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1、基于新型斜面法的聚合物滚动摩擦阻力研究 黄传辉 王前 张磊 陆兴华 徐州工程学院机电工程学院 摘 要： 聚合物材料滚动摩擦时, 其独特的黏弹性质使其弹性滞后效应比其它材料显著得多。为探索弹性滞后效应对聚合物滚动摩擦阻力的影响规律, 利用电磁加载的新型斜面法考察了聚四氟乙烯 (PTFE) 、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 、聚醚型聚氨酯 (PEUR) 等工程塑料与淬火 45#钢配副时的滚动摩擦阻力, 利用 CETR UMT-2 型试验机考察了 PTFE, PMMA, PEUR 的蠕变、松驰行为。基于标准线性固体模型, 从弹性滞后效应的角度推导了聚合物滚动摩擦阻力的表达式, 对比分析了实验数据和模
2、拟计算结果。结果表明:同样实验条件下, PEUR 的滚动摩擦阻力最大, PTFE 次之, PMMA 最小, 三者的比值约为 10.510.28。模拟计算结果与实验数据基本吻合, 可以说明弹性滞后效应是聚合物滚动过程中摩擦阻抗的主要来源。研究结论为从黏弹性角度研究聚合物的滚动摩擦行为提供了一条新的途径。关键词： 滚动摩擦阻力; 弹性滞后效应; 聚合物; 作者简介：黄传辉 (1970) , 男, 江苏徐州人, 教授, 博士, 从事工程摩擦学研究;E-mail:;http:/orcid.org/0000-0002-9993-6532收稿日期：2017-06-05基金：国家自然科学基金资助项目 (51
3、275514) Research on rolling friction force of polymer based on new inclined plane methodHUANG Chuan-hui WANG Qian ZHANG Lei LU Xing-hua School of Mechanical and Electrical Engineering, Xuzhou University of Technology; Abstract： Owning to the unique viscoelastic properties, the elastic hysteresis eff
4、ect of polymer materials is much greater than that of other materials in the rolling friction.In order to explore the influence rule of elastic hysteresis effect on rolling friction force of polymer materials, a new inclined plane method using electromagnetic loading was adopted to evaluate the roll
5、ing friction force between engineering polymer like PTFE, PMMA, PEUR and hardened 45# steel.In addition, the creep and relaxation behaviors of PTFE, PMMA and PEUR were investigated by CETR UMT-2 equipment.Based on the standard linear solid model, the expressions of rolling friction force were derive
6、d in terms of the elastic hysteresis effect, and the experimental data and simulation results were compared and analyzed as well.The results showed that the rolling friction force decreased in order of PEUR, PTFE and PMMA with the ratio of about 10.510.28 under the same experimental conditions.The s
7、imulation results were in good agreement with the experimental data, which indicated that the elastic hysteresis effect was the main source of friction resistance in polymer rolling process.Moreover, the conclusion of this research has explored a new approach for studying the rolling friction behavi
8、or of polymer from the view of viscoelasticity.Keyword： rolling friction force; elastic hysteric effect; polymer; Received： 2017-06-05工程中的滚动摩擦主要有驱动滚动和自由滚动两种形式。驱动滚动时的摩擦阻力实质是支撑表面对滚动体的切向反力, 其大小由驱动机构传递至滚动体的转动力矩所决定, 同时又受制于接触表面间的摩擦系数。自由滚动时的摩擦阻力是一种阻碍滚动发生的力。驱动滚动和自由滚动的摩擦机理、磨损形式均不相同。目前人们对驱动滚动的关注较多, 而关于自由滚动方面的
