺寸和形状加工精度, 也要改善滚道和滚珠的表面粗糙度;另外, 应科学调整有关间隙, 确保安装质量;还有就是恰当的选用润滑剂并及时维护与保养。

1.3 滚动导轨

滚动直线导轨副是一种可以进行相对往复直线运动的滚动支承, 类似滚动轴承是以滑块和导轨间的滚动体 (钢球) 滚动来代替直接的滑动接触, 类似珠丝杠副其滚道内的钢球能借助反向器实现无限循环。

滚动直线导轨副的摩擦系数小, 产生的摩擦力不大, 其产生的机理也与前述差距不大。一般认为, 滚动体 (钢球) 在工作中与滚道面 (沟槽) 接触时因弹性形变而产生的纯滚动和差动滑动构成了主要摩擦, 另外就是钢球进出反向器时承载量的骤变而带来摩擦的不稳定。再者, 不应忽视钢球沿滚道滚动时发生的自旋现象, 还要注意润滑剂和一些辅助结构形成的阻滞效果。为尽量减小摩擦, 结构设计中宜尽量减少相对运动部件的接触面, 尽量增大曲率比。安装与使用过程中, 应使各部件保持足够精确的相对位置关系, 针对具体工作负载情况而调整相适应的预加载荷。

2 测量

静态力矩 (也称启动力矩) 是指从静止状态到开始相对运动的瞬间所需克服的摩擦阻力矩, 其大小及变化往往能够直接反映出系统许多重要的摩擦特性。这里选用某一具体的数控机床用半闭环进给传动系统, 测量其在空载条件下的启动力矩。

2.1 滚动导轨

在机械传动进给系统中, 滚动导轨直接承载着工作台和工件, 其运动性能直接影响工件的加工质量, 是系统的关键部件, 为研究其个性摩擦特征, 首先将其进行分离检测。通过改变滚动导轨上的紧定螺钉的旋紧量而使预紧力发生变化, 沿滚动导轨的运动方向选定间距相同的多个测量位置点, 依次测量其空载时在不同预紧力作用下的启动力量值, 整理有关数据如表1所示。由表中数据容易看出, 滚动导轨的启动力整体上随着预紧力的加大而增大, 当在整个工作长度上的预紧力一致时其启动力在中部和端部有较明显的变化。若减小端部或加大中部的预紧力, 仍选定原测量位置不变, 可得数据如表2 所示。可见, 采用“中间大, 两边小”的预紧方法, 即让紧定螺钉施加的预紧力从导轨的端部向中部依次递增, 能够较明显地降低导轨起动力, 也可缩减其量值的变动范围, 从而有利于提高导轨运动的灵敏性和平稳性。

2.2 传动系统

为了能探究整个机械传动进给系统的摩擦特性, 以整个滚动传动系统作为实验对象, 拆去工件、联轴器、编码盘及其他附件, 使被测系统主要由轴承、丝杠、导轨及工作台构成, 其中滚珠丝杠副的轴由专用滚动轴承按“固定—自由”式支撑, 其螺母借助螺栓固联到滚动导轨及工作台上。据前述结论使滚动导轨适当预紧的前提下, 测量工作台在不同的位置和不同的运动方向趋势时的启动力矩。在导轨的有效工作行程范围内, 均匀地设置足够多的测量位置点, 用测力计牵拉导轨, 使之断续地从一端的极限位置移动到另一端的极限位置, 依次经过各个设定的位置点, 再反向移动, 仍然倒序的依次经过各测量点, 从而在每个测量点获得2 个数据, 为区分其运动的方向趋势不同, 将其中一个放入括号中, 如表3 所示。若用T代表启动力矩, 则一般认为其包含有静摩擦力矩、预紧阻滞力矩及辅件摩阻力矩Tf等3 部分组成, 即存在经验公式:

式 (2) 中, μM是滚动导轨的最大静摩擦系数;m是工作台及导轨的质量;g是重力加速度;Fp是滚珠丝杠副的预紧力;η是传动效率;τ 是丝杠导程。

通过对所获测量数据的整理及分析可知:

