摩接衬垫的磨损与钢丝绳表面状态的关系

近年来,摩擦式提升机因其体积小设备轻得到了越来越广泛的应用。摩擦式提升机是依靠提升钢丝绳和摩擦衬垫之间的摩擦力来传递动力的，因此希望摩擦系数越大越好。钢丝绳与摩擦衬垫直接接触时摩擦系数较大，但是钢丝绳的钢丝裸露在外面，其抗锈蚀的能力将大大降低。为解决这个问题通常在钢丝绳的表面和麻芯里都涂、浸了增摩型防锈油脂,即戈培油，以便在储运和使用中对钢丝绳起保护作用,同时又不至于使摩擦系数降低太多但现场测试结果证明,该摩擦副的摩擦系数随钢丝绳表面上的戈培油量增多而降低,并提出应严格控制钢丝绳上的涂油量,否则将降低摩擦系数。但是涂油的钢丝绳和不涂油的钢丝绳对衬垫磨损的影响相差很大，而目前还没有发现这方面的研究报道,因此有必要对这两种情况下的磨损机理作进步的研究。

1.实验方法及结果

实验台的工作原理如附图所示。试验时，砝码的重量通过杠杆作用以法向压力的形式加在上试块上。在杠杆下悬挂不同的砝码来调节钢丝绳-村垫之间的压力。滑速由变压器控制的直流电机调节。由计数器来统计钢丝绳往复运动的次数,进而换算为磨损行程，本次试验行程取100m。试验压力分别取1MPa2MPa3MPa。钢丝绳的张紧力取其破断力的1/7~1/8,为3kN这些参数都与现场提升时钢丝绳在衬垫上的状态-致或相当。所用两根钢丝绳直径均为56mm,格均为6X19纤维绳芯，其中一恨为涂戈培油的，另一恨为干净的。以前有人作类似的试验时认为,把涂油的钢丝绳用金属清洁剂清洗后再用清水煮洗即为干净的钢丝绳。但我们认为，由于钢丝绳的空间螺旋结构，即使经过如此处理仍难彻底清除油污。故本次试验所使用的钢丝绳是定做的新绳，表面及绳芯没有涂、浸任何东西磨损量由光学天平称得该天平的精度为0.1mg,所得结果如附表所列。

2、分析与研究

从附表可看出,在相同的试验条件下,干绳对衬垫的磨损量比油绳要大得多,而且随着负荷的增大越来越明显。钢丝绳与村垫对摩时,其磨损形式比较复杂。由于钢丝绳表面状态的不同,其磨损形式的组成和主导磨损形式都有所不同。因此必须从磨损机理入手,在分析清楚钢丝绳表面状态对各种磨损。形式的影响的基础上，确定干绳和油绳磨损形式的组成及其主要的磨损形式。

该摩擦副中,重要的磨损形式有3种:粘着磨损疲劳磨损、磨粒磨损。下面分别讨论。

2.1 粘普磨损

当钢丝绳与村垫接触时,钢丝绳的绳股压入衬垫的绳槽之中，负荷所产生的法向力由凹凸不平的村垫表面顶端承受。在这些接触点上,局部应力很大，两表面靠得很近。由于范德华力的存在，两表面的原子互相吸引,产生粘结点即所谓“冷焊”钢丝绳要相对于村垫运动，就必须破坏这些粘接点。而钢丝绳的强度和硬度都比村垫大得多，故磨损仅在村垫一侧摩擦表面分子吸引力的大小与分子间的距离有密切关系，通常情况下分子吸力与距离的7次方成反比。当钢丝绳上有一层油膜存在时,两摩擦表面被油膜隔开，只有少部分凸峰在较大的压力之下其表面油膜破裂而接触在一起，其摩擦表面间分子吸引力比没有油膜时要小得多,故粘接点的形成很困难，数量也少;而干绳由于两摩擦表面直接贴靠在一起，分子间吸引力大，故粘接点的形成较容易,数量也多。对粘着磨损的磨损量可用阿查德方程计算:在摩擦过程中村垫表面的温度也很高，这主要是由于耗散的摩擦能大部分转化为热量,而村垫所用材料聚氨酷的导热系数很小，大部分热量集中在村垫的表层，使表层温度升高,造成村垫表面的软化和熔化。从资料可以计算出村垫在不同压力之下的表面温升在1~3MPa 的正压力下,计算结果为50~75C，在这样的温度下聚氨醋材料将发生热降解,引起衬垫表面的软化。需要指出的是,计算出的表面温度是整个表面的宏观温度，在接触峰点上的真实温度要高得多,以致于引起峰点的熔化。发生软化的材料和熔化的峰点在摩擦过程中将向钢丝绳表面转移,形成热粘着磨损。当钢丝绳表面有一层油膜材料很难粘附于钢丝绳之上，故转移膜不易形成，热粘着效应较微弱;而干绳表面可以被熔融的聚氨酷所浸润，在干绳和村垫的摩擦过程中村垫材料向钢丝绳的粘着转移很明显,热粘着磨损较严重。从以上分析中可知，油绳的粘着磨损主要是由“冷”造成的而干绳的粘着磨损则是“冷焊”与“热焊”同时并存,并且干绳的“冷焊”作用比油绳要大1~2个数量级就粘着磨损而言,干绳对村垫的磨损量比油绳的要大很多倍。

