在 摩擦学的发展 1687 - 5923 1687 - 5915 Hindawi出版公司 10.1155 / 2016/1483951 1483951 研究文章 在铝盐水冰的摩擦 Wallen-Russell 克里斯多夫 1 http://orcid.org/0000 - 0002 - 8384 - 8140 格里斯曼 本 1、2 2 华 孟 1 风险和减灾研究所 伦敦大学学院 高尔街 伦敦WC1E6BT 英国 ucl.ac.uk 2 工程部门 朴茨茅斯大学 位于建筑 位于道路 朴茨茅斯PO13DJ 英国 2016年 18 4 2016年 2016年 29日 10 2015年 29日 02 2016年 23 03 2016年 2016年 版权©2016年克里斯托弗·Wallen-Russell和本·里斯曼。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

冰在其他材料的摩擦控制加载在海上结构物和船舶在北极。然而,冰摩擦很复杂,因为其熔点附近冰在自然界中存在。摩擦加热会导致局部软化,也许融化和润滑,从而影响摩擦和创建一个反馈回路。冰因此可能取决于摩擦滑动速度和滑动的历史,以及总体温度。粗糙度的滑动摩擦材料也会影响。这里我们提出一系列的实验,结果滑铝盐水冰,并为粗糙度和温度控制。我们发现在铝盐水冰的摩擦 μ ice-al = 0.1 通常,但这个值随滑动条件。我们建议物理模型,解释了滑动摩擦的变化。

 1。介绍

背后的机制的研究冰的摩擦影响范围的研究领域,包括冬季运动( 1),北极航运和海上结构设计( 2, 3冰路)、车辆设计条件( 4),和冰川推进 5]。预测的能力(或控制)冰摩擦因此有经济价值,可以提高我们对冰冻圈的理解。

冰摩擦是更加困难比干摩擦模型,工作以来对摩擦释放热量,软化和有时融化冰层表面,改变摩擦系数和创建一个反馈回路。一些最近的研究表明,在冰上冰的摩擦取决于温度,滑动的速度,以及对历史的滑动但独立于正常负载( 6- - - - - - 8]。的摩擦模型冰的冰将冰硬度、冰的热性能,并假设asperity-asperity联系人的管理干摩擦的性质( 7, 9, 10]。

在本文中,我们研究海冰的摩擦铝随温度、表面粗糙度、滑动速度和滑动的历史。我们的目标是提高冰摩擦的本质的理解,我们选择铝作为辅助材料有两个原因。首先,铝及其合金被用于船舶(如s V北极星,aluminium-hulled船舶在北极过冬),离岸结构,和其他salt-water-sensitive沿海结构,但其摩擦在冰上尚未研究(与,例如,钢铁和混凝土 11- - - - - - 13])。北极海上结构物的ISO标准(ISO19906, ( 14)包含的信息摩擦的冰在钢铁和混凝土但不包括在其他材料,所以本研究可能为北极从业者添加到知识库中。也用于制造铝海冰研究实验设备( 15)及其摩擦这里需要解释其他的结果。其次,明显比冰越来越多导热铝,从而提供了一个有用的比较更传统的冰冰滑动摩擦。冰摩擦模型依赖于比较不同材料来区分不同材料特性的重要性( 9)新实验结果,以前自然的材料,可以为理论提供证据的冰摩擦。

 2。材料和方法 2.1。冰的准备

光盘的面向垂直柱状冰盐水是生长在绝缘(20厘米厚聚苯乙烯)丙烯酸圆柱形坦克在岩石和冰物理冷房间设施伦敦大学学院。光盘种植深度~ 100 - 110毫米的空气温度−10°C ( 6, 16]。冰有典型的晶粒尺寸10毫米的水平( x - - - - - - y )飞机和50 mm在垂直( z )方向。绝缘意味着只有冰的上表面暴露在寒冷的环境中,导致单向冷却海冰像观察自然增长。加热元件下面坦克保持盐水水库−2°C左右。冰从混合物中被冻结的水和33 g / L盐,导致大部分冰盐度接近8 ppt。冰的薄片,显示了晶体结构,如图所示 1。长方块尺寸240毫米×90毫米×90毫米使用带锯被削减。这些街区被精炼机给两对抛光表面平行。

冰的薄片 x - - - - - - y 飞机和 x - - - - - - z 飞机,显示柱状结构。

 2.2。实验装置

图 2显示了实验装置:双剪切配置,与中央滑块由盐水冰,在两边的铝块坐在基座。液压加载框架(黑色的框架如图 2)用于创建一个边荷载(也称为正常负载),和一个液压执行器提供负载幻灯片之间的中央块铝的。这也称为剪切载荷。的瞬时摩擦系数然后剪切载荷除以两倍的正常负载(因为正常负载作用于两个面)。整个负荷帧块坐落在一个环境室允许的温度控制。

