法向荷載作用下橡膠與巖石間摩擦系數(shù)的研究

張睿

（江西理工大學(xué) 建筑與測繪工程學(xué)院，江西 贛州341000)

作為一種絕緣材料，橡膠在日常生活中的應(yīng)用廣泛[1-4]。兩剛體發(fā)生摩擦?xí)r，其摩擦系數(shù)只與接觸面積有關(guān)，而與外部荷載、溫度及濕度等因素?zé)o關(guān)。橡膠與剛體發(fā)生摩擦?xí)r，由于接觸面發(fā)生了彈性變形,其摩擦現(xiàn)象變得復(fù)雜[5,6]。在橡膠摩擦性能的研究方面，前人做了許多詳實而充分的研究，大體上就包括靜摩擦系數(shù)[7-10]、動摩擦系數(shù)[11-14]、填料及助劑對摩擦系數(shù)影響[15-16]和滑行速度對摩擦系數(shù)影響[17-18]幾個方面。

在靜摩擦系數(shù)方面，Takeshi Yamaguchi 等[12]研究了甘油浸潤下橡膠的高度和方向?qū)o摩擦系數(shù)的影響；張文剛[5]研究了橡膠與金屬之間的摩擦系數(shù)；王貴一[19]量化了摩擦系數(shù)在橡膠與金屬摩擦過程中與表面溫升的關(guān)系。但是不難發(fā)現(xiàn)：橡膠與巖石間的靜摩擦系數(shù)鮮少研究。本文根據(jù)自制的實驗裝置，進行了橡膠與巖石間靜摩擦系數(shù)的研究。

1 理論推導(dǎo)

在巖石上下都依次放置橡膠墊和鋼板，用粘結(jié)劑使橡膠與鋼板形成一個整體。螺栓可以對鋼板、橡膠及巖石施加法向荷載，軸向加載裝置可以對巖石施加軸向荷載。隨著軸向荷載的增加，巖石相對于橡膠處于臨界平衡狀態(tài)，即在即將滑動的靜止?fàn)顟B(tài)。此時可測得的巖石與橡膠間的靜摩擦系數(shù)。裝置示意圖如圖1 所示。

對每個螺栓施加大小為F 的拉力后，對試件左側(cè)施加軸向壓力FN，試件相對橡膠處于臨界平衡狀態(tài)時，F(xiàn)N與F 之間存在以下關(guān)系：

其中：n 為螺栓數(shù)量；f 為靜摩擦因數(shù)。

2 橡膠與巖石間靜摩擦系數(shù)測定

2.1 試驗裝置

橡膠作為非剛體，研究其與外部物體的摩擦?xí)r極易產(chǎn)生不規(guī)則變形，本裝置創(chuàng)造性的在橡膠的一側(cè)放置一塊鋼板，并使其與鋼板成為一個整體，用以限制橡膠的變形和位移。對鋼板、橡膠和巖石施加的法向荷載通過螺栓提供。扭矩扳手可以對螺栓施加確定大小的扭矩，通過計算轉(zhuǎn)化為螺栓受到的拉力。在螺栓無螺紋的光滑螺桿部分粘貼應(yīng)變片，測量不同工況下螺栓收到的拉應(yīng)變，結(jié)果匯總?cè)绫? 所示。

2.2 試驗試件

為了更好的研究不同法向荷載下巖石與橡膠間最大靜摩擦系數(shù)的關(guān)系，與橡膠接觸的巖石面積應(yīng)足夠大，且應(yīng)保證一定的長度。進行細長桿的壓縮試驗時，需同時考慮其壓桿穩(wěn)定問題。綜合以上原因，試驗巖石的尺寸選取1500 mm× 100 mm ×60 mm。試驗所用的橡膠為厚度3mm 和5mm的由NR，SBR 和IIR 等絕緣性能優(yōu)良的非極性橡膠制成的絕緣膠墊。其外觀無氣泡，無肉眼可見雜質(zhì)，無裂紋。

圖1 測定橡膠摩擦系數(shù)試驗裝置示意圖

表1 螺栓實際受力和計算結(jié)果匯總表

2.3 試驗方法

分別對各個螺栓施加5 N·m，10 N·m，15 N·m，20 N·m 和25 N·m 的旋緊力矩。各種工況下，通過軸向加載裝置對巖石施加軸向荷載，至巖石相對于橡膠處于臨界平衡狀態(tài)，記錄螺栓旋緊力矩及軸向加載裝置數(shù)值，可得靜摩擦系數(shù)。

3 試驗驗證

如圖2 表示不同荷載作用下巖石與橡膠間的靜摩擦系數(shù)。隨著法向荷載的增大，橡膠與巖石間的最大靜摩擦系數(shù)都先快速減小后緩慢減小，當(dāng)橡膠厚度為3 mm 時，這種現(xiàn)象更為明顯。

橡膠的摩擦形式可分為粘附摩擦、變形摩擦及氣窩摩擦三種類型，且以前兩種摩擦形式最為常見，粘附摩擦的機理已有文獻進行了詳細的介紹。橡膠與巖石接觸時，粘附形成。施加荷載，橡膠相對于巖石將產(chǎn)生相對滑動的趨勢或相對滑動，粘附元中儲存橡膠變形的彈性能；相對滑動繼續(xù)，該點的粘附破壞，在新的位置產(chǎn)生新的粘附元。此過程中，粘附不斷被破壞并形成新的粘附，循環(huán)往復(fù)，直至摩擦停止。

自然狀態(tài)下，橡膠與巖石僅部分接觸，接觸的面積隨法向荷載的增加而增加；橡膠與巖石發(fā)生摩擦?xí)r，其受到反復(fù)的壓縮與復(fù)原而導(dǎo)致能量消耗。換句話說，發(fā)生摩擦的外力所作的功，有一部分用于橡膠的變形摩擦。在初始位置，橡膠與巖石產(chǎn)生部分接觸；發(fā)生相對滑動的趨勢或發(fā)生相對滑動時，巖石突出部分產(chǎn)生不對稱的壓力分布，改變的方向與橡膠運動的方向相反；滑動的速率繼續(xù)增加時，橡膠的形變在通過這一突出部位后滯后了，突出部位壓力分布的形狀緩慢地趨向一個對稱的形狀（接觸面積和形變程度均減?。?，滯后摩擦力減小。隨著法向荷載的增大，橡膠與巖石之間的靜摩擦系數(shù)逐漸減小，這與上述推論符合。

4 結(jié)論

本文研究了不同法向荷載作用下橡膠與巖石間的摩擦系數(shù)，結(jié)論如下：

4.1 隨法向荷載的增大，橡膠與巖石間的靜摩擦系數(shù)先快速減小后緩慢減小。

圖2 不同法向荷載作用下巖石與橡膠間的靜摩擦系數(shù)

4.2 橡膠與巖石發(fā)生摩擦?xí)r，同時存在粘附摩擦和變形摩擦。初始狀態(tài)形成的粘附元不斷被破壞并形成新的粘附，循環(huán)往復(fù)，直至摩擦停止。

4.3 自然狀態(tài)下，橡膠與巖石僅部分接觸，接觸的面積隨法向荷載的增加而增加；發(fā)生摩擦?xí)r，橡膠受到反復(fù)的壓縮與復(fù)原導(dǎo)致能量的消耗。