采矿设备的摩擦学研究

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基于摩擦学进行设计要求设计人员在进行机械没备设计时把已有的摩擦学知识及技术运用到设计过程中，以达到所设计出来的机械设备能获得最小摩擦功耗、最长寿命、最低的维护成本以及最佳的摩擦可靠性。对于采矿设备来说，通过预测和控制其机械元件的磨损，提高机械上和摩擦学上的可靠性是获得最大利益的-个重要方面。所以，在运用到机械设计、强度设计和动力学设计的同时，把摩擦学设计引人并和另外几个设计方法理论交互运用，使所设计的设备获得最优性能，是十分可行且必要的。本文中对采矿设备液压系统的摩擦进行了-番探讨，结果表明引入摩擦学设计对于采矿设备设计具有很重要的意义。

1采矿机械设常见摩擦磨损采矿机械大多是以液压装置来驱动进行动作，所以在采矿机械上摩擦磨损多发生在液压系统中，解决了采矿设备的摩擦磨损也就基本解决了整台设备的磨损问题。研究表明：采矿机械 日常工作环境比较恶劣，油液使用过程中不可避免地受到污染进而造成元件的磨损，其所造成的元件磨损-般有以下四种：磨料磨损、疲劳磨损、粘着磨损和腐蚀侵蚀磨损。

1.1磨料磨损在采矿设备上，磨料磨损主要是指在相互接触运动作用的两个或多个摩擦表面上，因为接触面之间的粗糙度以及硬度差异又或者受到游离在它们接触面间的坚硬固体颗粒滑动造成的磨损，这些都属于磨料磨损。

通过对污染的油液进行分析得出，其中固体金属颗粒大概有 75%，尘埃大概有 15%，剩下的其他杂质约占10%。由此可见，固体金属颗粒造成的危害是最大的，对液压系统的元件如油泵、液压阀及油缸等都有不同程度的影响。

通过对油泵进行磨损试验，发现不同的颗粒污染物的磨损造成的影响不-样，在采矿现场煤粉的磨损性最小，淬火钢粉的磨损性最大。因此可以得出：不同颗粒污染物的硬度、形状、大小尺寸等特性对接触元件的磨损都有直接的影响。实验得出的结果和相关的磨损理论-致，也就是磨损率很大程度上受磨料的硬度和两个接触表面间的相对硬度影响，磨料硬度越高，表面相对硬度差越大，材料的磨损就越严重。

1.2疲劳磨损疲劳磨损也叫接触疲劳，其定义是指当两个接触体相对滚动或滑动时，在接触区形成的循环应力超过材料的疲劳强度的情况下，表面层将引发裂纹，并逐步扩展，最后使裂纹以上的材料断裂剥落下来的磨损过程。

在液压装置上，两个液压元件的接触摩擦表面在运动时受到交变剪切应力反复和长期的作用，使得互相接触的表面材料逐渐达到或超过持久极限强度，从而不可避免地产生疲劳磨损，造成设备损坏。疲劳磨损在交变应力作用最频繁的接触摩擦部位常常发生，如齿轮泵的齿轮副和柱塞泵的滚动轴承，-旦发生就会对生产造成很大的影响，严重的甚至会影响到操作人员的生命。

1.3粘着磨损粘着磨损又称为咬合磨损”，是指在滑动摩擦时摩擦副接触面局部发生金属黏着，在随后相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒从零件表面被拉拽下来或零件表面被擦伤的-种磨损形式。液压装置的元件在诸如组成材料、形状尺寸、设备精度等条件固定不变的情况下，各个摩擦副的运动状态却各不相同，其接触方式可以有点、线、面的接触，相对运动方式又有滑动、滚动、往复和旋转等几种运动形式，所有这些组合出来的运动形式都可以看成是-种具有-定油膜厚度的油膜轴承”。而在采矿机械设备上，液压系统的工作压力更高，流量更大，这样采矿机械上的油膜轴承”压力更加大，相对摩擦副间的温度会更高，因而导致摩擦副间的油膜轴承”在工作时多处于半流体润滑和边界润滑状态。随着采矿机械工作时间变久和环境变得恶劣，摩擦副间的润滑面上油膜不能连续或者油膜发生破裂，就会使摩擦表面直接接触形成干摩擦运动。干摩擦运动的阻力非常大，摩擦副表面温度会在短时间内收稿日期：2013-04-10作者简介：郑维强(1986-)，男，山东莱芜市人，本科毕业，助理工程师，现在莱芜矿业有限公司工作。