(一个)显示了加载装置,包括一个20 T单轴压缩装置,一个环境室,和一个剪切加载框架;(b)显示一个特写的剪切加载框架。

两种类型的实验:“时间”和“交错速度。“这些实验让我们了解静态摩擦的发展以及动态摩擦力与滑动速度变化。总的来说,16“持有时间”在不同条件下实验和22“交错速度”实验。

2.2.1。保持时间测试

对于“持有时间”测试,中央大冰块移动速度常数(5×10−4女士−1)在20年代,点缀着时间块不感动。通常情况下,块离开了静态的时间越长,启动运动所需的力就越大。在这些实验中,我们调查的影响持有1 s, 10年代,100年代和1000年代。然后给出最大静摩擦测量摩擦在高加载后发生再次启动运动。

 2.2.2。交错的速度测试

中央大冰块滑过去的铝块1×10的速度−6女士−11×10−5女士−11×10−4女士−11×10−3女士−1,1×10−2女士−1连续的100年代。摩擦是在那期间平均滑动在稳态(或跨粘滑运动周期,下面讨论)。

典型摩擦系列两种不同滑动速度和保持时间测试如图 3。粘滑运动行为显然是在1×10的滑动速度−4女士−1在图 3(一个)。

示例图显示摩擦系数的变化。(一)摩擦与时间, v 年代 = 10−4女士−1、粗糙铝−2°C;(b)与时间的摩擦, v 年代 = 10−2女士−1、粗糙铝−2°C;(c)摩擦位移从一个典型的保持时间测试(−2°c,抛光铝)。增加静态摩擦后的静态接触清晰的20岁,29岁,38岁,47毫米位移和标记的阴谋。

总共5个冰块。我们观察到的结果之间没有相关性,一块被使用的次数。正常/侧负载应用(< 10)不久之前实验的开始。所有的载荷和位移都记录在间隔不到100毫秒的使用负载细胞和位移传感器外部校准之前使用。

铝块和两个不同等级的砂纸抛光两边给两种控制类型的粗糙度。“抛光”铝与碳化硅擦洗防水electrocoated砂纸的粗糙度cw - 600。“粗糙”铝手擦洗P120粗糙度的砂纸。块的尺寸300×100×100毫米。根据所需的实验条件下,铝块被旋转“粗糙”或“抛光”双方接触中央滑块冰。在所有的实验中,冰的滑动方向是垂直于柱状冰颗粒(cf。 10])。

 3所示。结果

我们运行时间测试和交错速度测试两种不同温度(−2°C和−10°C)和两种不同类型的铝粗糙度。(时变)摩擦系数计算的剪切载荷除以两倍的正常负载(因为摩擦发生在两个独立的联系飞机)。侧负载在大约1 kN,应用可封闭的手动液压泵。试验期间观察正常负载减少,可能是因为轻微泄漏的液压油。这种减少从未超过10%的原始正常负载和占的结果。

3.1。保持时间的实验 3.1.1。不同铝粗糙度的影响

图 4显示了一个比较的保存时间对抛光的影响和粗铝−2°C。图 5显示了相同的比较−10°C。标记的情节是等价标记如图 3 (c)。行代表对数最适合和允许与其他保存时间比较实验( 6, 10]。−2°C,表面的粗糙度明显影响静摩擦系数:静摩擦粗糙表面大约是两倍的平滑表面。−10°C,没有这样的区别是:观察到的行为几乎是独立于铝的粗糙度。

摩擦的函数保持时间对实验中粗糙(十字架)和抛光铝(三角形)−2°C。单个数据点代表独立的实验,行代表对数最适合。

摩擦是持有时间的函数的实验涉及粗糙和抛光铝−10°C。单个数据点代表独立的实验,行代表对数最适合。

 3.1.2。不同温度的影响

在数据 6和 7我们改建的数据数据 4和 5不同温度的影响。图 6显示了一个比较的摩擦抛光铝在10°C和−−2°C,从这个图,很明显,静摩擦在较低的温度高。图 7显示了一个类似的比较粗糙的铝。不同温度的影响不太明显,但静态摩擦仍在较低的温度高。