2.2 疲劳磨损

钢丝绳相对村垫的运动为往复运动，既有沿绳长方向的滑动,又有沿周向的滑动。衬垫表面的微凸体与钢丝绳表面的微凸体来回碰撞,在村垫的次表层中产生交变的疲劳应力,在次表层的薄弱环节处引起疲劳裂纹,并逐渐扩展,最后断裂形成疲劳磨损。在该种磨损形式的初期阶段是形成微裂纹，无论有无润滑油存在，循环应力均起主要作用，裂纹萌生在表面或表层,但很快扩展到表面。此后,润滑油的存在将对裂纹的扩展起重要作用。在该摩擦副中油膜的存在抑制了裂纹的继续扩大。此外，由于干绳和村垫之间没有油膜润滑，其摩擦力也比较大,而摩擦力所引起的拉应力促使裂纹扩展加速,并使最大剪应力位置趋于表面，从而增加了凸峰疲劳断裂的机会。由于本次实验使用的是戈培油,摩擦系数降低不大，故在正压力相等时摩擦力也相差不大就疲劳磨损而言，干绳和油绳对村垫的磨损率相差不大。

2.3 磨粒磨损

在摩擦过程中，钢丝绳上的凸出体在正压力的作用下压入村垫一定深度,并沿村垫滑动而引起磨粒磨损。该磨损包括两方面的作用，即微观切削和型沟效应。微凸体作用在村垫上的力可分为切向力和法向力，当角度合适，即迎角大于临界迎角时,微凸体象刀具一样对衬垫表面进行切削,并产生切屑，这就是微观切削作用。另外一部分微凸体只是把材料推向前边和两旁,材料未被切削,只产生塑性变形，经反复塑变而造成脆性断裂，这就是犁沟效应。故全部磨损量可用下式表示率沟效应所造成的磨损与被磨材料的弹塑性有很大关系。材料的弹性模量越小,韧性越差,由犁沟所造成的塑性变形就越大,发生脆性剥落的概率也越大;反之，当材料的弹性、韧性较好时,由犁沟效应所造成的磨损就小。聚氨酷材料的玻璃化温度低于室温，所以在平时呈现高弹态，其弹性模量较小，般情况下约为36.2MPa而且其分子平时星蜷曲状,受力后被拉直,外力消失后又恢复原状,故弹性、韧性均较好,受犁沟效应而造成的磨损很小。不管是干绳还是油绳w.在总磨损量中所占比重都很小因微凸体切削所造成的磨损可用下式计算，由上式可见，当载荷、滑动距离和摩擦副材料一定时,磨损量与迎角及有很大关系。角是指磨料和材料表面接触时同表面间的夹角。当迎角超过临界迎角B时，才能产生切屑，否则只能产生塑性犁沟，而临界迎角的大小同摩擦副之间的润滑状态有关。当钢丝绳上有一层油膜存在时,微凸体之间的微观摩擦系数降低，从而导致临界迎角的变大。而微凸体的切削绝大部分是负前角切削临角的变大使其切入衬垫材料的可能性大大降低，从而导致参加切削的微凸体个数的概率广的减少而干绳由于没有油膜润滑，其临界迎角要比油绳小,故其切削磨损率比油绳要高。从以上分析可知,在粒磨损情况下,干绳对衬垫的磨损率比油绳高。实验之后，在JEM-200CX电镜之下对磨损后的钢丝表面作出进一步的分析,得二次电子像图。从图中可以看出,不论干绳还是油绳,其表面均依附了一层薄膜，表明粘着磨损在两种摩擦状态下均存在。从钢丝绳与村垫的运动为往复运动可知，疲劳磨损在两种摩擦状态下也都存在。在摩擦过程中，当使用干绳作实验时可明显看出有大量切屑产生，磨损后的衬垫表面有明显的划痕,表面在干绳对衬垫的磨损中磨粒磨损占据主导地位;而在使用油绳作实验时，实验过程中看不出有明显的磨屑出现，且实验后的衬垫表面也没有犁沟和划痕,说明在使用油绳时磨粒磨损很少,甚至可忽略不计。由此可知,油绳对村垫的磨损主要是疲劳磨损和粘着磨损,而干绳对村垫的磨损是粘着磨损、疲劳磨损和磨粒磨损三者并存,磨粒磨损是主要的磨损形式。前已述及，粘着磨损时干绳对衬垫的磨损率比油绳高1~2个数量级，而且干绳摩擦时磨粒磨损又占有重要成分，故在实验后的结果中干绳对衬垫的磨损量要比油绳的大好多倍。

3、衬垫的性能要求

衬垫的用途十分清楚的表明,摩擦系数是衬垫最重要的一项性能参数。从使用角度考虑,衬垫应具备

以下3 个主要性能:(1)摩擦系数要高。根据目前国内衬垫制造业的水平,许多摩擦系数应该在 0.20 以。(2)摩擦系数应具有随钢丝绳蠕动速度的提高呈上升趋势的特点,以保证意外情况引起非正常滑动时滑动速度收敛。

(3)热稳定性好。当意外情况引起非正常滑动导致衬垫绳槽表面温度升高时不能熔化，且摩擦系数应保持稳定。

除此之外,衬垫还应有足够的强度,内部组织均匀,不能有缺陷,耐油耐水,长期接触油脂和水性能保持稳定,不损伤钢丝绳,不含污染环境、有害人身健康的物质以及切削性能好等。

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