摩擦繫數

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摩擦繫數(Coefficient of Friction)

目錄

什麼叫摩擦繫數[1]

  摩擦繫數是指摩擦力與正壓力的比值叫,以f表示,即
f=\frac{F}{P}

  式中  F——摩擦力,N;

      P——正壓力,N。

摩擦繫數的影響因素[2]

  影響摩擦繫數的因素很多,主要有摩擦副材質、載荷、錶面粗糙度和溫度等。

  1.摩擦副材料性質

  摩擦副的摩擦繫數與其材料密切相關。互溶性差的金屬摩擦副的摩擦繫數較小,一般不易粘著,例如銅與鎳部分互溶,銅與鉬則無互溶。

  2.載荷

  摩擦副的摩擦繫數隨載荷的增加而降低,這是因為實際接觸面積比載荷增加得慢。對於有的非金屬材料,時間對它的摩擦繫數也有影響,如酚醛塑料,見表1所列。

表1 酚醛塑料的摩擦繫數與載荷的關係

試驗條件時間/min
轉速/(r/min)載荷/N510152025303540
摩擦繫數f
800380.060.06O.06O.060.040.040.040.03
136O.11O.110.070.070.050.050.030.03
3180.040.040.030.030.02O.020.02O.02

  註:試驗是在室溫、水潤滑條件下,在環一塊試驗機上進行的。

  3.滑動速度

  在不同工況和材料條件下,滑動速度對於摩擦繫數影響是不同的。

  有些材料隨著滑動速度提高,其摩擦繫數基本不變,例如石墨材料對溫度不敏感,其摩擦繫數幾乎與滑動速度無關;有些摩擦副的摩擦繫數則隨著滑動速度的提高而增大,如聚乙烯玻璃的摩擦。有些摩擦副的摩擦繫數隨滑動速度的提高而出現一最大值,但過了最大值後,又隨著滑動速度的增加而降低,鑄鐵軋輥軋制鉛材就是這種狀況。有些摩擦副的摩擦繫數隨著滑動速度的提高反而降低,見表2所列。

表2 滑動速度與摩擦繫數的關係

試樣材料滑動速度v/(m/s)摩擦繫數f
135O.056
3500.035
工業純鐵1400.063
3300.027
Q2351500.052
3500.023

  註:對摩件為鋼環(碳的質量分數0.7%,硬度250 HB);表中數據是在8 MPa壓強條件下得到的。

  4.錶面粗糙度

  在彈性或彈塑性接觸狀況下,摩擦副乾摩擦繫數隨錶面粗糙度值的降低而降低。但在塑性接觸狀況下,其乾摩擦繫數為一定值,此時錶面粗糙度對實際接觸面積無多大影響。

  5.錶面膜

  當摩擦副接觸錶面存在氧化膜、其他污染膜或軟金屬薄膜時,其摩擦主要發生在錶面膜間。錶面膜的存在使得金屬粘著現象不易產生,與無膜相比,摩擦繫數也較低。當然,錶面膜的形成速度和膜厚對摩擦繫數也有影響。

  鋼-鋼摩擦副接觸錶面的錶面膜對摩擦繫數的影響見表3所列。

表3 滑動速度與摩擦繫數的關係

摩擦副材料摩擦繫數
具有錶面膜的錶面大氣中的潔凈錶面
鋼-鋼0.11(油酸膜)O.78
鋼-鋼0.16(氧化膜-油)
鋼-鋼0.19(硫化膜+油)
鋼-鋼0.27(氧化膜)
鋼-鋼0.32(潤滑油膜)
鋼-鋼0.39(硫化膜)

  6.溫度

  摩擦副相對運動會導致溫升和材料的錶面性質的改變,使摩擦繫數受到影響。在某些情況下,摩擦繫數可能隨溫度的升高先降低到一最小值然後再升高。例如在真空中的碳化硅和用二硫化鉬潤滑的氮化硅。另一種情況是摩擦繫數隨著溫度的升高而增大,但到達一最大值後開始減小。例如軋制銅材以及聚乙烯、聚四氟乙烯、尼龍等聚合物對鋼,無氧化膜的鐵對鑄鐵,鈷對不鏽鋼的摩擦繫數也有上述類似的規律。一般固體的乾摩擦繫數大多數都隨溫度升高而降低。

