淡水冰與不同材料間動(dòng)摩擦因數(shù)的試驗(yàn)

秦緒祥，姜連杰，周 慶，賈 青，韓紅衛(wèi)，李志軍

(1.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024;2.黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江安達(dá) 151400;3.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150086)

淡水冰與不同材料間動(dòng)摩擦因數(shù)的試驗(yàn)

秦緒祥1，姜連杰2，周 慶1，賈 青3，韓紅衛(wèi)1，李志軍1

(1.大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024;2.黑龍江省引嫩工程管理處，黑龍江安達(dá) 151400;3.黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150086)

為研究淡水冰的動(dòng)摩擦規(guī)律，通過(guò)不同材料的滑道對(duì)淡水冰與多種材料間的動(dòng)摩擦因數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了溫度、正壓力和滑動(dòng)速度的改變對(duì)動(dòng)摩擦因數(shù)的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明:各因素對(duì)動(dòng)摩擦因數(shù)的影響取決于接觸材料的表面粗糙程度，不同的接觸面其摩擦作用的機(jī)理不同，接觸面較粗糙時(shí)，摩擦力取決于軟接觸材料的抗剪強(qiáng)度;接觸面較光滑時(shí)，接觸界面的水膜對(duì)動(dòng)摩擦因數(shù)的增大起主導(dǎo)作用。冰與不同材料間的動(dòng)摩擦因數(shù)的大小順序?yàn)槟景?、混凝土、冰?/p>

淡水冰;抗剪強(qiáng)度;水膜;動(dòng)摩擦因數(shù);接觸面

我國(guó)北方冬季氣溫驟降時(shí)，很多內(nèi)陸湖、水庫(kù)或平緩的河流等地表水就會(huì)出現(xiàn)不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象。對(duì)于水庫(kù)冰來(lái)說(shuō)，天氣轉(zhuǎn)暖時(shí)，冰體會(huì)因受熱膨脹而對(duì)壩體的受力面產(chǎn)生擠壓。當(dāng)擠壓力大于冰塊自身的極限抗壓強(qiáng)度時(shí)冰塊破碎，破碎的冰塊在后續(xù)冰塊的擠推作用下，沿水庫(kù)護(hù)坡向上爬行，此過(guò)程中摩擦力對(duì)水利設(shè)施會(huì)產(chǎn)生很大的破壞作用;此外，冬季路面采取各種防滑措施時(shí)，摩擦同樣也是不可避免的，研究淡水冰的摩擦規(guī)律，對(duì)于各種水體的岸堤加固、路面防滑和沿岸建筑防護(hù)都有一定的實(shí)際意義。目前對(duì)淡水冰摩擦問(wèn)題的研究尚屬空白，只有國(guó)家海洋局海洋環(huán)境保護(hù)研究所的有關(guān)研究人員對(duì)渤海海冰的摩擦問(wèn)題做了初步研究［1］。本文通過(guò)淡水冰在不同材料滑道上的滑動(dòng)試驗(yàn)，對(duì)滑動(dòng)過(guò)程中動(dòng)摩擦因素的影響因素進(jìn)行試驗(yàn)研究，總結(jié)出一定的摩擦規(guī)律。

1 試驗(yàn)方法與數(shù)據(jù)處理

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)研究黑龍江大慶紅旗泡水庫(kù)淡水冰在不同的溫度、正壓力和滑動(dòng)速度條件下與不同材料間動(dòng)摩擦因數(shù)的變化規(guī)律。

a.滑道材料。采用3種不同的滑道材料:混凝土、冰和木板。

b.試驗(yàn)溫度模擬。試驗(yàn)溫度采用我國(guó)東北冬季氣溫環(huán)境來(lái)模擬，在試驗(yàn)過(guò)程中氣溫基本保持為某個(gè)恒定值，每次冰塊在現(xiàn)場(chǎng)放置30 min，即保證接觸面上的冰層溫度與氣溫相同。

c.正壓力。將不同質(zhì)量的方形冰塊進(jìn)行疊加，組合出不同的正壓力。本試驗(yàn)冰塊組合質(zhì)量分別為63.8kg，72.2 kg，78.1 kg，89.3 kg，103.2 kg 和 115.8 kg。其中底部冰塊不更換，即試驗(yàn)冰塊的表觀接觸面積保持為1040 cm2。由于淡水冰為偏彈性材料［2］，表觀接觸面積對(duì)動(dòng)摩擦因數(shù)會(huì)有影響［3］，因此將正壓力組合 換算 為:6 011.9 Pa，6 803.5 Pa，7359.4 Pa，8414.8 Pa，9724.6 Pa，10911.9 Pa。