(1) 实际测量到的数值普遍较理论计算结果大些; (2) 在导轨的工作行程中, 距离固定轴承位置较远的测量值偏大; (3) 对于同一测量位置点, 其在远离轴承的运动方向趋势的测量值大多小于接近轴承方向趋势; (4) 不同方向趋势的两组测量数据相比较, 接近轴承方向的测值波动变化幅度更大, 且位于中部的测值偏大; (5) 若相邻位置点测量的间隔时长差距较大, 往往也同样会获得差距明显的测量值; (6) 对同一测量位置点按同一测量方式进行多次重复测量却很难得到非常接近的值, 且首次测量值一般偏大。

(单位:千克力)

(单位:千克力)

（单位：×100㎏f·mm）

3 结语

滚动传动系统的各滚动部件和相配合件之间本质上是面接触状态, 其产生的摩擦是滚动摩擦与滑动摩擦的综合, 其特性不仅直接影响到各部件的工作质量和使用寿命, 更会叠加起来综合影响系统的运行质量和可靠性, 由于其成因表现出高度的随机性、非线性, 既与部件的结构设计、工艺过程、质量控制有关, 还与安装调试、工作状态、环境状况及保养维护等有着直接或间接的关联。为减少摩擦对系统功能发挥的不利影响, 充分挖掘应用潜力, 首先要进行科学的设计、制造与装配, 奠定良好的结构基础;其次就是合理的使用与维护, 尤其是适当的预紧、润滑和速度控制;再者要适时地结合作业环境和个性使用要求进行针对性的改进和完善。

参考文献

[1]刘晓慧, 宋现春.滚珠丝杠副摩擦力矩影响因素及测试方法研究[J].工具技术, 2006 (6) :59-61.

[2]张佐营.高速滚珠丝杠副动力学性能分析及其实验研究[D].济南:山东大学, 2008.

机械密封摩擦特性影响因素分析 第7篇

1、摩擦系数

摩擦系数一般是通过实验测出摩擦力矩后由下式[3]求出:

式中:Mf—摩擦力矩(N.m)

Pc—密封面比压(M P a)

rm—密封面平均半径(m)

A—密封环带面积(m 2)

因此,影响摩擦系数的因素有摩擦力矩、端面比压和密封面的宽度,而决定摩擦力矩的主要因素是摩擦副材料及工作转速。

1.1 摩擦副材料的影响

摩擦副材料是指动环和静环的端面材料,它是保证密封正常运行和具有足够寿命的重要条件,在某些情况下还往往成为解决密封问题的技术关键[1.4]。

选择摩擦副材料的一个基本要求就是要有良好的耐磨特性和自润滑性能、低的摩擦系数。摩擦系数低,磨损少,密封使用寿命长。例如W C-C o与W C-C o配对就特别适用于磨损磨粒的情况,而在常温常压条件下的清水介质中可选用碳钢与石墨配对。

1.2 转速的影响

转速对摩擦系数的影响很大,通常情况下摩擦系数随转速的升高而减小。在边界摩擦状态下,只要边界膜不受破坏,摩擦系数不随转速而变化。由于转速升高,摩擦产生的热量会使表面变形,甚至使表面熔化。在混合摩擦状态下,摩擦系数随周速的变化关系,应视固体—边界—流体摩擦的分担比的不同而有所不同[1](都是在密封设计良好的粘着磨损情况下)。

前苏联学者克拉克盖尔斯基等人[5]所作的摩擦试验研究得出的结论认为:摩擦在不同载荷下随速度的增大都要通过一最大值。摩擦力与速度的关系可表示为F=(a+bV)e-cu+d,其值随摩擦材料和载荷大小而定。从上式可以看出,当速度V较小时,摩擦系数随转速升高而增大;而当速度V较大时,摩擦系数随转速升高而降低。

1.3 端面比压的影响

端面比压Pc说明微凸体的承载能力,其表达式如下:Pc=Ps p+(k-km)Ps。在机械密封的结构形式及型号选定的情况下,端面比压主要由弹簧比压和密封面压差所决定,而这两个因素也决定着密封面比载荷P k。

理论上摩擦系数与载荷无关,但实际上摩擦系数是随着密封面载荷的增大而减少[6.7]。对于固体摩擦,由于实际接触面积随载荷变化,摩擦力也随真实接触面积而改变,摩擦系数与载荷成反比,这是属于弹性接触。当载荷较大,两接触面处于弹塑性状态时,真实接触面积随载荷的变化相对较小,故摩擦系数变化不大,载荷大到使两表面的接触面积与法向载荷成正比时,摩擦系数就与载荷无关。

