冲击加载条件下材料之间摩擦系数的确定

第27卷　第1期2007年1月

摩擦学学报

T R I B OLOGY

Vol 27, 　No 1

Jan, 2007

冲击加载条件下材料之间摩擦系数的确定

林玉亮, 卢芳云, 崔云霄

(国防科技大学理学院, 湖南长沙　410073)

摘要:尝试利用自制分离式霍普金森压剪装置对聚氨酯泡沫塑料、硅橡胶和MDF 水泥材料与铝合金在冲击加载条件下的摩擦系数进行测试. 结果表明:在冲击加载条件下, 聚氨酯泡沫塑料、硅橡胶和MDF 水泥与铝杆之间的摩擦系数与材料的性质关系不大, 其摩擦系数测试结果存在一定的分散性, 摩擦曲线出现抖动, 且与加载条件有关, 摩擦系数比通常意义下所得到的摩擦系数小; , 只是曲线的走势稍有不同. 0. 25; 硅橡胶与铝杆之间的静摩擦系数为0. 285, 动摩擦系数为0. 24;MDF . 28～0. 29, 动摩擦系数约0. 23.

关键词:摩擦系数; 压剪; 冲击加载中图分类号:O339; A

文章编号:100420595(2007) 0120064204

　　1781年建立的, 摩擦系数在数值上等于两物体之间的摩擦力F 与物体间的正压力N 之比, 这是1个近似定律, 其简单表达式远不能反映出摩擦的复杂性. 物体间的

[1]

摩擦是1个非常复杂的表面物理化学现象, 简单的摩擦理论不能深入揭示摩擦机理. 而在冲击加载

[2]

条件下, 物体之间的摩擦系数很难确定. Popov 等利用数值分析方法分析了车轮与轨道之间滑动摩擦

[3]

系数与材料及载荷的关系, Zhang 等研究了相对滑动速度为2～6m /s 下材料的摩擦系数, 并给出相

[4～6]

对滑动速度与摩擦系数的变化曲线. Prakash 等利用改进的霍普金森扭杆装置测试得到金属等材料之间的摩擦系数.

本文介绍利用自制分离式霍普金森压剪装置(SHPS B ) 对冲击加载条件下硅橡胶、硬质聚氨酯泡沫塑料和MDF (Macr o 2Defect 2Free ) 水泥材料与铝合金之间的动摩擦系数进行测试的方法.

效应和端面摩擦效应将在斜面上的入射波分解为压缩和剪切载荷加载到试样上, 实现对试样的平面压　　　

Fig 1　Schematic of the s peci m en forced

in the p ressure 2shear set

图1　压剪加载装置中试样受力示意图

1　实验部分

对传统分离式霍普金森压杆(SHP B ) 装置进行

改进:将入射杆的后端面由原来的平面改为与轴线成45°角的楔形面(如图1所示) . 由于试验装置两侧对称, 因此图中只给出其中一部分. 利用斜面几何

基金项目:国家自然科学基金资助项目(10276038, 10172092) .

剪加载, 通过入射杆和透射杆上的测试信号反推试

样的应力应变情况. 图1还标出了该压剪装置中试样的受力示意图, 用箭头分别标出了试样与压杆界面受力的方向, 按照牛顿第三定律(作用力与反作用力) , 在同一界面上压杆与试样所受力相反. 试验过程中, 分别利用应变片与剪应力计测试进入透射杆的压应力σtp 与剪应力τ, 若试样在测试过程中没有发生损坏, 则可以认为剪应力τ等于界面摩擦力. 利用库伦摩擦理论:

收稿日期:2006201210; 修回日期:2006208210/联系人林玉亮, e 2mail:[email protected] 作者简介:卢芳云, 女, 1963年生, 教授, 博导, 目前主要从事材料动态力学性能研究.

