鄭強(qiáng)國(guó) 郭永波 任 露 趙淑琳

江蘇師范大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 徐州 221116

0 引言

摩擦式提升系統(tǒng)作為礦山生產(chǎn)中井下與地面物料及人員運(yùn)輸關(guān)鍵設(shè)備，其鋼絲繩與襯墊的摩擦力穩(wěn)定性直接關(guān)系到礦井生產(chǎn)安全，摩擦襯墊為摩擦力的直接提供者，目前所應(yīng)用的襯墊型號(hào)多為K25、G30和GM-3，3者均為高分子聚合物，具有典型的黏彈特性。研究表明，摩擦系數(shù)的減小會(huì)增加鋼絲繩與內(nèi)襯之間的滑動(dòng)，有利于縮小動(dòng)態(tài)張力范圍。鋼絲繩縱向振動(dòng)的增加將減小鋼絲繩與內(nèi)襯之間的摩擦力，橫向振動(dòng)減小了包角的實(shí)際接觸面積?；喦悬c(diǎn)處橫向位移的增大，減小了跟繩在包角處的摩擦力，增加了摩擦力的不穩(wěn)定性。鋼絲繩與襯墊的實(shí)際摩擦行為為黏-滑過程。此外，礦井工況易使摩擦配副產(chǎn)生水、油以及煤粉混合的復(fù)雜潤(rùn)滑介質(zhì)，不同潤(rùn)滑條件下的摩擦黏滑行為直接關(guān)系到摩擦力的穩(wěn)定性，特別是針對(duì)目前大型礦井的發(fā)展，高速、重載工況下的提升機(jī)鋼絲繩與摩擦襯墊配副將產(chǎn)生更為復(fù)雜的摩擦行為[1，2]。

馮存傲等[3-5]提出了基于弧面法測(cè)量提升機(jī)摩擦襯墊摩擦系數(shù)的方法，分析了摩擦襯墊黏彈性對(duì)接觸界面磨損行為的影響，修正了動(dòng)態(tài)提升工況下摩擦傳動(dòng)的歐拉公式。對(duì)鋼絲繩與摩擦襯墊間黏著界面的摩擦過程進(jìn)行了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)觀察，發(fā)現(xiàn)黏著由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)決定，而鋼絲繩和襯墊的相對(duì)位移則用來確定黏著摩擦力的大小。滯后摩擦由襯墊的內(nèi)部變形反映出來。通過動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)黏彈性滑移和摩擦界面溫度來分析摩擦和磨損機(jī)理。張超[6]結(jié)合摩擦襯墊的現(xiàn)實(shí)使用工況設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，對(duì)現(xiàn)有襯墊材料在摩擦磨損測(cè)試儀上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)摩擦襯墊的摩擦系數(shù)、磨損率隨實(shí)驗(yàn)載荷的增大而增大，隨滑動(dòng)速度的增大而減小。孫換等[7]利用SC-V摩擦襯墊試驗(yàn)機(jī)，模擬了干凈和涂脂狀態(tài)下鋼絲繩對(duì)襯墊摩擦性能的影響，發(fā)現(xiàn)干凈狀態(tài)下，同向捻鋼絲繩對(duì)襯墊的摩擦因數(shù)均大于交互捻鋼絲繩；圓股鋼絲繩對(duì)襯墊的摩擦因數(shù)均大于壓實(shí)股鋼絲繩；與干摩擦條件相比，涂脂狀態(tài)下摩擦因數(shù)均有所下降。封士彩等[8]分析了影響鋼絲繩與襯墊間磨損的因素，提出減輕鋼絲繩與襯墊間磨損的措施。于永立[9]針對(duì)鋼絲繩在摩擦提升機(jī)襯墊表面打滑工況，研制襯墊與鋼絲繩摩擦試驗(yàn)臺(tái)，開展滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)；結(jié)合襯墊繩槽磨損表面的微觀形貌，探析了襯墊的摩擦損傷機(jī)理。郝田青[10]采用GM-3摩擦襯墊與高強(qiáng)度透明鋼化玻璃為摩擦副，在Rtec摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行往復(fù)滑動(dòng)摩擦試驗(yàn)，并利用灰度法計(jì)算接觸界面的實(shí)際接觸面積，探究GM-3摩擦襯墊的磨損機(jī)理。

