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加载时间对静摩擦力的影响 [复制链接]

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只看楼主 倒序阅读 使用道具 楼主  发表于: 2008-06-12
通常对PTFE轴承持续施加一定时间的载荷比施加滑行更实际可行,1989年Campbell和Kong,1991年Campbell等在他们所有的试验中都使用了长达12小时的加载时间,这12小时的加载时间是AASHTO(美国国家公路和交通管理者协会,1992年)标准规范所要求的,至于12小时加载时间要求的起源已经无从查起,但是这可能与1971年在Glacier轴承厂得到的资料和1973年Paynter的研究报告有关系。Paynter基于他个人与Glacier轴承厂技术主管的交流提供了一个简要的描述,这些加载时间实验是在Glacier DZ材料(报告说是纯PTFE材料)和抛光不锈钢材料间的接触面上进行的,抛光不锈钢表面粗糙度的算术平均值为0.05μm到0.10μm之间,表面压力水平为28MPa。据报告,高达24小时的加载时间对摩擦力性质有影响,但是对于进一步影响却没有报告。我们注意到,在这个实验中不锈钢材料的表面粗糙度值近似等于皇后大学和布法罗的大学实验所采用的表面粗糙度值的两倍。
作者曾开展了大量的实验来评定加载时间对PTFE轴承静摩擦力的影响,在此之前,Mokha等曾在1990年针对加载时间对这类轴承摩擦力性质的影响发表过文章,Mokha等1990年在594天又30分钟的加载时间后观察到了几乎相同的静摩擦力。在下面报告的实验中,我们使用了图5-1所示的实验装置,直径95mm未填充的PTFE材质的试样, ASTM A240,304型号的抛光不锈钢材料,其表面粗糙度的算术平均值等于0.03μm,表示为Ra或者CLA(美国机械工程学会,1985年),实验内容包括表面压力为6.9MPa条件下三个试样的实验和表面压力为20.7MPa条件下一个试样的实验,实验的环境温度大约为20°C,相对湿度在25%到30%的范围之内。测试面的侧向运动按照频率为0.0318Hz和振幅为12.5mm的正弦波施加,这样滑动速度的峰值即为2.5mm/s。
表格5-1展示了表面压力为6.9MPa时的实验结果,第一个试样(确切的说是一对试样)加载了0.2小时后施加侧向运动,然后又保持试样持续承压1小时后进行重复实验,这个过程在累积加载时间167.0小时内重复了七次,随后按照表格5-1所示测试了新的试样。实验结果表明,对于新的试样(不是先前实验的试样)0.2到118.4小时的加载时间引起了静摩擦力,摩擦力的值不受加载时间的影响。当然在得到的结果中摩擦力大小有些变化,但是静摩擦力并没有随加载时间的增长而有系统性的增加,相反地却有所减小。
在这些实验中另外一个观测结果是,在第一次实验之后静摩擦力有显著的减小,这在表格5-2的记录中有了最好的展示。这可能是由前面实验中的PTFE薄膜吸附在不锈钢板上造成的。
在20.7MPa的表面压力下测试了一个试样,实验结果如表格5-2所示。先对试样加载了0.2小时然后进行实验,在接触面没有被卸载的情况下,对其他的加载时间重复了这个实验过程。试样的力学行为与在表面压力6.9MPa下观测到的力学行为很相似,也就是,在第一次实验后的其他实验中摩擦力比较低。后来,对试样卸载并让其有整夜的时间去恢复,没有清理接触面就对试样进行了24.2小时再加载然后测试其摩擦力,这次得到了一个与第一次实验相近的较高的摩擦力值。然后再对试样进行卸载,清理掉吸附在滑板上的PTFE薄片后让其整晚恢复,重新加载50.2小时后进行实验,量测得到的静摩擦力系数为0.073,高于第一次实验中加载0.2小时后得到的摩擦系数0.057。
图5-3给出了第一次实验及卸载后的两次实验的结果记录,在这个图中我们看到由于采集数据的速度比较低(每秒钟记录30个点或者在单个运动循环期间记录1000个点的摩擦力),第一次实验中摩擦力的峰值可能没有记录到。然而,图5-3所示三次实验中静摩擦力资料都在第一次实验记录值的±30%范围内。这个范围是摩擦力性质的自然变化或测量误差引起的,而不是加载时间的影响。(表5-1的数据同理)。
本文列出的实验数据及1990年Mokha等两次实验的资料表明,当考虑不同试样或相同试样中不同实验中得到的摩擦力性质中的自然变化和可能的测量误差时,PTFE材料及抛光不锈钢材料间接触面上的静摩擦力不受加载时间的影响。第四章给出了对这种现象的一个合理解释,但是不能认为这个问题已经解决。在这一点上,我们注意到这种解释不是建立在直接观测的基础之上的(因为它应该建立在真实接触区域的测量基础上),更准确的讲,它是一个假设不但解释了反法向载荷(压力)的滑动摩擦力的观测依赖性,还解释了加载时间对静摩擦力的影响是明显无意义的。
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