钢丝绳与摩擦衬垫不同配副界面下的黏滑特性*

郑强国 郭永波 任 露 赵淑琳

江苏师范大学机电工程学院 徐州 221116

0 引言

摩擦式提升系统作为矿山生产中井下与地面物料及人员运输关键设备，其钢丝绳与衬垫的摩擦力稳定性直接关系到矿井生产安全，摩擦衬垫为摩擦力的直接提供者，目前所应用的衬垫型号多为K25、G30和GM-3，3者均为高分子聚合物，具有典型的黏弹特性。研究表明，摩擦系数的减小会增加钢丝绳与内衬之间的滑动，有利于缩小动态张力范围。钢丝绳纵向振动的增加将减小钢丝绳与内衬之间的摩擦力，横向振动减小了包角的实际接触面积。滑轮切点处横向位移的增大，减小了跟绳在包角处的摩擦力，增加了摩擦力的不稳定性。钢丝绳与衬垫的实际摩擦行为为黏-滑过程。此外，矿井工况易使摩擦配副产生水、油以及煤粉混合的复杂润滑介质，不同润滑条件下的摩擦黏滑行为直接关系到摩擦力的稳定性，特别是针对目前大型矿井的发展，高速、重载工况下的提升机钢丝绳与摩擦衬垫配副将产生更为复杂的摩擦行为[1，2]。

冯存傲等[3-5]提出了基于弧面法测量提升机摩擦衬垫摩擦系数的方法，分析了摩擦衬垫黏弹性对接触界面磨损行为的影响，修正了动态提升工况下摩擦传动的欧拉公式。对钢丝绳与摩擦衬垫间黏着界面的摩擦过程进行了实时动态观察，发现黏着由运动状态决定，而钢丝绳和衬垫的相对位移则用来确定黏着摩擦力的大小。滞后摩擦由衬垫的内部变形反映出来。通过动态监测黏弹性滑移和摩擦界面温度来分析摩擦和磨损机理。张超[6]结合摩擦衬垫的现实使用工况设计实验方案，对现有衬垫材料在摩擦磨损测试仪上进行模拟实验,发现摩擦衬垫的摩擦系数、磨损率随实验载荷的增大而增大，随滑动速度的增大而减小。孙换等[7]利用SC-V摩擦衬垫试验机，模拟了干净和涂脂状态下钢丝绳对衬垫摩擦性能的影响，发现干净状态下，同向捻钢丝绳对衬垫的摩擦因数均大于交互捻钢丝绳；圆股钢丝绳对衬垫的摩擦因数均大于压实股钢丝绳；与干摩擦条件相比，涂脂状态下摩擦因数均有所下降。封士彩等[8]分析了影响钢丝绳与衬垫间磨损的因素，提出减轻钢丝绳与衬垫间磨损的措施。于永立[9]针对钢丝绳在摩擦提升机衬垫表面打滑工况，研制衬垫与钢丝绳摩擦试验台，开展滑动摩擦试验；结合衬垫绳槽磨损表面的微观形貌，探析了衬垫的摩擦损伤机理。郝田青[10]采用GM-3摩擦衬垫与高强度透明钢化玻璃为摩擦副，在Rtec摩擦磨损试验机上进行往复滑动摩擦试验，并利用灰度法计算接触界面的实际接触面积，探究GM-3摩擦衬垫的磨损机理。

通过上文所述可知各专家学者对黏着滑移行为研究较少，对于有煤粉、淋水、油脂等介质的实际工况模拟实验鲜有报道。因此，本文通过对G30、GM-3和K25摩擦衬垫进行在不同接触载荷、滑移速度、润滑条件以及煤粉规格的试验，研究了钢丝绳与摩擦衬垫不同配副界面下的黏滑特性及其变化规律。

1 实验过程

1.1 实验材料及设备

1）实验材料 实验材料为G30摩擦衬垫、GM-3摩擦衬垫、K25摩擦衬垫。摩擦衬垫相关参数性能如表1所示。摩擦衬垫的尺寸如图1所示。采用6×19S+IWR型号的钢丝绳。

表1 摩擦衬垫性能参数

图1 摩擦衬垫的尺寸

2)实验设备 钢丝绳与摩擦衬垫之间的提升试验机如图2所示。钢丝绳通过电动液压缸实现加载，通过两侧的张力传感器获得钢丝绳张力，通过下方齿轮传动电动机实现衬垫与钢丝绳的滑移，两侧张力的差值即所测摩擦力。

图2 钢丝绳与衬垫微滑移试验装置图

1.2 实验过程

使摩擦衬垫在单一变量下进行试验，分别用G30、GM-3、K25这3种材料的摩擦衬垫在不同滑移速度、不同接触接触载荷、不同润滑条件和不同煤粉规格下进行试验。具体参数如表2所示。

表2 试验数据

2 实验结果与分析

2.1 不同润滑条件对摩擦系数的影响

图3为3种材料在不同润滑条件下的摩擦系数折线图，图示3种材料在干摩擦状态下的摩擦系数最大，淋水状态下次之，在油脂添加下的摩擦系数最小。其中，G30在干摩擦状态下的摩擦系数较大，均值在0.8以上，其干摩擦状态下的摩擦系数与淋水、水油混合及油脂状态下的差别较大，而GM-3的摩擦系数在4种状态下相差不大。

