提升機閘瓦摩擦特性研究

王建華

（同煤集團煤峪口礦大型設備隊， 山西 大同 037000）

引言

礦井提升機是煤礦生產的關鍵設備，也是保障安全的重要裝備，制動閘瓦是提升機制動裝置的核心部件，閘瓦的摩擦學特性決定了提升系統運行質量，也直接影響了全礦生產人員的生命安全。隨著礦井開采深度、生產規模和產能的迅速增加，礦井提升機運行速度、工作載荷和提升高度均有了巨大提升，國內應用提升機的運行速度可達20 m/s、工作載荷100 t[1]。高速、重載制動工況使閘瓦材料摩擦載荷嚴重增加，引發的高速過卷、打滑、墩罐等惡性事故有所增加，嚴重威脅了礦井人員和財產的安全。閘瓦材料摩擦特性是材料本身的物理屬性，開發新型閘瓦材料并提高其摩擦性能，可有效提高提升機制動系統的可靠性和安全性[2]。

1 磁性提升機閘瓦的性能測試方法

提升機閘瓦的評價指標為摩擦系數和磨損率，這兩項指標決定了制動功能的優劣，因此研究磁性閘瓦物理機械特性、摩擦特性和磨損規律是保證提升機安全穩定運行的重要前提[3]。

提升機液壓系統對稱布置，制動時油缸同時實施制動動作，油路整體為并聯結構，液壓缸推動閘瓦對制動盤施加制動，制動時液壓缸保壓無動作[4]。實驗前標定傳感器，液壓缸閘住飛輪不動，油缸壓緊和松開動作由兩電磁換向閥完成，由于實驗過程僅需要加壓油缸壓緊即可，無壓緊速度等要求，因此實驗裝置結構相對簡單，實驗裝置結構如圖1 所示。

實驗時摩擦盤在驅動電機帶動下旋轉，制動盤轉數通過感應式接近開關測量得出；正壓力通過氣缸對閘瓦試樣和制動盤實施；摩擦力由測力傳感器獲得；制動過程溫升由熱電耦測出，熱電偶在制動盤表面；實驗環境溫度由專門加熱裝置進行控制；試驗過程的溫度、速度、摩擦力等數據全部自動完成采集。

圖1 摩擦特性實驗簡圖

2 磁性提升機閘瓦摩擦試驗方案

閘瓦摩擦特性實驗執行機械行業中對礦井提升機盤形制動器閘瓦的相關標準進行測試，根據提升機實際制動工況設置試驗參數，參數如表1 所示。

表1 制動實驗參數表

閘瓦與摩擦盤的摩擦因數μ 計算公式為：

式中：F 為閘瓦對摩擦盤形成的摩擦力，N；P 為制動壓力，MPa；A 為摩擦接觸區面積，mm2。

采用螺旋測微器測量閘瓦試樣體積磨損率ω，其計算公式為：

式中：R 為理論摩擦半徑，mm；Nd為摩擦盤累計轉數；d1，d2分別為試驗前、后閘瓦試樣的平均厚度，mm；Fm為實驗獲得的平均摩擦力，N。

3 滑動速度對閘瓦摩擦的影響規律及機理

首先通過實驗研究滑動速度和摩擦系數之間的關系，保持恒定的制動壓力，制動盤旋轉速度越大摩擦熱產生越多，表面溫度也就越高，溫度的升高會引起摩擦面狀態改變，隨著物理性能的改變，混合摩擦模式產生，導致摩擦系數不斷降低，如圖2 所示。制動盤磨損率也會隨著滑動速度的增加而加劇，同時壓力增加磨損率也會顯著變大。其原理可以解釋為制動盤表面微凸體在高溫作用下不斷被剪切、移除，滑動速度和壓力增加，加劇了這一過程，從而引起摩擦系數降低，磨損率增加。

圖2 摩擦系數隨滑動速度的變化曲線

4 制動壓力對閘瓦摩擦的影響規律及機理

影響摩擦系數兩大因素為制動壓力和摩擦接觸面積，制動壓力增大會導致接觸區域產生彈性變形，從而增加摩擦實際接觸面積，但實際接觸面積的增加遠小于制動壓力的提升，在摩擦熱增加的過程中，摩擦系數隨著制動壓力增加開始不發生變化，但制動壓力達到一定值后反而出現摩擦系數減小的現象，其規律如圖3 所示。

5 溫度對閘瓦摩擦的影響規律及機理

閘瓦和制動盤的摩擦將會產生熱量，當熱量無法通過空氣擴散時，材料在接觸面的高溫作用下產生相應變化，通過實驗分析可以得出，制動盤物理性能變化拐點為180 ℃，低于這個溫度時材料結構穩定，當超過180 ℃時材料軟化，熱衰退現象明顯，摩擦系數迅速下降，如圖4 所示，同時材料的磨損率也相應增大，其原因可以歸納為當溫度升高在一定范圍內，接觸面表面的凸起對摩擦產生的剪切抗力變化不大，當超過180 ℃時，材料軟化后摩擦面的剪切抗力明顯降低，表面凸起迅速脫落，因此摩擦系數也迅速衰減，材料的磨損率也迅速增加。

圖3 摩擦系數隨制動壓力的變化曲線

圖4 摩擦系數隨溫度的變化曲線

6 結論

通過實驗研究滑動速度、制動壓力和工作溫度對閘瓦摩擦特性影響規律，證明摩擦系數與主動盤轉動速度、制動壓力和制動盤表面溫度變化成反比，磨損率與這三個因素成正比，其中滑動速度和溫度相互耦合共同作用，影響摩擦系數和磨損率的程度最大，制動壓力對摩擦系數和磨損率影響較低。通過分析磁性閘瓦的摩擦特性，為提升機設計新的制動系統和控制模式提供很好的原始數據和理論依據，對保證提升機安全生產具有重要意義。