第1期林玉亮等:　冲击加载条件下材料之间摩擦系数的确定65

F =τA =μN (1) 　　　

式中:F 为试样与压杆界面之间的摩擦力, A 为透射

杆横截面积, μ为摩擦系数, N 为作用在界面上的压力, 且

(2) N =σtp A

将式(2) 代入式(1) 可以得到摩擦系数μ的计算公式

μ=τ/σtp .

(3)

试验中采用分离式霍普金森压剪杆, 入射杆选用优质合金钢作为压杆材料, 以便对试样施加较大的冲击载荷, 压杆直径为38mm , 长度为1600mm; 透射杆采用LC4铝合金以获得较大输出信号, 杆径20mm , 长度1000mm.

试验选取硅橡胶、硬质聚氨酯泡沫塑料及MDF 水泥为对象, 所用硅橡胶是代号为W SXJ 23

硅橡胶, 密度1. 180g/c m , 的密度为2. 30型泡沫, 密度为0. c m 3种试样分别加工成尺寸

为了准确得到测试材料与铝杆表面的摩擦系数随加载变化的情况, 试验过程中将试样的一端与钢入射杆端面粘结到一起, 另一端与透射铝杆间保持自然紧密接触. 这样, 只要试验过程中试样不从钢杆表面脱落, 即可认为透射杆中测出的剪应力等于试样与铝杆间的摩擦力. 同时, 对3种试样施加相同冲击载荷, 即保持同样的撞击杆以相同速度撞击入射杆, 对3种试样所用撞击杆撞击速度均为8. 5m /s .

3

Fig 2　Pressure 2shear ental result of MDF

图2　MDF , , 摩

擦系数降低(按照一般的摩擦理论, 两物体间相对速

[1]

度越大, 动摩擦系数越小) ; 而加载84μs 后摩擦系数又开始随时间上升, 这是因为此时入射加载脉冲σi 已进入卸载阶段, 入射应力下降使得试样与铝杆间的相对滑动逐渐停止, 动摩擦过程结束, 试样与铝杆间恢复为静摩擦, 当加载120μs 左右时摩擦系数达到0. 28, 与起始摩擦系数接近. 由此可以看出, 在冲击加载条件下, MDF 水泥试样与铝合金杆之间的静摩擦系数在0. 28～0. 29之间, 而动摩擦系数约为0. 23.

图3所示为撞击杆撞击速度为8. 5m /s 时硬质　　　

2　结果与讨论

图2给出了撞击杆撞击速度为8. 5m /s 时, 利用分离式霍普金森压剪装置测得MDF 水泥的透射压应力(P 2Stress ) 与剪应力(S 2Stress ) 曲线, 并给出MDF 水泥材料与铝杆间摩擦系数μ的变化曲线. 由于MDF 水泥试样在试验过程中没有损坏, 且试样在试验后仍粘贴在钢杆表面上, 因此可以认为图中的摩擦系数随时间的变化曲线可以真实反映MDF 水泥与铝合金材料在冲击加载条件下的变化规律. 由图2可见:开始加载阶段的摩擦系数在0. 29左右, 出现抖动但范围不大; 当持续加载20μs 左右

Fig 3　Pressure 2shear experi m ental result of

rigid polyurethane f oa m

图3　硬质聚氨酯泡沫试样的压剪测试结果

聚氨酯泡沫塑料的压剪测试结果. 测量完后试样已

部分破裂, 残余部分粘结于钢杆表面. 可以看出, 从加载开始至120μs 时, 摩擦系数约为0. 29. 当加载持续120μs 后摩擦系数开始降低, 这是由于材料破

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碎造成的, 测量出的剪应力已不等于压应力与摩擦系数的乘积. 因此, 损伤点后面的数据不具有摩擦系

数含义.

图4给出了撞击杆撞击速度为8. 5m /s 时硅橡　　　

本稳定在0. 29; 在8. 5m /s 下聚氨酯泡沫塑料的摩擦系数曲线较平稳, 硅橡胶的摩擦系数曲线抖动较大. 但2种加载条件下的摩擦系数值变化不大.