d.滑動(dòng)速度。用電機(jī)拖曳冰塊，并用變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而使冰塊滑動(dòng)速度比較精確地控制在0～1 m/s范圍內(nèi)。

e.數(shù)據(jù)采集裝置。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)拖曳冰塊，測(cè)力傳感器將所受拉力通過(guò)數(shù)據(jù)線、電路橋盒和動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀采集到計(jì)算機(jī)，最后利用相關(guān)程序處理數(shù)據(jù)。

1.2 數(shù)據(jù)處理

利用SK1207BI數(shù)據(jù)處理軟件可得到摩擦力與時(shí)間的關(guān)系，如圖1所示，可以看出峰值對(duì)應(yīng)最大靜摩擦力。求滑動(dòng)摩擦力(下稱摩擦力)時(shí)，可取變化較為穩(wěn)定的一段，導(dǎo)出數(shù)據(jù)并求均值，最后求得動(dòng)摩擦因數(shù):

式中:μ為動(dòng)摩擦因數(shù);F為摩擦力;N為正壓力，即試驗(yàn)中的冰塊重力。

圖1 摩擦力與時(shí)間的關(guān)系

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 溫度對(duì)動(dòng)摩擦因數(shù)的影響

由于冬季氣溫變化不大，而試驗(yàn)溫度采用環(huán)境溫度，不易控制，因此只比較兩個(gè)不同溫度的動(dòng)摩擦因數(shù)大小。

在混凝土滑道上，選用7359.4 Pa的冰塊組合，測(cè)得動(dòng)摩擦因數(shù)如圖2所示。比較發(fā)現(xiàn)－2℃時(shí)的動(dòng)摩擦因數(shù)比－15℃時(shí)的相對(duì)偏小。

Bhushan［4］通過(guò)系統(tǒng)研究得出黏著摩擦原理:兩個(gè)光滑面在荷載作用下發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，其摩擦力

圖2 不同溫度時(shí)冰與混凝土間動(dòng)摩擦因數(shù)

實(shí)際上是兩表面的微凸體頂端發(fā)生相互剪切而產(chǎn)生的，這種情況下摩擦力主要取決于軟接觸材料的抗剪強(qiáng)度。溫度不同會(huì)引起冰塊抗剪強(qiáng)度變化，進(jìn)而影響摩擦力，產(chǎn)生不同的動(dòng)摩擦因數(shù)［5］。即當(dāng)實(shí)際接觸面積和正壓力不發(fā)生改變時(shí)，溫度引起的剪切強(qiáng)度變化會(huì)導(dǎo)致動(dòng)摩擦因數(shù)μ的變化:

式中:A為實(shí)際接觸面積;τ0為接觸界面的剪切強(qiáng)度。

在摩擦試驗(yàn)中用冰進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測(cè)試，將冰做成長(zhǎng)方柱狀(190 mm×100 mm×90 mm)，分別在－2℃和－15℃下以不同應(yīng)力速率進(jìn)行垂直生長(zhǎng)方向的剪切試驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)如圖3所示?？煽闯龃吮冢?5℃的抗剪強(qiáng)度比－2℃時(shí)高，符合黏著摩擦原理。

圖3 柱狀冰抗剪強(qiáng)度變化曲線

冰與木板的接觸面也具有圖2的規(guī)律，即動(dòng)摩擦因數(shù)在低溫時(shí)較高。

圖4為冰滑道上10 911.9 Pa的冰塊組合在不同溫度(－20℃和－2℃)下的摩擦情況?？梢钥闯?，冰與冰之間在－2℃時(shí)動(dòng)摩擦因數(shù)較大，背離了黏著摩擦原理。原因是摩擦生熱使部分冰融化，在接觸面生成一層水膜［6］，－2℃時(shí)水膜更豐富，而且水膜的黏著能力大于潤(rùn)滑能力，使得接觸面上的附加黏著力變大，動(dòng)摩擦因數(shù)相應(yīng)變大。Bluhm等［7］在采用側(cè)向力顯微鏡研究薄冰的摩擦力時(shí)，同樣得出接觸面間的水膜不能顯現(xiàn)潤(rùn)滑作用的結(jié)論，并認(rèn)為原因是實(shí)際接觸面太小。

