摩擦衬垫磨损机理的微观分析
我国目前的中、深矿井大部分采用摩擦式提升机。摩擦式提升机上使用的摩擦衬垫其性能直接关系到煤矿生产的效率和安全性。摩擦衬垫与钢丝绳的摩擦、磨损特性与一般的摩擦副有很大的不同。本研究中使用了扫描电镜对磨损后的衬垫表面进行了显微照相、并对磨损原因进行了理论分析。
(相关资料图)
1.试验材料及试验台
1.1试验材科
本次试验所用的衬垫材料为聚氨醋。聚氨酷属于高分子化合物，一般情况下，总是处于高弹态，它的力学特性表现在当外力刚施加上时，聚氨酷有一个瞬间变形，之后，虽然外载荷不再增加，但其变形量却继续增加，最后达到一个稳定值;当外力去除后，聚氨酷有一个瞬间回弹，之后，有一个缓慢的蜗变回弹过程，但最后不能恢复到原始尺寸即残存有永久变形。
聚氨酷衬垫的这些性质决定了它和钢丝绳之间的真实接触面积比一般摩擦副的真实接触面积要大得多。本次试验所用钢丝绳为直径 7.7 mm的双抢圆形股钢丝绳、规格为 619 型，绳表面上有一层薄薄的戈培油。
1.2 试验台
试验设备为自行设计的试验台，其工作简图如图1所示通过在杠杆上悬挂不同的砝码来调节村垫和钢丝绳之间的压力。钢丝绳的滑动速度可在5~80mm/s 之间调节运动方式为往复运动。试验时钢丝绳被拉紧。
2.磨损率试
摩擦后的村垫表面在S250MK3型扫描电子显微镜下进行了显微照相,得二次电子像如图 2所示(为防止图像质量下降，在把样品粘贴到样品座之后,在其表面喷镀了一 层二次电子发射系数比较高的金)。从图上可以看出整个摩擦区域大致分为两种类型，即贝壳状组织和方向性较强的区域。
为了更清楚地观察不同磨损类型的微观形貌，对方向性较强的区域进行了局部放大，可以看出在磨损后的表面上形成了一条条的凸峰利凹谷方向性强是和该摩擦面上的其它组织相比较而 言，如果和金属摩擦副比起来则方向性和整齐性都较差。
对其中的凸峰和凹谷进一 步放大可以清楚地看出在谷中存在着很多裂纹，这些裂纹的尺寸从 2pm到&pm 不等分布没有方向性，看起来象于裂的土地一样此外,沿着凸峰的走向，在凸峰的根部存在着较长的裂纹，这些裂纹的尺寸可达到 40~50pm。且其深度比小裂纹要深。对贝壳状组织也进行了局部放大、可看出该组织底部很光滑,边缘也很整齐，整个形貌呈不规则多边形分布，分布面积超过了1mm lmm。
摩擦面上方向性较强的部分无疑是磨料磨损的结果。在摩擦过程中,钢丝绳上的凸出体在正压力的作用下压人村垫一定深度，并沿衬垫滑动而引起微观切削和犁沟效应。微凸体作用在衬垫上的力可分为切向力和法向力，当迎角的角度合适时,微凸体在法向力的作用下压人衬垫并在切向力的作用下对其表面进行切削，并产生切屑，另外一部分微凸4因接触角度不合适而只是把材料推向前边和两旁,材料未被切削而只产生塑性变形，经反复塑变而造成断裂,引起犁沟效应磨损。
村垫材料因其分子链结构形式的原因使弹性较大，在受力时产生很大的变形,当钢丝绳上的微凸体以一定的压力压在村垫表面上时，衬垫表面的大部分只是向下变形而没有破裂，微凸体仅仅是“陷人”而不是”切人”村垫表面，当微凸体滑过时，衬垫表面又反弹回来，所以微观切削的形成很困难，即使在局部存在切削也是断续的而非连续的，这使得切削后的表而虽然有方向性但方向性和整齐性都比金属摩擦副要差。当钢丝绳上的微凸体从村垫表面滑过时，大部分材料未被切削而只是被推向两旁，并发生了弹、塑性变形，微凸体滑过后这些材料又要恢复到原来的位置但由于发生了一定程度的塑性变形，所以不能 恢复到原始位置。