  溫度升高可能引起金屬相變,產生晶體結構改變,從而影響摩擦繫數。例如,灰錫(菱形晶格)向白錫(體心立方)轉變時的相變溫度為13.2℃,如在錫中加入銅、鋁等合金元素,就會改變錫的相變溫度。在相變溫度以下,摩擦繫數較高,在相變溫度以上,則摩擦繫數較低。

摩擦繫數的測量[3]

  摩擦繫數大小是表示摩擦材料特性的主要參數之一。摩擦繫數f分為靜摩擦繫數fa和動摩擦繫數fk(一般直接用f表示)。一般情況下測定動摩擦數比較困難,如高真空、高壓等條件下的摩擦只測定靜摩擦繫數。

  1.靜摩擦繫數的測定方法

  當測定材料在一定配對條件下的靜摩擦繫數時,最簡單的方法是傾斜法和牽引法。

  1)傾斜法

  把被測物體放在對偶材料的斜面上(圖1),逐漸增大斜面傾斜度,當被測物體開始滑動時其斜面的傾斜角θ即為摩擦角,靜摩擦數為fa = tanθ
Image:倾斜法则测定摩擦角.jpg

  2)牽引法

  把重量為形的被測物體放在如圖2所示的對偶材料B的平面上。電動機通過蝸輪蝸桿減速緩慢地帶動齒輪齒條機構,使對偶材料B平穩且緩慢向左移動,在摩擦力作用下,物體也隨之移動並拉伸彈簧當彈簧拉伸一定程度時,被測物體和B發生相對移動,此時應變梁上應變片的應變數通過儀錶反映出的最大力F,即為靜摩擦力。靜摩擦繫數f_a=\frac{F}{W}
Image:牵引法测定摩擦力.jpg

  2.動摩擦繫數的測定法

  常用測量連續摩擦時的摩擦力變化來求得摩擦繫數,主要測量方法如下:

  1)重力平衡法

  Amsler機或MM-200試驗機上所採用的就是此法,如圖3所示。載荷形通過上試件1加到下試件2上。下試件旋轉,上試件固定。摩擦副之間沒有摩擦時,平衡砝碼桿處於鉛垂位置。有摩擦時,平衡砝碼桿通過齒輪測力機構產生一定的偏擺,擺角的大小從刻尺6上讀出摩擦力矩。由此摩擦力矩可以換算出試件上的摩擦力。

  2)彈簧力平衡法

  如圖4所示。當下試件4轉動時,由於摩擦,上試件將會有沿著F方向運動的趨勢,從而使彈簧3變形。通過測量彈簧的變形,可計算出摩擦力的大小。用杠桿加砝碼的方法來代替彈簧來測摩擦力(或力矩),也在許多試驗機上應用,如Timkeh型試驗機上的測量機構。
Image:动摩擦系数的测定法.jpg

  3)電測法

  把壓力感測器附加到測力元件上,將摩擦力(或力矩)轉換成電量(電信號),輸入到測量和記錄儀上,自動記錄下摩擦過程中摩擦力的變化。這種方法目前已普遍得到應用。

  通過上述三種方法得到摩擦力,再由摩擦力與法向載荷間接求得摩擦繫數。

參考文獻

  1. 劉文,王興珍編著.第二章 軋鋼生產基礎知識 軋鋼生產基礎知識問答.冶金工業出版社,2012.02.
  2. 劉正林主編.3 金屬的摩擦 摩擦學原理.高等教育出版社,2009.02.
  3. 劉正林主編.7 摩擦磨損試驗和測試分析技術 摩擦學原理.高等教育出版社,2009.02.
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