圖4 不同溫度時(shí)冰與冰間動(dòng)摩擦因數(shù)

冰與混凝土、冰與木板的動(dòng)摩擦因數(shù)在低溫時(shí)偏大，而冰與冰的動(dòng)摩擦因數(shù)在低溫時(shí)偏小。

2.2 正壓力對(duì)動(dòng)摩擦因數(shù)的影響

當(dāng)接觸材料抗剪強(qiáng)度不受影響時(shí)，動(dòng)摩擦因數(shù)就與實(shí)際接觸面積和正壓力有關(guān)。當(dāng)正壓力N增大時(shí)，實(shí)際接觸面積也增大，且微凸體的塑性變形也增大，因此兩個(gè)固體在發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，摩擦力不隨正壓力增大，但大多數(shù)情況下動(dòng)摩擦因數(shù)都隨著正壓力的增大而減?。?］。本試驗(yàn)為保證冰的抗剪強(qiáng)度不變，設(shè)置相同的溫度和滑行速度，只調(diào)整正壓力大小。

圖5為－15℃的冰塊在混凝土上以兩種不同的速度滑動(dòng)時(shí)動(dòng)摩擦因數(shù)與正壓力的關(guān)系。

圖5 不同滑動(dòng)速度時(shí)冰與混凝土間動(dòng)摩擦因數(shù)與正壓力的關(guān)系

由圖5可見(jiàn)，在混凝土滑道上，隨著正壓力的增大動(dòng)摩擦因數(shù)有減小的趨勢(shì)。其原因?yàn)?當(dāng)剪切強(qiáng)度不受影響時(shí)，正壓力增大使得實(shí)際接觸面積增大，但由于冰和混凝土的塑性都比較差，實(shí)際接觸面積與載荷之間的變化關(guān)系是非線性的［3］，即實(shí)際接觸面積的增大相對(duì)于正壓力的增大比較慢，則動(dòng)摩擦因數(shù)會(huì)相應(yīng)減小。Pritchard等［9］認(rèn)為，當(dāng)正壓力增大時(shí)，實(shí)際接觸面積增大，相當(dāng)于兩種材料的相對(duì)粗糙度降低，因而動(dòng)摩擦因數(shù)也相應(yīng)減小。

圖6為－10℃的冰塊以不同速度在木板上滑動(dòng)時(shí)動(dòng)摩擦因數(shù)與正壓力的關(guān)系。從圖6可見(jiàn)，當(dāng)正壓力增大時(shí)，實(shí)際接觸面積也會(huì)增大，但是木板剛性不如冰塊或混凝土，容易發(fā)生變形，實(shí)際接觸面積增加較快，根據(jù)式(2)可知?jiǎng)幽Σ烈驍?shù)將增大;由于水膜的作用以及木板的特殊纖維結(jié)構(gòu)，當(dāng)壓力增大時(shí)，冰與木板間的黏附更加緊密，附加荷載增大，相應(yīng)動(dòng)摩擦因數(shù)也增大。

圖6 不同滑動(dòng)速度時(shí)冰與木板間動(dòng)摩擦因數(shù)與正壓力的關(guān)系

對(duì)冰塊在冰滑道上的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知即動(dòng)摩擦因數(shù)隨著正壓力的增大而增大。相對(duì)于木板，冰的塑性較小，接觸面積變化較慢，因此水膜的吸附作用對(duì)動(dòng)摩擦因數(shù)的增大起主導(dǎo)作用。

2.3 滑動(dòng)速度對(duì)動(dòng)摩擦因數(shù)的影響

－15℃ 情 況 下，將 正 壓 力 為8414.8Pa和10911.9Pa的冰塊組合在混凝土滑道上試驗(yàn)，測(cè)得動(dòng)摩擦因數(shù)與滑動(dòng)速度的關(guān)系如圖7所示。