摩擦持有时间的函数的实验涉及抛光铝、比较−2°C(+)和−10°C(钻石)。对数最适合线拟合的平均结果。这里的数据相比也在数据单独列示 4和 5。

摩擦持有时间的函数的实验涉及的铝、比较−2°C(+)和−10°C(钻石)。对数最适合线拟合的平均结果。这里的数据相比也在数据单独列示 4和 5。

不同类型的粗糙度和温度,保持时间对静摩擦变化的影响(因此不同的斜坡在拟合直线)。这种行为可以被量化,如Schulson所述 17]。首先,没有观察到一些增加效果保持时间阈值 t t 。这段阈值后,静摩擦 μ 年代 增加与保持时间的对数 t h 直到到达一些极限抗剪强度。这是所描述的关系 (1) Δ μ = β 日志 10 ⁡ t h t t , 在哪里 Δ μ 最大静摩擦的区别吗 μ 年代 和稳态滑动摩擦。阈值内 t t 发现是我们的实验(0.06秒 17]。−10°C, β = 0.3 ± 0.03 摩擦的冰的冰( 17]。表 1我们的实验给出了等效值。

的值 β ,这使静摩擦的增长率,作为温度的函数和铝粗糙度。

温度/°C 抛光/粗糙的艾尔 β × 10 3
−2 抛光 6.4
−2 粗糙的 12.3
−10 抛光 8.5
−10 粗糙的 10.7

这些值的 β 明显低于在冰上冰:这告诉我们,静摩擦增加比冰冰在ice-aluminium慢慢滑动滑动。例如,这可以观察到从( 6),静态摩擦上升高达1 1000年代之后。我们也注意到,尽管摩擦和保持时间的对数线性关系是一种有用的近似,它不一定是描述性的现实。每一组保存时间的结果所示,摩擦10 s后持有的平均价值低于对数线性最适合线,表明真正的关系曲线向上与保持时间(在对数线性空间)。最后,我们注意到,这些结果仅限于静态乘以1000 s和可能不是更长的接触时间有效。一个限制是明确的:接触的摩擦强度不能大于冰的剪切强度,或剪切的冰将会失败,而不是摩擦滑动。

 3.2。交错速度实验

数据 8- - - - - - 11显示上的冰的摩擦测量铝在我们交错速度实验,如上所述。粘滑运动行为类型,负载周期性建立,然后随着寒冰屏障崩溃,在许多低速( v 年代 ≤10−4女士−1)实验。垂直酒吧在数据点代表最大的粘滑运动偏离平均值的程度(通常的粘滑运动周期大约是对称的意思),而主要标志代表着时间上的力量。在更高的速度,滑动更流畅。

摩擦滑动速度的函数上的冰铝、显示结果粗糙和抛光铝−2°C。

摩擦滑动速度的函数上的冰铝、显示结果粗糙,抛光铝−10°C。

摩擦滑动速度的函数上的冰铝、显示结果粗糙铝在10°C和−−2°C。这里的数据相比也在数据单独列示 8和 9。

摩擦滑动速度的函数上的冰铝、显示结果抛光铝在10°C和−−2°C。这里的数据相比也在数据单独列示 8和 9。

 3.2.1之上。不同铝粗糙度的影响

图 8显示了冰的动态摩擦系数与粗糙,抛光铝−2°C。摩擦(滑动速度的函数)的峰值10左右−4女士−1和较高的铝比光滑的铝。图 9显示了相同的实验−10°C。摩擦是最高10左右−4女士−1,但这里的粗糙度铝对滑动摩擦的影响不大。

 3.2.2。不同温度的影响

在数据 10和 11我们改建的数据数据 8和 9不同温度的影响。我们发现,对于粗糙和光滑的铝、动态摩擦在−−10°C高于2°C。

 4所示。讨论

上述结果证明一些一般原则。

冰的摩擦系数在铝大约是0.1。这一观点似乎持有广泛。在许多应用程序中,粗糙度、温度、滑动速度、滑动历史不清楚,或者一个图需要覆盖的一系列条件。为简单起见,在这种情况下,我们建议 μ = 0.1 。如果高摩擦值更为保守(可能并不总是如此)和一个保守的价值需要摩擦,然后选择 μ = 0.2 将包含我们所有的结果。

铝的动态摩擦的冰是定性类似冰的摩擦在冰上。以非常低的速度,冰摩擦速度增加而增加。在这个政权摩擦加热作用最小。联锁在冰上粗糙表面抗滑和必须剪或变形。滑动速度增加时,混乱有更少的时间来调整,所以表面微凸体强壮且摩擦相应地更高( 17]。在某个速度峰值摩擦。超过这个速度,摩擦变暖冰的能量,使其软化,并可能导致润滑的滑动界面附近的晶界滑动界面。在这个政权,增加了滑动速度会导致更多的能量耗散,软化或熔化,从而降低摩擦( 6]。这种行为已经反复观察到冰冰摩擦( 6- - - - - - 8, 18),在这里,我们看到类似的行为在铝摩擦的冰。