· l2·迅速上升，导致表面金属软化从而引发粘着磨损。

1.4腐蚀及侵蚀磨损1.4.1腐蚀磨损腐蚀磨损是指摩擦副对偶表面在相对滑动过程中，表面材料与周围介质发生化学或电化学反应，并伴随机械作用而引起的材料损失现象。液压装置使用的油液中含有的杂质往往会引起装置中元件的腐蚀磨损。依照其定义，腐蚀磨损的产生是由于腐蚀和磨损的同时发生。经验表明：当液压油液中有固体颗粒物和水同时存在时造成的腐蚀速度和损坏程度都比只有水时更严重。

1.4.2侵蚀磨损侵蚀磨损是指含有硬颗粒的流体相对于固体表面运动，使固体表面受到冲蚀作用而产生的磨损。采矿机械没血的液压系统工作压力高、流量大，因此其工作过程中产生的液流冲击力也很大，因此它的作用面或被冲击面受到的击打力也更加大，在长期不断反复的作用下，金属表面就容易产生侵蚀腐蚀。经过计算分析和实际操作表明，在液压油的类别和结构材料固定的情况下，降低冲击速度是最好的降低冲击力的方法。

2采矿机械摩擦学设计在正常的连续工作条件下，采矿机械设备发生系统功能损坏大部分是因为其整体系统的结构发生有害的变化引起，而以上介绍的几种磨损又是发生这类损坏的主要原因，这几种磨损大部分是在摩擦过程中或经过摩擦产生。假设我们能够找到合适的方法把机械设备中的运动接触表面给隔开或者减小固体接触力，那么磨损所引起的设备故障是可以减小乃至消除的。

以压力场承受法向载荷、再使用弹性物体作柔性支承的边界元件来把运动接触表面隔开，是设计人员曾经想做的，但限于设计和制造水平，这样的设计还无法在采矿机械设备上进行应用。因此我们认为比较现实的方法是：把采矿机械设备设计指标加入摩擦学因素进行考量，通过考虑润滑需求，选用低摩擦材料，进行更好的表面处理等方案，降低摩擦对接触受力表面的影响，从而提高设备整体的性能。

2.1润滑设计按润滑材料的不同，润滑可以分为流体润滑和固体润滑；按摩擦状态不同，润滑可以分为流体润滑和边界润滑，介于流体润滑和边界润滑之间的润滑状态称为混合润滑，或称部分弹性流体动压润滑。研究及试验表明，润滑状态决定于摩擦副间的最小油膜厚度 h和摩擦副表面间的综合粗糙度有关。-般用膜厚比即最小油膜厚度和粗糙度的比值作为判断依据，如下式(1)所示：)L旦 hor1) /盯 盯式中：盯 和 分别是摩擦副中两个不同接触表面各自的粗糙度值；当时为表示该接触面中为流体润滑或者弹性流体润滑，其中流体润滑的油膜厚度要大于弹性流体润滑的油膜厚度。当处于这两种润滑状态下时，主要是润滑剂的本身的性质比如黏度以及黏压性质对摩擦起作用。3> >l为摩擦副处于混合润滑状态，摩擦面所承受的载荷分两部分来承担，-部分是润滑油膜的流体动压，另-部分由摩擦接触面上凸出的金属微粒承担，这种情况最容易发生磨损。当 <1时摩擦副接触面发生连续的摩擦，如果在这个时候能够在固体表面形成-层表面膜，便形成了边界润滑，也可以对减轻摩擦和磨损起作用。

2.2常用的磨损计算模型在设计阶段时就应该考虑到摩擦副元件的使用寿命，这对于采矿机械设备的设计尤为重要。首先我们需要建立采矿设备的摩擦学磨损计算模型，目前比较常用且受认可的磨损计算模型有以下两种：Arehard磨损计算模型：. QK (2)式中lQ表示磨损体积；P表示接触面受到的法向载荷；s表示摩擦滑动的绝对滑动量；H表示材料的流动压力，约等于材料的硬度；K表示该材料的黏着磨损系数，该值可以用实验确定。

Bayer磨损计算模型：该计算模型主要用于计算每个行程中磨损消耗的能量随行程而变化的磨损计算模型：d ㈩式中：N表示摩擦副的摩擦行程数；l表示摩擦副摩擦时的单行程绝对滑动量；f-表示接触表面的实际最大剪切应力；C为-个系统常数，可以由实验确定。

3结束语摩擦学是-门跨越多学科的综合型科学，其涉及的知识量和知识结构十分庞大复杂，这又给把它引人采矿机械设备设计带来更高难度和更多挑战。又因为许多摩擦现象还很难量化和模式化，有相当-部分的工作仍需要依靠经验和逻辑推理来进行，因此眷完善相关的专家系统是十分必要的。同时，液压系统作为采矿机械设备的主要装置，其在实际工作中经常是多种摩擦-起发生，所以在设计时需要综合考虑，分析旧能多的因素，才能最大可能地减轻摩擦和减少磨损。