電梯漸進(jìn)式安全鉗若干摩擦學(xué)問題的基礎(chǔ)研究.pdf

1、安全鉗是防止電梯轎廂墜落的最后一道屏障，其重要性不言而喻。漸進(jìn)式安全鉗依靠制動(dòng)楔塊與導(dǎo)軌之間的摩擦力使超速行駛的轎廂制停，制停過程主要表現(xiàn)的是粘著摩擦，其中包含材料彈塑性變形、表面磨損、摩擦溫升等多種復(fù)雜現(xiàn)象。只有先對(duì)這些復(fù)雜摩擦現(xiàn)象進(jìn)行深入透徹地認(rèn)識(shí)和掌握，才能對(duì)安全鉗的摩擦制動(dòng)性能進(jìn)行合理地設(shè)計(jì)和控制。然而，電梯安全鉗摩擦磨損問題的理論認(rèn)識(shí)還相當(dāng)欠缺。因此，安全鉗摩擦制動(dòng)行為的理解和預(yù)測(cè)有待于進(jìn)一步研究。
　　本文針對(duì)漸進(jìn)式安

2、全鉗制動(dòng)過程涉及的若干基礎(chǔ)摩擦學(xué)問題展開研究。本文研究以微凸體的彈塑性接觸為切入點(diǎn)，探索表面粘著的物理力學(xué)原理，考察摩擦副之間由粘結(jié)變微滑進(jìn)而發(fā)生完全滑動(dòng)的接觸力學(xué)本質(zhì)；從粘著接點(diǎn)剪切屈服和剪切斷裂兩種失效形式揭示摩擦磨損機(jī)理，并建立熱機(jī)耦合接觸模型研究滑動(dòng)接觸的摩擦生熱行為。最后，將理論研究模型及結(jié)果加以拓展和應(yīng)用，結(jié)合實(shí)驗(yàn)考察漸進(jìn)式安全鉗的摩擦溫升和制動(dòng)性能。本文研究的主要內(nèi)容和結(jié)論概括如下：
　　1.探討彈塑性粘著接觸的數(shù)值

3、建模方法，調(diào)查表面粘著對(duì)法向及切向接觸行為的影響。微凸體粘著接觸被處理為接觸區(qū)的常規(guī)彈塑性接觸與分離區(qū)粘著效應(yīng)的共同作用，其中分離區(qū)的粘著作用由分子勢(shì)推導(dǎo)得到，建立的模型在一定程度上實(shí)現(xiàn)了微觀粒子行為與連續(xù)介質(zhì)行為的銜接。采用有限元對(duì)法向壓痕和切向劃痕的彈塑性接觸行為進(jìn)行了數(shù)值分析，結(jié)果表明，考慮表面粘著效應(yīng)的彈塑性壓入有接觸力突降失穩(wěn)現(xiàn)象，而切向劃痕接觸過程中有粘滑現(xiàn)象。
　　2.將表面之間的干摩擦滑移與接觸區(qū)域材料的剪切塑性流

4、動(dòng)對(duì)應(yīng)起來，建立了一個(gè)彈塑性球形接觸模型，研究了剪切加載導(dǎo)致的應(yīng)力、應(yīng)變、接觸面積和摩擦力行為。研究發(fā)現(xiàn)，摩擦副整體滑移伴隨著整個(gè)接觸區(qū)域的塑性屈服，法向載荷較小時(shí)，切向加載僅引起接觸表面塑性屈服；法向載荷較大時(shí)，塑性屈服最先發(fā)生在材料內(nèi)部，然后隨切向加載逐漸擴(kuò)展至全部接觸區(qū)域。本文模型無需輸入摩擦因數(shù)，而是基于材料的剪切力學(xué)性質(zhì)定義摩擦副的臨界起滑條件。分析表明，本文模型預(yù)測(cè)的靜摩擦因數(shù)與Kogut-Etsion(KE)模型結(jié)果在低載

5、荷水平上相符，當(dāng)法向載荷較大時(shí)，本文結(jié)果又與Brizmer-Kligerman-Etsion(BKE)模型的結(jié)果趨于一致。因此，本文結(jié)果實(shí)現(xiàn)了二者的過渡銜接，具有更好的適用范圍。
　　3.通過分析粘著接合部的剪切斷裂行為，建立了粘著磨損的有限元分析模型，采用單元?jiǎng)h除法研究了磨損顆粒的形成機(jī)理和摩擦副的粘-滑轉(zhuǎn)變行為。模型中，滿足斷裂判據(jù)的失效材料單元被用于表征切向接觸載荷導(dǎo)致的裂縫，藉此考察粘著接合部的起裂及裂紋擴(kuò)展。模擬分析了界

6、面開裂、子裂紋萌生、主裂紋偏轉(zhuǎn)等復(fù)雜現(xiàn)象，并根據(jù)裂紋行為總結(jié)了片狀磨屑的成因。研究發(fā)現(xiàn)，粘著接合部斷裂與接觸副的靜摩擦行為一致對(duì)應(yīng)，界面裂紋偏轉(zhuǎn)是導(dǎo)致大顆粒磨屑的直接原因。
　　4.考察載荷型式對(duì)微滑接觸行為的影響。討論了位移加載和力加載引起的不同摩擦行為，分析了法向接觸與切向接觸之間關(guān)于力和位移的耦合關(guān)系，重點(diǎn)研究了切向循環(huán)加載引起的微動(dòng)接觸現(xiàn)象。通過比較摩擦滯回曲線發(fā)現(xiàn)，切向力循環(huán)加載導(dǎo)致接觸體系彈性安定，而切向位移循環(huán)加載導(dǎo)

7、致了塑性安定行為。模擬結(jié)果揭示了球-平板微動(dòng)接觸的磨損過程：塑性累積造成接觸邊緣處的材料最先發(fā)生撕裂，形成磨斑；隨后裂紋區(qū)逐步擴(kuò)展成近似環(huán)狀的磨損區(qū)；最后材料失效區(qū)域向接觸中心蔓延，直至整個(gè)接觸區(qū)域發(fā)生磨損。分析表明，切向載荷幅值不變的前提下，增加法向載荷水平有助于抵抗表面微動(dòng)磨損。
　　5.研究了滑動(dòng)摩擦過程中的熱-機(jī)耦合行為。首先考察彈塑性球形接觸，分析滑移速度對(duì)接觸溫度、摩擦應(yīng)力和摩擦因數(shù)的影響。然后針對(duì)電梯安全鉗的摩擦制動(dòng)

8、問題，建立熱應(yīng)力實(shí)時(shí)耦合的鉗塊-導(dǎo)軌接觸模型，模擬漸進(jìn)式安全鉗制動(dòng)過程的摩擦熱和摩擦力行為。最后，對(duì)防爆電梯用某型漸進(jìn)式安全鉗的摩擦制動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，考慮熱流密度瞬時(shí)變化的傳熱分析能夠較好地預(yù)測(cè)摩擦溫升隨時(shí)間的變化趨勢(shì)；基于熱機(jī)耦合接觸模型的動(dòng)態(tài)熱應(yīng)力分析能夠模擬漸進(jìn)式安全鉗的制動(dòng)性能。分析發(fā)現(xiàn)，考慮摩擦生熱效應(yīng)以后，接觸表面的溫升十分明顯，材料高溫軟化導(dǎo)致承載能力下降，因此安全鉗的摩擦制動(dòng)力有所減弱。摩擦溫升越高，材料承載