在这三个影响因素中,最重要的是摩擦副材料的组对,如果材料选择不当,无论转速升高或端面比压增大,都只能导致磨损加剧,摩擦系数增大。

2、摩擦特性准数与摩擦系数的关系

2.1 摩擦特性准数G的定义

摩擦特性准数是液膜粘性力与液膜负荷的比值,它是表征液膜形成难易程度的无量纲特性值,即[3.4]:

式中:μ—密封流体粘度(P a.s)

v—密封面平均线速度(m/s)

W—端面承受的总负荷(N)

G值越大,表示越容易形成液膜,相应的液膜厚度也越大。

2.2 摩擦特性准数与摩擦系数的关系

为了控制密封面的摩擦工况,通常采用摩擦系数、膜厚或工作间隙与工况参数的关系曲线来反映摩擦工况和摩擦工况的变化。前人经过实验和理论分析,发现工况参数G与摩擦系数f有如下关系[3]:

当G≥1×10-6时,=常数,此时密封面有较厚的液膜,两个密封面被液膜完全隔开,处于流体润滑状态,符合流体润滑学说。在G=(0.1～1)×10-6范围内,≠常数,此时密封面处于边界润滑或半流体润滑状态。

从上述可知,机械密封的工作状况首先是取决于密封面的摩擦状态。在机械密封实践中常利用摩擦系数结合工况参数来区分摩擦状态,并且还利用摩擦系数来计算摩擦功耗、发热量和端面温度,从而对机械密封采取相应的温度和压力控制措施,保证密封长期、稳定地工作。

2.3 对摩擦状态的判断

润滑是同摩擦、磨损作斗争的一种手段,除干摩擦外,密封接触面一般均处于某种润滑状态下。因此,对密封面的摩擦状态的判别是非常重要的。

要判断机械密封的摩擦状态,必须将摩擦系数与摩擦特性准数结合在一起,利用摩擦特性才能确切地判断摩擦状态。由机械密封的理论,可以采用流体膜承载比kf(流体膜承载能力与总承载能力之比)或流体膜承载的百分率和相对膜厚λ作为摩擦状态判据[2]。其中流体膜承载比kf为:

一般地,密封面载荷Pg是由流体膜承载能力Wf、边界分子膜承载能力Wc和表面微凸体接触能力Wd共同承受的,即:W=Wf+Wc+Wd=Pg。

因此,流体摩擦状态下,密封面不接触,接触承载能力Wd=0。于是W=Wf,Pm=Pg,Km=Kg,此时流体膜承载比kf=1。

在边界摩擦状态下,无流体膜承载能力,Wf=0。于是Pm=0,Km=0,此时流体膜承载比kf=0。

在混合摩擦状态下,密封面总载荷一部份由液膜承担,另一部份由微凸体承担,Wf<W,Wf≠0。此时流体膜承载比1﹥kf﹥0。

而相对膜厚为液面最小厚度与综合表面粗糙度之比,即λ=h/σ.平均厚度

从公式可得出结论:当λ减小时,kf减小,ho减小,而摩擦系数增大;相反当λ增大时,kf增大,ho增大,而摩擦系数减小。具体判据如下:

3、结束语

机械密封是应用最广泛的旋转轴与机体之间的密封装置。对机械密封端面的摩擦特性的深入分析,将对保证机械密封工作的稳定性、延长其使用寿命、降低成本等有着重要意义。文章对摩擦系数、工况参数等因素进行了分析,在设计时应综合考虑各种影响因素。

摘要：机械密封的摩擦状态决定了密封性能的好坏。本文综合分析了摩擦系数及摩擦特性准数等因素对摩擦特性的影响,为机械密封的设计和摩擦状态分析提供了参考依据。

关键词：机械密封,摩擦系数,摩擦特性,准数

参考文献

[1]顾永泉.机械端面密封.石油大学出版社.1994

[2]顾永泉.化工机械.Vol.24,No.4,P237～243

[3]Mayor.Mechanical Seals,1979.

[4]陈匡民等.流体动密封.成都科技大学出版社.1990

[5][苏]克拉盖尔斯基等.摩擦磨损计算原理.机械工业出版社.1992

[6]温诗铸.摩擦学原理.清华大学出版社.1990