​多绳摩擦提升机衬垫摩擦失效问题研究

摩擦提升机是利用钢丝绳与村垫之间的摩擦来传递动力的。衬垫摩擦性能的好坏对其安全运行和钢丝绳与村垫的寿命产生直接影响，所以研究衬垫的摩擦失效问题对监测提升机的安全运行有重大意义。

一、衬垫失效的影响因素

村垫的摩擦失效是指衬垫在某种原因影响下，摩擦系数已不能满足传递摩擦力的安全要求，产生严重磨损或其它失效形式,如疲劳、断裂等。其主要影响因素有:

(1)提升机运行状况 在运行中,钢丝绳与村垫之间产生相对或绝对滑动而引起继发性失效，包括村垫的摩擦与磨损等;

(2)衬垫材质 衬垫的机械性能不能满足技术要求,包括强度、承受比压能力和耐磨性等，物理性能包括热量的传导和扩散能力。

二、衬垫材料的性能及对失效的影响

目前，我国多绳提升机多采用聚氯乙烯(PVC)村垫和聚氨酷(PU)衬垫，这两种村垫均属于聚合物，因此,拥有聚合物所具有的特性

1.物理状态

可以有四种状态，即粘流态、橡胶态、玻璃态和结晶态。确定其物理状态最常用的方法是确定其在载荷状态下力学性能的变化情况。图1是聚合物的可塑性随温度变化的-般规律。

2.热传导和扩散性
案氯乙烯和聚氨醋衬垫的热传导性和扩散性是较差的。作者研究的聚氯乙烯衬垫的导热系数只有0.145w/m·k,热扩散系数小于119577X10-7m/s。在传热学上，把导热系数0.23w/m·k的材料称为隔热材料。因此，如果PVC 村垫材料表面有热量存在的话,则此热量会积聚在表面，使表面温度急剧升高，从而影响材料的状态及性能。

三、滑动摩擦对衬垫失效的影响

1.滑动情况的分析

在摩擦提升机运行过程中，衬垫和钢丝绳之间可能产生的滑动有以下几种情况:

  (1)钢丝绳不动摩擦轮转动,当于在提升过程中，由于提升侧超重而提升不起来的情况即摩擦力和下放侧张力之和小于或等于重侧张力所引起的滑动现象

  (2)摩擦轮不动而钢丝绳在衬垫上滑动相当于在下放重物紧急制动时,摩擦轮已停止转动，而重侧的惯性力大于摩擦力和轻侧张力之和所引起的滑动现象;

  (3)摩擦轮和钢丝绳均处于运动状态时，两者之间存在的相对滑动分为钢丝绳速大于摩擦轮线速度和摩擦轮线速度大于钢丝绳速这两种情况。比如正常提升中的蠕动，钢丝绳在整体随摩擦轮运动的同时,还有反方向的滑动。此蠕动量很小，一般不会影响到提升机的安全运行，但它是使村垫产生经常性磨损的主要原因。还有下放重物时发生的滑绳，提升重物超重且重侧张力大于轻侧张力和摩擦力之和时发生和运动方向相反的滑动等。

2.对滑动过程中村垫受热情况的分析

当钢丝绳与衬垫在一定压力下相接触并产生相对运动时，在真正接触区就会发生滑动摩擦的热效应和机械效应,如摩擦热的生成磨损的产生及接触表面变形等现象，且摩擦的热效应和机械效应是相互联系的，这些现象对系统的摩擦性能有着显著的影响

耗散的摩擦能在一般情况下大部分转化为热量，小部分用于材料的弹塑性变形和对表面材料的破坏及继发性过程。由于摩擦热的份额占有绝对的优势，般认为耗散的摩擦功全部转化成热。产生的热量向钢丝绳和衬垫内扩散，扩散情况和热量在钢丝绳与衬垫之间的分配比例与其形状尺寸、导热性能及热容量有很大关系。

对围包弧内不同位置的受力分析可知，每个微小弧段上的摩擦力 是不同的，造成在不同位置处产生的摩擦热不同。由此推知，发生滑动时，在整个钢丝绳与衬垫的接触弧内各处的热源强度是不同的，且沿滑动方向逐渐增大。

3.滑动过程中村垫受热情况

对于摩擦轮不动,钢丝绳在衬垫上滑动的情况，衬垫的接触面始终受到摩擦加热的作用，而钢丝绳是不断更新的,两者传热性能相比，钢丝绳优于衬垫,所以产生的热量多数进入钢丝绳，少部分传入衬垫。值得注意的是,在摩擦过程中,钢丝绳进入接触区时吸收的热量可保存在绳内，在继续的摩擦中也将对衬垫起加热作用。图 3 表示了这种滑动情况下衬垫表层内温

度沿围包弧变化情况·。由此可以看出，随着摩擦的进行,热影响表面层在不断增厚，且入口处薄，出口处厚,村垫受热影响最大。(图中 P1、P2、P3、P4、P5、P6和P7分别为沿围包角180的均分点，P1为钢丝绳脱离接触点，P7 为开始接触点)。