通過上文所述可知各專家學(xué)者對(duì)黏著滑移行為研究較少，對(duì)于有煤粉、淋水、油脂等介質(zhì)的實(shí)際工況模擬實(shí)驗(yàn)鮮有報(bào)道。因此，本文通過對(duì)G30、GM-3和K25摩擦襯墊進(jìn)行在不同接觸載荷、滑移速度、潤(rùn)滑條件以及煤粉規(guī)格的試驗(yàn)，研究了鋼絲繩與摩擦襯墊不同配副界面下的黏滑特性及其變化規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)過程

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

1）實(shí)驗(yàn)材料 實(shí)驗(yàn)材料為G30摩擦襯墊、GM-3摩擦襯墊、K25摩擦襯墊。摩擦襯墊相關(guān)參數(shù)性能如表1所示。摩擦襯墊的尺寸如圖1所示。采用6×19S+IWR型號(hào)的鋼絲繩。

表1 摩擦襯墊性能參數(shù)

圖1 摩擦襯墊的尺寸

2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備 鋼絲繩與摩擦襯墊之間的提升試驗(yàn)機(jī)如圖2所示。鋼絲繩通過電動(dòng)液壓缸實(shí)現(xiàn)加載，通過兩側(cè)的張力傳感器獲得鋼絲繩張力，通過下方齒輪傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)襯墊與鋼絲繩的滑移，兩側(cè)張力的差值即所測(cè)摩擦力。

圖2 鋼絲繩與襯墊微滑移試驗(yàn)裝置圖

1.2 實(shí)驗(yàn)過程

使摩擦襯墊在單一變量下進(jìn)行試驗(yàn)，分別用G30、GM-3、K25這3種材料的摩擦襯墊在不同滑移速度、不同接觸接觸載荷、不同潤(rùn)滑條件和不同煤粉規(guī)格下進(jìn)行試驗(yàn)。具體參數(shù)如表2所示。

表2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 不同潤(rùn)滑條件對(duì)摩擦系數(shù)的影響

圖3為3種材料在不同潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)折線圖，圖示3種材料在干摩擦狀態(tài)下的摩擦系數(shù)最大，淋水狀態(tài)下次之，在油脂添加下的摩擦系數(shù)最小。其中，G30在干摩擦狀態(tài)下的摩擦系數(shù)較大，均值在0.8以上，其干摩擦狀態(tài)下的摩擦系數(shù)與淋水、水油混合及油脂狀態(tài)下的差別較大，而GM-3的摩擦系數(shù)在4種狀態(tài)下相差不大。

圖3 不同潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)折線圖

圖4所示為3種材料在不同潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)柱狀圖，圖示3種材料在不同的潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)都受到影響。其中，干摩擦狀態(tài)下3種材料的摩擦系數(shù)在4種潤(rùn)滑條件中均為最大。干摩擦狀態(tài)下3種材料的摩擦系數(shù)變化較大，淋水、涂脂、水油混合條件下3種材料的摩擦系數(shù)變化值不大，水介質(zhì)下K25襯墊摩擦系數(shù)最大，G30摩擦系數(shù)最小。涂脂條件下K25摩擦系數(shù)最大。

圖4 不同材料在不同潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)柱狀圖

2.2 不同條件下對(duì)黏著滑移比的影響

1)黏著滑移比

如圖5所示，隨著時(shí)間的推移，鋼絲繩與摩擦襯墊之間的摩擦系數(shù)逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)。在150 s穩(wěn)定狀態(tài)下連續(xù)的5個(gè)周期中，取每個(gè)周期的黏著時(shí)間與滑移時(shí)間，其中黏著時(shí)間等于黏著結(jié)束時(shí)間減去黏著開始時(shí)間，滑移時(shí)間等于滑移結(jié)束時(shí)間減去滑移開始時(shí)間（黏著結(jié)束時(shí)間=滑移開始時(shí)間），將5個(gè)周期的黏著、滑移時(shí)間分別相加后取平均值，所得到的2個(gè)平均值相除，即黏著時(shí)間/滑移時(shí)間=黏著滑移比。將不同的黏著滑移比進(jìn)行比較，分析其中的原因。

圖5 黏著滑移比劃比曲線

2)不同接觸載荷對(duì)黏著滑移比的影響

圖6所示為3種材料在不同接觸載荷下的黏著滑移比。G30的黏著滑移比隨著比壓的增大呈線性增大，且其受比壓大小變化的影響較小。GM-3、K25的黏著滑移比隨著比壓的增大呈V形變化。各個(gè)材料均需要一定的壓強(qiáng)才能保證襯墊能夠體現(xiàn)較高的黏性，以提供充足摩擦力。