在不断有微凸体捐过的作用下，衬垫表面逐渐形成了一条条的“凸脊”,当微凸体滑过来时，凸脊被挤向两侧，而微凸体滑过去后它们又要恢复到原位置，即在微凸体的反复作用下凸脊将沿着相对运动的垂直方向不断摆动，这将在凸背的根部引起疲劳应力和裂纹，随着循环次数的增加，裂纹逐渐扩展，本次试验中在凸脊根部发现的长达 40~50pm 的大纹就是由于这种疲劳应力引起的。对于在凸脊之间的凹谷中出现的杂乱无章的小裂纹、经分析认为也是由F钢丝绳上的微凸体在村垫表面上反复作用而引起的疲劳应力的结果。
当微凸体在凹谷的表面滑过时，虽然没有造成切削，但在村垫表层中引起了变形和应力，而钢丝绳的运动是往复式的，当微凸体向相反方向运动时在表层中引起的应力与前-- 运动时起的应力方向正好相反，在这些方向相反的交变应力的作用下，在凹谷表面的次表层中将产生裂纹，并且随着应力循环次数的增加而导致裂纹向表面扩展，最终在表面形成了很多小裂纹
贝壳状结构是大的颗粒脱落之后造成的结果。做村垫所用的材料并不是纯净的聚氨醋，在生产的过程中加入了各种填料以改善其性能这些填料以很细的颗粒形态分布于衬垫材料之中。在摩擦的过程中极易在其周围形成应力源。当这些颗粒半裸露在摩擦面上时,在钢丝绳上的微凸体的反复作用下，它们和基体材料之间将产生疲劳应力和裂纹并且随着循环次数的增加而引起裂纹的扩展，最终造成颗粒的脱落。
脱落后的衬垫表面由于是凹陷下去的，所以没有受到钢丝绳的进一步磨损而保持了光滑的形貌对于磨损后的钢丝绳表面同样使用了扫描电镜进行显微分析所得的显微照片如图3 图3的放大倍数为200 倍从上可以看出在钢丝的表面上存在着由于摩擦而造成的酸裂层。需要指出的是，钢丝在钢丝绳中处于空间螺旋形态，所以沿着钢丝的方向并不是相 对运动方向，图中磨痕的方向才是运动方向。
对图3放大1500倍时，可清楚地看出在钢 丝绳上存在着一层薄膜，在摩擦过程中由于 受压力的作用而造成了薄膜的破裂，破裂后的膜堆积在裂口周围,形成很多片状的“剥皮”。
对图3放大75<10”倍时、从中可测出膜的厚度约为 0.2 pm并可清晰地看到薄膜之下的钢丝绳基体。分析认为该膜的形成与座 擦过程中的粘着现象有关.当钢丝绳与衬垫接触时，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衬垫表面上凹凸不平的顶端承受.在这些接触点上、局部应力很大.以致于两表面靠得很近，由于范德华力的存在两表面的原子互相吸引，产生粘结点，而钢丝绳要相对于衬垫运动，就必须破坏这些粘结点。
钢丝绳的强度和硬度都比村垫大得多,故磨损仅在衬垫一侧。磨损下来的物质粘附于钢丝绳之上、并向接触点外的区域转 移、最终在钢丝绳面向衬垫的一侧形成一层不规则的粘附膜。文中提到的劳磨损造成的磨屑也会由于分子间吸引力的作用也粘附 于钢丝绳之上，这是形成粘附膜的另一个原因。粘附膜依附在钢丝绳表面,在摩擦的过程中由于摩擦力和正压力的作用还会破裂但是破裂后的粘附膜碎片中的一部分会二次粘附在钢丝绳上，并且在摩擦时还会有新的衬 垫材料被吸引而转移到钢丝绳表面，所以酸裂的部分很快又被粘附层覆盖。
3.结语
在钢丝绳与聚氨村热的摩擦过程中存在着磨料磨损、疲劳磨损和粘着磨损 3种磨 损形式。在磨料磨损中由于犁沟作用而在衬垫表面上形成了“凸脊”,在“凸肯”之间的凹谷中由疲劳应力形成了微裂纹，“凸脊”由于受到钢丝绳上微凸体的往复作用而在根部产生了较长的疲劳裂纹:在摩擦的过程中存在着衬垫材料向钢丝绳上转移的现象并最终在钢丝绳上形成了一层约厚 0.2 m 的粘附膜。
所得这此结果将为进一步的研究衬垫 力求煤流运行畅通，可从以下3个方面进行解决:(1)设备配套选型设计时，使转载机的额定运输能力比刮板输送机大20%~30%;(2)适当增大转载机装载断面积;(3)变封闭式装载断面为敞口式。最后一种方法,容易溢煤，不利于文明生产，一般不要采用。
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