图3 不同润滑条件下的摩擦系数折线图

图4所示为3种材料在不同润滑条件下的摩擦系数柱状图，图示3种材料在不同的润滑条件下的摩擦系数都受到影响。其中，干摩擦状态下3种材料的摩擦系数在4种润滑条件中均为最大。干摩擦状态下3种材料的摩擦系数变化较大，淋水、涂脂、水油混合条件下3种材料的摩擦系数变化值不大，水介质下K25衬垫摩擦系数最大，G30摩擦系数最小。涂脂条件下K25摩擦系数最大。

图4 不同材料在不同润滑条件下的摩擦系数柱状图

2.2 不同条件下对黏着滑移比的影响

1)黏着滑移比

如图5所示，随着时间的推移，钢丝绳与摩擦衬垫之间的摩擦系数逐渐趋于稳定状态。在150 s稳定状态下连续的5个周期中，取每个周期的黏着时间与滑移时间，其中黏着时间等于黏着结束时间减去黏着开始时间，滑移时间等于滑移结束时间减去滑移开始时间（黏着结束时间=滑移开始时间），将5个周期的黏着、滑移时间分别相加后取平均值，所得到的2个平均值相除，即黏着时间/滑移时间=黏着滑移比。将不同的黏着滑移比进行比较，分析其中的原因。

图5 黏着滑移比划比曲线

2)不同接触载荷对黏着滑移比的影响

图6所示为3种材料在不同接触载荷下的黏着滑移比。G30的黏着滑移比随着比压的增大呈线性增大，且其受比压大小变化的影响较小。GM-3、K25的黏着滑移比随着比压的增大呈V形变化。各个材料均需要一定的压强才能保证衬垫能够体现较高的黏性，以提供充足摩擦力。

图6 不同接触载荷下的黏着滑移比柱状图

3)不同滑移速度对黏着滑移比的影响

图7所示为3种材料在不同滑移速度下的黏着滑移比。G30、GM-3的黏着滑移比随着滑移速度增大呈V形变化，且G30黏性更强。在7.50 mm/s下黏着滑移比最小。K25摩擦衬垫在不同滑移速度下黏着滑移比数值稳定，均在0.25上下波动。K25在不同的滑移速度下的黏着滑移比均为最低。

图7 不同滑移速度下的黏着滑移比柱状图

4)不同润滑条件对黏着滑移比的影响

图8所示为3种材料在不同润滑条件下的黏着滑移比。G30、K25在干摩擦状态下的黏着滑移比最大，淋水与水油混合状态下的黏着滑移比数值相近，涂脂状态下的黏着滑移比最小。GM-3、K25在干摩擦和其他3种条件下的摩擦系数变化较大。3种材料的黏着滑移比在干摩擦、淋水、水油混合和涂脂状态下均依次减小，在水油混合、涂脂状态下变化较小。在干摩擦状态下GM-3的黏着滑移比最大，K25次之，G30最小。GM-3黏性更好，在各类润滑条件下可以提供更足的摩擦力。

图8 不同润滑条件下的黏着滑移比柱状图

5)不同煤粉规格对黏着滑移比的影响

图9所示为不同煤粉规格下的黏着滑移比。10～20目煤粉在质量变化时黏着滑移数值变化微小，在0.6上下波动；80目煤粉随质量的增大黏着滑移比逐渐减小；200目煤粉随质量增大黏着滑移比先减小后增大。0.05 g、0.1 g、0.5 g煤粉随着煤粉规格的增大黏着滑移比先增大再减小；1 g煤粉随煤粉规格的增大黏着滑移比先减小再增大。80目以上，其数值整体随质量减小，颗粒较小时对于黏滑的影响较小，80目以上影响显著，较少的煤粉可增加摩擦副的黏性。

图9 不同煤粉规格下的黏着滑移比柱状图

3 结论

本文通过对G30、GM-3和K25这3种摩擦衬垫进行在不同接触载荷、滑移速度、润滑条件以及煤粉规格的试验获得钢丝绳与摩擦衬垫不同配副界面下的黏滑特性变化规律。在不同润滑条件下，3种材料的摩擦力以及摩擦系数的变化不同，干摩擦状态下的摩擦力、摩擦系数变化值最大。摩擦系数也会随着载荷以及滑移速度的不同而变化，其数值在干摩擦、煤粉、淋水、涂脂等润滑条件下依次降低，其中G30摩擦衬垫的摩擦系数最大。

在不同压强下，G30黏着滑移比随比压的增大而增大，GM-3、K25的黏着滑移比随着比压的增大呈V形变化。由此可见，为保证充足的摩擦力，材料需要一定的压强。在不同滑移速度下，G30、GM-3的黏着滑移比随滑移速度增大先减小后增大，在7.50 mm/s下黏着滑移比最小。K25摩擦衬垫在不同滑移速度下黏着滑移比数值稳定，均在0.25上下波动。在不同润滑条件下，3种材料的黏着滑移比在干摩擦、淋水、水油混合和涂脂状态下均依次减小，在水油混合、涂脂状态下变化较小。