图4表示采用文献[5]提出的方法，根据温度变化情况推算出的村垫表面热通量随滑动时间的变化情况(图 4a)和不同滑速下村垫表面热通量在围包角内的变化情况(图 4b)从图 4a中可以看出，随着滑动过程的继续，表面热通量趋于稳定。值得注意的是在接触弧的中部摩擦热对衬垫的影响较小(图 4b),这主要是因为钢丝绳有一定的刚性，弯曲时会对局部接触产生影响，从而影响摩擦的加热效果。摩擦热通量与滑速成正比对于钢丝绳不动摩擦轮转动的情况，衬垫不断更新，而参与接触的钢丝绳始终受到加热作用。在这种情况下,村垫处于周期加热和散热的过程，尽管不接触过程对衬垫表面的散热有较大作用,但由于钢丝绳内积累的热量对衬垫有强烈的附加加热作用和村垫内未散尽余热的存在，村垫的受热过程是一个不断跃变的过程。从图 5可以看出重侧张力也随着衬垫的周期性接触和离开而升高和降低，但总趋势在不断地下降。摩擦系数的变化情况是开始时为 0.422结束时为0.1512[2]对于相对滑动情况，钢丝绳和衬垫均处于运动状态，只是运动的速度和方向有所不同。对某处衬垫来讲，也是受到周期性的加热作用，接触时加热，脱离后散热。但运动速度较高时，由于累积在衬垫内热量的影响，在滑动接触的过程中村垫内储存的热量亦是逐步增加的。

4.摩擦热对村垫摩擦和磨损的影响

由于PVC和PU村垫的导热性能较差，滑动过程中摩擦热的存在对材料的摩擦性能有显著的影响。对于PVC 村垫,摩擦热影响衬垫摩擦性能主要表现为温度升高,使摩擦系数下降如图 6所示[2。通过实验和定量分析，文献[]指出，在提升机紧急制动情况下,摩擦轮不动钢丝绳在衬垫上滑动时，积聚在衬垫上的热量不超过摩擦耗散功的 5%。但这足以使衬垫的温度急剧升高，导致相态和结构发生变化,从而影响其摩擦和磨损性能。从图3图5可知，在继续滑动中由于热量的积聚，衬垫温度升高，其摩擦系数会不断下降，从而导致衬垫的摩擦失效。聚合物村垫的磨损主要有三种形式:

(1)微动磨损，即在正常的提升过程中由于钢丝绳在衬垫上的蠕动摩擦而造成的;

(2)窜绳磨损,即在提升过程中由于紧急制动时钢丝绳在衬垫上短时滑动造成的磨损;

(3)事故磨损或失效状态下的磨损，这多由继发滑动现象所造成。前两种的磨损量较小，经过加工后衬垫仍然能继续使用，对衬垫的摩擦系数影响不大,而后者一般情况下是衬垫报废。摩擦提升机采用的钢丝绳多为圆股绳和三角股绳。在一定压力下，光绳和村垫之间存在接触压痕。尽管在实际使用中，钢丝绳空隙间存有的增摩防锈油脂和磨屑会使接触压痕有所变化，但衬垫和钢丝绳之间的接触情况也不是简单的平面接触，所以钢丝绳在衬垫上的滑动实际上是在绳槽内窜动，只是在滑动速度突然增大(窜绳)时，改变了二者间的接触情况，从而造成钢丝绳在衬垫上犁动，产生磨损。为了深入了解滑动摩擦热对村垫摩擦和磨损情况的影响，文献[1]将摩擦生热在村垫表面积累所形成的温度变化区称为“热影响表面层”,它是影响材料摩擦性能的主要区域。随着滑动摩擦的继续,摩擦热不断产生，“热影响表面层”会不断增厚。当达到相态变化温度时,衬垫将软化或熔化，使其高聚物类键段发生断裂严重时熔化的衬垫料会粘附在钢丝绳表面，被运动的钢丝绳拖拉出来，产生严重的磨损。文献[2]通过对 PVC村垫的高温磨损研究表明，当村垫表面附近温度高于 90C时，将产生形如茶叶或创花状的磨损物;当温度高于 120C时，将产生形如带状的磨损物。当旧的表面层脱落以后，又会产生新的“热影响表面层”。继续前述过程，直至衬垫完全报废，产生严重事故。所以,摩擦产生的热量在衬垫表面的积累和积聚是造成其力学性能降低和严重磨损,继而产生摩擦失效的主要根源。

5.村垫失效的预防

从上面的分析可以看出,要保证摩擦提升机运行的可靠性，必须对衬垫的摩擦失效进行预防。因此,除严格遵守安全操作规程外,还要进行下面几方面的工作:

(1)对衬垫进行必要的摩擦性能测量，确定其摩擦系数的大小、衬垫的热物理性能和力学性能。因此，需要建立衬垫摩擦失效测试标准和测试方法以及必要的审查测试机构,确定衬垫的质量及应用范围。在这方面我校已经进行了长期的研究,研制了MCS 衬垫摩擦系数实验台，并建立了测试标准;

(2)建立必要的预防措施。如在购买或调换村垫时，对衬垫生产厂家的产品要进行质量认证，对放置时间较长的衬垫进行抽样调查，为安全地使用衬垫提供保障和技术分析依据;

(3)在使用衬垫过程中,注意搜集废旧或失效衬垫的数据资料，并进行分析研究;

(4)研制耐热衬垫，在衡量衬垫的摩擦性能上不仅要考虑它的耐压、耐磨性能,还要考虑它的耐热性或热扩散能力。在确保其耐压、耐磨和魔擦系数的前提下，增加衬势的热扩散能力也是保证衬垫安全长期运行的重要手段。

4.结论

村垫摩擦失效是影响提升机可靠安全运行的主要因素，衬垫失效主要由摩擦热效应和机械效应引起，且以热效应为主。摩擦热可以使衬垫材料发生变化,摩擦系数降低，从而影响提升机的安全运行。

要确保提升机安全可靠地运行，必须坚持对聚合物村垫进行检测。为了有效地分析衬垫摩擦失效的影响因素，必须在深入研究的基础上,进一步完善已经建立的衬垫测试标准和测试方法。在研制新型衬垫时,应注重衬垫的耐热性，尽可能提高聚合物衬垫的热扩散能力。