圖7 不同正壓力時(shí)冰與混凝土間動(dòng)摩擦因數(shù)與滑動(dòng)速度的關(guān)系

由圖7可看出，淡水冰在混凝土上的動(dòng)摩擦因數(shù)是隨滑動(dòng)速度的增大而減小。Barker等［10］在研究海冰與砂礫質(zhì)海灘間的動(dòng)摩擦因數(shù)時(shí)也得出相同的結(jié)果。其原因可以由黏著摩擦原理解釋，即滑動(dòng)速度會(huì)對(duì)冰表面微凸體的抗剪強(qiáng)度產(chǎn)生影響，進(jìn)一步影響摩擦力，其中摩擦過(guò)程中的滑行速度體現(xiàn)為剪切過(guò)程中的位移速率。

同樣對(duì)試驗(yàn)冰樣進(jìn)行抗剪強(qiáng)度測(cè)試，圖8為－15℃下淡水冰抗剪強(qiáng)度隨著位移速率的變化趨勢(shì)(此圖為位移速率較快的情況)。可以看出，隨著冰塊剪切力加載時(shí)的位移速率增大，其抗剪強(qiáng)度明顯減小，當(dāng)速率增大到一定值時(shí)，抗剪強(qiáng)度趨于穩(wěn)定。隨著滑動(dòng)速度的增大，動(dòng)摩擦因數(shù)會(huì)減小，最后達(dá)到恒定值，此結(jié)論在圖7中得到反映。

圖8 抗剪強(qiáng)度隨位移速率的變化

圖9為恒定溫度下冰滑道上動(dòng)摩擦因數(shù)與滑動(dòng)速度的關(guān)系。由圖9可知，當(dāng)正壓力為8 414.8 Pa和6803.5 Pa時(shí)，動(dòng)摩擦因數(shù)隨速度增大而減小;當(dāng)正壓力為6 011.9 Pa時(shí)，摩擦因數(shù)受速度變化影響很小。冰塊在木板上滑行時(shí)，數(shù)據(jù)也呈現(xiàn)相同現(xiàn)象。由此可認(rèn)為，當(dāng)接觸面較光滑(冰與木板和冰與冰)時(shí)，正壓力較大的情況下，動(dòng)摩擦因數(shù)會(huì)受到滑動(dòng)速度的影響，并符合黏著摩擦原理，隨著滑動(dòng)速度增大動(dòng)摩擦因數(shù)有減小趨勢(shì);而正壓力較小時(shí)，滑動(dòng)速度對(duì)動(dòng)摩擦的影響很小。

圖9 不同正壓力時(shí)冰與冰間動(dòng)摩擦因數(shù)與滑動(dòng)速度的關(guān)系

2.4 不同接觸材料的動(dòng)摩擦因數(shù)

接觸材料的性質(zhì)會(huì)影響到動(dòng)摩擦因數(shù)的大小。當(dāng)接觸材料互溶性較大時(shí)，兩者易發(fā)生黏附現(xiàn)象，使得摩擦因數(shù)增大。對(duì)于塑性材料來(lái)說(shuō)，實(shí)際接觸面積不受粗糙度影響，因此其動(dòng)摩擦因數(shù)也不會(huì)受粗糙度影響;對(duì)于彈性或彈塑性材料，其表面粗糙度便會(huì)影響實(shí)際接觸面積，進(jìn)一步影響動(dòng)摩擦因數(shù)［11］。當(dāng)接觸面光滑平整、粗糙度較小時(shí)，表面間的分子力會(huì)產(chǎn)生很大的摩擦力，隨著表面粗糙度的增大，實(shí)際接觸面積相應(yīng)減少，動(dòng)摩擦因數(shù)也會(huì)下降，當(dāng)表面粗糙度繼續(xù)增大時(shí)，由于凸起對(duì)運(yùn)動(dòng)的阻擋作用使得動(dòng)摩擦因數(shù)增大［12］。

在10911.9 Pa冰塊組合、－2℃條件下分別在混凝土、木板和冰3種不同的滑道上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 不同滑動(dòng)速度時(shí)冰與各材料間的動(dòng)摩擦因數(shù)

相同條件下，動(dòng)摩擦因數(shù)從大到小的順序?yàn)?木板、混凝土、冰，而且數(shù)值上大概滿足μ木=3μ混凝土=6μ冰。Meine等［13］于 2002 年在研究硅片與不同材料間的摩擦情況時(shí)，得出摩擦力會(huì)隨著接觸面粗糙度的增大而增大的結(jié)論，但是這只適用于能發(fā)生彈性變形的摩擦情況。如果黏附作用在摩擦過(guò)程中起到支配作用，那么摩擦力將會(huì)隨粗糙度增大而減小。因此相同條件的冰塊在木板和混凝土上的摩擦表現(xiàn)為:雖然木板表面比混凝土表面光滑，但是木板上水膜的黏附作用占主導(dǎo)，木板上的動(dòng)摩擦因數(shù)更大一些，而且木板特殊結(jié)構(gòu)的親水性［14］，更會(huì)增強(qiáng)水膜的黏附作用。在比較冰滑道和混凝土滑道時(shí)，兩者以彈性變形為主，因而摩擦力隨粗糙度變大而增大，混凝土滑道上動(dòng)摩擦因數(shù)稍大。