9、研究, 无论在理论模型上还是在实验上都比较少1-4。自由滚动中的摩擦阻抗主要来源于微观滑移、弹性滞后、黏附效应及塑性变形等5-6。聚合物的黏弹性质使其弹性滞后效应比其它材料显著得多, 因此其滚动摩擦行为受材料的蠕变柔量、松驰模量等因素影响较大7-8。然而, 库伦古典滚动摩擦定律的表达式过于理想化, 没有将对滚物体的机械、力学性质及接触性质的影响反映出来, 在描述聚合物滚动摩擦行为时与实验数据及工程实际偏差较大1,3,9, 如:Akama10和 Ringsberg 等11利用有限元法和库伦定律相结合的方式分析了-轨滚动接触应力, 并以此为理论基础讨论了-轨疲劳损伤机理;也有学者采用有限元法进行-
10、轨滚动接触的弹塑性分析12-13, 并据此考察了列车高速运行时的轨接触特性14;Liu 等15模拟了-轨滚动过程中接触表面裂纹的扩展情况, 并对比分析了仿真结果和现场观测数据。上述研究多是针对坚硬接触面间的滚动行为, 把对滚物体看作纯弹性体, 且采用常系数库伦摩擦定律来定义接触面之间的关系, 因此计算结果难以真实反映具有高黏弹特性的聚合物的滚动摩擦行为16-18。本文利用电磁加载的新型斜面法考察了聚四氟乙烯 (PTFE) 、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA) 、聚醚型聚氨酯 (PEUR) 等工程中常用的聚合物材料与淬火 45 钢配副时的滚动摩擦阻力, 以及这 3 种工程塑料的蠕变、松驰特性, 并从
11、弹性滞后效应的角度探讨聚合物黏弹性质对滚动摩擦阻力的影响机理。1 基于新型斜面法的滚动摩擦实验自由滚动时摩擦阻力的精密测量一直是摩擦学研究中的重要部分。目前试验中常用的 M-2000 滚动摩擦试验机、小车法等不可避免会受到轴承误差的影响。自由滚动时摩擦阻力较小, 与轴承转动阻力基本处于同一数量级, 有时甚至小于轴承阻力, 因此实验仪器中轴承传动误差是摩擦阻力测量误差的重要来源。为消除轴承转动阻力的影响, 本文采用电磁加载的斜面法测量滚动摩擦阻力, 具体试验台如图 1 所示。实验全程在封闭的环境里进行, 滚动体材料为 45 钢, 淬火处理后硬度为 HRC57, 外圆直径为 30 mm, 宽为 9
12、0 mm, 其表面经磨削后粗糙度为 0.2m。PTFE, PMMA, PEUR 试件均加工成 200mm100 mm8 mm 的长方形板, 表面粗糙度为 0.4m。综合调节电磁铁线圈中的电流强度及滚动体重量, 设定实验载荷为 10 N。以约 1/s 的速度缓慢调节丝杠改变斜面倾角使 45 钢试件开始滚动, 通过千分表读出升起高度并换算成倾角 。相同实验重复 5 次, 实验结果取 5 次实验的平均值。图 1 滚动摩擦试验台示意图 Fig.1 Schematics of the rolling friction test system 下载原图1聚合物试件;245#钢试件;3斜面板;4支座;5电磁
13、铁;6调节丝杠蠕变、松驰实验在 CETR UMT-2 型多功能试验机上进行。实验用 PTFE, PMMA, PEUR 车削加工成 10mm10mm 的圆柱体, 试件表面粗糙度均为 0.4m。实验温度为 18, 湿度为 53%。蠕变实验载荷为 50N, 加载后在 1h 内持续测量试件的压缩变形量。松弛实验中, 在试件上施加 50N 载荷后, 保持试件的压缩变形量不变, 在 1h 内持续测量试件内部的压应力。2 实验结果与分析表 1 示出了 45 钢与 PTFE, PMMA 和 PEUR 接触滚动时的实验结果。根据 tan 可以计算出滚动摩擦阻力。由表 1 可见, PEUR 的滚动摩擦阻力最大,
14、PTFE 次之, PMMA 最小, 三者的比值约为 10.510.28。表 1 滚动摩擦实验结果 Table 1 The experimental results of rolling friction 下载原表 PTFE, PMMA 和 PEUR 的蠕变、松驰特性如图 2 所示。由图 2 可见, 蠕变实验中在加载载荷的瞬间, PTFE, PMMA 和 PEUR 均发生了较大的应变, 其后载荷保持恒定, 但随时间推移, 应变呈继续增加的趋势。松驰实验中, 3 种聚合物材料的内部应力均随着时间的推移而逐渐减小。实验结果表明:PM-MA, PTFE 和 PEUR 均具有比较显著的黏弹特性。用标准线
15、性固体模型对 3 种材料的实验结果进行模拟, 得各参数如表 2 所示。图 2 PTFE, PMMA 和 PEUR 的蠕变、松驰特性 Fig.2 Creep and relaxation characteristics of PTFE, PMMA, and PEUR 下载原图表 2 3 种聚合物材料的参数 Table 2 Parameters of three kinds of polymer materials 下载原表 3 滚动摩擦阻力模型的建立与分析滚动体在法向载荷 P 及力矩 M 作用下向前滚动时的受力情况如图 3 所示19。图 3 滚动摩擦时力偶平衡示意图 Fig.3 Couple s
16、tress balance in rolling friction 下载原图设滚动体的滚动速度为 v, 且假设在 x=-a 处与基础作第 1 次接触。如果 aR, 则支撑基体在 x=-a 处的应变可表示为:式中 为最大变形深度。对于理想弹性体, 其弹性模量为 E, 则接触将是对称的, 即 a=b, 此时接触压力分布可表示为:对于黏弹性材料, 其弹性模量 E 可用松驰函数 (t) 代替, 因此在 x 处, 黏弹性单元的应力可表达为:在稳定滚动过程中, , 代入式 (2) 后, 改变变量 t 为 x, 则有:标准线性固体模型的松驰函数可写为:将该松驰函数代入式 (3) , 则得应力分布的表达式为:对压力分布函数进行积分, 则可求得圆柱滚动时所受到的阻力为:将表 2 中各聚合物的拟合参数代入式 (5) 和式 (6) , 可求得 PTFE, PMMA, PE
