法向荷載作用下橡膠與巖石間摩擦系數的研究

張睿

（江西理工大學 建筑與測繪工程學院，江西 贛州341000)

作為一種絕緣材料，橡膠在日常生活中的應用廣泛[1-4]。兩剛體發生摩擦時，其摩擦系數只與接觸面積有關，而與外部荷載、溫度及濕度等因素無關。橡膠與剛體發生摩擦時，由于接觸面發生了彈性變形,其摩擦現象變得復雜[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[7-10]、動摩擦系數[11-14]、填料及助劑對摩擦系數影響[15-16]和滑行速度對摩擦系數影響[17-18]幾個方面。

在靜摩擦系數方面，Takeshi Yamaguchi 等[12]研究了甘油浸潤下橡膠的高度和方向對靜摩擦系數的影響；張文剛[5]研究了橡膠與金屬之間的摩擦系數；王貴一[19]量化了摩擦系數在橡膠與金屬摩擦過程中與表面溫升的關系。但是不難發現：橡膠與巖石間的靜摩擦系數鮮少研究。本文根據自制的實驗裝置，進行了橡膠與巖石間靜摩擦系數的研究。

1 理論推導

在巖石上下都依次放置橡膠墊和鋼板，用粘結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，即在即將滑動的靜止狀態。此時可測得的巖石與橡膠間的靜摩擦系數。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，對試件左側施加軸向壓力FN，試件相對橡膠處于臨界平衡狀態時，FN與F 之間存在以下關系：

其中：n 為螺栓數量；f 為靜摩擦因數。

2 橡膠與巖石間靜摩擦系數測定

2.1 試驗裝置

橡膠作為非剛體，研究其與外部物體的摩擦時極易產生不規則變形，本裝置創造性的在橡膠的一側放置一塊鋼板，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變片，測量不同工況下螺栓收到的拉應變，結果匯總如表1 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的關系，與橡膠接觸的巖石面積應足夠大，且應保證一定的長度。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，無裂紋。

圖1 測定橡膠摩擦系數試驗裝置示意圖

表1 螺栓實際受力和計算結果匯總表

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，記錄螺栓旋緊力矩及軸向加載裝置數值，可得靜摩擦系數。

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。隨著法向荷載的增大，橡膠與巖石間的最大靜摩擦系數都先快速減小后緩慢減小，當橡膠厚度為3 mm 時，這種現象更為明顯。

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，該點的粘附破壞，在新的位置產生新的粘附元。此過程中，粘附不斷被破壞并形成新的粘附，循環往復，直至摩擦停止。

自然狀態下，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；橡膠與巖石發生摩擦時，其受到反復的壓縮與復原而導致能量消耗。換句話說，發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，橡膠與巖石產生部分接觸；發生相對滑動的趨勢或發生相對滑動時，巖石突出部分產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小），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逐漸減小，這與上述推論符合。

4 結論

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，結論如下：

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

4.2 橡膠與巖石發生摩擦時，同時存在粘附摩擦和變形摩擦。初始狀態形成的粘附元不斷被破壞并形成新的粘附，循環往復，直至摩擦停止。

4.3 自然狀態下，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；發生摩擦時，橡膠受到反復的壓縮與復原導致能量的消耗。