3 結(jié)論

a.當(dāng)冰塊在比較粗糙的接觸面上滑動(dòng)時(shí)(如冰與混凝土)，溫度較高時(shí)動(dòng)摩擦因數(shù)略為顯小，動(dòng)摩擦因數(shù)隨著正壓力增大而出現(xiàn)減小趨勢(shì)，而且滑動(dòng)速度增大時(shí)，動(dòng)摩擦因數(shù)會(huì)減小。

b.當(dāng)冰塊在比較光滑的接觸面上滑動(dòng)時(shí)(如冰與木板)，溫度對(duì)動(dòng)摩擦因數(shù)的影響類似混凝土上的情況，但是滑行速度的影響開(kāi)始受到正壓力的影響，即正壓力較大時(shí)，隨著滑動(dòng)速度增大動(dòng)摩擦因數(shù)有減小趨勢(shì);而正壓力較小時(shí)，滑動(dòng)速度對(duì)動(dòng)摩擦系數(shù)的影響很小。隨著正壓力變大，動(dòng)摩擦因數(shù)相應(yīng)增大。

c.當(dāng)冰塊在很光滑的接觸面上滑動(dòng)時(shí)(如冰與冰)，較高溫度時(shí)動(dòng)摩擦因數(shù)略為顯大，滑行速度對(duì)動(dòng)摩擦因數(shù)的影響與木板界面情況相似，隨著正壓力增大動(dòng)摩擦因數(shù)有增大趨勢(shì)。

d.試驗(yàn)中冰與3種不同材料間動(dòng)摩擦因數(shù)的大小順序?yàn)槟景?、混凝土、冰，在?shù)值上大概滿足μ木=3μ混凝土=6μ冰。

e.接觸面的粗糙程度會(huì)決定摩擦機(jī)理:當(dāng)作用面較粗糙(冰與混凝土)時(shí)黏著摩擦理論占主導(dǎo);當(dāng)作用面較光滑(冰與木板和冰與冰)時(shí)，水膜理論更容易解釋出現(xiàn)的摩擦問(wèn)題，而且其中水膜的黏附作用體現(xiàn)得更加明顯。

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Experimental study on dynamic friction coefficient between freshwater ice and various materials

QIN Xuxiang1，JIANG Lianjie2，ZHOU Qing1，JIA Qing3，HAN Hongwei1，LI Zhijun1(1.The State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering，Dalian University of Technology，Dalian116024，China;2.North Nenjiang Conveyance Project Management Agency，Anda151400，China;3.College of Water Conservancy and Electric Power，Heilongjiang University，Harbin150086，China)

Based on tests carried out on sideways made of various materials，dynamic friction coefficients between freshwater ice and various materials were studied.The influences of temperature，positive pressure，and sliding velocity on the dynamic friction coefficient were analyzed.The test results show that the influences of temperature，positive pressure，and sliding velocity were mainly determined by the surface roughness of materials.Different contact areas have different friction mechanisms.For a rough touch area，friction is determined by the shear strength of soft material.The water film of the contact area plays a leading role in increasing the dynamic friction coefficient.The dynamic friction coefficient between freshwater ice and various materials followed the following order:plank，concrete，ice.

freshwater ice;shear strength;water film;dynamic friction coefficient;contact area

O313.5

A

1006-7647(2012)06-0079-05

10.3880/j.issn.1006-7647.2012.06.020

國(guó)家自然科學(xué)基金(51079021);大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(LP0903);黑龍江省水利廳科研開(kāi)發(fā)項(xiàng)目(HSKY 2011-04)

秦緒祥(1987—)，男，山東日照人，碩士研究生，主要從事冰物理和力學(xué)性質(zhì)研究。E-mail:tomxiangzi@163.com

2012-08-17 編輯:周紅梅)