3　结论

a . 　在冲击加载条件下,MDF 水泥、硬质聚氨酯

泡沫塑料及硅橡胶材料与铝杆之间的摩擦系数测试结果存在分散性, 曲线存在抖动, 且与加载条件有关, 摩擦系数比通常意义下所得到的摩擦系数小.

b . 　不同加载条件对所测试材料与铝压杆之间摩擦系数的数值影响不大, 只是曲线的走势稍有不同. 在冲击条件下, 0. 25; 硅橡0. 285, 动摩擦系数0. 0～0. 29, 动摩擦系数约为0. 23. 参考文献:

[1]　陈雁生. 摩擦学基础[M].北京:航空航天大学出版社, 1986. [2]　Popov V L, Psakhie E V, Shilko E V. Fricti on coefficient in “rail 2

wheel ”2contacts as a functi on of material and l oading parameters [J ].PhysicalMes omechanics, 2002, 5(3) :17224.

[3]　Zhang H, Patanella A, Es p i onosa H D, et al . Dyna m ic fricti on of

nano 2materials [J ].1999:122521228.

[4]　Prakash V. Ti m e res olved fricti on with app licati ons t o high s peed

machining[J ].Tribol ogy Transacti ons, 1998, 41(2) :1892198. [5]　Rajagopalan S, Prakash V. A modified t orsi onal Kolsky bar for in 2

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[6]　Es p inosa H D, Patanella A, Fischer M. A novel dyna m ic fricti on

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[7]　机械设计手册(第二版) [M].北京:化学工业出版社, 1989.

Shock Comp ressi on of Condensed Matter,

Fig 4　Pressure 2shear experi m ental result of 图4　, 仍

粘结于钢杆表面, . 从图4可以看出, 摩擦系数在整个加载过程中均存在一定的抖动, 静摩擦与动摩擦之间不像MDF 水泥那样容易区分. 硅橡胶与铝合金的接触静摩擦系数为0. 28, 动摩擦系数为0. 24.

图5给出了撞击速度为8. 5m /s 和12. 0m /s 　　　

Fig 5　Pressure 2shear experi m ental result of rigid

polyurethane foam and rubber

图5　硬质聚氨酯泡沫与硅橡胶试样的压剪测试结果

时, 硬质聚氨酯泡沫塑料、硅橡胶与铝杆之间摩擦系数随时间变化的关系曲线. 可见, 在2种撞击速度下, 2种材料的摩擦系数变化曲线呈现出相反走势:在12. 0m /s 下, 硬质聚氨酯泡沫塑料与铝杆间的摩擦系数曲线出现抖动, 由最初的0. 29开始下降, 逐渐稳定在0. 25附近; 而硅橡胶与铝杆的摩擦系数基

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Testi n g of Fri cti on Coeffi ci ents of Materi a l Loaded by Shock Wave

L I N Yu 2liang, LU Fang 2yun, CU I Yun 2xiao

(Institute of Science, N ational U niversity of D efense Technology, Changsha 410073, China )

Abstract:Three materials an MDF concrete, rigid polyurethane foa m , and rubber were selected t o investigate their fricti on behavi or when they were l oaded by comp ressive pulse . A ne w devel oped s p lit Hopkins on comp ressi on 2shear bars were built up, which can test s peci m ens in p ressure and shear l oading . The results showed that the fricti on co 2efficients a mong three materials were all ti m e dependent, and were sensitive t o the l oading a mp litude . A t i m pacting conditi on, rigid polyarethane f oa m , rubber, and MDF concrete exhibited static fricti on of 0. 29, 0. 285, 0. 28～0. 29, and dyna m ic fricti on coefficient of 0. 25, 0. 24, 0. 23against alum inum le 2ver .

Key words:fricti on coefficients, SHP B , shock Author:LU Fang 2yun, fe male, e ansen_liang@163. com