圖6 不同接觸載荷下的黏著滑移比柱狀圖

3)不同滑移速度對(duì)黏著滑移比的影響

圖7所示為3種材料在不同滑移速度下的黏著滑移比。G30、GM-3的黏著滑移比隨著滑移速度增大呈V形變化，且G30黏性更強(qiáng)。在7.50 mm/s下黏著滑移比最小。K25摩擦襯墊在不同滑移速度下黏著滑移比數(shù)值穩(wěn)定，均在0.25上下波動(dòng)。K25在不同的滑移速度下的黏著滑移比均為最低。

圖7 不同滑移速度下的黏著滑移比柱狀圖

4)不同潤(rùn)滑條件對(duì)黏著滑移比的影響

圖8所示為3種材料在不同潤(rùn)滑條件下的黏著滑移比。G30、K25在干摩擦狀態(tài)下的黏著滑移比最大，淋水與水油混合狀態(tài)下的黏著滑移比數(shù)值相近，涂脂狀態(tài)下的黏著滑移比最小。GM-3、K25在干摩擦和其他3種條件下的摩擦系數(shù)變化較大。3種材料的黏著滑移比在干摩擦、淋水、水油混合和涂脂狀態(tài)下均依次減小，在水油混合、涂脂狀態(tài)下變化較小。在干摩擦狀態(tài)下GM-3的黏著滑移比最大，K25次之，G30最小。GM-3黏性更好，在各類潤(rùn)滑條件下可以提供更足的摩擦力。

圖8 不同潤(rùn)滑條件下的黏著滑移比柱狀圖

5)不同煤粉規(guī)格對(duì)黏著滑移比的影響

圖9所示為不同煤粉規(guī)格下的黏著滑移比。10～20目煤粉在質(zhì)量變化時(shí)黏著滑移數(shù)值變化微小，在0.6上下波動(dòng)；80目煤粉隨質(zhì)量的增大黏著滑移比逐漸減小；200目煤粉隨質(zhì)量增大黏著滑移比先減小后增大。0.05 g、0.1 g、0.5 g煤粉隨著煤粉規(guī)格的增大黏著滑移比先增大再減小；1 g煤粉隨煤粉規(guī)格的增大黏著滑移比先減小再增大。80目以上，其數(shù)值整體隨質(zhì)量減小，顆粒較小時(shí)對(duì)于黏滑的影響較小，80目以上影響顯著，較少的煤粉可增加摩擦副的黏性。

圖9 不同煤粉規(guī)格下的黏著滑移比柱狀圖

3 結(jié)論

本文通過對(duì)G30、GM-3和K25這3種摩擦襯墊進(jìn)行在不同接觸載荷、滑移速度、潤(rùn)滑條件以及煤粉規(guī)格的試驗(yàn)獲得鋼絲繩與摩擦襯墊不同配副界面下的黏滑特性變化規(guī)律。在不同潤(rùn)滑條件下，3種材料的摩擦力以及摩擦系數(shù)的變化不同，干摩擦狀態(tài)下的摩擦力、摩擦系數(shù)變化值最大。摩擦系數(shù)也會(huì)隨著載荷以及滑移速度的不同而變化，其數(shù)值在干摩擦、煤粉、淋水、涂脂等潤(rùn)滑條件下依次降低，其中G30摩擦襯墊的摩擦系數(shù)最大。

在不同壓強(qiáng)下，G30黏著滑移比隨比壓的增大而增大，GM-3、K25的黏著滑移比隨著比壓的增大呈V形變化。由此可見，為保證充足的摩擦力，材料需要一定的壓強(qiáng)。在不同滑移速度下，G30、GM-3的黏著滑移比隨滑移速度增大先減小后增大，在7.50 mm/s下黏著滑移比最小。K25摩擦襯墊在不同滑移速度下黏著滑移比數(shù)值穩(wěn)定，均在0.25上下波動(dòng)。在不同潤(rùn)滑條件下，3種材料的黏著滑移比在干摩擦、淋水、水油混合和涂脂狀態(tài)下均依次減小，在水油混合、涂脂狀態(tài)下變化較小。