法向荷载作用下橡胶与岩石间摩擦系数的研究

张睿

（江西理工大学 建筑与测绘工程学院，江西 赣州341000)

作为一种绝缘材料，橡胶在日常生活中的应用广泛[1-4]。两刚体发生摩擦时，其摩擦系数只与接触面积有关，而与外部荷载、温度及湿度等因素无关。橡胶与刚体发生摩擦时，由于接触面发生了弹性变形,其摩擦现象变得复杂[5,6]。在橡胶摩擦性能的研究方面，前人做了许多详实而充分的研究，大体上就包括静摩擦系数[7-10]、动摩擦系数[11-14]、填料及助剂对摩擦系数影响[15-16]和滑行速度对摩擦系数影响[17-18]几个方面。

在静摩擦系数方面，Takeshi Yamaguchi 等[12]研究了甘油浸润下橡胶的高度和方向对静摩擦系数的影响；张文刚[5]研究了橡胶与金属之间的摩擦系数；王贵一[19]量化了摩擦系数在橡胶与金属摩擦过程中与表面温升的关系。但是不难发现：橡胶与岩石间的静摩擦系数鲜少研究。本文根据自制的实验装置，进行了橡胶与岩石间静摩擦系数的研究。

1 理论推导

在岩石上下都依次放置橡胶垫和钢板，用粘结剂使橡胶与钢板形成一个整体。螺栓可以对钢板、橡胶及岩石施加法向荷载，轴向加载装置可以对岩石施加轴向荷载。随着轴向荷载的增加，岩石相对于橡胶处于临界平衡状态，即在即将滑动的静止状态。此时可测得的岩石与橡胶间的静摩擦系数。装置示意图如图1 所示。

对每个螺栓施加大小为F 的拉力后，对试件左侧施加轴向压力FN，试件相对橡胶处于临界平衡状态时，FN与F 之间存在以下关系：

其中：n 为螺栓数量；f 为静摩擦因数。

2 橡胶与岩石间静摩擦系数测定

2.1 试验装置

橡胶作为非刚体，研究其与外部物体的摩擦时极易产生不规则变形，本装置创造性的在橡胶的一侧放置一块钢板，并使其与钢板成为一个整体，用以限制橡胶的变形和位移。对钢板、橡胶和岩石施加的法向荷载通过螺栓提供。扭矩扳手可以对螺栓施加确定大小的扭矩，通过计算转化为螺栓受到的拉力。在螺栓无螺纹的光滑螺杆部分粘贴应变片，测量不同工况下螺栓收到的拉应变，结果汇总如表1 所示。

2.2 试验试件

为了更好的研究不同法向荷载下岩石与橡胶间最大静摩擦系数的关系，与橡胶接触的岩石面积应足够大，且应保证一定的长度。进行细长杆的压缩试验时，需同时考虑其压杆稳定问题。综合以上原因，试验岩石的尺寸选取1500 mm× 100 mm ×60 mm。试验所用的橡胶为厚度3mm 和5mm的由NR，SBR 和IIR 等绝缘性能优良的非极性橡胶制成的绝缘胶垫。其外观无气泡，无肉眼可见杂质，无裂纹。

图1 测定橡胶摩擦系数试验装置示意图

表1 螺栓实际受力和计算结果汇总表

2.3 试验方法

分别对各个螺栓施加5 N·m，10 N·m，15 N·m，20 N·m 和25 N·m 的旋紧力矩。各种工况下，通过轴向加载装置对岩石施加轴向荷载，至岩石相对于橡胶处于临界平衡状态，记录螺栓旋紧力矩及轴向加载装置数值，可得静摩擦系数。

3 试验验证

如图2 表示不同荷载作用下岩石与橡胶间的静摩擦系数。随着法向荷载的增大，橡胶与岩石间的最大静摩擦系数都先快速减小后缓慢减小，当橡胶厚度为3 mm 时，这种现象更为明显。

橡胶的摩擦形式可分为粘附摩擦、变形摩擦及气窝摩擦三种类型，且以前两种摩擦形式最为常见，粘附摩擦的机理已有文献进行了详细的介绍。橡胶与岩石接触时，粘附形成。施加荷载，橡胶相对于岩石将产生相对滑动的趋势或相对滑动，粘附元中储存橡胶变形的弹性能；相对滑动继续，该点的粘附破坏，在新的位置产生新的粘附元。此过程中，粘附不断被破坏并形成新的粘附，循环往复，直至摩擦停止。

自然状态下，橡胶与岩石仅部分接触，接触的面积随法向荷载的增加而增加；橡胶与岩石发生摩擦时，其受到反复的压缩与复原而导致能量消耗。换句话说，发生摩擦的外力所作的功，有一部分用于橡胶的变形摩擦。在初始位置，橡胶与岩石产生部分接触；发生相对滑动的趋势或发生相对滑动时，岩石突出部分产生不对称的压力分布，改变的方向与橡胶运动的方向相反；滑动的速率继续增加时，橡胶的形变在通过这一突出部位后滞后了，突出部位压力分布的形状缓慢地趋向一个对称的形状（接触面积和形变程度均减小），滞后摩擦力减小。随着法向荷载的增大，橡胶与岩石之间的静摩擦系数逐渐减小，这与上述推论符合。

4 结论

本文研究了不同法向荷载作用下橡胶与岩石间的摩擦系数，结论如下：

4.1 随法向荷载的增大，橡胶与岩石间的静摩擦系数先快速减小后缓慢减小。

图2 不同法向荷载作用下岩石与橡胶间的静摩擦系数

4.2 橡胶与岩石发生摩擦时，同时存在粘附摩擦和变形摩擦。初始状态形成的粘附元不断被破坏并形成新的粘附，循环往复，直至摩擦停止。

4.3 自然状态下，橡胶与岩石仅部分接触，接触的面积随法向荷载的增加而增加；发生摩擦时，橡胶受到反复的压缩与复原导致能量的消耗。