摩擦提升机衬垫粘弹性性能分析与参数的测量

利用粘弹性观点分析了矿并提升机的重要摩擦副一提升钢丝绳问摩擦衬垫构成的摩擦副的一些特性,建立了摩擦副的粘弹性模型。利用平面法测试装置对工程口实际应用的摩擦副进行了实验室测量,得到了相应的粘弹性参数,按照粘弹性的观点对一些工程问题进行了解释,从应用角度提出了材料设计的一些物理性能指标。

一、问题的提出

摩擦提升机的运行速度较高，提升的 载荷较大，其提升力产生于提升钢丝绳同摩擦衬垫的摩擦。由于摩擦衬垫是粘弹性体，按粘弹性观点在平面法实验台上得到的摩擦衬垫摩擦因数速度特性如图1所示，当速度为零时，静摩擦因数不为零，此时，摩擦提升机可完全停下来,较好地解释了该设备的实际工作状况。本文从材料粘弹性的物理特征出发，首先建立衬垫材料的粘弹性本构方程，对常用衬垫的粘弹性参量在自行设计的实验机上进行了测量，最后按粘弹性的观点分析了提升钢丝级与摩擦村势的实际工况，指出了粘性滑动弧、弹性沿动弧、静止弧及真实滑动的摄念以及定量计算的初步算法。

二、村垫粘弹性数学模型

摩擦提升机衬垫常用的材料有:聚氨醋PVC或其复合物，它们均是粘弹性材料，即它既具有粘性流体的某些特性(在外力作用的一定时间内),又具有弹性固体的特性，而且，其粘性特点引起的变形占总变形量的比例不可忽略，当摩擦村垫发生变形时，一部分能量以弹性能的形式被储存起来，而另一部分能量则以热的形式耗散掉。为了深人研究和分析村垫的摩擦特性，首先建立衬垫材料的粘弹性模型。

为了分析衬垫材料的粘弹性变形规律将 衬垫看作是均质的不同质点组成，其中一部分质点是纯粘性的，另一部分质点则是纯弹性的每个弹性质点都是一个线性弹资元件，它的弹性模量为 E,而粘性质点则看作是粘度为7的阻尼器，它的形变速度 de/dr 与外力。的大小成正比，与材料的粘性参量7成反比，即 de/dt=o/n,将这些弹性质点与粘性质点进行组合，就可得到村垫变形力学模型下面是各种形式下的粘弹性模型及应力、应变方程：

(1)粘弹性混联模型混联模型是将衬垫看作由 3个质点元件构成的,这3个元件可有多种组合形式，这些组合有些退化为一元模型或二元模型，如 3个元件完全申联或全部并联等，其中具有实际意义的有如下4 种形式。按模型(c)(d)(e)、()(见图 2(c)(d)(e)(f)) 顺序推导出应力、应变方程。(2)广义力学模型广义力学模型是由几个环节组成的模型，它是由一个弹簧元件、n一2个模型(b)申联而成的(见图 3)应力、应变方程如上几种力学模型基本上能够反映材料的粘弹性变形规律,所选元件的个数越多，与实际工况愈接近，但选的阶数较大时，需要确定的参数则愈多，给实际应用带来麻烦

三、衬垫粘弹性参量的平面法测量

3.1平面法测量装置

将衬垫固定不动，钢丝绳通过一块压板压在衬垫上，它的两端搭在两个滑轮上，在钢丝绳的一端施加一重量，将位移传感器的探头顶在钢丝绳上，也可以顶在压板上，因为压板随钢丝绳一起移动，在没有施加外载荷时钢丝两端的拉力是相等的。拉力和位移用X-Y 记录仪记录下来。根据库仑定律便可计算出钢丝绳没有脱离衬垫之前，衬垫同钢丝绳间的摩擦因数。利用测得的位移参量及其发生位移需要的时间代入式(1) 和式(2)则能够计算出摩擦副的弹性模量 E和粘性参量η在我国使用的摩擦衬垫主要为 PVC 和聚 氨酷，这两种衬垫材料如果在浇铸工艺过程中混合良好，得到的衬垫具有良好的均匀性 和各向同性，在采用平面法测量衬垫同钢丝绳间的摩擦因数时，从得到的测量曲线中可以看到，在阶梯载荷的作用下。

钢丝绳的位移也发生阶梯性的变化，同时在每个阶梯上仍有粘性引发的变形，变形为两种变形之和,为一典型的串联模型，为了简化模型采用一阶模型，在摩擦界面上引起弹性变形和粘性变形的应力是相等的，这也同串联模型的物理意义相一致，照此观点也可对国产PVC 村垫及聚氨醋衬垫的摩擦学特性参数弹性模量E和粘性参量》进行测量。在这里用很低的拉力，就能测出位移量在加载曲线的开始阶的位移为弹性变形，而随时间变化的位移为粘性位移，也就是说村垫为一粘弹性物体在变形特性中其粘性也占有相当大的比例，在分析及处理其摩擦效应时应考忠粘性作用。这时发生的随时间变化的位移是材料粘性特性的表现，实验时这个粘性变形约持续100s，在前 50s，变形是均速的，随后变形速度愈来愈小，最后停止变形。按照式(1)、(2)计算得到 E、η。

四、村垫粘弹性观点在摩擦提升机的应用

(1)利用粘弹性观点去解释由塑料、橡胶等粘弹性物质组成的摩擦副的特性，更能反映物理现象的实质，同时也为精确测量低滑 速下的摩接因数莫定了理论基础。在低滑速度的关系时，测量到的速度是粘性滑动速度同真实滑动速度之和，将测量速度减去相应测试载荷下的粘性滑速，才是真实的相对滑动速度。或进行延时处理，待粘性滑动完全结束后(延时100 s 以上)再采集数据。

(2)按照粘弹性观点分析滑动范、静止弧得到如下结论，首先在整个接触范围内，存在粘性滑动弧a(参见图 4)，其自钢丝绳趋入点始至钢丝绳离开摩擦轮止:

存在弹性滑动弧，其自钢丝绳的趋人点始至钢丝绳弹性变形结束点止;存在无滑动弧，其等于围包角减去弹性滑动弧。这同由纯弹性观点得到的滑 动驱与静止弧是有值差别的。从力的传逆角度看，在整个接触范围内，存在着粘性力的传递，在弹性滑动(又称为蠕动)范围内，即有弹性滑动引起的力的传递，又存在粘性力产生的力的传递。从磨损的观点上分析，在整个接触区存在粘性滑动产生的极微小的磨损，又在弹性滑动区间产生滑动磨损。从能量观点上看，在整个接触范围内有粘性引起的能量损耗，在弹性滑动区既有粘性引起的能量损耗又有相对滑动引起的能损耗。

3)为了使粘弹性副获得优异的性能，可采用复合结构型材料，如在摩擦式提升机中，德国制作了一种夹心衬垫，这种村垫较硬的部分具有较好的耐磨性及较高的刚度，有利于减少摩擦副的能耗。而为了提高摩擦副的摩擦因数，则采用较软材料，以增加钢绳在与其接触范围内的机械嵌合，从而提高摩擦副的摩擦因数并减少其离散程度。

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