在所有的实验中,我们测量最大摩擦滑动的速度10−4女士−1,这表明最大10之间发生摩擦−5和10−3女士−1。

静态冰和铝之间的摩擦和接触时间增加。如果一个接口在正常加载的时间长度,然后再次启动运动所需的力随接触时间的日志。这是表面微凸体蠕变产生的机制入手,随着时间的推移,成为更广泛的,真正的接触面积增加。这真实接触面积增加导致增加摩擦( 10]。

我们的静摩擦结果量化的参数 β 衡量摩擦的程度随接触时间的日志(这相当于最佳直线的斜率在图下“保存时间实验”)。在实验测量冰在冰上的摩擦, β 被发现在0.3, β 已被证明是约0.1的摩擦钢铁上的冰和冰在PMMA(有机玻璃) 19]。我们的测量值 β 显著降低,约0.01:我们甚至发现1000年代(大约一刻钟)导致摩擦的增加小于0.1。类似的持有时间冰冰摩擦导致静摩擦高于动摩擦的0.5 - 1。治疗和加强我们的实验是大大低于同类实验与其他材料。一个可能的解释是,铝,具有高导热系数(~ 200 Wm−1K−1,而~ 20 Wm−1K−1对钢铁、~ 2 Wm−1K−1冰,~ 0.2 Wm−1K−1对PMMA),导热远离滑动界面更快,因此表面微凸体接触冷在正常负载下,减少变形。

摩擦是更高的− 10° C比− 2° C。这或许并不令人意外:−2°C更软化和融化更可能发生,因此,较高的温度会导致较低的摩擦。

粗糙度的重要性更加明显− 2° C比− 10° C。在我们的保持时间实验和staggered-speed实验,粗糙的摩擦导致显著高于铝抛光铝−2°C,但粗糙度影响不大−10°C。这可能与软化效果。粗糙的材料有更大的表面微凸体(这是什么导致粗糙度)。在温度接近融化,这些粗糙的硬材料(铝)缩进柔软的材料(ice)并导致较高的真实接触面积,导致更高的摩擦。在较低的温度,冰是更少的韧性,所以缩进可能低,真实接触面积(摩擦)影响较小的粗糙度铝。我们注意,冰,柔软的材料,磨损得更快,所以冰的最初的粗糙度不太可能影响稳态摩擦( 20.]。

临界滑动。临界滑动是测量静摩擦的影响持续时间( 21]。摩擦力与滑动衰变,从山顶静摩擦稳态动力滑动摩擦,和关键滑定义点摩擦=动摩擦+ 1 / e 这个范围。这里我们只使用一个滑动速度保持时间实验,所以我们无法确定临界滑动是否更好的表示为时间或距离:平均发生超过1.57毫米或3.36 s,这是在良好的协议与3 s的临界滑动时间报道里斯曼et al。 21]。

粘滑运动摩擦。摩擦粘滑运动经常被观察到,尤其是在实验10点−4女士−1(见图 3)。粘滑运动通常被理解为一个系统属性和取决于传动系统的刚度 19, 22]。力量崛起为滑块是固定和弹性能量建立执行机构。在某个阶段,这些力量足以克服静摩擦,导致较低的动态滑动摩擦和放松的致动器。周期性重复。在mms速度测量−1和cms−1我们看不到粘滑运动,所以看起来粘滑运动行为更可能出现在控制实验比在快速流动的滑动在北极。

 5。结论

冰的摩擦在铝与冰的摩擦在冰上定性相似:它表明slip-rate-strengthening气流速度较低时,摩擦变暖可以忽略不计,slip-rate-weakening高速一旦变暖导致软化的冰(和可能增加了润滑)。此外,静态摩擦高于动态摩擦,可能由于在静态接触表面微凸体的蠕变。(即静态摩擦增加得更慢。,increases less with hold time) for ice on aluminium than for ice on ice, ice on steel, or ice on PMMA (plexiglass). Friction varies with temperature and with roughness of the harder material, as predicted by intuitive models. Stick-slip friction was observed between sea ice and aluminium. These results may inform experiments where ice interacts with aluminium and may also prove useful to Arctic designers and practitioners. Further, the results show that the aluminium roughness affects the friction, particularly at temperatures close to melting: this result is likely to remain true for ice sliding on other metals and relatively hard materials. In cases where one number is needed to represent μ ice-al 在铝,冰的摩擦,我们推荐的值 μ = 0.1 。

 相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

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